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光放大器——EDFA
EDFA也稱為摻鉺光纖放大器，是一種特殊的光纖，在纖芯中注入了餌（Er）這種稀土元素，使得在泵浦光源作用下，可直接對某一波長的光信號進(jìn)行放大。
其誕生是光纖通信領(lǐng)域革命性的突破，它使長距離、大容量、高速率的光纖通信成為可能，是DWDM系統(tǒng)及未來高速系統(tǒng)、全光網(wǎng)絡(luò)不可缺少的重要器件。這一次的筆記就來著重介紹一下EDFA的相關(guān)內(nèi)容。
EDFA的工作原理
摻鉺光纖放大器實(shí)際上它是在石英光纖的纖芯中摻入了餌這一稀土元素，而餌離子，我們知道：有3個工作能級，分別是E1、E2和E3。其中，E1能級能量至低，粒子數(shù)至多，而E3能級能量至高，粒子數(shù)至少，中間藍(lán)色的線對應(yīng)的是E2能級。這三個能級中，因?yàn)镋1能級能級至低，粒子數(shù)至多，至穩(wěn)定，我們也稱它為基態(tài)，即至穩(wěn)定的狀態(tài)；而E3能級中能量至高，這個能級的粒子至不穩(wěn)定，我們也稱它為激發(fā)態(tài)。中間的E2能級處在基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間，我們稱它為亞穩(wěn)態(tài)。它比基態(tài)活躍些，也比激發(fā)態(tài)穩(wěn)定一些。亞穩(wěn)態(tài)上的粒子數(shù)相對來說比較穩(wěn)定，能在一段時間內(nèi)保持住一個穩(wěn)定狀態(tài)。
知道了餌離子三個能級的組成，那EDFA是如何實(shí)現(xiàn)光的放大呢？
比如說，光纖中所要傳過來的光比較弱，通過EDFA這個放大器之后，輸出來就是已經(jīng)放大了的強(qiáng)光，是怎么實(shí)現(xiàn)的呢。
首先，針對摻鉺光纖放大器這三個能級，我們外加一個泵浦光源，泵浦源的目的是給物質(zhì)輸入能量，使得低能級E1的粒子吸收泵浦光的能量后紛紛向上躍遷到E3能級，也就是激發(fā)態(tài)，我們稱這個過程為電子吸收泵浦光躍遷。
而E3能級上的粒子是處于激發(fā)態(tài)，非常不穩(wěn)定，所以在沒有外界粒子激發(fā)的情況下，它就會紛紛地向下躍遷，躍遷到E2能級也就是亞穩(wěn)態(tài)，我們稱這個過程為無輻射躍遷，沒有外界粒子激發(fā)，高能級的粒子就自動地自發(fā)地向下躍遷到低能級。
而E2能級因?yàn)槭翘幱趤喎€(wěn)態(tài)，可以在一段時間內(nèi)保持住該能級上的粒子，使得在E2和E1之間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)（關(guān)于粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)我們在前面的筆記已經(jīng)介紹過，就是指物質(zhì)的粒子分布一反常態(tài)，使得高能級粒子數(shù)反而多，而低能級粒子數(shù)反而少）。這時候，如果有一個外來光子的激發(fā)，而這個光正好是將要被放大的光信號，此時的光信號是弱光，里面所包含的光子數(shù)比較少，而這樣射入的光子，在E2和E1之間作為一個外來的激發(fā)光子，會在反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的E2和E1之間實(shí)現(xiàn)受激輻射的過程大于受激吸收的過程，產(chǎn)生新的全同光子，從而實(shí)現(xiàn)光的放大，那么從物質(zhì)中輸出來的光就是強(qiáng)光了。這就是摻鉺光纖放大器的工作原理。
從原理中可以知道，我們可以知道，對一個摻鉺光纖放大器來說，首先一定要有一段摻了餌這種稀土元素的光纖，其次，這段光纖一定要被激活，因?yàn)樗枰幱诹Ｗ訑?shù)的反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，那么如何被激活呢，這就需要外來的激勵源——泵浦光源。這兩部分是構(gòu)成摻鉺光纖放大器的主要部分。
在了解工作原理的基礎(chǔ)上，接下來，我們來看一下EDFA的結(jié)構(gòu)。
EDFA的結(jié)構(gòu)
EDFA主要組成有：摻鉺光纖（EDF）、泵浦光源、光耦合器、光隔離器、光濾波器等。
左邊是輸入的需要被放大的弱光信號，右邊輸出的是已經(jīng)被放大了的光信號，中間的器件都屬于摻鉺光纖放大器的組成。在這里面，首先是要有一段摻了餌這種稀土元素的光纖，這段光纖長度一般是10m到100m之間。此外，我們說要把這段光纖激活，激活需要外界的激勵源，因此有一個泵浦光源。而這個泵浦光源是怎樣注入到摻鉺光纖中來激活它呢，需要一個光耦合器，耦合器的作用是把不同方向轉(zhuǎn)過來的光耦合進(jìn)同一根光纖中，那么，耦合的輸入一個是外界的泵浦激勵源、一個是需要被放大的弱的輸入光信號，這兩個不同的光通過耦合器注入到同一個光纖中，然后各司其職，其中泵浦光源是激活這根摻鉺光纖使它處于粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，之后通過輸入光信號作為外界的激發(fā)，實(shí)現(xiàn)受激輻射的過程大于受激吸收的過程，從而實(shí)現(xiàn)光的放大。
除了這幾個必不可少的器件之外，還要在摻鉺光纖的兩側(cè)加上光隔離器。它的目的是隔離后向的散射光，保證摻鉺光纖工作在一個穩(wěn)定的環(huán)境中，可以安心地放大光信號，不受其他雜光的影響。還有光濾波器，濾波器顧名思義是濾除噪聲的，但除了濾除噪聲之外，它還要過濾掉泵浦光源這一部分光，使得輸出的光信號與輸入的光信號是相同頻率的光，只不過幅度被放大了。
總結(jié)一下各部分的作用如下：
（1） 摻鉺光纖：長度為10m-100m的摻鉺石英光纖
（2） 泵浦光源：半導(dǎo)體激光器，工作波長為0.98μm
（3） 光耦合器：將輸入光信號和泵浦光源輸出的光波混合起來的無源光器件，一般采用波分復(fù)用器（WDM）
（4） 光隔離器：防止反射光影響光放大器的工作穩(wěn)定性，保證光信號只能正向傳輸?shù)钠骷?，不要受后向散射光的影響?br />（5） 光濾波器：濾除光放大器的噪聲，降低噪聲對系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的信噪比。
EDFA的分類
按照泵浦光源的泵浦方式不同，EDFA有三種不同的結(jié)構(gòu)形式：
（1） 同向泵浦結(jié)構(gòu)
同向泵浦：泵浦光源和輸入光信號都從同一個方向注入到摻鉺光纖中來。
（2） 反向泵浦結(jié)構(gòu)
反向泵浦：泵浦光源和輸入光信號從兩個相反的方向注入到摻鉺光纖中來。
（3） 雙向泵浦結(jié)構(gòu)
雙向泵浦：既有同向泵浦也有反向泵浦。
EDFA的主要特性參數(shù)
1、 功率增益
摻鉺光纖放大器是把弱光放大成強(qiáng)光，我們用功率增益來表示放大的倍數(shù)。
功率增益值越大表明摻鉺光纖放大器的放大能力越好。
增益的大小與泵浦光功率以及光纖長度等有關(guān)。
（1）增益的大小與泵浦光功率的關(guān)系
摻鉺光纖放大器功率增益與泵浦功率間的關(guān)系
放大器的功率增益隨泵浦功率的增加而增加（泵浦光越強(qiáng)，會有更多的低能級粒子吸收了泵浦光的能量向上躍遷，從而產(chǎn)生反轉(zhuǎn)分布的粒子數(shù)就多了，光的放大作用也就強(qiáng)了），當(dāng)泵浦功率達(dá)到一定值時，放大器的功率增益出現(xiàn)飽和，即泵浦功率再增加而功率增益基本不變（因?yàn)榭煞崔D(zhuǎn)分布的粒子數(shù)畢竟是有限，當(dāng)泵浦光強(qiáng)度已經(jīng)很強(qiáng)的時候，無論其再怎樣加強(qiáng)，如果達(dá)到了反轉(zhuǎn)分布粒子數(shù)的極限，那么放大倍數(shù)將不會再增加了，因此會出現(xiàn)一個飽和的趨勢）。
（2）增益的大小與光纖長度的關(guān)系
摻鉺光纖放大器功率增益與光纖長度間的關(guān)系
這里的光纖是指摻鉺光纖放大器中摻鉺光纖的光纖長度。
摻鉺光纖長度越長，可獲得的功率增益就越大（因?yàn)閾姐s光纖長度越大表示可以反轉(zhuǎn)分布的粒子數(shù)的作用區(qū)就越長，作用區(qū)越長，功率增益當(dāng)然就越大），但是隨著光纖長度的再一步增強(qiáng)，功率增益反而會下降（這是因?yàn)楣饫w長度繼續(xù)加長的話損耗也增加了，損耗比放大的功率增益損耗還要大，終的功率增益就被減小了）。因此，增益的大小與光纖長度是有一個先升高后下降的過程，其中，頂點(diǎn)是佳功率增益，它所對應(yīng)的光纖長度是max增益的光纖長度。
2、 輸出飽和功率
是一個描述輸入信號功率與輸出信號功率之間關(guān)系的參量。
摻鉺光纖放大器輸出飽和功率曲線
輸入信號功率與輸出信號功率之間不完全是正比，而且存在著飽和的趨勢（因?yàn)檩斎胄盘柪^續(xù)增強(qiáng)，反轉(zhuǎn)分布的粒子數(shù)有限，輸出信號也不再增強(qiáng)，反而出現(xiàn)一個飽和的趨勢）。
摻鉺光纖放大器的增益飽和特性
EDFA的Max輸出功率常用3dB輸出飽和功率來表示。
當(dāng)飽和增益下降3dB時所對應(yīng)的輸出功率值為3dB飽和輸出功率，它代表了EDFA的max輸出能力。
3、 噪聲系數(shù)
EDFA噪聲的主要來源包括信號光的散彈噪聲，信號光波與放大器自發(fā)輻射光波之間的差拍噪聲，被放大的自發(fā)輻射光的散彈噪聲以及光放大器自發(fā)輻射的不同頻率光波間差拍噪聲。
EDFA噪聲系數(shù)可用噪聲系數(shù)F來表示。
EDFA噪聲系數(shù)的極限值為3dB。
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