一、摻鉺光纖的放大原理

       EDFA的放大作用是通過1550nm波段的信號光在摻鉺光纖中傳(chuan) 輸與(yu) Er3+ 離子相互作用產(chan) 生的。在光與(yu) 物質相互作用時，光可以被看作由光子組成的粒子束，每個(ge) 光子的能量為(wei) ：E=hv 其中E為(wei) 光子的能量，v為(wei) 光的頻率，h為(wei) 普朗克常數。

       摻鉺光纖中的Er3+離子所出的能量狀態是不能連續取值的，它隻能處在一係列分立的能量狀態成為(wei) 能級上，這些能量狀態成為(wei) 能級。當在摻鉺光纖中傳(chuan) 輸的光子能量與(yu) Er3+離子的某兩(liang) 個(ge) 能級之間的能量差相等時，Er3+離子就會(hui) 與(yu) 光子發生相互作用，產(chan) 生收激輻射和收激吸收效應。受激輻射是指Er3+離子與(yu) 光子相互作用從(cong) 高能級躍遷到低能級，發射出一個(ge) 與(yu) 激發光子完全相同的光子（激光子的頻率、相位、傳(chuan) 播方向、偏振態相同）；受激吸收是指Er3+離子與(yu) 光子相互作用從(cong) 低能集躍遷到高能級，並且吸收激發光子。為(wei) 了詳細說明EDFA放大原理，圖1給出了Er3+ 離子與(yu) 光放大作用有關(guan) 的能級結構。

       與(yu) Er3+離子產(chan) 生光放大效應的能級由三個(ge) ：高能態、亞(ya) 穩態、基態。高能態與(yu) 基態之間的能量差與(yu) 泵浦光子能量相同，亞(ya) 穩態與(yu) 基態之間的能量與(yu) 1550nm的光子能量相同。

       在摻鉺光纖中注入足夠強的泵浦光，就可以將大部分處於(yu) 基態的Er3+離子抽運到高能態上，處於(yu) 高能態的Er3+離子又迅速無輻射地轉移到亞(ya) 穩態上。由於(yu) Er3+離子在亞(ya) 穩態上能級壽命較長，因此，很容易在亞(ya) 穩態與(yu) 基態之間形成粒子數反轉，即處於(yu) 亞(ya) 穩態的Er3+粒子數比處於(yu) 基態的Er3+粒子數多。當信號光子通過摻耳光弦，與(yu) Er3+離子相互作用發生受激輻射效應，產(chan) 生大量與(yu) 自身完全相同的光子，這時通過摻耳光纖傳(chuan) 輸的信號光子迅速增多，產(chan) 生信號放大作用；隻有少數處於(yu) 基態的Er3+離子隊信號光子產(chan) 生受激吸收效應，吸收光子。Er3+離子的亞(ya) 穩態和基態具有一定的寬度，使EDFA的放大效應具有一定波長範圍，其典型值維1530—1570nm。Er3+離子處於(yu) 亞(ya) 穩態時，除了發生受激輻射和受激吸收以外，還要產(chan) 生自發輻射，即Er3+離子在亞(ya) 穩態上暫短停留還沒有機會(hui) 與(yu) 光子相互作用，就會(hui) 自發地從(cong) 亞(ya) 穩態躍遷到基態並發射出1550nm波段的光子，這種光子與(yu) 信號光不同，它構成EDFA的噪聲。由於(yu) 自發輻射光子在摻鉺光纖中傳(chuan) 輸時也會(hui) 得到放大，因此在EDFA的輸入光功率較低時，會(hui) 產(chan) 生較大的噪聲。

二、光纖放大器的基本結構

       光纖放大器與(yu) 其他放大器比較，具有輸出功率大、增益高、工作帶寬寬、與(yu) 偏振無關(guan) 、噪聲指數低、放大特性與(yu) 係統比特率、數據格式無關(guan) 等特點，它已成為(wei) 新一代光通信係統的關(guan) 鍵器件之一。

       摻鉺光纖放大器用在係統發射機輸出短，提高發送功率，延長傳(chuan) 輸距離；用在光纖傳(chuan) 輸鏈路中，補償(chang) 光能量的損失，可增加傳(chuan) 輸距離；用在光接收機前，對信號進行預防大，可提高光接收機靈敏度。應用範圍包括幹線高速光通信係統、海纜係統、本地網、用戶接入網、光纖CATV等工程。

2.1 功率放大器

       摻鉺光纖放大器作為(wei) 功率放大器有許多特殊功能是電子線路放大器所不能比擬的，分述如下：

2.1.1 摻鉺光纖放大器可用作數字、模擬以及相幹光通信的功率放大器。即如果線路上已采用摻鉺光纖放大器做功率放大器，那麽(me) ，不管它需要傳(chuan) 輸數字信號還是傳(chuan) 輸模擬信號，不必改變摻鉺光纖放大器線路設備。

2.1.2 摻鉺光纖放大器可傳(chuan) 輸不同的碼率。如果需要擴容，由低碼率改變為(wei) 高碼率時，不必改變摻鉺光纖放大器線路設備。

2.1.3 摻鉺光纖放大器做功率放大器，可在不改變原有噪聲特性和誤碼率的前提下，直接放大數字、模擬活二者混合的數據格式，特別適合光纖傳(chuan) 輸網絡升級。實現語音、圖像、數據同網傳(chuan) 輸，不必改變摻鉺光纖放大器線路設備。

2.1.4 一個(ge) 摻鉺光纖放大器可同時傳(chuan) 輸若幹波長的光信號，即用光波複用擴容時，不必改變摻鉺光纖放大器線路設備。

2.1.5 摻鉺光纖放大器做功率放大器，不必經過光電轉換可以直接對光信號放大，結構簡單，成本低，性能穩定可靠。

       實踐證明，使用摻鉺光纖放大器的光纖幹線傳(chuan) 輸，經過近千公裏的傳(chuan) 輸後的誤碼率人能達到 。如果采用飽和功率為(wei) 18dBm的放大器，可是實現160—200km無中繼通信。如果有必要，還可將中繼距離延長更遠。

2.2 前置放大器

       把摻鉺光纖放大器置於(yu) 光接收機關(guan) 監測器前麵。來自光纖的光信號經摻鉺光纖放大器放大後再由光檢測器檢測。由於(yu) 摻鉺光纖放大器的信噪比由於(yu) 電子放大器，所以用摻鉺光纖放大器作預放大器的光接收機具有較高的靈敏度，其靈敏度甚至不亞(ya) 於(yu) 相幹光接收機的。各類接收機靈敏度示於(yu) 圖3。

 
2.3 線路放大器

       線路放大器的顯著優(you) 點是增益高，通常大於(yu) 30dB。由於(yu) 可以級聯使用，特別適合海底遠程通信和陸地超長距離傳(chuan) 輸使用。把摻鉺光纖放大器至於(yu) 光纖傳(chuan) 輸線路中，將已被衰減了的小信號進行放大，可以大大延長傳(chuan) 輸距離，也成為(wei) 中繼放大器。使用線路放大器必須解決(jue) 遠程監控問題，國際標準化組織已製定出多種監控標準，可以按照標準進行遠程監控。

2.4 用戶接入網中的光纖放大器

       光纖放大器在用戶接入網中也占有重要地位。在光纖用戶網中，雖然用戶係統的距離較短，但是用戶網的分子太多，光線幹線中的光信號功率要進行眾(zhong) 多的分配，甚至是多級進行分配。這樣一來被分配到每個(ge) 分支獲得光信號就相當的弱，不能保證用戶的終端設備的接收質量。為(wei) 此，需要將光信號進行放大，這就需要光纖放大器。

       將光纖放大器置於(yu) 光發射機後端，以提高入纖的光功率，使整個(ge) 線路係統的光功率得到提高，以滿足各級需要，這就要用到光纖功率放大器。

       在用戶網中，當用戶係統距離過長時需要使用線路放大器；為(wei) 了提高各支路的光功率分配數量，也要使用這類放大器。

       總之，光線放大器在用戶接入網中主要是提高光信號的功率，即可以補償(chang) 光耦合器燈光器件所造成的光損耗，又可以大大提高用戶數量以及複用密度，對降低用戶網建設成本也會(hui) 起到很大作用。

2.5 光纖CATV中的放大器

       對於(yu) 光纖/同軸混合結構的多種係統並存的CATV網絡，摻鉺光纖放大器日益抽到重視，尤其是前端集中的係統，點對多點的光波式結構和長距離的幹線傳(chuan) 輸係統更是如此。對於(yu) CATV設計者最常用的樹形分配網絡中，係統的效率是由每個(ge) 用戶成本所決(jue) 定的。因此，采用摻鉺光纖放大器提高光功率可以在原有發射設備基礎上，為(wei) 更多的用戶服務，從(cong) 而降低發射機單位毫瓦的造價(jia) 。另外，在近幾年來，包含有摻鉺光纖放大器的1550nm光發射設備可以最廉價(jia) 的實現光纖到路邊和光纖到大樓。總而言之，在CATV光纖幹線傳(chuan) 輸和功率分配係統以及逐步實現語音、圖像、數據通路傳(chuan) 輸的“三網合一”，為(wei) 最終實現寬帶的綜合服務數字網，摻鉺光纖放大器將發揮不可估量的作用。#p#分頁標題#e#

       如上所述，摻鉺光纖放大器在光纖CATV中的應用示於(yu) 圖4。在這三種用途中，當前主要作為(wei) 功率放大器和線路放大器，其目的是補償(chang) 光纖傳(chuan) 輸損耗或用作補償(chang) 光分路器的分支損耗。

       功率放大器是在CATV係統的前段將發射機的輸出光放大後再進行分配，以供各方向的光纖幹線傳(chuan) 輸用。功率放大器於(yu) 功率分配器也可考慮做成兩(liang) 端重複使用。從(cong) 原理前短處獎光纖幹線分支時，可在分支前麵接入摻鉺光纖放大器，作為(wei) 線路放大器，以補償(chang) 分支損耗。

2.6 在密集型波分複用（DWDM）係統中的應用

       由於(yu) EDFA具有30nm的工作帶寬,它可以同時放大多個(ge) 波長不同的光信號，因此它可以十分方便的應用於(yu) DWDM係統中，補償(chang) 各種光衰耗。