光纤放大器分类

90年代初期，掺铒光纤放大器（EDFA）的研制成功，打破了光纤通信传输距离受光纤损耗的限制，使全光通信距离延长至几千公里，给光纤通信带来了革命性的变化，被誉为光通信发展的一个“里程碑”。那么，究竟什么是光纤放大器呢？　根据放大机制不同，OFA可分为两大类。

掺稀土OFA

制作光纤时，采用特殊工艺，在光纤芯层沉积中掺入极小浓度的稀土元素，如铒、镨或铷等离子，可制作出相应的掺铒、掺镨或掺铷光纤。光纤中掺杂离子在受到泵浦光激励后跃迁到亚稳定的高激发态，在信号光诱导下，产生受激辐射，形成对信号光的相干放大。这种OFA实质上是一种特殊的激光器，它的工作腔是一段掺稀土粒子光纤，泵浦光源一般采用半导体激光器。

当前光纤通信系统工作在两个低损耗窗口：1.55μm波段和1.31μm波段。选择不同的掺杂元素，可使放大器工作在不同窗口。

（1）掺铒光纤放大器（EDFA）

掺铒光纤放大器由一段掺铒光纤和泵浦光源组成，如图1所示。掺铒光纤是在石英光纤的纤芯中掺入适量浓度的铒离子（Er3+），泵浦源的作用是给铒离子提供能量，将它从低能级“抽运”到高能级，使其具有光学

图1 掺杂光纤放大器的组成示意图

增益功能。没有泵浦光作用时，Er3+离子的能量状态称为基态；吸收泵浦光能量后，Er3+便处于较高能量状态，即由基态跃迁到激发态。由于处于该高能态的寿命很短，将迅速过渡到较低的激发态，Er3+处于激发态的寿命长得多，被称为亚稳态。当Er3+从亚稳激发态跃迁回到基态时，多出来的能量转变为荧光辐射，辐射光的波长由亚稳态与基态的能级差决定。在1550nm波段上，在泵浦源不断作用下，处于亚稳激发态的Er3+不断累积，其数量可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，达到了粒子数反转状态。只有在这种状态下才可能有光放大作用。如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，即其光波长与上述辐射光的波长相同，它将同时引发由基态→亚稳态的吸收跃迁和由亚稳态→基态的发射跃迁，吸收跃迁吸收光能，发射跃迁发射光能，吸收和发射光能的大小各与基态和亚稳态的粒子密度成正比。由于粒子数反转的缘故，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。

掺杂光纤放大器的一个重要问题是选择合适的泵浦源。掺Er3+石英光纤在550、650、810、980和1480nm等处存在吸收光谱带，原则上都可选为泵浦光波长。但由于980nm和l 480mn光波长的光泵浦效率最高，故多采用。980nm泵浦源选用InGaAs/AlGaAs半导体激光器，1 480nm泵浦源选用GalnAsP/Inp半导体激光器，它们的光功率一般为数十至上百亳瓦。采用980nm的泵浦源还有噪声低的优点，而1 480mn泵浦源由于与信号光波长相近，耦合方便。

光纤通信的另一重要的低损耗窗口是1 300nm波段。掺钕离子（Nd3+）的氯化物玻璃光纤可构成工作于这一波段的掺钕光纤放大器。

光纤放大器要求增益高，工作频带宽、噪声低。掺铒光纤放大器已实用化，其典型值：小信号增益30dB，带宽32nm，噪声系数5dB。

掺铒光纤放大器是光纤通信技术的一项重大突破，它可免除常规光纤通信技术在中继站进行光一电一光变换而延长中继距离，使常规的光纤通信提高到一个新的水平。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。

（2）掺镨光纤放大器（PDFA）

PDFA工作在1.31μm波段，已敷设的光纤90%都工作在这一窗口。PDFA对现有光通信线路的升级和扩容有重要的意义。目前已经研制出低噪声、高增益的PDFA，但是它的泵浦效率不高，工作性能不稳定，增益对温度敏感，离实用还有一段距离。

非线性OFA

非线性OFA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OFA可相应分为拉曼光纤放大器（SRA）和布里渊光纤放大器（BRA）。目前研制出的SRA尚未商用化。

OFA的研制始于80年代，并在90年代初取得重大突破。在现代光通信系统设计中，如何有效地提高光信号传输距离，减少中继站数目，降低系统成本，一直是人们不断探索的目标。OFA是解决这一问题的关键器件，它的研制和改进在全球范围内仍方兴未艾。

随着密集波分复用（DWDM）技术、光纤放大技术，包括掺铒光纤放大器（EDFA）、分布喇曼光纤放大器（DRFA）、半导体放大器（SOA）和光时分复用（OTDM）技术的发展和广泛应用，光纤通信技术不断向着更高速率、更大容量的通信系统发展，而先进的光纤制造技术既能保持稳定、可靠的传输以及足够的富余度，又能满足光通信对大宽带的需求，并减少非线性损伤。

光纤放大器应用市场

近年来，随着信息和通信技术的飞速发展，光纤放大器的研究和发展又进一步扩大了增益带宽，将光纤通信系统推向了高速率、大容量、长距离方向发展。由于光纤放大器的独特性能，在DWDM传输系统、光纤CATV和光纤接入网中有着广泛的应用。密集波分复用系统在光纤传输系统中已成为技术主流，作为DWDM系统核心器件之一的光纤放大器在其应用中将得到迅速发展，这主要是由于光纤放大器有足够的增益带宽，它和WDM技术相结合可迅速简便地扩大现有光缆系统的通信容量，延长中继距离。在光纤接入网中，尽管用户系统的距离较短，但用户网的分支太多，需要用光纤放大器来提高光信号的功率以补偿光分配器造成的光损耗和提高用户的数量，降低用户网的建设成本。在光纤CATV系统中，随着其规模的不断扩大，其链路的传输距离不断增长，光路的传输损耗也不断增加，将光纤放大器应用在光纤CATV系统中不但可提高光功率，补偿链路的损耗，增加光用户终端，而且简化了系统结构，降低了系统成本，加快了光纤CATV的发展。最近，美国CIBC World Market 公司的相关人士对掺铒光纤放大器（EDFA）、光纤拉曼放大器（FRA）、半导体光放大器（SOA）这三类光放大器的市场状况分别进行了分析：EDFA从1994年开始商用，现已成为DWDM系统的关键器件，且市场正在快速增长，其中Corning、Lucent和JDS Uniphase等许多公司都参和了这一市场的竞争，预计全球EDFA市场将从1999年的13亿美元增长到2004年的96亿美元，销售量将以年均43[%]的速度递增；光纤拉曼放大器近年来备受人们关注，已成为开发的热点，尽管预计最近一两年内光纤拉曼放大器还不会在陆地光缆系统中广泛应用，但其市场规模仍将从1999年的约330万美元猛增到2004年的7.5亿美元；而半导体光放大器（SOA）自应变量子阱材料的SOA研制成功以来，其研制速度和应用开发明显加快，且SOA市场可望于2001年开始起动，此后会迅速扩大，2004年将达到2亿美元的规模。

光纤放大器发展方向

由于超高速率、大容量、长距离光纤通信系统的发展，对作为光纤通信领域的关键器件――光纤放大器在功率、带宽和增益平坦方面提出了新的要求，因此，在未来的光纤通信网络中，光纤放大器的发展方向主要有以下几个方面：

(1)EDFA从C-Band向L-Band发展；

(2)宽频谱、大功率的光纤拉曼放大器；

(3)将局部平坦的EDFA和光纤拉曼放大器进行串联使用，获得超宽带的平坦增益放大器；

(4)发展应变补偿的无偏振、单片集成、光横向连接的半导体光放大器光开关；

(5)研发具有动态增益平坦技术的光纤放大器；

光纤放大器故障解决

光纤放大器，面板显示和实际输出是同步的，如果面板显示正常，则说明光放大器输出正常，如果这种情况下测试光放大器时光功率下降或不够，最大的可能性有以下几种：

1.光功率计不准，国产的光功率计只能测试光功率输出较小的设备，不能测试大功率输出的EDFA，测试光放大器的光功率计必须原装进口，不能把不准确的仪器当作标准来使用。

2.输出口的法兰损坏，这个可能性较小。

3.用户使用不当，在机器工作时插拔，烧伤光放大器输出的尾纤头，造成光放大器输出功率下降，如发生这种情况，只要重新熔接光放大器的输出接头即可。

4.用户使用的尾纤质量太差，纤芯过长，在插入尾纤后擦伤光放大器的输出接头，这个现象是第一次测试是好的，第二次插入再次测试时就光功率下降了，解决这个问题也只要重新熔接光放大器的输出接头就可，

5.光源的波长不对，如果1550nm光发射机的波长有偏差，会造成光放大器的输 出光功率不够，也会造成面板显示偏小。

6.输入光放大器的光功率较小，如果低于标准值时可能会造成光功率变小，同时面板显示也会变小。

注意事项

1.切勿将光纤输出口指向人体，尤其是眼睛，以免造成损伤。

2.切勿在通电状态下进行路由的连接，以免因操作不当造成输出尾纤端面烧伤。

3.由于产品的输出功率较大，使用时请关注本机的工作室温，保持通风良好。

光纤放大器专利技术

1、CN00101089.1 增益平化的光纤放大器

2、CN00102134.6 含有增益控制电路的掺铒光纤放大器

3、CN00118698.1 根据信道数稳定光纤放大器输出功率的设备和方法

4、CN00118701.5 使用种子光束的长带光纤放大器

5、CN00125366.2 用于包层泵浦光纤放大器和激光器的多光束合波分波器

6、CN00803494.X 光纤放大器增益的平坦化

7、CN01101299.4 光纤放大器

8、CN01102975.7 波分复用系统中用于抑制光纤放大器暂态效应的装置

9、CN01110050.8 增益固定型光纤放大器

10、CN01111399.5 用于光放大器的光纤,光纤放大器和光纤激光器

11、CN01116610.X 长波段光纤放大器

12、CN01121851.7 光纤放大器、激励光源模块和光学系统

13、CN01126962.6 自适应智能化光纤放大器

14、CN01141272.0 改进的宽带搀铒光纤放大器

15、CN01143920.3 放大用光纤和包含它的光纤放大器

16、CN01145384.2 一种掺铒光纤放大器增益控制装置

17、CN01218161.7 光纤放大器

18、CN01244678.5 多模掺饵光纤放大器

19、CN01800418.0 利用双端口波长选择耦合器的光纤放大器

20、CN01810531.9 含有分布和分立式拉曼光纤放大器的放大器系统

21、CN02100850.7 光纤放大器和使用该光纤放大器的光通信系统

22、CN02103451.6 半导体激光组件、采用它的光纤放大器与光通信系统

23、CN02104782.0 利用泵浦光提高S－带宽的转换效率的掺杂铥的光纤放大器

24、CN02112491.4 一种用于掺铒光纤放大器的模拟增益控制装置及其方法

25、CN02124992.X 支持单纤双向光传输的光纤放大器连接方法及其装置

26、CN02130396.7 偏振波保持型光纤放大器和光放大器

27、CN02131442.X 喇曼掺铒光纤放大器的增益谱均衡的方法

28、CN02131443.8 增益谱可控的喇曼光纤放大器及其控制方法

29、CN02131553.1 色散减小的喇曼光纤放大器

30、CN02134904.5 智能化掺铒光纤放大器

31、CN02136511.3 全波段拉曼光纤放大器

32、CN02136512.1 多波段稀土掺杂光纤放大器

33、CN02136672.1 多稀土掺杂超宽带光纤放大器

34、CN02145135.4 低噪声、高增益、高平坦的长波段掺铒光纤放大器

35、CN02147092.8 与拉曼光纤放大器和半导体光放大器耦合的混合光放大器

36、CN02147746.9 喇曼增益实时动态控制与补偿的方法及其喇曼光纤放大器

37、CN02152708.3 宽带掺饵光纤放大器和波分复用光传输系统

38、CN02157822.2 增益平整光纤放大器

39、CN02237118.4 一种掺铒光纤放大器

40、CN02261388.9 低噪声、高增益、高平坦的长波段掺铒光纤放大器

41、CN02279587.1 一种增益平坦的喇曼光纤放大器

42、CN02284355.8 喇曼增益实时动态控制与补偿的喇曼光纤放大器

43、CN03111442.3 应用量子相干实现掺铒光纤放大器增益平坦化的方法

44、CN03114820.4 圆柱形排布的脉冲双包层光纤放大器

45、CN03116604.0 低噪声指数增益钳制掺铒光纤放大器

46、CN03118554.1 具有对称曲面反射镜的包层泵浦光纤激光器和光纤放大器

47、CN03120173.3 宽带光纤放大器

48、CN03122222.6 用于光纤放大器的集成双泵浦组合器

49、CN03128223.7 适合于城域网智能型双通道光纤放大器

50、CN03129580.0 具有动态增益波动控制的拉曼光纤放大器

51、CN03140894.X L波段掺铒光纤放大器温度相关增益谱特性的补偿方法

52、CN03141899.6 带状微片自调Q双包层光纤放大器

53、CN03142111.3 多波长刺猬量子点双包层光纤放大器件

54、CN03145078.4 长波长光纤放大器

55、CN03145128.4 光纤放大器

56、CN03147376.8 一种掺饵光纤放大器EDFA增益控制方法

57、CN03153086.9 具有自动功率控制功能的光纤放大器及自动功率控制方法

58、CN03156729.0 宽带光纤放大器

59、CN03159572.3 用遗传算法设计掺铒光纤及掺铒光纤放大器

60、CN03228090.4 圆柱形排布的脉冲双包层光纤放大器

61、CN03255275.0 一种混合型宽带光纤放大器

62、CN03256077.X 带状微片自调Q双包层光纤放大器

63、CN03277433.8 基于双程双向结构的分立式拉曼光纤放大器

64、CN03805598.8 使用压低型光纤放大器的通信系统和分波段放大装置

65、CN03810246.3 抽运光纤放大器中的方法和装置

66、CN03815009.3 半导体激光器装置、半导体激光器模块及光纤放大器

67、CN03815394.7 光纤及采用了光纤的光纤耦合器、掺铒光纤放大器、光导波路

68、CN89104084.6 光纤放大器

69、CN90106952.3 具有宽带信号波长的双芯有源光纤放大器

70、CN90109044.1 一种具有宽激励频带的有源光纤放大器及相关的有源光纤

71、CN90108705.X 具有宽带信号波长的有源光纤放大器

72、CN91100697.4 具有双芯部分的宽信号波长带有源光纤放大器

73、CN93114035.8 带有双光栅的光纤放大器

74、CN94116614.7 有效利用泵功率的光纤放大器

75、CN94191377.5 用于波长范围约1300nm左右的光纤放大器的光波导

76、CN95108476.3 混合光纤放大器

77、CN95191692.0 增益控制光纤放大器

78、CN95214226.0 带有前置耦合－隔离放大环的级联光纤放大器

79、CN96191114.X 双芯光导纤维及制造这种光导纤维、双芯光纤激光器和双芯光纤放大器的工艺方法

80、CN96197531.8 从光纤放大器发送监测消息

81、CN96203208.5 分配泵浦级联光纤放大器

82、CN97101816.2 光纤放大器

83、CN97115418.X 用双向分划和激发泵激功率放大传输光的掺铒光纤放大器

84、CN97116141.0 自动跟踪和滤波发射光波长的铒搀杂光纤放大器及其方法

85、CN97126130.X 增益平衡光纤放大器

86、CN97126135.0 采用混合抽运光束的反馈型光纤放大器

87、CN97126139.3 光纤放大器

88、CN97180844.9 用于孤立子的分布式光纤放大器

89、CN97193928.4 用于波长复用的光纤放大器

90、CN98102559.5 低噪声光纤放大器

91、CN98102664.8 带吸收器的光纤放大器

92、CN98102749.0 实现小信号高增益的光纤放大器

93、CN98103086.6 光纤放大器的封装装置

94、CN98117158.3 多信道光纤放大器的增益测量装置

95、CN98117378.0 多信道三级光纤放大器

96、CN98119908.9 光纤放大器中的双模拟 数字式自动功率控制装置

97、CN98124939.6 光纤放大器

98、CN98126022.5 使用同步基准滤光器的光纤放大器

99、CN98802107.2 具有平坦增益曲线的多级光纤放大器

100、CN98802424.1 具有减小的温度相关增益平滑度失真的光纤放大器

101、CN98802520.5 增益可变的光纤放大器

102、CN99100673.9 高效带宽加倍及增益整平石英光纤放大器

103、CN99109442.5 适合于长波光信号的铒搀杂光纤放大器

104、CN99109617.7 使用残余抽运光的两级掺铒光纤放大器

105、CN99111242.3 长波长光纤放大器

106、CN99118405.X 提高功率转换效率的长频带光纤放大器

107、CN99120853.6 具有高功率转换效率的并行光纤放大器

108、CN99121614.8 每信道输出定值功率的波分复用掺铒光纤放大器及放大法

109、CN99125043.5 对于每条信道具有恒定输出功率的光纤放大器及放大方法

110、CN99126104.6 光纤放大器及带光纤放大器的传输系统

111、CN99800964.4 掺铒光纤放大器中有中间级衰减器的增益倾斜控制

112、CN99804148.3 光放大用光纤和光纤放大器

113、CN99804388.5 性能改进的增益平坦的掺铒光纤放大器

114、CN99804664.7 具有受控增益的光纤放大器

115、CN99804821.6 具有增益平坦滤波器的光纤放大器

116、CN99810977.0 通过双腔增益控制对掺饵光纤放大器进行增益控制和整形

117、CN99816301.5 用于控制增益平坦度的光纤放大器

118、CN200310103654. 9 宽带光纤放大器

119、CN200310108304.1 光纤光栅增强的L波段双通掺铒光纤放大器

120、CN200310109356.0 喇曼光纤放大器中双重瑞利散射噪声的抑制方法

121、CN200310111684.4 用自发辐射光源为辅助泵浦的增益位移型掺铥光纤放大器

122、CN200380104659.1 光纤放大器模块

123、CN200410010985.2 基于啁啾光纤光栅的掺铒光纤放大器的增益平坦器

124、CN200410013020.9 喇曼光纤放大器泵浦模块

125、CN200410013022.8 喇曼光纤放大器

126、CN200410016347.1 掺铒光纤放大器增益特性的监控装置

127、CN200410041335.4 反射型分立式拉曼光纤放大器

128、CN200410053306.X 集中泵浦光纤激光器和光纤放大器

129、CN200410056638.3 从光纤放大器发送监测消息

130、CN200410074686.5 具有光纤放大器的无源光网络

131、CN200410084637.X 可调谐窄线宽啁啾光纤放大器

132、CN200410090103.8 与拉曼光纤放大器和半导体光放大器耦合的混合光放大器

133、CN200420072621.2 喇曼光纤放大器的温度控制装置

134、CN200420072622.7 基于折射率引导型光子晶体光纤的分立式喇曼光纤放大器

135、CN200420076637.0 能够保护光纤端面的喇曼光纤放大器

136、CN200420089577.6 光纤放大器盒

137、CN200480001015.4 光纤激光器、自发发射光源及光纤放大器

138、CN200480023836.8 具有误差校正的光纤放大器

139、CN200510016194.5 S波段分立式喇曼光纤放大器

140、CN200510033192.7 一种宽带光纤放大器

141、CN200510049180.3 纳米晶体量子点光纤及光纤放大器

142、CN200510064108.8 光放大用光纤,光纤放大器和光通信系统

143、CN200510075542.6 掺过渡金属光纤放大器

144、CN200510108724.9 光纤放大器的质量监控

145、CN200510135431.X 可调式光纤放大器与镭射装置

146、CN200510136601.6 分离基态模截止可调式光纤放大器与镭射

147、CN200520130429.9 智能化掺铒光纤放大器

148、CN200610019644.0 高效循环注入包层泵浦光纤放大器

149、CN200610087568.7 一种增益可间隔设置的掺铒光纤放大器

150、CN200610093071.6 光纤放大器和使用该光纤放大器的光通信系统

151、CN200610097660.1 用于光纤放大器的控制装置

152、CN200610116368.X 量子点半导体纳米材料渐逝波光纤放大器及其制造方法

153、CN200620075080.8 光纤放大器的定位装置

154、CN200710008569.2 一种高性能的自由空间光纤放大器模块

155、CN200710020497.3 一种矩形多层嵌套的掺杂光子晶体光纤放大器

156、CN200710020498.8 一种同轴层状喇曼光子晶体光纤放大器

157、CN200710048255.5 时域选通式光纤放大器

158、CN200710051539.X 增益可控多级掺铒光纤放大器噪声指数的改善方法

159、CN200710057737.7 用于包层泵浦光纤放大器的光纤合波器

160、CN200710063827.7 一种窄脉冲光纤放大器

光纤放大器在无线光通信的应用

无线光通信是以激光作为信息载体，是一种不需要任何有线信道作为传输媒介的通信方式。与微波通信相比，无线光通信所使用的激光频率高，方向性强(保密性好)，可用的频谱宽，无需申请频率使用许可；与光纤通信相比，无线光通信造价低，施工简便、迅速。它结合了光纤通信和微波通信的优势，已成为一种新兴的宽带无线接人方式，受到了人们的广泛关注。但是，恶劣的天气情况，会对无线光通信系统的传播信号产生衰耗作用。空气中的散射粒子，会使光线在空问、时间和角度上产生不同程度的偏差。大气中的粒子还可能吸收激光的能量，使信号的功率衰减，在无线光通信系统中光纤通信系统低损耗的传播路径已不复存在。大气环境多变的客观性无法改变，要获得更好更快的传输效果，对在大气信道传输的光信号就提出了更高的要求，一般地，采用大功率的光信号可以得到更好的传输效果。随着光纤放大器(EDFA)的迅速发展，稳定可靠的大功率光源将在各种应用中满足无线光通信的要求。

1 EDFA的原理及结构

掺铒光纤放大器(EDFA)具有增益高、噪声低、频带宽、输出功率高、连接损耗低和偏振不敏感等优点，直接对光信号进行放大，无需转换成电信号，能够保证光信号在最小失真情况下得到稳定的功率放大。

1．1 EDFA的原理

EDFA的泵浦过程需要使用三能级系统，如图1所示。

在掺铒光纤中注入足够强的泵浦光，就可以将大部分处于基态的Er3+离子抽运到激发态，处于激发态的Er3+离子又迅速无辐射地转移到亚稳态。由于Er3+离子在亚稳态能级上寿命较长，因此很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转。当信号光子通过掺铒光纤时，与处于亚稳态的Er3+离子相互作用发生受激辐射效应，产生大量与自身完全相同的光子，这时通过掺铒光纤传输的信号光子迅速增多，产生信号放大作用。Er3+离子处于亚稳态时，除了发生受激辐射和受激吸收以外，还要产生自发辐射(ASE)，它造成EDFA的噪声。

1．2 EDFA的结构

典型的EDFA结构主要由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、耦合器、隔离器等组成。

掺铒光纤是EDFA的核心部件。它以石英光纤作为基质，在纤芯中掺人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，它必须是插入损耗低，与偏振无关，隔离度优于40 dB。

图2为单向泵浦方式结构，此外还有反向泵浦，双向泵浦方式结构。

1．3 EDFA的特性及性能指标

增益特性表示了放大器的放大能力，其定义为输出功率与输入功率之比：

式中：Pout,Pin分别表示放大器输出端与输入端的连续信号功率。增益系数是指从泵浦光源输入1 mW泵浦光功率通过光纤放大器所获得的增益，其单位为dB／mW：

式中：g0是由泵浦强度定的小信号增益系数，由于增益饱和现象，随着信号功率的增加，增益系数下降；Is，Ps分别为饱和光强和饱和光功率，是表明增益物质特性的量，与掺杂系数、荧光时间和跃迁截面有关。

增益和增益系数的区别在于：增益主要是针对输入信号而言的，而增益系数主要是针对输入泵浦光而言的。另外，增益还与泵浦条件(包括泵浦功率和泵浦波长)有关，目前采用的主要泵浦波长是980 nm和1 480 nm。由于各处的增益系数是不同的，而增益须在整个光纤上积分得到，故此特性可用以通过选择光纤长度得到较为平坦的增益谱。

1．4 EDFA的带宽

增益频谱带宽指信号光能获得一定增益放大的波长区域。实际上的EDFA的增益频率变化关系比理论的复杂得多，它还与基质光纤及其掺杂有关。在EDFA的增益谱宽已达到上百纳米．而且增益谱较平坦。ED-FA的增益频谱范围在1 525～1 565 nm之间。

2 EDFA的级联应用

2．1 EDFA的级联结构

EDFA对光信号功率的放大，特别在无线光通信大功率(瓦级)应用中，常常采用级联的方式，比如两级或者三级放大。之所以采用级联的方式，是因为在EDFA的掺铒光纤(EDF)中插入一个光隔离器，构成带光隔离器的两段级联EDFA，由于光隔离器有效地抑制了第二段：EDF的反向自发辐射(ASE)，使其不能进入第一段EDF，减少了泵浦功率在反向ASE上的消耗，使泵浦光子更有效地转换成信号光能量，从而可以明显改善EDFA的增益、噪声系数和输出功率等特性。本文采用丽级级联放大，将1～2 mW的1 550 nm光信号，经EDFA放大到1 W左右。级联结构如图3所示。

光信号由LD激光器产生，是已调制的信号，第一级放大采用单包层掺铒光纤放大器，980 nm单模半导体激光器作为泵浦源，将光功率放大到50 mW附近。第一级采用单模半导体激光器泵浦，先将光信号稳定可靠的放大到一定功率，保证了整个光信号的完整，又为下一级光放大提供了较高的光功率基础。第二级采用双包层光纤放大器，多模半导体激光器泵浦源将光功率放大到1 W左右。双包层光纤放大器纤芯比单包层纤芯大，泵浦功率可以有效地耦台到纤芯中，使第二级光信号的输出功率可达到瓦级。

2．2 EDFA级联应用的增益

2．2．1 增益计算

对EDFA级联的整体光功率增益：

其中：Pout表示EDFA两级放大后的输出光功率，Pin表示需要放大的输入光功率。

在本文中，光放大采用了两级级联放大，第一级增益为G1：

其中第一级的输出为第二级的输入，P'out=P'in=P，所以：

即，整体增益等于两级增益之和，本文的整体光功率增益为：

第一级增益为17 dB，第二级增益为13 dB，1 W的光功率经过准直聚焦，再有光学镜头发射到大气信道，大大提高了光信号的有效传输距离。

2．2．2 影响增益的因素

EDFA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，这是因为随着光纤长度的增加，光纤中的泵浦功率将下降，使得粒子反转数降低，最终在低能级上的铒离子数多于高能级上的铒离子数，粒子数恢复到正常的数值。

由于掺铒光纤本身的损耗，造成信号光中被吸收掉的光子多于受激辐射产生的光子，引起增益下降。由上述讨论可知，对于某个确定的入射泵浦功率，存在着一个掺铒光纤的最佳长度，使得增益最大。增益与掺铒光纤长度的关系如图4所示。

EDFA的增益还跟输入光的程度、泵浦光功率及光纤中铒离子Er3+的浓度都有关系，如小信号输入时的增益系数大于大信号输入时的增益系数。当输入光弱时，高能位电子的消耗减少并可从泵激得到充分的供应，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。其次与当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铒离子浓度。

采用EDFA后，提高了注入光纤的功率，但当大到一定数值时，将产生光纤非线性效应和光泄漏效应，这影响了系统的传输距离和传输质量。另外色散问题变成了限制系统的突出问题，可以选用G653光纤(色散位移光纤DSF)或非零色散光纤(NZDF)来解决这一问题。

2．3 EDFA级联的改进

之所以采用EDFA级联的方式，一是插入两级间的光隔离器有效地抑制了第二段EDF的反向自发辐射(ASE)，使其不能进入第一段EDF，减少了泵浦功率在反向ASE上的消耗，使泵浦光子更有效地转换成信号光能量；二是分为两级后，各自的增益可以任意分配，可以根据不同的增益要求和应用环境改变相应的增益。但是，要在保证信号无失真的情况下得到最佳的光功率增益，还需要解决一些问题：

(1)由于增益分为两级，如何分配两级问的增益才能在现有的EDF、泵浦源功率等条件下使得光放大的实现更容易，这与EDF的放大能力，泵浦远功率大小、稳定性，泵浦光波长及其模式等均有密切相关。

(2)在每一级各自一定的泵浦功率下，找到掺铒光纤的最佳长度。当EDF过短时，由于对泵浦吸收的不充分而导致增益降低；而当EDF过长时，由于泵浦光在EDF内被铒离子吸收，泵浦功率逐渐下降，当功率降至泵浦阈值以下时，就不能形成粒子数反转，此时，这部分EDF不仅对信号光无放大作用，反而吸收了已放大的部分信号，造成增益的下降，同时也会引起噪声系数的增大。

(3)如果需要更高的光功率输出，几十瓦甚至上百瓦，可考虑更高级联的方法，因为随着增益的增大，泵浦源由于转换效率的问题，功率需求会很高，所需的单级EDF长度也会大大增长，这样的工作条件往往不易达到，且稳定性不强，采用更高级联可以将增益划分到多级，易于实现和控制，光模块的整体增益特性也有较大提高。

3 结语

本文提出了采用EDFA级联的方法，实现了光信号30dB的增益，满足无线光通信光功率传播的要求，使得光信号能在大气信道进行远距离，高稳定性传输。同时在现有的基础上，提出了需改进的问题，为今后研究的进一步开展指出了方向。

光纤放大器主要技术指标