[科普中国]-掺铒光纤放大器

掺铒光纤放大器(EDFA，即在信号通过的纤芯中掺入了铒离子Er3 + 的光信号放大器)是1985年英国南安普顿大学首先研制成功的光放大器，它是光纤通信中最伟大的发明之一。掺铒光纤是在石英光纤中掺入了少量的稀土元素铒(Er)离子的光纤，它是掺铒光纤放大器的核心。从20世纪80年代后期开始，掺铒光纤放大器的研究工作不断取得重大的突破。WDM技术、极大地增加了光纤通信的容量。成为当前光纤通信中应用最广的光放大器件。

应用光纤放大器是光纤通信系统对光信号直接进行放大的光放大器件。在使用光纤的通信系统中，不需将光信号转换为电信号，直接对光信号进行放大的一种技术。掺铒光纤放大器（EDFA，即在信号通过的纤芯中掺入了铒离子Er3 + 的光信号放大器）是英国南安普顿大学和日本东北大学首先研制成功的光放大器，它是光纤通信中最伟大的发明之一。

掺铒光纤是在石英光纤中掺入了少量的稀土元素铒（Er）离子的光纤，它是掺铒光纤放大器的核心。从20世纪80年代后期开始，掺铒光纤放大器的研究工作不断取得重大的突破。WDM技术、极大地增加了光纤通信的容量。成为当前光纤通信中应用最广的光放大器件1。

基本参数词名：掺铒光纤放大器

相关术语：Optical Amplifier

石英光纤掺稀土元素（如Nd、Er、Pr、Tm等）后可构成多能级的激光系统，在泵浦光作用下使输入信号光直接放大。提供合适的反馈后则构成光纤激光器。掺Nd光纤放大器的工作波长为1060nm及1330nm，由于偏离光纤通信最佳宿口及其他一些原因，其发展及应用受到限制。EDFA及PDFA的工作波长分别处于光纤通信的最低损耗（1550nm）及零色散波长（1300nm）窗口，TDFA工作在S波段，都非常适合于光纤通信系统应用。尤其是EDFA，发展最为迅速，已实用化。

在掺铒光纤发展的基础上，不断出现许多新型光纤放大器，例如，以掺铒光纤为基础的双带光纤放大器（DBFA），是一种宽带的光放大器，宽带几乎可以覆盖整个波分复用（WDM）带宽。类似的产品还有超宽带光放大器（UWOA），它的覆盖带宽可对单根光纤中多达100路波长信道进行放大。

EDFA的原理EDFA的基本结构，它主要由有源媒质（几十米左右长的掺饵石英光纤，芯径3-5微米，掺杂浓度（25-1000)x10-6）、泵浦光源（990或1480nm LD）、光耦合器及光隔离器等组成。信号光与泵浦光在铒光纤内可以在同一方向（同向泵浦）、相反方向（反向泵浦）或两个方向（双向泵浦）传播。当信号光与泵光同时注入到铒光纤中时，铒离子在泵光作用下激发到高能级上，三能级系统），并很快衰变到亚稳态能级上，在入射信号光作用下回到基态时发射对应于信号光的光子，使信号得到放大。其放大的自发发射（ASE）谱，带宽很大（达20-40nm），且有两个峰值，分别对应于1530nm和1550nm。

EDFA的主要优点是增益高、带宽大、输出功率高、泵浦效率高、插入损耗低、对偏振态不敏感等。

掺铒光纤放大器的工作原理 掺铒光纤放大器主要是由一段掺铒光纤（长约10-30m）和泵浦光源组成。其工作原理是：掺铒光纤在泵浦光源（波长980nm或1480nm）的作用下产生受激辐射，而且所辐射的光随着输入光信号的变化而变化，这就相当于对输入光信号进行了放大。研究表明，掺铒光纤放大器通常可得到15-40db的增益，中继距离可以在原来的基础上提高100km以上。那么，人们不禁要问：科学家们为什么会想到在光纤放大器中利用掺杂铒元素来提高光波的强度呢？我们知道，铒是稀土元素的一种，而稀土元素又有其特殊的结构特点。长期以来，人们就一直利用在光学器件中掺杂稀土元素的方法，来改善光学器件的性能，所以这并不是一个偶然的因素。另外，为什么泵浦光源的波长选在980nm或1480nm呢？其实，泵浦光源的波长可以是520nm、650nm、980nm、和1480nm，但实践证明波长1480nm的泵浦光源激光效率最高，次之是波长980nm的泵浦光源。

物理结构掺铒光纤放大器基本结构。在输入端和输出端各有一个隔离器，目的是使光信号单向传输。泵浦激器波长为980nm或1480nm，用于提供能量。耦合器的作用是把输入光信号和泵浦光耦合进掺铒光纤中，通过掺铒光纤作用把泵浦光的能量转移到输入光信号中，实现输入光信号的能量放大。实际使用的掺铒光纤放大器为了获得较大的输出光功率，同时又具有较低的噪声指数等其他参数，采用两个或多个泵浦源的结构，中间加上隔离器进行相互隔离。为了获得较宽较平坦的增益曲线，还加入了增益平坦滤波器。

EDFA主要由5个部分组成：掺铒光纤（EDF）、光耦合器（WDM）、光隔离器（ISO）、光滤波器（Optical Filter）、泵浦源（Pumping Supply）。如下图所示。

常用的泵浦源包括980nm和1480nm，这两种泵浦源的泵浦效率较高，从而使用也较多。

980nm的泵浦光源噪声系数较低；1480nm的泵浦光源泵浦效率更高，可以获得较大的输出功率（与980nm泵浦光源高3dB左右）1。

优点工作波长与单模光纤的最小衰减窗口一致。

耦合效率高。由于是光纤放大器，易与传输光纤耦合连接。

能量转换效率高。掺铒光纤EDF的纤芯比传输光纤小，信号光和泵浦光同时在掺铒光纤EDF中传输，光能力非常集中。这使得光与增益介质Er离子的作用非常充分，加之适当长度的掺铒光纤，因而光能量的转换效率高。

增益高、噪声指数较低、输出功率大，信道间串扰很低。

增益特性稳定：EDFA对温度不敏感，增益与偏振相关性小。

增益特性与系统比特率和数据格式无关。

缺点l非线性效应：

EDFA采用提高注入光纤中光功率的方式放大光功率，但并不是越大越好。当光功率增大到一定程度时，将产生光纤非线性效应。所以，在使用光纤放大器时，要注意控制单信道入纤光功率的数值。

增益波长范围固定： C波段EDFA的工作波长范围为1530nm~1561nm；L波段EDFA的工作波长范围为1565nm~1625nm。

增益带宽不平坦：EDFA的增益带宽很宽，但是EDF本身的增益谱不平坦。在WDM系统中应用时必须采取增益平坦滤波器使其增益平坦。

光浪涌问题：

当光路正常时，由泵浦光激励的铒离子被信号光带走，从而完成信号光的放大。如果截断输入光，由于亚稳态的铒离子仍不断聚集，一旦恢复信号光输入，将产生能量跳变，导致光浪涌。

解决光浪涌的方法是在EDFA中实现自动光功率减弱（APR）或自动光功率关断（APSD）功能，即EDFA在无输入光时自动降低功率或自动关断功率，从而抑制浪涌现象的发生。

应用方式1.功率放大器（booster-Amplifier），处于合波器之后，用于对合波以后的多个波长信号进行功率提升，然后再进行传输，由于合波后的信号功率一般都比较大，所以，对一功率放大器的噪声指数、增益要求并不是很高，但要求放大后，有比较大的输出功率。

2.线路放大器（Line-Amplifier），处于功率放大器之后，用于周期性地补偿线路传输损耗，一般要求比较小的噪声指数，较大的输出光功率。

3.前置放大器（Pre-Amplifier），处于分波器之前，线路放大器之后，用于信号放大，提高接收机的灵敏度（在光信噪比（OSNR）满足要求情况下，较大的输入功率可以压制接收机本身的噪声，提高接收灵敏度），要求噪声指数很小，对输出功率没有太大的要求2。

实际应用掺铒光纤放大器在常规光纤数字通信系统中应用，可以省去大量的光中继机，而且中继距离也大为增加，这对于长途光缆干线系统具有重要意义。其主要应用包括：

1、可作光距离放大器。传统的电子光纤中继器有许多局限性。如，数字信号和模拟信号相互转换时，中继器要作相应的改变；设备由低速率改变成高速率时，中继器要随之更换；只有传输同一波长的光信号，且结构复杂、价格昂贵，等等。掺铒光纤放大器则克服了这些缺点，不仅不必随信号方式的改变而改变，而且设备扩容或用于光波分复用时，也无需更换。

2、可作光发送机的后置放大器及光接收机的前置放大器。作光发送机的后置放大器时，可将激光器的发送功率从0db提高到+10db。作光接收机的前置放大器时，其灵敏度也可大大提高。因此，只需在线路上设1-2个掺铒放大器，其信号传输距离即可提高100-200km。

此外，掺铒光纤放大器待解决的问题

掺铒光纤放大器的独特优越性已被世人所公认，并且得到越来越广泛的应用。但是，掺铒光纤放大器也存在着一定的局限性。比如，在长距离通信中不能上下话路、各站业务联系比较困难、不便于查找故障、泵浦光源寿命不长，随着光纤通信技术的不断进步，这些问题将会得到完满的解决。

噪声系数噪声系数的基本定义：F = total output noise power/output noise power due to input source,其中F称为Noise Factor，如果用dB表示，称为Noise Figure或NF。 输出噪声功率包含两部分：噪声源输入噪声引起的噪声功率输出和系统本身产生的噪声功率输出3。

本词条内容贡献者为:

李嘉骞 - 博士 - 同济大学