2.1.1 掺铒光纤放大器

1. 掺铒光纤放大器的作用和构成

EDFA可用于光发射机高功率输出放大器、海底中继线路放大器以及光接收端低噪声前置放大器，如图2-1所示。在无中继系统中，远端泵浦光放大器可进一步延长传输距离。

图2-1　光放大器在海底光缆通信系统中的应用

使用铒离子作为增益介质的光纤放大器称为掺铒光纤放大器（EDFA）。铒离子在光纤制造过程中被掺入光纤芯中，EDFA使用泵浦光直接对光信号放大，提供光增益。这种放大器的特性（如工作波长、带宽）由掺杂剂所决定。掺铒光纤放大器因为工作波长在靠近光纤损耗最小的1.55 µm波长区，比其他光放大器更引人注意。

图2-2（a）所示为一个实用光纤放大器的构成图。光纤放大器的关键部件是掺铒光纤和高功率泵浦源、作为信号和泵浦光复用的波分复用器（WDM），以及为了防止光反馈和减小系统噪声在输入和输出端插入的光隔离器。

图2-2　EDFA构成图

2. EDFA工作原理及其特性

EDFA的增益特性与泵浦方式与光纤掺杂剂（如锗和铝）有关。图2-3（a）所示为硅光纤中铒离子的能级图。我们可使用多种不同波长的光来泵浦EDFA，但是0.98 µm和1.48 µm的半导体激光泵浦最有效。在使用这两种波长的光泵浦EDFA时，只用几毫瓦的泵浦功率就可获得高达30～40 dB的放大器增益。

图2-3　掺铒光纤放大器的工作原理

若掺铒离子的能级图用三能级表示，如图2-3（a）所示，其中能级E1代表基态，能量最低，能级E2代表中间能级，能级E3代表激发态，能量最高。若泵浦光的光子能量等于能级E3与E1之差，掺杂离子吸收泵浦光后，从基态E1升至激活态E3。但是激活态是不稳定的，激发到激活态能级E3的铒离子很快返回到能级E2。若信号光的光子能量等于能级E2和E1之差，则当处于能级E2的铒离子返回基态E1时就产生信号光子，这就是受激发射，使信号光放大，获得增益。图2-3（b）表示EDFA的吸收和增益光谱。为了提高放大器的增益，EDFA应尽可能使基态铒离子激发到能级E3。从以上分析可知，能级E2和E1之差必须相当于需要放大信号光的光子能量，而泵浦光的光子能量也必须保证使铒离子从基态E1跃迁到激活态E3。

EDFA在光纤损耗最小的1.558 µm波长附近具有最大的增益。泵浦功率不到20 mW，就可以制成增益大、噪声低、与信号偏振态无关的EDFA。增益介质是掺杂的硅光纤，稳定性好，很容易与传输光纤熔接。

3. 增益饱和（或压缩）特性

EDFA具有增益自调制能力。在EDFA泵浦功率一定且小信号输入时，放大器增益随入射信号功率的变化表现为开始恒定，但当信号功率增大到-30 dBm左右时，增益开始随信号功率的增加而下降，如图2-4（a）所示，这是入射信号导致EDFA增益出现饱和的缘故。EDFA的饱和输出功率因放大器的设计不同而异，典型值为1～10 mW。这种特性被称为增益压缩，它可使海底光缆系统经久耐用。若中继放大器输入功率突然减小，由于增益压缩特性，其增益将自动增加，从而在系统寿命期限内可稳定光信号电平到设计值，如图2-4（b）所示。在使用过程中，当光纤和无源器件损耗增加时，加到EDFA输入端口的信号功率减小，但由于EDFA的这种增益压缩特性，它的增益将自动增加，从而又补偿了传输线路上的损耗增加[见图2-4（c）]。增益补偿的物理过程较慢，约为毫秒量级，因此增益补偿不会使传输光脉冲形状畸变。

图2-4　光纤放大器的增益自调整能力

合理设计的光放大器可达到信号增益和噪声间的最佳折中，而维持系统的输出功率不变。但这种增益压缩特性对WDM系统不再适用。

4. 增益频谱曲线洞穴

由于EDFA信号增益饱和，在增益—频谱曲线图中产生洞穴（SHB，Spectral Hole Burning），如图2-5所示。很显然，由于这种效应，放大器增益频谱发生了畸变。这是使用EDFA的DWDM系统的主要限制，因为人们不可能补偿这种效应，精确预见它在何处出现也非常困难，最有可能出现在产生饱和信道波长附近。其宽度由温度确定，温度增加，洞穴的宽度增加，而深度减小；温度减小，洞穴的宽度减小，而深度增加。在WDM系统中，WDM信道信号经长距离海底光缆线路传输后，由于每个EDFA增益频谱不完全平坦，经累积在线路输出端，一些信道功率比其他信道功率显著增加了，就可以看到增益频谱形状产生了洞穴，使相邻信道的OSNR降低。不过，在发送端，增加较差信道发送功率（预均衡），使所有信道的OSNR在输出端相同，对增益频谱曲线产生洞穴的影响有限。这可以通过保持EDFA输出功率恒定，并减小最好信道的发射功率来实现。然而，增益频谱曲线洞穴将限制这种预均衡的效果。

图2-5　由于EDFA在1 544.4 nm波长信号饱和产生增益频谱洞穴（SHB）[97]