中心議題：

• EDFA的原理及結構
• EDFA的級聯應用
• EDFA級聯應用的增益

解決方案：

• 增益分為兩級，需正確分配兩級問的增益
• 每一級各自一定的泵浦功率下，找到摻鉺光纖的最佳長度

無(wu)線(xian)光(guang)通(tong)信(xin)是(shi)以(yi)激(ji)光(guang)作(zuo)為(wei)信(xin)息(xi)載(zai)體(ti)，是(shi)一(yi)種(zhong)不(bu)需(xu)要(yao)任(ren)何(he)有(you)線(xian)信(xin)道(dao)作(zuo)為(wei)傳(chuan)輸(shu)媒(mei)介(jie)的(de)通(tong)信(xin)方(fang)式(shi)。與(yu)微(wei)波(bo)通(tong)信(xin)相(xiang)比(bi)，無(wu)線(xian)光(guang)通(tong)信(xin)所(suo)使(shi)用(yong)的(de)激(ji)光(guang)頻(pin)率(lv)高(gao)，方(fang)向(xiang)性(xing)強(qiang)(保密性好)，可用的頻譜寬
，無需申請頻率使用許可
；與光纖通信相比，無線光通信造價低，施工簡便、迅速。它結合了光纖通信和微波通信的優勢
，已成為一種新興的寬帶無線接人方式，受到了人們的廣泛關注。

但是，惡劣的天氣情況，會對無線光通信係統的傳播信號產生衰耗作用。空氣中的散射粒子，會使光線在空問、時shi間jian和he角jiao度du上shang產chan生sheng不bu同tong程cheng度du的de偏pian差cha。大da氣qi中zhong的de粒li子zi還hai可ke能neng吸xi收shou激ji光guang的de能neng量liang，使shi信xin號hao的de功gong率lv衰shuai減jian，在zai無wu線xian光guang通tong信xin係xi統tong中zhong光guang纖xian通tong信xin係xi統tong低di損sun耗hao的de傳chuan播bo路lu徑jing已yi不bu複fu存cun在zai。大da氣qi環huan境jing多duo變bian的de客ke觀guan性xing無wu法fa改gai變bian
，要yao獲huo得de更geng好hao更geng快kuai的de傳chuan輸shu效xiao果guo，對dui在zai大da氣qi信xin道dao傳chuan輸shu的de光guang信xin號hao就jiu提ti出chu了le更geng高gao的de要yao求qiu，一yi般ban地di，采cai用yong大da功gong率lv的de光guang信xin號hao可ke以yi得de到dao更geng好hao的de傳chuan輸shu效xiao果guo。隨sui著zhe光guang纖xian放fang大da器qi(EDFA)的迅速發展，穩定可靠的大功率光源將在各種應用中滿足無線光通信的要求。

EDFA的原理及結構

摻鉺光纖放大器(EDFA)具有增益高

、噪聲低
、頻帶寬、輸出功率高、連(lian)接(jie)損(sun)耗(hao)低(di)和(he)偏(pian)振(zhen)不(bu)敏(min)感(gan)等(deng)優(you)點(dian)，直(zhi)接(jie)對(dui)光(guang)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)放(fang)大(da)，無(wu)需(xu)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)電(dian)信(xin)號(hao)，能(neng)夠(gou)保(bao)證(zheng)光(guang)信(xin)號(hao)在(zai)最(zui)小(xiao)失(shi)真(zhen)情(qing)況(kuang)下(xia)得(de)到(dao)穩(wen)定(ding)的(de)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)。

1．1EDFA的原理
EDFA的泵浦過程需要使用三能級係統，如圖1所示。
　　

在摻鉺光纖中注入足夠強的泵浦光，就可以將大部分處於基態的Er3+離子抽運到激發態，處於激發態的Er3+離子又迅速無輻射地轉移到亞穩態。由於Er3+離子在亞穩態能級上壽命較長，因此很容易在亞穩態與基態之間形成粒子數反轉。當信號光子通過摻鉺光纖時，與處於亞穩態的Er3+離子相互作用發生受激輻射效應，產生大量與自身完全相同的光子
，這時通過摻鉺光纖傳輸的信號光子迅速增多，產生信號放大作用。Er3+離子處於亞穩態時
，除了發生受激輻射和受激吸收以外，還要產生自發輻射(ASE)，它造成EDFA的噪聲。

1．2EDFA的結構
典型的EDFA結構主要由摻鉺光纖(EDF)
、泵浦光源


、耦合器、隔離器等組成。

摻鉺光纖是EDFA的de核he心xin部bu件jian。它ta以yi石shi英ying光guang纖xian作zuo為wei基ji質zhi，在zai纖xian芯xin中zhong摻chan人ren固gu體ti激ji光guang工gong作zuo物wu質zhi鉺er離li子zi，在zai幾ji米mi至zhi幾ji十shi米mi的de摻chan鉺er光guang纖xian內nei，光guang與yu物wu質zhi相xiang互hu作zuo用yong而er被bei放fang大da
、增強。光隔離器的作用是抑製光反射，以確保放大器工作穩定
，它必須是插入損耗低，與偏振無關


，隔離度優於40dB。

圖2為單向泵浦方式結構
，此外還有反向泵浦，雙向泵浦方式結構。
　　　　　

1．3EDFA的特性及性能指標
增益特性表示了放大器的放大能力
，其定義為輸出功率與輸入功率之比：


式中：Pout,Pin分別表示放大器輸出端與輸入端的連續信號功率。增益係數是指從泵浦光源輸入1mW泵浦光功率通過光纖放大器所獲得的增益，其單位為dB／mW：

式中：g0是由泵浦強度定的小信號增益係數，由於增益飽和現象
，隨著信號功率的增加，增益係數下降；Is，Ps分別為飽和光強和飽和光功率，是表明增益物質特性的量
，與摻雜係數、熒光時間和躍遷截麵有關。

增益和增益係數的區別在於：增益主要是針對輸入信號而言的，而增益係數主要是針對輸入泵浦光而言的。另外，增益還與泵浦條件(包括泵浦功率和泵浦波長)有關，目前采用的主要泵浦波長是980nm和1480nm。由於各處的增益係數是不同的
，而增益須在整個光纖上積分得到
，故此特性可用以通過選擇光纖長度得到較為平坦的增益譜。

1．4EDFA的帶寬
增益頻譜帶寬指信號光能獲得一定增益放大的波長區域。實際上的EDFA的增益頻率變化關係比理論的複雜得多，它還與基質光纖及其摻雜有關。在EDFA的增益譜寬已達到上百納米．而且增益譜較平坦。ED-FA的增益頻譜範圍在1525～1565nm之間。

EDFA的級聯應用

2．1EDFA的級聯結構

EDFA對光信號功率的放大
，特別在無線光通信大功率(瓦級)應用中
，常常采用級聯的方式，比如兩級或者三級放大。之所以采用級聯的方式，是因為在EDFA的摻鉺光纖(EDF)中插入一個光隔離器
，構成帶光隔離器的兩段級聯EDFA，由於光隔離器有效地抑製了第二段：EDF的反向自發輻射(ASE)，使其不能進入第一段EDF，減少了泵浦功率在反向ASE上的消耗


，使泵浦光子更有效地轉換成信號光能量
，從而可以明顯改善EDFA的增益、噪聲係數和輸出功率等特性。本文采用麗級級聯放大，將1～2mW的1550nm光信號
，經EDFA放大到1W左右。級聯結構如圖3所示。

　　　　　

光信號由LD激光器產生

，是已調製的信號，第一級放大采用單包層摻鉺光纖放大器，980nm單模半導體激光器作為泵浦源，將光功率放大到50mW附fu近jin。第di一yi級ji采cai用yong單dan模mo半ban導dao體ti激ji光guang器qi泵beng浦pu，先xian將jiang光guang信xin號hao穩wen定ding可ke靠kao的de放fang大da到dao一yi定ding功gong率lv，保bao證zheng了le整zheng個ge光guang信xin號hao的de完wan整zheng
，又you為wei下xia一yi級ji光guang放fang大da提ti供gong了le較jiao高gao的de光guang功gong率lv基ji礎chu。第di二er級ji采cai用yong雙shuang包bao層ceng光guang纖xian放fang大da器qi，多duo模mo半ban導dao體ti激ji光guang器qi泵beng浦pu源yuan將jiang光guang功gong率lv放fang大da到dao1W左右。雙包層光纖放大器纖芯比單包層纖芯大
，泵浦功率可以有效地耦台到纖芯中，使第二級光信號的輸出功率可達到瓦級。
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EDFA級聯應用的增益

2．2．1增益計算
對EDFA級聯的整體光功率增益：



其中：Pout表示EDFA兩級放大後的輸出光功率，Pin表示需要放大的輸入光功率。
在本文中
，光放大采用了兩級級聯放大，第一級增益為G1：

其中第一級的輸出為第二級的輸入

，P''''''''''''''''out=P''''''''''''''''in=P
，所以：

即，整體增益等於兩級增益之和，本文的整體光功率增益為：

第一級增益為17dB
，第二級增益為13dB，1W的光功率經過準直聚焦
，再有光學鏡頭發射到大氣信道，大大提高了光信號的有效傳輸距離。

影響增益的因素

EDFA的(de)增(zeng)益(yi)與(yu)諸(zhu)多(duo)因(yin)素(su)有(you)關(guan)，如(ru)摻(chan)鉺(er)光(guang)纖(xian)的(de)長(chang)度(du)，隨(sui)著(zhe)摻(chan)鉺(er)光(guang)纖(xian)長(chang)度(du)的(de)增(zeng)加(jia)，增(zeng)益(yi)經(jing)曆(li)了(le)從(cong)增(zeng)加(jia)到(dao)減(jian)少(shao)的(de)過(guo)程(cheng)，這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)隨(sui)著(zhe)光(guang)纖(xian)長(chang)度(du)的(de)增(zeng)加(jia)
，光(guang)纖(xian)中(zhong)的(de)泵(beng)浦(pu)功(gong)率(lv)將(jiang)下(xia)降(jiang)，使(shi)得(de)粒(li)子(zi)反(fan)轉(zhuan)數(shu)降(jiang)低(di)，最(zui)終(zhong)在(zai)低(di)能(neng)級(ji)上(shang)的(de)鉺(er)離(li)子(zi)數(shu)多(duo)於(yu)高(gao)能(neng)級(ji)上(shang)的(de)鉺(er)離(li)子(zi)數(shu)，粒(li)子(zi)數(shu)恢(hui)複(fu)到(dao)正(zheng)常(chang)的(de)數(shu)值(zhi)。

youyuchanerguangxianbenshendesunhao，zaochengxinhaoguangzhongbeixishoudiaodeguangziduoyushoujifushechanshengdeguangzi

，yinqizengyixiajiang。youshangshutaolunkezhi
，duiyumougequedingderushebengpugonglv，cunzaizheyigechanerguangxiandezuijiachangdu
，shidezengyizuida。zengyiyuchanerguangxianchangdudeguanxirutu4所示。
　　

EDFA的增益還跟輸入光的程度、泵浦光功率及光纖中鉺離子Er3+的(de)濃(nong)度(du)都(dou)有(you)關(guan)係(xi)
，如(ru)小(xiao)信(xin)號(hao)輸(shu)入(ru)時(shi)的(de)增(zeng)益(yi)係(xi)數(shu)大(da)於(yu)大(da)信(xin)號(hao)輸(shu)入(ru)時(shi)的(de)增(zeng)益(yi)係(xi)數(shu)。當(dang)輸(shu)入(ru)光(guang)弱(ruo)時(shi)，高(gao)能(neng)位(wei)電(dian)子(zi)的(de)消(xiao)耗(hao)減(jian)少(shao)並(bing)可(ke)從(cong)泵(beng)激(ji)得(de)到(dao)充(chong)分(fen)的(de)供(gong)應(ying)
，因(yin)而(er)，受(shou)激(ji)輻(fu)射(she)就(jiu)能(neng)維(wei)持(chi)達(da)到(dao)相(xiang)當(dang)的(de)程(cheng)度(du)。當(dang)輸(shu)入(ru)光(guang)變(bian)強(qiang)時(shi)
，由(you)於(yu)高(gao)能(neng)位(wei)的(de)電(dian)子(zi)供(gong)應(ying)不(bu)充(chong)分(fen)
，受(shou)激(ji)輻(fu)射(she)光(guang)的(de)增(zeng)加(jia)變(bian)少(shao)
，於(yu)是(shi)就(jiu)出(chu)現(xian)飽(bao)和(he)。泵(beng)浦(pu)光(guang)功(gong)率(lv)越(yue)大(da)，摻(chan)鉺(er)光(guang)纖(xian)越(yue)長(chang)，3dB飽和輸出功率也就越大。其次與當Er3+的濃度超過一定值時
，增益反而會降低，因此要控製好摻鉺光纖的鉺離子濃度。

采用EDFA後(hou)
，提(ti)高(gao)了(le)注(zhu)入(ru)光(guang)纖(xian)的(de)功(gong)率(lv)，但(dan)當(dang)大(da)到(dao)一(yi)定(ding)數(shu)值(zhi)時(shi)，將(jiang)產(chan)生(sheng)光(guang)纖(xian)非(fei)線(xian)性(xing)效(xiao)應(ying)和(he)光(guang)泄(xie)漏(lou)效(xiao)應(ying)
，這(zhe)影(ying)響(xiang)了(le)係(xi)統(tong)的(de)傳(chuan)輸(shu)距(ju)離(li)和(he)傳(chuan)輸(shu)質(zhi)量(liang)。另(ling)外(wai)色(se)散(san)問(wen)題(ti)變(bian)成(cheng)了(le)限(xian)製(zhi)係(xi)統(tong)的(de)突(tu)出(chu)問(wen)題(ti)，可(ke)以(yi)選(xuan)用(yong)G653光纖(色散位移光纖DSF)或非零色散光纖(NZDF)來解決這一問題。

EDFA級聯的改進

之所以采用EDFA級聯的方式
，一是插入兩級間的光隔離器有效地抑製了第二段EDF的反向自發輻射(ASE)，使其不能進入第一段EDF，減少了泵浦功率在反向ASE上的消耗
，使泵浦光子更有效地轉換成信號光能量
；二er是shi分fen為wei兩liang級ji後hou
，各ge自zi的de增zeng益yi可ke以yi任ren意yi分fen配pei，可ke以yi根gen據ju不bu同tong的de增zeng益yi要yao求qiu和he應ying用yong環huan境jing改gai變bian相xiang應ying的de增zeng益yi。但dan是shi
，要yao在zai保bao證zheng信xin號hao無wu失shi真zhen的de情qing況kuang下xia得de到dao最zui佳jia的de光guang功gong率lv增zeng益yi，還hai需xu要yao解jie決jue一yi些xie問wen題ti：

(1)由於增益分為兩級
，如何分配兩級問的增益才能在現有的EDF、泵浦源功率等條件下使得光放大的實現更容易，這與EDF的放大能力，泵浦遠功率大小

、穩定性
，泵浦光波長及其模式等均有密切相關。

(2)在每一級各自一定的泵浦功率下，找到摻鉺光纖的最佳長度。當EDF過短時
，由於對泵浦吸收的不充分而導致增益降低
；而當EDF過長時，由於泵浦光在EDF內被鉺離子吸收，泵浦功率逐漸下降，當功率降至泵浦閾值以下時

，就不能形成粒子數反轉
，此時，這部分EDF不僅對信號光無放大作用，反而吸收了已放大的部分信號，造成增益的下降，同時也會引起噪聲係數的增大。

(3)如(ru)果(guo)需(xu)要(yao)更(geng)高(gao)的(de)光(guang)功(gong)率(lv)輸(shu)出(chu)，幾(ji)十(shi)瓦(wa)甚(shen)至(zhi)上(shang)百(bai)瓦(wa)，可(ke)考(kao)慮(lv)更(geng)高(gao)級(ji)聯(lian)的(de)方(fang)法(fa)
，因(yin)為(wei)隨(sui)著(zhe)增(zeng)益(yi)的(de)增(zeng)大(da)，泵(beng)浦(pu)源(yuan)由(you)於(yu)轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率(lv)的(de)問(wen)題(ti)

，功(gong)率(lv)需(xu)求(qiu)會(hui)很(hen)高(gao)，所(suo)需(xu)的(de)單(dan)級(ji)EDFchangduyehuidadazengchang
，zheyangdegongzuotiaojianwangwangbuyidadao，qiewendingxingbuqiang
，caiyonggenggaojiliankeyijiangzengyihuafendaoduoji，yiyushixianhekongzhi，guangmokuaidezhengtizengyitexingyeyoujiaodatigao。

本文提出了采用EDFA級聯的方法
，實現了光信號30dB的(de)增(zeng)益(yi)，滿(man)足(zu)無(wu)線(xian)光(guang)通(tong)信(xin)光(guang)功(gong)率(lv)傳(chuan)播(bo)的(de)要(yao)求(qiu)，使(shi)得(de)光(guang)信(xin)號(hao)能(neng)在(zai)大(da)氣(qi)信(xin)道(dao)進(jin)行(xing)遠(yuan)距(ju)離(li)，高(gao)穩(wen)定(ding)性(xing)傳(chuan)輸(shu)。同(tong)時(shi)在(zai)現(xian)有(you)的(de)基(ji)礎(chu)上(shang)
，提(ti)出(chu)了(le)需(xu)改(gai)進(jin)的(de)問(wen)題(ti)
，為(wei)今(jin)後(hou)研(yan)究(jiu)的(de)進(jin)一(yi)步(bu)開(kai)展(zhan)指(zhi)出(chu)了(le)方(fang)向(xiang)。