如何选择适合自己的光纤放大器？

教学内容

(1)光纤放大器的工作原理；

(2)光纤放大器的组成结构、特性及应用。

技能要求

(1)能叙述光纤放大器的工作原理；

(2)能设计光纤放大器的应用；

(3)能理解光纤放大器的特性。

任务描述

团队(4～6人)完成光纤放大器的应用设计及关键指标测量。

任务分析

让学生完成光纤放大器的品牌(型号)和参数记录，并完成光纤放大器的特性测量。

知识准备

光中继器常采用光－电－光再生中继器，这种中继设备影响系统的稳定性和可靠性，为实现全光网络，直接在光路上对信号进行放大传输，就要用一个全光传输型中继器(光纤放大器)来代替这种再生中继器。其对推动密集波分复用、频分复用、光孤子光纤通信、光纤本地网和光纤宽带综合业务数据网的发展起着举足轻重的作用。

1.光纤放大器的分类

光纤放大器有非线性光纤放大器、半导体激光放大器和掺稀土元素光纤放大器三大类型。

1)非线性光纤放大器

非线性光纤放大器是早期利用光纤中的非线性效应研制的，非线性光纤放大器是利用光纤的非线性效应实现对信号光放大的一种激光放大器。当光纤中光功率密度达到一定阈值时，将产生受激拉曼散射(SRS)或受激布里渊散射(SBS)，形成对信号光的相干放大。非线性光纤放大器可相应分为拉曼光纤放大器(SRA)和布里渊光纤放大器(BRA)。

2)半导体激光放大器

半导体激光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)是利用半导体技术研制的。SOA的放大原理与半导体激光器的工作原理相同，也是利用能级间受激跃迁而出现粒子数反转分布的现象进行光放大。SOA有两种类型:一种是将通常的半导体激光器当作光放大器使用，称作F-P半导体激光放大器(FPA)；另一种是在F-P激光器的两个端面上涂有抗反射膜消除两端的反射，以获得宽频带、高输出、低噪声。

半导体激光放大器的尺寸小，频带很宽，增益也很高，但其最大的弱点是与光纤的耦合损耗太大，易受环境温度的影响，因此其稳定性较差。半导体激光放大器容易集成，适于与光集成和光电集成电路结合使用。

3)掺稀土元素光纤放大器

目前性能较完美的光纤放大器是掺稀土元素光纤放大器，其掺入铒(Er)、铥(Tm)、镨(Pr)和铷(Nd)等元素，常用的是掺铒光纤放大器(EDFA)，还有掺镨光纤放大器(PDFA)、掺铌光纤放大器(NDFA)等。

掺铒光纤放大器的基本组成及工作原理:

(1)掺铒光纤放大器的基本组成。掺铒光纤放大器主要由掺铒光纤(EDF)、泵浦源(Pumping Supply)、光耦合器(WDM)、光隔离器(ISO)和光滤波器(Optical Filter)等组成。图3-39所示为掺铒光纤放大器的基本组成示意。

图3-39　掺铒光纤放大器的基本组成示意

掺铒光纤是掺铒光纤放大器的核心部件。它以石英光纤为基质，在纤芯中掺入固体激光工作物质铒离子，在几米至几十米的掺铒光纤内，光与物质相互作用而被放大、增强。

光隔离器的作用是抑制光反射，以确保放大器工作稳定，它必须插入损耗低，与偏振无关，隔离度优于40 dB。

泵浦源为半导体激光器，输出功率为10～100 mW，工作波长为0.98μm。

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。

(2)掺铒光纤放大器的工作原理。如图3-39所示，在没有泵浦源作用时，铒离子Er3＋的能量状态称为基态；吸收泵浦光能量后，Er3＋便处于较高的能量状态，即由基态跃迁到激发态。由于处于该高能态的寿命很短，将迅速过渡到亚稳态(较低的激发态)，Er3＋处于激发态的寿命长得多。当Er3＋从亚稳激发态跃迁回基态时，多出来的能量转变为荧光辐射(1.53～1.56μm)，辐射光的波长由亚稳态与基态的能级差决定。

动画3-24　掺铒光纤放大器的原理

图3-40所示为掺铒光纤放大器的工作原理示意，在泵浦源的不断作用下(980 nm和1 480 nm波段)，处于亚稳激发态的Er3＋不断累积，其数量超过仍处于基态的离子数。当高能态上的粒子数超过低能态上的粒子数时，达到了粒子数反转分布状态(可能有光放大作用)。当入射光信号的光子能量相当于基态和亚稳态之间的能量差(hf＝E21)，入射光和泵浦光同时馈入掺铒光纤放大器时，输出一个频率相同、传输模式相同的较强的光，使光信号获得放大，同时引发由基态到亚稳态的吸收跃迁(受激吸收)。由于粒子数反转分布的缘故，总的效果是发射的光能超过吸收的光能，这就使入射光增强，而得到了光放大。具体工作过程见动画3-24。

图3-40　掺铒光纤放大器的工作原理示意

掺铒光纤放大器的主要优点是增益高、带宽大、输出功率高、泵浦效率高、插入损耗低、对偏振态不敏感等。

(3)掺铒光纤放大器的泵浦方式。根据泵浦光源和输入光信号注入掺铒光纤的方向，掺铒光纤放大器可分为同向泵浦(如图3-39、动画3-25所示)、反向泵浦[如图3-41(a)、动画3-26所示]和双向泵浦[如图3-41(b)、动画3-27所示]三种方式。

动画3-25　同向泵浦掺饵光纤放大器

动画3-26　反向泵浦掺饵光纤放大器(www.xing528.com)

动画3-27　双向泵浦掺饵光纤放大器

图3-41　反向泵浦方式和双向泵浦方式

(a)反向泵浦方式；(b)双向泵浦方式

(4)掺铒光纤放大器的特性及性能指标。

①增益特性。增益特性表示了掺铒光纤放大器的放大能力。增益特性定义为输出功率与输入功率之比，一般用分贝(dB)表示。

掺铒光纤放大器的增益与诸多因素有关，如掺铒光纤的长度，随着掺铒光纤长度的增加，增益经历了从增加到减少的过程，这是因为随着掺铒光纤长度的增加，单位长度的掺铒光纤中的泵浦功率下降，使得粒子反转数降低，最终在低能级上的Er3＋数多于高能级上的Er3＋数，粒子数恢复到正常的数值。

②输出功率特性。对于理想光纤放大器，无论输入的功率多大，光信号都能按某一比例放大，现实并非如此。掺铒光纤放大器的输出功率还跟输入光的程度、泵浦光功率及光纤中Er3＋的浓度都有关系。当输入光弱时，高能位电子的消耗减少并可从泵浦激发态得到充分的供应，因而，受激辐射就能维持达到相当的程度。当输入光变强时，由于高能位的电子供应不充分，受激辐射光的增加变少，于是就出现饱和。

泵浦光功率越大，掺铒光纤越长，3 dB饱和输出功率也就越大。当Er3＋的浓度超过一定值时，增益反而会降低，因此要控制好掺铒光纤的Er3＋浓度。

2.光纤放大器的应用

(1)功率放大。光纤放大器将光端机输出的光信号(合波信号后的光信号)进行放大，然后再进行传输。光纤放大器的输出功率要求很高且稳定好，噪声、增益要求并不是很高。

(2)中继放大。光信号在光纤传输中功率有所下降，光纤放大器用于周期性地补偿线路传输损耗，一般要求比较小的噪声、较大的输出光功率。

(3)前置放大。处于接收端的光信号(分波器前的光信号)，经中继(线路)放大器之后，用于信号放大，提高接收机的灵敏度[在光信噪比(OSNR)满足要求的情况下，较大的输入功率可以压制接收机本身的噪声，提高接收灵敏度]，其要求噪声指数很小，但对输出功率没有太大的要求。

任务实施

1.任务器材

1×2光开关、光源、光谱仪、3 dB光分路器、2个光隔离器、耦合器、光隔离器、EDF光纤、10 dB或15 dB固定衰减器、980 nm泵浦源、FC或SC尾纤(若干)和笔。

2.任务

(1)光纤放大器增益测试。各小组根据教师或学校提供的设备及器件，完成图3-42所示的光纤放大器增益测试框图的组建。

图3-42　光纤放大器增益测试框图

光信号经过3 dB光分路器后分为两路，一路光信号供检测，另一路光信号与980 nm的泵浦信号耦合进入EDF光纤，经过EDFA放大的信号经过固定衰减器(10 dB或15 dB)的衰减，保证光功率在光谱仪的测试范围以内，并能适当平衡EDFA输入和输出光功率测试的显示值，经过1×2光开光在光谱仪上显示。a点、b点和c点为光纤连接器，便于测试和测量。

各小组将测试值记录在表3-5中。

表3-5　增益测试表

(2)三种泵浦方式的仿真设计。各小组利用OptiSystem仿真软件完成三种泵浦方式的设计，将EDFA组成框图打印并贴在报告上。

(3)功率放大仿真。

各小组利用OptiSystem仿真软件完成光纤放大器的增益仿真设计，EDFA的输出功率还跟输入光功率、泵浦光功率、EDF光纤长度及光纤中Er3＋浓度有关系，请各组完成光纤放大器的功率放大验证。

任务总结(拓展)

(1)如何测试光纤放大器的饱和增益?画出测试框图并撰写测试方案。

(2)利用OptiSystem仿真软件完成光纤放大器的饱和增益的验证。