论EDFA及其在CATV系统中的应用

冯传岗

人类在研究无线电波的短波长通讯时，发现了“电子运动需要借助于原子中被束缚的电子进行能级跃迁 —— 激光”。激光技术把无线电电子学的一些现象（特别是非线性现象）引入到光波范围（如：差频、混频、和频），加之激光所能达到的发光强度远远超过了普通光，其成亿万数量级的差别，产生了许多新的技术现象。在当今CATV系统的光纤及光通讯传输领域中，激光技术展示出前所未有和不可代替的技术成就。

用光纤来传输光信号，其损耗是限制光纤通信距离的主要原因之一。在CATV系统的光通讯传输领域中，光放大器的应用，避免了光-电-光的转换，配以外调制光发射机，传输距离可超过100km。若用光放大器级连放大，传送距离还可更远。

至今为止，人类成功研制的光放大器主要有喇曼光纤放大器、半导体光放大器、PDFA（掺镨光纤放大器）、EDFA（Erbium-Doped Amplifier：掺铒光纤放大器）四种。

目前，在CATV系统中常采用PDFA和EDFA两种放大器（见表一），喇曼光纤放大器和半导体光放大器，由于有些性能不能满足CATV系统的光纤及光通讯传输要求，故不应用。

EDFA是光纤传输技术近十年来最突出的成就之一，是激光通信技术和光纤制造技术巧妙结合的产物，在CATV系统的光纤和光通讯领域中得到了迅速而广泛的应用。如今，EDFA完全替换了PDFA，成为光纤传输系统的主要器件。

EDFA噪声和失真特性也都较好，其优越特性主要表现在以下几个方面：

1、EDFA的工作波段为1550nm（1nm折合125GHz），与光纤的最低损耗波段一致，因而可以传输更长的距离。

2、EDFA有较高的饱和输出功率，又可作为发射机之后的光功率放大器，以延长无中继传输距离和用作全光连续中继链路，分配更多的光节点数。

3、EDFA信号增益频谱很宽，达30nm以上，可用于宽带信号放大，尤其适用于WDM（波分复用）系统，是广播、通讯、数据业务网中理想的放大器件。

4、EDFA的噪声特性好，典型的EDFA相对功率噪声<-155.5dB/Hz（+5dBm输入功率），系统光噪声指数<4.5dB。

5、EDFA小信号增益高，达50dB以上，且稳定性好。

6、EDFA便于与光纤连接，连接损耗小。

7、EDFA一般都内置CPU（中央处理器），配有RS232端口，便于计算机进行控制和网络管理。

EDFA的工作原理

EDFA的工作原理与半导体激光器的工作原理基本相似，只是没有产生反馈及选频作用的光谐振腔。

一般来讲，光电子能级跃迁分为三种过程：

1、从高能级向低能级跃迁的自发辐射荧光过程；

2、在吸收光子能量剌激下从高能级向低能级的受激辐射过程；

3、吸收光子从低能级跃迁到高能级的受激吸收过程。

当在光纤中掺入Er3+（铒）和Nd3+（钕）离子，它的受激吸收和受激辐射过程则是影响光放大器的主要因素。

在980nm泵浦作用下，EDF（掺铒光纤）的激光发射可用三能级系统描述，EDFA的工作原理如图1所示。参与工作的有三个能级：E1、E2和E3。在E1和E3能级之间通过受激吸收进行光泵浦，泵浦波长由E3和E1的能级差决定：

λp= hc ÷（E2-E1）

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

在E2、E1两能级之间受激跃迁决定了对信号光的放大作用。信号光的工作波长λs由E2、E1间的能级差决定：

λs= hc ÷（E2-E1）

当该波长的光通过放大器时，就会得到放大。信号光的放大依靠E2、E1两能级之间的受激辐射跃迁和受激吸收跃迁。

所谓的受激辐射跃迁：是指在外来光（如：信号光）的作用下，使高能级E2的粒子跃迁到低能级E1，从而实现了以光子的形式放射出多余的能量。其放出的光子与激发它的光子完全相同，因而实现了光放大。

所谓的受激吸收跃迁：是指低能级上的粒子吸收光能而跃迁到高能级上，这一作用使外来的光得以衰减。

当受激辐射大于受激吸收时，就可得到“净”增益，实现放大λs波长光的作用。其光信号增益为：

G = B × [（ Pp-Pth ）÷（ Pp+Pth ）]

式中，Pp为泵浦功率；Pth为泵浦功率阈值；B为与掺杂浓度和吸收截面等参数有关的常数。

受激辐射产生的光能除了与外界光强有关外，还与高能级上的粒子密度N2成正比，受激吸收减少的光能除与外界光强有关外，还与低能级粒子N1成正比。

EDFA的组成

一台实用EDFA是由光路和辅助电路两大部分组成。其中光路是EDFA的核心部分，由EDF、Pump（泵浦光源）、合波器、光隔离器和光滤波器组成；辅助电路部分主要由开关电源、CPU微处理、自动监控和保护电路等组成，以保证EDFA正常工作。典型的单泵浦EDFA的工作原理如图2所示。

EDF在EDFA中是进行光放大的核心部件。它是以石英光纤为基质，在其石英纤芯中掺入一定比例的稀土元素Er3+离子，当一定功率的泵浦光注入到EDF中时，Er3+离子被泵浦光从低能级E1激发到高能级E3上。由于Er3+离子在高能级上的寿命很短，很快以无辐射跃迁的形式衰变到低能级E2上，并在该能级和E1能级间形成粒子数反转分布。所谓反转分布：是指由于外部给予的能量，使得能级E2的电子密度N2的状态远大于能级E1上的电子密度N1的状态。当输入的1550nm光通过EDF时，产生受激跃迁，泵浦光能量就通过粒子跃迁转到1550nm信号光上，从而将输入的光信号放大。

Pump为EDFA提供足够的能量，使物质达到粒子数反转分布，从而实现放大作用。我们可以将泵浦光源类比看成电信号放大器中的电源。目前，用于EDFA中的泵浦光源多为LD（Laser Diode：激光二极管或半导体激光器），LD具有体积小、效率高、性能稳定、寿命长等特点。更大功率的泵浦可采用LD泵浦YAG（Yttrium Aluminium Garnet：钇铝石榴石激光器）晶体产生大功率固体激光。根据Er3+的能级泵浦源波长有多种，如820nm、980nm、1480nm等。在实际中EDFA用得较多的是980nm和1480nm泵浦光源。

根据泵浦光源与输入信号光的相对位置的不同，EDFA的结构可分为三种方式，如图3所示。图中（a）为前向泵浦型，（b）为后向泵浦型，（c）为双向泵浦型。前向泵浦是信号光与泵浦光从EDF的输入端输入。后向泵浦方式是信号光与泵浦光从EDF的不同方向输入。双向泵浦方式是采用两个泵浦分别从EDF的头尾两个方向输入。从功率性能上讲，后向泵浦方式和双向泵浦方式的EDFA输出信号光功率大于前向泵浦方式的EDFA。从噪声角度来讲，前向泵浦方式和双向泵浦方式的EDFA性能，优于后向泵浦方式的EDFA。所以，从总体性能上来看，双向泵浦方式的EDFA性能最好。但由于采用两支泵浦光源，结构也较复杂，价格也较高。在具体的工程设计中，应根据实际情况来选定。

合波器（波分复用）的作用是将信号和泵浦光合路送入EDFA的EDF中，要求它在信号光和泵浦光波长处的插入损耗都很小，并对光的偏振不敏感。

光隔离器对光的传输具有单向性。对正向传输来的光损耗很小，而以很大的损耗抑制反射光，对反射光的抑制一般大于40dB，从而使EDFA不受反射光的影响，以保证EDFA能工作的稳定。一般EDFA中的光隔离器有两只，分别安置在信号光的输入端和EDF的输出端。

光滤波器位于EDFA的输出端，其作用是滤除EDFA中的噪声，以提高系统的S/N（Signal to Noise Ratio：信噪比）。

辅助电路部分的CPU微处理器，主要用于监测EDFA中泵浦激光器的工作状态，监测输入、输出光信号的强度，以便调整其工作参数，使EDFA处于最佳工作状态。同时，还具有自动温度控制和自动功率控制等保护功能。还可以通过网络中计算机管理系统，实现人机对话和对EDFA的网络监控功能。

EDFA的主要技术参数

EDFA的主要技术参数包括增益G、饱和输出功率、噪声系数NF和非线性失真。

1、增益G

增益G是描述EDFA对信号光放大能力的参数，其定义为：

G = 10 lg（ Ps，out ÷ Ps，in ）

式中，Ps，in和Ps，out分别表示输入和输出信号光功率。增益G通常为15～40dB。实际工程应用的EDFA，其增益一般大于10dB。增益G与EDFA的泵浦强度、输入信号光功率Ps，in以及EDF的参数和掺铒段长度有很复杂的关系。当输入功率为-3.9dBm，泵浦源波长为1480nm，EDF长度为50m，掺杂浓度为25×10-6时，增益G与泵浦强度的关系如图4所示。

当泵浦功率增加时，信号功率增益迅速增加，然后趋于饱和。EDFA的增益G与信号光输入光功率的关系如图5所示。

在输入信号光功率Ps，in比较小时，增益G是一个常数。也就是说，输出的光功率Ps，out与输入的光功率Ps，in成正比，此时的增益G叫做光放大器的小信号增益。但是当输入光功率增加到一定值后，再增加输入光功率Ps，in、EDFA增益G开始下降，这种现象称为光放大器的饱和现象，是由于放大信号时消耗了高能级上的粒子的缘故。

EDFA的增益G与EDF长度的关系如图6所示。

在EDF长度中，有一段可使功率最大的最佳范围，但在噪声特性要求较高的场合，使功率增益最大的长度不一定是最佳长度。另外，EDFA增益G值的大小还同信号光波长有关，由图7所示，EDFA的增益谱是不平坦的，但对应1550 nm左右的信号波长能获得平坦的增益谱。通过调整光纤中掺杂可以改善EDFA的平坦度。

2、饱和输出功率

所谓饱和输出功率：是指一个输实际输出的功率阈值。这个阈值是光放大器从线性增益区变化到非线性增益区的转折点，这个转折点的增益为EDFA小信号增益的一半，如图8所示。

AM光纤使用的EDFA应当工作于增益饱和状态。光放大器饱和输出功率的增大，说明其增益线性区域的增宽，对放大AM-VSB信号有利。一般采用加大输入光功率的方法，通过提高泵浦光功率和采用双泵浦光源，就能获得较高输出的光功率。

3、噪声系数NF

噪声特性是评价光放大器质量的一个重要参数。在光放大过程中，EDF中的自发辐射是其噪声来源重要因素。光放大过程中处于E2能级的电子，有一部分并没有产生感应辐射但也移到了E1能级，这样产生的自然辐射光是随机产生的，其波长范围宽，不是由相干光变成的噪声。所以，EDFA的噪声主要来自信号光的散粒噪声和自发辐射以及自发辐射之间的差拍噪声。通常，利用光带通滤波器可以将大部分自发辐射之间的差拍噪声滤除掉。

EDFA的噪声特性由于其构成及使用方法的不同而有变化，如：EDF纤芯的长度与掺入铒离子的浓度；铒离子在芯线断面内的分布状况；放大光纤信号的设计参数及信号光电平；泵浦激光的波长与强度，注入方向等等，均影响EDFA的噪声系数。

EDFA的噪声系数可用NF来量度，它表示输入S/N与输出S/N之间的比值。当EDFA的增益G足够大（即G >> 1）时，可得到如下近似式：

NF = 2Nsp

式中Nsp称为反转分布参数的系数，有：

Nsp = N2 ÷（N2 -N1）

其中Nsp分别为能级E2、E1中分布的电子密度。

因为反转分布在理想的情况下N2>>N 1，Nsp接近为1，由EDFA得到的最低噪声系数值为2，即不会低于3dB。在实际的产品中对于980nm泵浦源理论极限值NF=3 dB，典型值可达3.2～3.4 dB。对于1480nm泵浦源极限值NFmin约为3.5dB，典型值NF可达4～6dB。由于实用EDFA的输入端须插入作为泵浦光的光耦合器及光隔离器，所以EDFA噪声系数的dB值还需加上插入损耗，所以实际的EDFA的噪声系数≥4.5dB，并随信号输入光功率而变化。典型的EDFA的噪声系数和输入光功率的关系如图9所示。

4、EDFA的非线性失真

EDFA的非线性失真主要由增益谱的不平坦所引起。因为光放大器一般工作在饱和区，当输入光变强时，由于感应辐射，平均的高能位电子密度的减少，致使增益下降，但非线性失真并不增大。EDFA最大的失真是由光纤的非线性引起的。当在光发射机后来用光放大器作功率放大时，光纤中注入的光功率很大，这在光纤中会产生非线性效应 —— SBS（Stimulated Brilliuin Scating：受激布里渊效应），致使系统C/N（Carrier to Noise ratio：载噪比）指标下降。

CATV系统中EDFA的工作模式

在CATV系统中，EDFA的工作模式有前置放大，中继放大，末级功率放大三种。

EDFA用做前置放大时，位于光探测器前端，可将微弱的光信号放大几十个dB后再送到光探测器中进行检测。因此，对它的要求是接收灵敏度高，噪声系数小，并且有很高的小信号增益（一般都在20dB以上）。

EDFA用做中继放大时，因为中继放大是用以补偿传输光纤的损耗，达到扩展传输距离为目的。因此，要求EDFA应具有一定的小信号增益。当使用EDFA在超长光传输链路中做级联中继时，随着级联中继站数目的增加，噪声也会像同轴电缆CATV系统传输一样产生叠加和积累，但失真增加缓慢。

EDFA用做末级功率放大时，EDFA常放在光发射机的输出端，用以得到更大的入纤功率，以驱动更多的光节点，用做长距离传输时，要求它具有很高的饱和输出光功率，一般应在十几至几十dBm以上。

EDFA在CATV中的应用

1、由EDFA运作机理得悉，EDFA的工作波段是在1550nm上，所以CATV系统前端的光发射机应工作在1550nm光波长上，EDFA才能起到光放大作用。

2、采用EDFA做光放大的系统中，其光发射机应采用外调制方式的光发射机，这是因为在1550nm波段上普通单模光纤色散较大，直接调制下光发射机的激光器会产生Chirp效应，使色散影响造成CSO（Composite Second Order Beat：复合二次差拍）急剧下降。加之EDFA的增益谱不平坦的影响，将使二阶失真CSO指标进一步恶化。

3、改善和提高受激布里渊阈值。减少SBS的影响，充分发挥EDFA的工作效率。当注入光纤中的光功率达到SBS的阈值以后，将产生SBS。外调制发射机光源谱线很窄，SBS更容易产生。SBS将增加光纤的非线性失真，并使注入到光纤中的光转化为背向散射光，使激光器的相对强度噪声RIN指标下降，从而降低系统的C/N指标。同时，因背向散射的影响，使光链损耗增加，导致接收端接收光功率下降。

在激光器光谱线远窄于饱和SBS线宽（SBS线宽约为30～200MHz）时，可以用如下公式估算SBS的阈值

PSBSth = 21Aeff ÷ go Leff

式中，go为布里渊系数，是光纤材料决定的一个参数，近似值为go= 2×10-12cm/mW；Leff为光纤等效作用长度。当光纤实际长度L>10km时，

Leff = 1 ÷ Ln（10α/10）（km）

式中，α为光纤的衰减系数；Aeff为光纤等效载面积（μm2），一般为89.9μm2。

减少SBS的影响的办法是在发射机中用高频对激光器进行浅调制，将其光谱展宽，提高SBS的阈值。而对CATV系统的CSO、CTB（Composite Triple Beat：复合三次差拍）指标没有明显的影响。另一种方法是在外调制器中进行附加相位调制。当采用CATV系统信号最高载波频率两倍以上单频正弦波信号对光载波进行附加相位调制时，可提高SBS阈值5dB左右。若将两项技术同时应用可将SBS阈值提高至17dBm（50mW）甚至更高。

4、当将EDFA用于多级串联时，光纤中的ASE（自发辐射）将逐级增大，从而引起噪声增大，C/N降低。为此，需要在两台EDFA之间插入光滤波器或光隔离器，可有效防止自发辐射对降低C/N指标的影响。

5、由于在CATV分配系统中，对模拟信号的C/N要求很高（>50dB），为保证传输质量，一般在光链中使用的EDFA的输入光功率必须大于1mW。和RF（Radio Frequency：射频）放大器相似，EDFA输入光功率增大时，该级的C/N提高，对系统的C/N劣化减小。

6、EDFA有一定的温度特性，其增益随温度的升高而下降。实验表明，下降的速率为0.07dB/℃左右。因此，当EDFA放置在室外作中继器应用时，必须考虑其温度特性所带来的不稳定的影响，应配置完整的监控设备及合适的工作环境。

7、EDFA中的EDF对其放大特性起作重要的作用，若在EDF中再掺入少量的其他元素可以改善光放大器的一些技术参数，例如在EDF中掺入少量的铝元素后，其增益特性变得较为平坦，所以在选型EDFA时对其光特性中增益介质多加考虑，以满足工程设计要求。

EDFA产品性能简介

目前，国内外的EDFA设计用来与1550nm光发射机配合使用，适用于多路分配的网络结构，能有效地降低每毫瓦及每个光结点的成本；亦可用于远距离中继传输的网络结构，配合高性能、SBS可调的1550nm光发射机，可对系统指标进行远距离优化，性能将更为出色。其主要性能见表2所示。