作者：林世清 中兴通讯北京研究所
前言

　　在掺铒光纤放大器(erbium-doped fiber amplifier，edfa)实用化以前，为了克服光纤传输中的损耗，每传输一段距离，都要进行“再生”，即把传输后的弱光信号转换成电信号，经过放大、整形后，再去调制激光器，生成一定强度的光信号。随着传输码率的提高，“再生”的难度也随之提高，成了信号传输容量扩大的“瓶颈”。



图1 密集波分复用系统与时分复用系统相比较

　　掺铒光纤放大器实用化，实现了直接光放大，节省了大量的再生中继器，使得传输中的光纤损耗不再成为主要问题，同时使传输链路“透明化”，简化了系统，成几倍或几十倍地扩大了传输容量，促进了真正意义上的密集波分复用技术的飞速发展，是光纤通讯领域上的一次革命。

　　 掺铒光纤放大器的优点

　　1.掺铒光纤的放大区域恰好与单模光纤的最低损耗区域相重合。那么，被掺铒光纤放大器放大的光在光纤中的传输损耗小，能传输比较远的距离 (图2) 。



　　2.对数字信号的格式及数据率“透明”。

图2 单模光纤损耗谱和掺饵光纤放大器的增益谱

　　3.放大频带宽，能在同一根光纤中传输几十甚至上百个信道。

　　4.噪声指数低，接近量子极限，意味着可级联多个放大器。

　　5.增益饱和的恢复时间长，各个信道间的串扰极小。

　　掺铒光纤放大器的基本工作原理

　　掺铒光纤放大器是利用掺铒光纤中掺杂离子在泵浦光的作用下，形成粒子数反转，从而对入射光信号提供光增益，如图3，对于波长为980nm的泵浦源，掺铒光纤相当于一个三能级的系统。铒离子通过受激吸收入射波长为980nm的光子的能量，从n1能级跃迁到n3能级，由于n3能到n2能级的驰豫时间很短，n3能级上的粒子很快跃迁到n2能级，n3能级上的粒子数基本上可认为是零。



图3 掺饵光纤放大器的工作原理图

　　n2能级到n1能级的驰豫时间比较长，为毫秒量级，是一个亚稳态。当有波长1550nm左右的信号光子输入时，n2能级的粒子受激辐射向n1能级跃迁，产生和入射光子同频、同相、同方向的光子，于是，入射光就得到放大。 n2能级没有受激辐射的粒子会以自发辐射的方式向n1能级跃迁，产生波长1550nm左右的光子，其频率、相位、方向时随机的（图4）。自发辐射产生的光子大部分在传输中逃逸出光纤，但有一小部分由于传输方向正好在光纤的轴线上而被光纤捕获，这一部分的光子在掺铒光纤中传输（正反两个方向）时同样也被放大，形成放大了的自发辐射(amplified spontaneous emission，ase)，这对于有用的信号来讲是噪声，是有害的，影响了放大器的性能。



图4 掺饵光纤放大器的基本物理理结构 　　

　　掺铒光纤放大器的基本物理结构

　　掺铒光纤放大器基本结构如图6。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。

　　掺铒光纤放大器在密集波分复用系统中的应用



图5 有输入光信号时的输出光谱