作者：林世清 中興通訊北京研究所
前言
　　在摻鉺光纖放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA)實(shí)用化以前，為了克服光纖傳輸中的損耗，每傳輸一段距離，都要進(jìn)行“再生”，即把傳輸后的弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大、整形后，再去調(diào)制激光器，生成一定強(qiáng)度的光信號(hào)。隨著傳輸碼率的提高，“再生”的難度也隨之提高，成了信號(hào)傳輸容量擴(kuò)大的“瓶頸”。
密集波分復(fù)用系統(tǒng)與時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)相比較
　　摻鉺光纖放大器實(shí)用化，實(shí)現(xiàn)了直接光放大，節(jié)省了大量的再生中繼器，使得傳輸中的光纖損耗不再成為主要問題，同時(shí)使傳輸鏈路“透明化”，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，成幾倍或幾十倍地?cái)U(kuò)大了傳輸容量，促進(jìn)了真正意義上的密集波分復(fù)用技術(shù)的飛速發(fā)展，是光纖通訊領(lǐng)域上的革命。
　　 摻鉺光纖放大器的優(yōu)點(diǎn)
　　1.摻鉺光纖的放大區(qū)域恰好與單模光纖的損耗區(qū)域相重合。那么，被摻鉺光纖放大器放大的光在光纖中的傳輸損耗小，能傳輸比較遠(yuǎn)的距離 () 。
　　2.對(duì)數(shù)字信號(hào)的格式及數(shù)據(jù)率“透明”。
單模光纖損耗譜和摻餌光纖放大器的增益譜
　　3.放大頻帶寬，能在同一根光纖中傳輸幾十甚至上百個(gè)信道。
　　4.噪聲指數(shù)低，接近量子極限，意味著可級(jí)聯(lián)多個(gè)放大器。
　　5.增益飽和的恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，各個(gè)信道間的串?dāng)_極小。
　　摻鉺光纖放大器的基本工作原理
　　摻鉺光纖放大器是利用摻鉺光纖中摻雜離子在泵浦光的作用下，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而對(duì)入射光信號(hào)提供光增益，如，對(duì)于波長(zhǎng)為980nm的泵浦源，摻鉺光纖相當(dāng)于一個(gè)三能級(jí)的系統(tǒng)。鉺離子通過(guò)受激吸收入射波長(zhǎng)為980nm的光子的能量，從N1能級(jí)躍遷到N3能級(jí)，由于N3能到N2能級(jí)的馳豫時(shí)間很短，N3能級(jí)上的粒子很快躍遷到N2能級(jí)，N3能級(jí)上的粒子數(shù)基本上可認(rèn)為是零。
摻餌光纖放大器的工作原理圖
　　N2能級(jí)到N1能級(jí)的馳豫時(shí)間比較長(zhǎng)，為毫秒量級(jí)，是一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)。當(dāng)有波長(zhǎng)1550nm左右的信號(hào)光子輸入時(shí)，N2能級(jí)的粒子受激輻射向N1能級(jí)躍遷，產(chǎn)生和入射光子同頻、同相、同方向的光子，于是，入射光就得到放大。 N2能級(jí)沒有受激輻射的粒子會(huì)以自發(fā)輻射的方式向N1能級(jí)躍遷，產(chǎn)生波長(zhǎng)1550nm左右的光子，其頻率、相位、方向時(shí)隨機(jī)的（）。自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子大部分在傳輸中逃逸出光纖，但有一小部分由于傳輸方向正好在光纖的軸線上而被光纖捕獲，這一部分的光子在摻鉺光纖中傳輸（正反兩個(gè)方向）時(shí)同樣也被放大，形成放大了的自發(fā)輻射(Amplified Spontaneous Emission，ASE)，這對(duì)于有用的信號(hào)來(lái)講是噪聲，是有害的，影響了放大器的性能。
摻餌光纖放大器的基本物理理結(jié)構(gòu) 　　
　　摻鉺光纖放大器的基本物理結(jié)構(gòu)
　　摻鉺光纖放大器基本結(jié)構(gòu)如。在輸入端和輸出端各有一個(gè)隔離器，目的是使光信號(hào)單向傳輸。泵浦激器波長(zhǎng)為980nm或1480nm，用于提供能量。耦合器的作用是把輸入光信號(hào)和泵浦光耦合進(jìn)摻鉺光纖中，通過(guò)摻鉺光纖作用把泵浦光的能量轉(zhuǎn)移到輸入光信號(hào)中，實(shí)現(xiàn)輸入光信號(hào)的能量放大。 實(shí)際使用的摻鉺光纖放大器為了獲得較大的輸出光功率，同時(shí)又具有較低的噪聲指數(shù)等其他參數(shù)，采用兩個(gè)或多個(gè)泵浦源的結(jié)構(gòu)，中間加上隔離器進(jìn)行相互隔離。為了獲得較寬較平坦的增益曲線，還加入了增益平坦濾波器。
　　摻鉺光纖放大器在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中的應(yīng)用
有輸入光信號(hào)時(shí)的輸出光譜
　　摻鉺光纖放大器在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中的應(yīng)用主要是補(bǔ)償傳輸中的光纖損耗，根據(jù)放大器在系統(tǒng)中的位置及作用，可以分成以下三種類型：
　　1.功率放大器（booster-Amplifier），處于合波器之后，用于對(duì)合波以后的多個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)進(jìn)行功率提升，然后再進(jìn)行傳輸，由于合波后的信號(hào)功率一般都比較大，所以，對(duì)一功率放大器的噪聲指數(shù)、增益要求并不是很高，但要求放大后，有比較大的輸出功率。
　　2.線路放大器（Line-Amplifier），處于功率放大器之后，用于周期性地補(bǔ)償線路傳輸損耗，一般要求比較小的噪聲指數(shù)，較大的輸出光功率。
　　3.前置放大器（Pre-Amplifier），處于分波器之前，線路放大器之后，用于信號(hào)放大，提高接收機(jī)的靈敏度（在光信噪比(OSNR)滿足要求情況下，較大的輸入功率可以壓制接收機(jī)本身的噪聲，提高接收靈敏度），要求噪聲指數(shù)很小，對(duì)輸出功率沒有太大的要求。
摻餌光纖放大器的基本物理結(jié)構(gòu)
　　為了滿足在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中應(yīng)用的要求，摻鉺光纖放大器的性能和功能上有其特殊的要求，光信號(hào)傳輸后重要的一個(gè)指標(biāo)是光信噪比（OSNR）。
　　摻鉺光纖放大器除了放大輸入的光信號(hào)之外，還產(chǎn)生ASE噪聲，可以等效成一個(gè)理想的增益為G的放大器，和一個(gè)功率為Pase的噪聲源相疊加（）。對(duì)于一個(gè)N個(gè)放大器的級(jí)聯(lián)系統(tǒng)，每放大器將前的ASE噪聲放大G倍，同時(shí)疊加上本身產(chǎn)生的ASE噪聲，噪聲逐級(jí)積累（），于是，光信噪比（OSNR）將逐級(jí)劣化。
摻餌光纖放大器的等效噪聲模型
　　光信噪比定義：OSNR = Psig / Pase可以看出，可以通過(guò)提高每個(gè)信道的光功率即提高摻鉺光纖放大器的總輸出功率來(lái)提高光信噪比，也可以通過(guò)降低放大了大自發(fā)輻射噪聲（ASE噪聲）來(lái)提高光信噪比　　對(duì)于一個(gè)N段光纖的系統(tǒng)，有N+1個(gè)光放大器級(jí)聯(lián)，假設(shè)每放大器都一樣，每一段光纖損耗都等于放大器的增益，那么，終端的放大了的自發(fā)輻射噪聲
　　Pase = F（G-1）hvB0（N+1）可以看出Pase隨放大器的級(jí)數(shù)線性增長(zhǎng)，而光纖的損耗是隨著光纖長(zhǎng)度增長(zhǎng)呈指數(shù)增長(zhǎng)，根據(jù)假設(shè)，放大器的增益正好補(bǔ)償光纖損耗，可以得出以下結(jié)論：Pase不變時(shí)，降低中繼長(zhǎng)度（即降低摻鉺光纖放大器增益），增加中繼個(gè)數(shù)（即增加摻鉺光纖放大器級(jí)聯(lián)個(gè)數(shù)），要比增加中繼長(zhǎng)度，減少中繼個(gè)數(shù)傳輸更遠(yuǎn)的距離。換一個(gè)角度說(shuō)，傳輸距離相同的情況下，降低中繼長(zhǎng)度，增加中繼個(gè)數(shù)，要比增加中繼長(zhǎng)度，減少中繼個(gè)數(shù)時(shí)有較小的Pase，即提高了接收端光信噪比（OSNR）。另外，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，除了選擇中繼距離外，選用噪聲指數(shù)小的摻鉺光纖放大器也是提高光信噪比的一種有效的方法。
放大器級(jí)聯(lián)后的光譜
　　在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中為了容納更多的信道，提高系統(tǒng)容量，有兩種方法：一種是降低信道的間隔；另一種是拓展摻鉺光纖放大器的工作波長(zhǎng)范圍。在拓展工作波長(zhǎng)范圍的同時(shí)，還必須保證在工作波長(zhǎng)范圍增益平坦，因?yàn)閾姐s光纖放大器是級(jí)聯(lián)使用的，每小的不平坦，在多級(jí)級(jí)聯(lián)后，就會(huì)變得很不平坦，造成在線路終端的各個(gè)信道功率差別太大。
　　摻鉺光纖放大器的增益特性是小輸入光信號(hào)增益大，大輸入光信號(hào)時(shí)增益小，在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中，如果不對(duì)線路光纖放大器的增益進(jìn)行控制的話，那么，在輸入信道少時(shí)（小輸入光信號(hào)）的增益要比輸入信道多時(shí)（大輸入光信號(hào)）增益大，這會(huì)造成輸入信道少時(shí)，每個(gè)信道輸出功率大，在極端情況下，只有一個(gè)輸入信道，那么，就有可能造成輸出光信號(hào)足夠大，在光纖傳輸中產(chǎn)生非線性失真。因此，線路放大器必須具有增益鎖定功能，保證在輸入是大信號(hào)和小信號(hào)時(shí)，增益都是一樣的，即每個(gè)信道的輸出光功率在輸入信道增減時(shí)都保持恒定。
　　ZXWM-32 密集波分復(fù)用系統(tǒng)光通道技術(shù)指標(biāo)介紹
　　ZXWM-32密集波分復(fù)用系統(tǒng)選用高性能的摻鉺光纖放大器，均具有增益鎖定功能，因此，整個(gè)光通道具有良好的技術(shù)指標(biāo)，例如，對(duì)于8X22dB系統(tǒng)，主光通道的光信噪比（OSNR）均高于28dB，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于郵電技術(shù)規(guī)定的大于22dB 的要求，主光通道的增益不平坦度為2.92 dB（見），遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于郵電技術(shù)規(guī)定的小于10dB 的要求。 作者：林世清 中興通訊北京研究所
主光通道增益曲線
　　結(jié)束語(yǔ)
　　隨著密集波分復(fù)用技術(shù)的發(fā)展，摻鉺光纖放大器也不停的向前發(fā)展,同時(shí),各種類型的光放大器發(fā)展和實(shí)用,將進(jìn)一步推動(dòng)密集波分復(fù)用技術(shù)的發(fā)展,以滿足不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需要。