1 EDFA的原理及結構
    摻鉺光纖放大器(EDFA)具有增益高、噪聲低、頻帶寬、輸出功率高、連接損耗低和偏振不敏感等優(yōu)點，直接對光信號進行放大，無需轉換成電信號，能夠保證光信號在最小失真情況下得到穩(wěn)定的功率放大。
1．1 EDFA的原理
    EDFA的泵浦過程需要使用三能級系統(tǒng)，如圖1所示。

    在摻鉺光纖中注入足夠強的泵浦光，就可以將大部分處于基態(tài)的Er3+離子抽運到激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的Er3+離子又迅速無輻射地轉移到亞穩(wěn)態(tài)。由于Er3+離子在亞穩(wěn)態(tài)能級上壽命較長，因此很容易在亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)之間形成粒子數(shù)反轉。當信號光子通過摻鉺光纖時，與處于亞穩(wěn)態(tài)的Er3+離子相互作用發(fā)生受激輻射效應，產生大量與自身完全相同的光子，這時通過摻鉺光纖傳輸?shù)男盘柟庾友杆僭龆?，產生信號放大作用。Er3+離子處于亞穩(wěn)態(tài)時，除了發(fā)生受激輻射和受激吸收以外，還要產生自發(fā)輻射(ASE)，它造成EDFA的噪聲。
1．2 EDFA的結構
    典型的EDFA結構主要由摻鉺光纖(EDF)、泵浦光源、耦合器、隔離器等組成。
    摻鉺光纖是EDFA的核心部件。它以石英光纖作為基質，在纖芯中摻人固體激光工作物質鉺離子，在幾米至幾十米的摻鉺光纖內，光與物質相互作用而被放大、增強。光隔離器的作用是抑制光反射，以確保放大器工作穩(wěn)定，它必須是插入損耗低，與偏振無關，隔離度優(yōu)于40 dB。
    圖2為單向泵浦方式結構，此外還有反向泵浦，雙向泵浦方式結構。

1．3 EDFA的特性及性能指標
    增益特性表示了放大器的放大能力，其定義為輸出功率與輸入功率之比：

   
    式中：Pout,Pin分別表示放大器輸出端與輸入端的連續(xù)信號功率。增益系數(shù)是指從泵浦光源輸入1 mW泵浦光功率通過光纖放大器所獲得的增益，其單位為dB／mW：

   
式中：g0是由泵浦強度定的小信號增益系數(shù)，由于增益飽和現(xiàn)象，隨著信號功率的增加，增益系數(shù)下降；Is，Ps分別為飽和光強和飽和光功率，是表明增益物質特性的量，與摻雜系數(shù)、熒光時間和躍遷截面有關。
    增益和增益系數(shù)的區(qū)別在于：增益主要是針對輸入信號而言的，而增益系數(shù)主要是針對輸入泵浦光而言的。另外，增益還與泵浦條件(包括泵浦功率和泵浦波長)有關，目前采用的主要泵浦波長是980 nm和1 480 nm。由于各處的增益系數(shù)是不同的，而增益須在整個光纖上積分得到，故此特性可用以通過選擇光纖長度得到較為平坦的增益譜。
1．4 EDFA的帶寬
    增益頻譜帶寬指信號光能獲得一定增益放大的波長區(qū)域。實際上的EDFA的增益頻率變化關系比理論的復雜得多，它還與基質光纖及其摻雜有關。在EDFA的增益譜寬已達到上百納米．而且增益譜較平坦。ED-FA的增益頻譜范圍在1 525～1 565 nm之間。

2 EDFA的級聯(lián)應用
2．1 EDFA的級聯(lián)結構
    EDFA對光信號功率的放大，特別在無線光通信大功率(瓦級)應用中，常常采用級聯(lián)的方式，比如兩級或者三級放大。之所以采用級聯(lián)的方式，是因為在EDFA的摻鉺光纖(EDF)中插入一個光隔離器，構成帶光隔離器的兩段級聯(lián)EDFA，由于光隔離器有效地抑制了第二段：EDF的反向自發(fā)輻射(ASE)，使其不能進入第一段EDF，減少了泵浦功率在反向ASE上的消耗，使泵浦光子更有效地轉換成信號光能量，從而可以明顯改善EDFA的增益、噪聲系數(shù)和輸出功率等特性。本文采用麗級級聯(lián)放大，將1～2 mW的1 550 nm光信號，經EDFA放大到1 W左右。級聯(lián)結構如圖3所示。

    光信號由LD激光器產生，是已調制的信號，第一級放大采用單包層摻鉺光纖放大器，980 nm單模半導體激光器作為泵浦源，將光功率放大到50 mW附近。第一級采用單模半導體激光器泵浦，先將光信號穩(wěn)定可靠的放大到一定功率，保證了整個光信號的完整，又為下一級光放大提供了較高的光功率基礎。第二級采用雙包層光纖放大器，多模半導體激光器泵浦源將光功率放大到1 W左右。雙包層光纖放大器纖芯比單包層纖芯大，泵浦功率可以有效地耦臺到纖芯中，使第二級光信號的輸出功率可達到瓦級。
2．2 EDFA級聯(lián)應用的增益
2．2．1 增益計算
    對EDFA級聯(lián)的整體光功率增益：

   
    其中：Pout表示EDFA兩級放大后的輸出光功率，Pin表示需要放大的輸入光功率。
    在本文中，光放大采用了兩級級聯(lián)放大，第一級增益為G1：

   
    其中第一級的輸出為第二級的輸入，P'out=P'in=P，所以：

   
    即，整體增益等于兩級增益之和，本文的整體光功率增益為：

   
    第一級增益為17 dB，第二級增益為13 dB，1 W的光功率經過準直聚焦，再有光學鏡頭發(fā)射到大氣信道，大大提高了光信號的有效傳輸距離。
2．2．2 影響增益的因素
    EDFA的增益與諸多因素有關，如摻鉺光纖的長度，隨著摻鉺光纖長度的增加，增益經歷了從增加到減少的過程，這是因為隨著光纖長度的增加，光纖中的泵浦功率將下降，使得粒子反轉數(shù)降低，最終在低能級上的鉺離子數(shù)多于高能級上的鉺離子數(shù)，粒子數(shù)恢復到正常的數(shù)值。
    由于摻鉺光纖本身的損耗，造成信號光中被吸收掉的光子多于受激輻射產生的光子，引起增益下降。由上述討論可知，對于某個確定的入射泵浦功率，存在著一個摻鉺光纖的最佳長度，使得增益最大。增益與摻鉺光纖長度的關系如圖4所示。

    EDFA的增益還跟輸入光的程度、泵浦光功率及光纖中鉺離子Er3+的濃度都有關系，如小信號輸入時的增益系數(shù)大于大信號輸入時的增益系數(shù)。當輸入光弱時，高能位電子的消耗減少并可從泵激得到充分的供應，因而，受激輻射就能維持達到相當?shù)某潭取．斴斎牍庾儚姇r，由于高能位的電子供應不充分，受激輻射光的增加變少，于是就出現(xiàn)飽和。泵浦光功率越大，摻鉺光纖越長，3 dB飽和輸出功率也就越大。其次與當Er3+的濃度超過一定值時，增益反而會降低，因此要控制好摻鉺光纖的鉺離子濃度。
    采用EDFA后，提高了注入光纖的功率，但當大到一定數(shù)值時，將產生光纖非線性效應和光泄漏效應，這影響了系統(tǒng)的傳輸距離和傳輸質量。另外色散問題變成了限制系統(tǒng)的突出問題，可以選用G653光纖(色散位移光纖DSF)或非零色散光纖(NZDF)來解決這一問題。
2．3 EDFA級聯(lián)的改進
    之所以采用EDFA級聯(lián)的方式，一是插入兩級間的光隔離器有效地抑制了第二段EDF的反向自發(fā)輻射(ASE)，使其不能進入第一段EDF，減少了泵浦功率在反向ASE上的消耗，使泵浦光子更有效地轉換成信號光能量；二是分為兩級后，各自的增益可以任意分配，可以根據不同的增益要求和應用環(huán)境改變相應的增益。但是，要在保證信號無失真的情況下得到最佳的光功率增益，還需要解決一些問題：
    (1)由于增益分為兩級，如何分配兩級問的增益才能在現(xiàn)有的EDF、泵浦源功率等條件下使得光放大的實現(xiàn)更容易，這與EDF的放大能力，泵浦遠功率大小、穩(wěn)定性，泵浦光波長及其模式等均有密切相關。
    (2)在每一級各自一定的泵浦功率下，找到摻鉺光纖的最佳長度。當EDF過短時，由于對泵浦吸收的不充分而導致增益降低；而當EDF過長時，由于泵浦光在EDF內被鉺離子吸收，泵浦功率逐漸下降，當功率降至泵浦閾值以下時，就不能形成粒子數(shù)反轉，此時，這部分EDF不僅對信號光無放大作用，反而吸收了已放大的部分信號，造成增益的下降，同時也會引起噪聲系數(shù)的增大。
    (3)如果需要更高的光功率輸出，幾十瓦甚至上百瓦，可考慮更高級聯(lián)的方法，因為隨著增益的增大，泵浦源由于轉換效率的問題，功率需求會很高，所需的單級EDF長度也會大大增長，這樣的工作條件往往不易達到，且穩(wěn)定性不強，采用更高級聯(lián)可以將增益劃分到多級，易于實現(xiàn)和控制，光模塊的整體增益特性也有較大提高。

3 結語

    本文提出了采用EDFA級聯(lián)的方法，實現(xiàn)了光信號30dB的增益，滿足無線光通信光功率傳播的要求，使得光信號能在大氣信道進行遠距離，高穩(wěn)定性傳輸。同時在現(xiàn)有的基礎上，提出了需改進的問題，為今后研究的進一步開展指出了方向。