用于WDM系统的EDFA

起浪光纤

EDFA是英文“Erbium Doped Fiber Amplifier”的缩写，即掺铒光纤放大器，是一种使用铒离子来作为增益介质的光纤放大器。光放大器能够直接放大光信号，而无需在放大之前将信号转换为电信号，这也是最突出的功能，是长距离光通信中重要的光学部件。

EDFA在DWDM系统中已经得到广泛地使用，通常用于补偿长距离光通信中的链路损耗。最重要的特征是它可以同时放大多路光信号，并且可以与WDM技术轻松组合。EDFA的常用波段是C波段和L波段。

EDFA工作原理

EDFA的放大作用是通过1550nm波长的信号光在掺铒光纤中传输与铒离子相互作用产生的。Er3+（铒离子）有三个工作能级：E1,E2和E3，如图所示。其中E1能级最低，称为基态；E2能级为亚稳态，E3能级最高，称为激发态。

图1：EDFA工作原理

Er3+在未受任何光激励的情况下，处在最低能级E1上，当用泵浦光源的激光不断地激发光纤时，处于基态的粒子获得了能量就会向高能级跃迁。如由E1跃迁至E3，由于粒子在E3这个高能级上是不稳定的，它将迅速以无辐射跃迁过程落到亚稳态E2上。在该能级上，相对来讲粒子有较长的存活寿命，此时，由于泵浦光源不断地激发，则E2能级上的粒子数就不断增加，而E1能级上的粒子数就减少，这样，在这段掺铒光纤中实现了粒子数反转分布状态，就具备了实现光放大的条件。

当输入光信号的光子能量E=hf正好等于E2和E1的能级差时，即E2-E1=hf，则亚稳态E2上的粒子将以受激辐射的形式跃迁到基态E1上，并辐射出和输入光信号中的光子一样的全同光子，从而增加了光子数量，使得输入光信号在掺铒光纤中变为一个强的输出光信号，实现了对光信号的直接放大。

EDFA光路结构

掺铒光放大器主要是由掺铒光纤（EDF）、泵浦(pump)、分光器（coupler）、光耦合器(WDM)、光隔离器(isolator)、增益平坦滤波器(GFF)、可调衰减器（VOA）、光探测器（PD）组成。

图2：EDFA双级光路示意图

分光器：将光功率按照一定比例进行分路传输，通常采用熔融拉锥工艺。

光耦合器：将输入光信号和泵浦光源输出的光波混合起来的无源光器件，一般采用波分复用器（WDM）。

光隔离器：防止反射光影响光放大器的工作稳定性，保证光信号只能正向传输的器件。

掺铒光纤：增益光纤是光放大器的主体，将稀土元素铒离子Er3+注入到纤芯中，通过用MCVD、PCVD等制造方法制备掺铒光纤。

泵浦激光器：为信号放大提供能量，中心波长980nm半导体激光器，输出光功率从几十毫瓦到1瓦。

增益平坦滤波器：抑制ASE噪声，降低噪声对EDFA性能的影响，提高改善EDFA增益平坦度和OSNR。

可调衰减器：对光功率进行动态调节的器件，在EDFA中经常用于调整增益斜率以及功率衰减。

光探测器：探测光功率的大小，对于输入和输出光功率进行实时监控。

EDFA优劣

EDFA的出现解决了传统传输系统光-电-光的低效转换问题，实现了光-光转换，EDFA光纤放大器还具备以下几大性能优势：

优势

• 高增益。增益是EDFA的重要参数之一，通常与输入信号光功率和输出信号光功率密切相关，光纤放大器的动态增益范围可达30~40dB。
• 低噪声。EDFA的噪声主要来自自发辐射(ASE)，理论上讲，EDFA的噪声为3dB，实际情况往往高于3dB，通常范围在4~7dB之间。
• 宽频带。EDFA中心工作波长通常在1550nm处，频带宽度是20~40nm，能够进行多通道传输，增加传输容量。
• 低损耗。EDFA工作波长刚好是光纤通信最佳波段（1500~1600nm），这一波段属于最低损耗区域，传输距离也比较长。
  

劣势

• 成本高。由于EDFA的全球年用量仅在一百万台左右规模，所以其物料和制造成本相对较高。
• 饱和输出功率有限。目前EDFA的最大输出功率可以做到23~26dBm水平，如果进一步提高输出功率就需要用到铒镱共掺的光纤放大器解决方案。
  

EDFA的出现，使光纤通信技术产生了质的飞跃，它是WDM系统中，最有力的关键技术。光放大器的实用化，使WDM技术迅速成熟并得到商用，同时也为全光通信奠定了扎实的基础。