简述光纤放大器——EDFA

光放大器——EDFA
EDFA也称为掺铒光纤放大器，是一种特殊的光纤，在纤芯中注入了饵（Er）这种稀土元素，使得在泵浦光源作用下，可直接对某一波长的光信号进行放大。
其诞生是光纤通信领域革命性的突破，它使长距离、大容量、高速率的光纤通信成为可能，是DWDM系统及未来高速系统、全光网络不可缺少的重要器件。这一次的笔记就来着重介绍一下EDFA的相关内容。
EDFA的工作原理
掺铒光纤放大器实际上它是在石英光纤的纤芯中掺入了饵这一稀土元素，而饵离子，我们知道：有3个工作能级，分别是E1、E2和E3。其中，E1能级能量至低，粒子数至多，而E3能级能量至高，粒子数至少，中间蓝色的线对应的是E2能级。这三个能级中，因为E1能级能级至低，粒子数至多，至稳定，我们也称它为基态，即至稳定的状态；而E3能级中能量至高，这个能级的粒子至不稳定，我们也称它为激发态。中间的E2能级处在基态和激发态之间，我们称它为亚稳态。它比基态活跃些，也比激发态稳定一些。亚稳态上的粒子数相对来说比较稳定，能在一段时间内保持住一个稳定状态。
知道了饵离子三个能级的组成，那EDFA是如何实现光的放大呢？
比如说，光纤中所要传过来的光比较弱，通过EDFA这个放大器之后，输出来就是已经放大了的强光，是怎么实现的呢。

首先，针对掺铒光纤放大器这三个能级，我们外加一个泵浦光源，泵浦源的目的是给物质输入能量，使得低能级E1的粒子吸收泵浦光的能量后纷纷向上跃迁到E3能级，也就是激发态，我们称这个过程为电子吸收泵浦光跃迁。
而E3能级上的粒子是处于激发态，非常不稳定，所以在没有外界粒子激发的情况下，它就会纷纷地向下跃迁，跃迁到E2能级也就是亚稳态，我们称这个过程为无辐射跃迁，没有外界粒子激发，高能级的粒子就自动地自发地向下跃迁到低能级。
而E2能级因为是处于亚稳态，可以在一段时间内保持住该能级上的粒子，使得在E2和E1之间实现粒子数的反转分布状态（关于粒子数的反转分布状态我们在前面的笔记已经介绍过，就是指物质的粒子分布一反常态，使得高能级粒子数反而多，而低能级粒子数反而少）。这时候，如果有一个外来光子的激发，而这个光正好是将要被放大的光信号，此时的光信号是弱光，里面所包含的光子数比较少，而这样射入的光子，在E2和E1之间作为一个外来的激发光子，会在反转分布状态的E2和E1之间实现受激辐射的过程大于受激吸收的过程，产生新的全同光子，从而实现光的放大，那么从物质中输出来的光就是强光了。这就是掺铒光纤放大器的工作原理。
从原理中可以知道，我们可以知道，对一个掺铒光纤放大器来说，首先一定要有一段掺了饵这种稀土元素的光纤，其次，这段光纤一定要被激活，因为它需要处于粒子数的反转分布状态，那么如何被激活呢，这就需要外来的激励源——泵浦光源。这两部分是构成掺铒光纤放大器的主要部分。
在了解工作原理的基础上，接下来，我们来看一下EDFA的结构。
EDFA的结构
EDFA主要组成有：掺铒光纤（EDF）、泵浦光源、光耦合器、光隔离器、光滤波器等。

左边是输入的需要被放大的弱光信号，右边输出的是已经被放大了的光信号，中间的器件都属于掺铒光纤放大器的组成。在这里面，首先是要有一段掺了饵这种稀土元素的光纤，这段光纤长度一般是10m到100m之间。此外，我们说要把这段光纤激活，激活需要外界的激励源，因此有一个泵浦光源。而这个泵浦光源是怎样注入到掺铒光纤中来激活它呢，需要一个光耦合器，耦合器的作用是把不同方向转过来的光耦合进同一根光纤中，那么，耦合的输入一个是外界的泵浦激励源、一个是需要被放大的弱的输入光信号，这两个不同的光通过耦合器注入到同一个光纤中，然后各司其职，其中泵浦光源是激活这根掺铒光纤使它处于粒子数的反转分布状态，之后通过输入光信号作为外界的激发，实现受激辐射的过程大于受激吸收的过程，从而实现光的放大。
除了这几个必不可少的器件之外，还要在掺铒光纤的两侧加上光隔离器。它的目的是隔离后向的散射光，保证掺铒光纤工作在一个稳定的环境中，可以安心地放大光信号，不受其他杂光的影响。还有光滤波器，滤波器顾名思义是滤除噪声的，但除了滤除噪声之外，它还要过滤掉泵浦光源这一部分光，使得输出的光信号与输入的光信号是相同频率的光，只不过幅度被放大了。
总结一下各部分的作用如下：
（1） 掺铒光纤：长度为10m-100m的掺铒石英光纤
（2） 泵浦光源：半导体激光器，工作波长为0.98μm
（3） 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）
（4） 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，不要受后向散射光的影响。
（5） 光滤波器：滤除光放大器的噪声，降低噪声对系统的影响，提高系统的信噪比。

EDFA的分类
按照泵浦光源的泵浦方式不同，EDFA有三种不同的结构形式：
（1） 同向泵浦结构

同向泵浦：泵浦光源和输入光信号都从同一个方向注入到掺铒光纤中来。
（2） 反向泵浦结构

反向泵浦：泵浦光源和输入光信号从两个相反的方向注入到掺铒光纤中来。
（3） 双向泵浦结构

双向泵浦：既有同向泵浦也有反向泵浦。

EDFA的主要特性参数
1、 功率增益
掺铒光纤放大器是把弱光放大成强光，我们用功率增益来表示放大的倍数。

功率增益值越大表明掺铒光纤放大器的放大能力越好。
增益的大小与泵浦光功率以及光纤长度等有关。
（1）增益的大小与泵浦光功率的关系

掺铒光纤放大器功率增益与泵浦功率间的关系
放大器的功率增益随泵浦功率的增加而增加（泵浦光越强，会有更多的低能级粒子吸收了泵浦光的能量向上跃迁，从而产生反转分布的粒子数就多了，光的放大作用也就强了），当泵浦功率达到一定值时，放大器的功率增益出现饱和，即泵浦功率再增加而功率增益基本不变（因为可反转分布的粒子数毕竟是有限，当泵浦光强度已经很强的时候，无论其再怎样加强，如果达到了反转分布粒子数的极限，那么放大倍数将不会再增加了，因此会出现一个饱和的趋势）。
（2）增益的大小与光纤长度的关系

掺铒光纤放大器功率增益与光纤长度间的关系
这里的光纤是指掺铒光纤放大器中掺铒光纤的光纤长度。
掺铒光纤长度越长，可获得的功率增益就越大（因为掺铒光纤长度越大表示可以反转分布的粒子数的作用区就越长，作用区越长，功率增益当然就越大），但是随着光纤长度的再一步增强，功率增益反而会下降（这是因为光纤长度继续加长的话损耗也增加了，损耗比放大的功率增益损耗还要大，终的功率增益就被减小了）。因此，增益的大小与光纤长度是有一个先升高后下降的过程，其中，顶点是佳功率增益，它所对应的光纤长度是max增益的光纤长度。

2、 输出饱和功率

是一个描述输入信号功率与输出信号功率之间关系的参量。

掺铒光纤放大器输出饱和功率曲线
输入信号功率与输出信号功率之间不完全是正比，而且存在着饱和的趋势（因为输入信号继续增强，反转分布的粒子数有限，输出信号也不再增强，反而出现一个饱和的趋势）。

掺铒光纤放大器的增益饱和特性
EDFA的Max输出功率常用3dB输出饱和功率来表示。
当饱和增益下降3dB时所对应的输出功率值为3dB饱和输出功率，它代表了EDFA的max输出能力。
3、 噪声系数
EDFA噪声的主要来源包括信号光的散弹噪声，信号光波与放大器自发辐射光波之间的差拍噪声，被放大的自发辐射光的散弹噪声以及光放大器自发辐射的不同频率光波间差拍噪声。
EDFA噪声系数可用噪声系数F来表示。

EDFA噪声系数的极限值为3dB。

（来源：网站，版权归原作者）