論EDFA及其在CATV系統(tǒng)中的應(yīng)用

馮傳崗

人類在研究無線電波的短波長通訊時，發(fā)現(xiàn)了“電子運動需要借助于原子中被束縛的電子進(jìn)行能級躍遷 —— 激光”。激光技術(shù)把無線電電子學(xué)的一些現(xiàn)象（特別是非線性現(xiàn)象）引入到光波范圍（如：差頻、混頻、和頻），加之激光所能達(dá)到的發(fā)光強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了普通光，其成億萬數(shù)量級的差別，產(chǎn)生了許多新的技術(shù)現(xiàn)象。在當(dāng)今CATV系統(tǒng)的光纖及光通訊傳輸領(lǐng)域中，激光技術(shù)展示出前所未有和不可代替的技術(shù)成就。

用光纖來傳輸光信號，其損耗是限制光纖通信距離的主要原因之一。在CATV系統(tǒng)的光通訊傳輸領(lǐng)域中，光放大器的應(yīng)用，避免了光-電-光的轉(zhuǎn)換，配以外調(diào)制光發(fā)射機，傳輸距離可超過100km。若用光放大器級連放大，傳送距離還可更遠(yuǎn)。

至今為止，人類成功研制的光放大器主要有喇曼光纖放大器、半導(dǎo)體光放大器、PDFA（摻鐠光纖放大器）、EDFA（Erbium-Doped Amplifier：摻鉺光纖放大器）四種。

目前，在CATV系統(tǒng)中常采用PDFA和EDFA兩種放大器（見表一），喇曼光纖放大器和半導(dǎo)體光放大器，由于有些性能不能滿足CATV系統(tǒng)的光纖及光通訊傳輸要求，故不應(yīng)用。

EDFA是光纖傳輸技術(shù)近十年來最突出的成就之一，是激光通信技術(shù)和光纖制造技術(shù)巧妙結(jié)合的產(chǎn)物，在CATV系統(tǒng)的光纖和光通訊領(lǐng)域中得到了迅速而廣泛的應(yīng)用。如今，EDFA完全替換了PDFA，成為光纖傳輸系統(tǒng)的主要器件。

EDFA噪聲和失真特性也都較好，其優(yōu)越特性主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1、EDFA的工作波段為1550nm（1nm折合125GHz），與光纖的最低損耗波段一致，因而可以傳輸更長的距離。

2、EDFA有較高的飽和輸出功率，又可作為發(fā)射機之后的光功率放大器，以延長無中繼傳輸距離和用作全光連續(xù)中繼鏈路，分配更多的光節(jié)點數(shù)。

3、EDFA信號增益頻譜很寬，達(dá)30nm以上，可用于寬帶信號放大，尤其適用于WDM（波分復(fù)用）系統(tǒng)，是廣播、通訊、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)網(wǎng)中理想的放大器件。

4、EDFA的噪聲特性好，典型的EDFA相對功率噪聲<-155.5dB/Hz（+5dBm輸入功率），系統(tǒng)光噪聲指數(shù)<4.5dB。

5、EDFA小信號增益高，達(dá)50dB以上，且穩(wěn)定性好。

6、EDFA便于與光纖連接，連接損耗小。

7、EDFA一般都內(nèi)置CPU（中央處理器），配有RS232端口，便于計算機進(jìn)行控制和網(wǎng)絡(luò)管理。

EDFA的工作原理

EDFA的工作原理與半導(dǎo)體激光器的工作原理基本相似，只是沒有產(chǎn)生反饋及選頻作用的光諧振腔。

一般來講，光電子能級躍遷分為三種過程：

1、從高能級向低能級躍遷的自發(fā)輻射熒光過程；

2、在吸收光子能量剌激下從高能級向低能級的受激輻射過程；

3、吸收光子從低能級躍遷到高能級的受激吸收過程。

當(dāng)在光纖中摻入Er3+（鉺）和Nd3+（釹）離子，它的受激吸收和受激輻射過程則是影響光放大器的主要因素。

在980nm泵浦作用下，EDF（摻鉺光纖）的激光發(fā)射可用三能級系統(tǒng)描述，EDFA的工作原理如圖1所示。參與工作的有三個能級：E1、E2和E3。在E1和E3能級之間通過受激吸收進(jìn)行光泵浦，泵浦波長由E3和E1的能級差決定：

λp= hc ÷（E2-E1）

式中，h = 6.625×10—34 J·s（普朗克常數(shù)）；c = 3×108 m/s（真空中光速）。

在E2、E1兩能級之間受激躍遷決定了對信號光的放大作用。信號光的工作波長λs由E2、E1間的能級差決定：

λs= hc ÷（E2-E1）

當(dāng)該波長的光通過放大器時，就會得到放大。信號光的放大依靠E2、E1兩能級之間的受激輻射躍遷和受激吸收躍遷。

所謂的受激輻射躍遷：是指在外來光（如：信號光）的作用下，使高能級E2的粒子躍遷到低能級E1，從而實現(xiàn)了以光子的形式放射出多余的能量。其放出的光子與激發(fā)它的光子完全相同，因而實現(xiàn)了光放大。

所謂的受激吸收躍遷：是指低能級上的粒子吸收光能而躍遷到高能級上，這一作用使外來的光得以衰減。

當(dāng)受激輻射大于受激吸收時，就可得到“凈”增益，實現(xiàn)放大λs波長光的作用。其光信號增益為：

G = B × [（ Pp-Pth ）÷（ Pp+Pth ）]

式中，Pp為泵浦功率；Pth為泵浦功率閾值；B為與摻雜濃度和吸收截面等參數(shù)有關(guān)的常數(shù)。

受激輻射產(chǎn)生的光能除了與外界光強有關(guān)外，還與高能級上的粒子密度N2成正比，受激吸收減少的光能除與外界光強有關(guān)外，還與低能級粒子N1成正比。

EDFA的組成

一臺實用EDFA是由光路和輔助電路兩大部分組成。其中光路是EDFA的核心部分，由EDF、Pump（泵浦光源）、合波器、光隔離器和光濾波器組成；輔助電路部分主要由開關(guān)電源、CPU微處理、自動監(jiān)控和保護(hù)電路等組成，以保證EDFA正常工作。典型的單泵浦EDFA的工作原理如圖2所示。

EDF在EDFA中是進(jìn)行光放大的核心部件。它是以石英光纖為基質(zhì)，在其石英纖芯中摻入一定比例的稀土元素Er3+離子，當(dāng)一定功率的泵浦光注入到EDF中時，Er3+離子被泵浦光從低能級E1激發(fā)到高能級E3上。由于Er3+離子在高能級上的壽命很短，很快以無輻射躍遷的形式衰變到低能級E2上，并在該能級和E1能級間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。所謂反轉(zhuǎn)分布：是指由于外部給予的能量，使得能級E2的電子密度N2的狀態(tài)遠(yuǎn)大于能級E1上的電子密度N1的狀態(tài)。當(dāng)輸入的1550nm光通過EDF時，產(chǎn)生受激躍遷，泵浦光能量就通過粒子躍遷轉(zhuǎn)到1550nm信號光上，從而將輸入的光信號放大。

Pump為EDFA提供足夠的能量，使物質(zhì)達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，從而實現(xiàn)放大作用。我們可以將泵浦光源類比看成電信號放大器中的電源。目前，用于EDFA中的泵浦光源多為LD（Laser Diode：激光二極管或半導(dǎo)體激光器），LD具有體積小、效率高、性能穩(wěn)定、壽命長等特點。更大功率的泵浦可采用LD泵浦YAG（Yttrium Aluminium Garnet：釔鋁石榴石激光器）晶體產(chǎn)生大功率固體激光。根據(jù)Er3+的能級泵浦源波長有多種，如820nm、980nm、1480nm等。在實際中EDFA用得較多的是980nm和1480nm泵浦光源。

根據(jù)泵浦光源與輸入信號光的相對位置的不同，EDFA的結(jié)構(gòu)可分為三種方式，如圖3所示。圖中（a）為前向泵浦型，（b）為后向泵浦型，（c）為雙向泵浦型。前向泵浦是信號光與泵浦光從EDF的輸入端輸入。后向泵浦方式是信號光與泵浦光從EDF的不同方向輸入。雙向泵浦方式是采用兩個泵浦分別從EDF的頭尾兩個方向輸入。從功率性能上講，后向泵浦方式和雙向泵浦方式的EDFA輸出信號光功率大于前向泵浦方式的EDFA。從噪聲角度來講，前向泵浦方式和雙向泵浦方式的EDFA性能，優(yōu)于后向泵浦方式的EDFA。所以，從總體性能上來看，雙向泵浦方式的EDFA性能最好。但由于采用兩支泵浦光源，結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜，價格也較高。在具體的工程設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)實際情況來選定。

合波器（波分復(fù)用）的作用是將信號和泵浦光合路送入EDFA的EDF中，要求它在信號光和泵浦光波長處的插入損耗都很小，并對光的偏振不敏感。

光隔離器對光的傳輸具有單向性。對正向傳輸來的光損耗很小，而以很大的損耗抑制反射光，對反射光的抑制一般大于40dB，從而使EDFA不受反射光的影響，以保證EDFA能工作的穩(wěn)定。一般EDFA中的光隔離器有兩只，分別安置在信號光的輸入端和EDF的輸出端。

光濾波器位于EDFA的輸出端，其作用是濾除EDFA中的噪聲，以提高系統(tǒng)的S/N（Signal to Noise Ratio：信噪比）。

輔助電路部分的CPU微處理器，主要用于監(jiān)測EDFA中泵浦激光器的工作狀態(tài)，監(jiān)測輸入、輸出光信號的強度，以便調(diào)整其工作參數(shù)，使EDFA處于最佳工作狀態(tài)。同時，還具有自動溫度控制和自動功率控制等保護(hù)功能。還可以通過網(wǎng)絡(luò)中計算機管理系統(tǒng)，實現(xiàn)人機對話和對EDFA的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能。

EDFA的主要技術(shù)參數(shù)

EDFA的主要技術(shù)參數(shù)包括增益G、飽和輸出功率、噪聲系數(shù)NF和非線性失真。

1、增益G

增益G是描述EDFA對信號光放大能力的參數(shù)，其定義為：

G = 10 lg（ Ps，out ÷ Ps，in ）

式中，Ps，in和Ps，out分別表示輸入和輸出信號光功率。增益G通常為15～40dB。實際工程應(yīng)用的EDFA，其增益一般大于10dB。增益G與EDFA的泵浦強度、輸入信號光功率Ps，in以及EDF的參數(shù)和摻鉺段長度有很復(fù)雜的關(guān)系。當(dāng)輸入功率為-3.9dBm，泵浦源波長為1480nm，EDF長度為50m，摻雜濃度為25×10-6時，增益G與泵浦強度的關(guān)系如圖4所示。

當(dāng)泵浦功率增加時，信號功率增益迅速增加，然后趨于飽和。EDFA的增益G與信號光輸入光功率的關(guān)系如圖5所示。

在輸入信號光功率Ps，in比較小時，增益G是一個常數(shù)。也就是說，輸出的光功率Ps，out與輸入的光功率Ps，in成正比，此時的增益G叫做光放大器的小信號增益。但是當(dāng)輸入光功率增加到一定值后，再增加輸入光功率Ps，in、EDFA增益G開始下降，這種現(xiàn)象稱為光放大器的飽和現(xiàn)象，是由于放大信號時消耗了高能級上的粒子的緣故。

EDFA的增益G與EDF長度的關(guān)系如圖6所示。

在EDF長度中，有一段可使功率最大的最佳范圍，但在噪聲特性要求較高的場合，使功率增益最大的長度不一定是最佳長度。另外，EDFA增益G值的大小還同信號光波長有關(guān)，由圖7所示，EDFA的增益譜是不平坦的，但對應(yīng)1550 nm左右的信號波長能獲得平坦的增益譜。通過調(diào)整光纖中摻雜可以改善EDFA的平坦度。

2、飽和輸出功率

所謂飽和輸出功率：是指一個輸實際輸出的功率閾值。這個閾值是光放大器從線性增益區(qū)變化到非線性增益區(qū)的轉(zhuǎn)折點，這個轉(zhuǎn)折點的增益為EDFA小信號增益的一半，如圖8所示。

AM光纖使用的EDFA應(yīng)當(dāng)工作于增益飽和狀態(tài)。光放大器飽和輸出功率的增大，說明其增益線性區(qū)域的增寬，對放大AM-VSB信號有利。一般采用加大輸入光功率的方法，通過提高泵浦光功率和采用雙泵浦光源，就能獲得較高輸出的光功率。

3、噪聲系數(shù)NF

噪聲特性是評價光放大器質(zhì)量的一個重要參數(shù)。在光放大過程中，EDF中的自發(fā)輻射是其噪聲來源重要因素。光放大過程中處于E2能級的電子，有一部分并沒有產(chǎn)生感應(yīng)輻射但也移到了E1能級，這樣產(chǎn)生的自然輻射光是隨機產(chǎn)生的，其波長范圍寬，不是由相干光變成的噪聲。所以，EDFA的噪聲主要來自信號光的散粒噪聲和自發(fā)輻射以及自發(fā)輻射之間的差拍噪聲。通常，利用光帶通濾波器可以將大部分自發(fā)輻射之間的差拍噪聲濾除掉。

EDFA的噪聲特性由于其構(gòu)成及使用方法的不同而有變化，如：EDF纖芯的長度與摻入鉺離子的濃度；鉺離子在芯線斷面內(nèi)的分布狀況；放大光纖信號的設(shè)計參數(shù)及信號光電平；泵浦激光的波長與強度，注入方向等等，均影響EDFA的噪聲系數(shù)。

EDFA的噪聲系數(shù)可用NF來量度，它表示輸入S/N與輸出S/N之間的比值。當(dāng)EDFA的增益G足夠大（即G >> 1）時，可得到如下近似式：

NF = 2Nsp

式中Nsp稱為反轉(zhuǎn)分布參數(shù)的系數(shù)，有：

Nsp = N2 ÷（N2 -N1）

其中Nsp分別為能級E2、E1中分布的電子密度。

因為反轉(zhuǎn)分布在理想的情況下N2>>N 1，Nsp接近為1，由EDFA得到的最低噪聲系數(shù)值為2，即不會低于3dB。在實際的產(chǎn)品中對于980nm泵浦源理論極限值NF=3 dB，典型值可達(dá)3.2～3.4 dB。對于1480nm泵浦源極限值NFmin約為3.5dB，典型值NF可達(dá)4～6dB。由于實用EDFA的輸入端須插入作為泵浦光的光耦合器及光隔離器，所以EDFA噪聲系數(shù)的dB值還需加上插入損耗，所以實際的EDFA的噪聲系數(shù)≥4.5dB，并隨信號輸入光功率而變化。典型的EDFA的噪聲系數(shù)和輸入光功率的關(guān)系如圖9所示。

4、EDFA的非線性失真

EDFA的非線性失真主要由增益譜的不平坦所引起。因為光放大器一般工作在飽和區(qū)，當(dāng)輸入光變強時，由于感應(yīng)輻射，平均的高能位電子密度的減少，致使增益下降，但非線性失真并不增大。EDFA最大的失真是由光纖的非線性引起的。當(dāng)在光發(fā)射機后來用光放大器作功率放大時，光纖中注入的光功率很大，這在光纖中會產(chǎn)生非線性效應(yīng) —— SBS（Stimulated Brilliuin Scating：受激布里淵效應(yīng)），致使系統(tǒng)C/N（Carrier to Noise ratio：載噪比）指標(biāo)下降。

CATV系統(tǒng)中EDFA的工作模式

在CATV系統(tǒng)中，EDFA的工作模式有前置放大，中繼放大，末級功率放大三種。

EDFA用做前置放大時，位于光探測器前端，可將微弱的光信號放大幾十個dB后再送到光探測器中進(jìn)行檢測。因此，對它的要求是接收靈敏度高，噪聲系數(shù)小，并且有很高的小信號增益（一般都在20dB以上）。

EDFA用做中繼放大時，因為中繼放大是用以補償傳輸光纖的損耗，達(dá)到擴(kuò)展傳輸距離為目的。因此，要求EDFA應(yīng)具有一定的小信號增益。當(dāng)使用EDFA在超長光傳輸鏈路中做級聯(lián)中繼時，隨著級聯(lián)中繼站數(shù)目的增加，噪聲也會像同軸電纜CATV系統(tǒng)傳輸一樣產(chǎn)生疊加和積累，但失真增加緩慢。

EDFA用做末級功率放大時，EDFA常放在光發(fā)射機的輸出端，用以得到更大的入纖功率，以驅(qū)動更多的光節(jié)點，用做長距離傳輸時，要求它具有很高的飽和輸出光功率，一般應(yīng)在十幾至幾十dBm以上。

EDFA在CATV中的應(yīng)用

1、由EDFA運作機理得悉，EDFA的工作波段是在1550nm上，所以CATV系統(tǒng)前端的光發(fā)射機應(yīng)工作在1550nm光波長上，EDFA才能起到光放大作用。

2、采用EDFA做光放大的系統(tǒng)中，其光發(fā)射機應(yīng)采用外調(diào)制方式的光發(fā)射機，這是因為在1550nm波段上普通單模光纖色散較大，直接調(diào)制下光發(fā)射機的激光器會產(chǎn)生Chirp效應(yīng)，使色散影響造成CSO（Composite Second Order Beat：復(fù)合二次差拍）急劇下降。加之EDFA的增益譜不平坦的影響，將使二階失真CSO指標(biāo)進(jìn)一步惡化。

3、改善和提高受激布里淵閾值。減少SBS的影響，充分發(fā)揮EDFA的工作效率。當(dāng)注入光纖中的光功率達(dá)到SBS的閾值以后，將產(chǎn)生SBS。外調(diào)制發(fā)射機光源譜線很窄，SBS更容易產(chǎn)生。SBS將增加光纖的非線性失真，并使注入到光纖中的光轉(zhuǎn)化為背向散射光，使激光器的相對強度噪聲RIN指標(biāo)下降，從而降低系統(tǒng)的C/N指標(biāo)。同時，因背向散射的影響，使光鏈損耗增加，導(dǎo)致接收端接收光功率下降。

在激光器光譜線遠(yuǎn)窄于飽和SBS線寬（SBS線寬約為30～200MHz）時，可以用如下公式估算SBS的閾值

PSBSth = 21Aeff ÷ go Leff

式中，go為布里淵系數(shù)，是光纖材料決定的一個參數(shù)，近似值為go= 2×10-12cm/mW；Leff為光纖等效作用長度。當(dāng)光纖實際長度L>10km時，

Leff = 1 ÷ Ln（10α/10）（km）

式中，α為光纖的衰減系數(shù)；Aeff為光纖等效載面積（μm2），一般為89.9μm2。

減少SBS的影響的辦法是在發(fā)射機中用高頻對激光器進(jìn)行淺調(diào)制，將其光譜展寬，提高SBS的閾值。而對CATV系統(tǒng)的CSO、CTB（Composite Triple Beat：復(fù)合三次差拍）指標(biāo)沒有明顯的影響。另一種方法是在外調(diào)制器中進(jìn)行附加相位調(diào)制。當(dāng)采用CATV系統(tǒng)信號最高載波頻率兩倍以上單頻正弦波信號對光載波進(jìn)行附加相位調(diào)制時，可提高SBS閾值5dB左右。若將兩項技術(shù)同時應(yīng)用可將SBS閾值提高至17dBm（50mW）甚至更高。

4、當(dāng)將EDFA用于多級串聯(lián)時，光纖中的ASE（自發(fā)輻射）將逐級增大，從而引起噪聲增大，C/N降低。為此，需要在兩臺EDFA之間插入光濾波器或光隔離器，可有效防止自發(fā)輻射對降低C/N指標(biāo)的影響。

5、由于在CATV分配系統(tǒng)中，對模擬信號的C/N要求很高（>50dB），為保證傳輸質(zhì)量，一般在光鏈中使用的EDFA的輸入光功率必須大于1mW。和RF（Radio Frequency：射頻）放大器相似，EDFA輸入光功率增大時，該級的C/N提高，對系統(tǒng)的C/N劣化減小。

6、EDFA有一定的溫度特性，其增益隨溫度的升高而下降。實驗表明，下降的速率為0.07dB/℃左右。因此，當(dāng)EDFA放置在室外作中繼器應(yīng)用時，必須考慮其溫度特性所帶來的不穩(wěn)定的影響，應(yīng)配置完整的監(jiān)控設(shè)備及合適的工作環(huán)境。

7、EDFA中的EDF對其放大特性起作重要的作用，若在EDF中再摻入少量的其他元素可以改善光放大器的一些技術(shù)參數(shù)，例如在EDF中摻入少量的鋁元素后，其增益特性變得較為平坦，所以在選型EDFA時對其光特性中增益介質(zhì)多加考慮，以滿足工程設(shè)計要求。

EDFA產(chǎn)品性能簡介

目前，國內(nèi)外的EDFA設(shè)計用來與1550nm光發(fā)射機配合使用，適用于多路分配的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能有效地降低每毫瓦及每個光結(jié)點的成本；亦可用于遠(yuǎn)距離中繼傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，配合高性能、SBS可調(diào)的1550nm光發(fā)射機，可對系統(tǒng)指標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)距離優(yōu)化，性能將更為出色。其主要性能見表2所示。