Erbium-Doped Fiber Amplifier (EDFA)
摻鉺光纖放大器




摻鉺光纖放大器介紹


EDFA簡介

　　光纖通訊由於有具低耗損、高容量、高傳輸速率、不受電磁波干擾、質量輕、體積小、保密性佳等優點，自1970年代以來便快速發展。而摻鉺光纖光放大器具有高增益、高輸出光功率、低雜訊、寬光譜頻寬、不受限於光信號型態與調變速率等特點，比起傳統再生器，摻鉺光纖光放大器僅需更換終端設備，具系統升級容易、應用彈性及價格低廉等優點


　　光纖放大器是光纖通信系統對光信號直接進行放大的光放大器件。在使用光纖的通信系統中，不需將光信號轉換為電信號，直接對光纖信號進行放大的一種技術。


　　摻鉺光纖放大器(EDFA即在信號通過的纖蕊中摻入了鉺離子Er3+的光信號放大器。)是1985年英國南安普頓大學首先研制成功的光放大器，它是光纖通信中最偉大的發明之一。


　　摻鉺光纖是在石英光纖中摻入了少量的稀土元素鉺(Er)離子的光纖，它是摻鉺光纖放大器的核心。從20世紀8年代後期開始，摻鉺光纖放大器的研究工作不斷取得重大的突破。WDM技術，極大地增加了光纖通信的容量。成為當前光纖通信中應用最廣的光放大器件。


　　石英光纖摻稀士元素(如Nd、Er、Pr、Tm等)後可構成多能級的激光系統，在泵浦作用下使輸入信號光直接放大。提供合適的反饋後則構成光纖激光器。摻Nd光纖放大器的工作波長為1060nm及1330nm，由於偏離光纖通信最佳宿口及其它一些原因，其發展及應用受到限制。EDFA及PDFA的工作波長分別處於光纖通信的最低損耗(1550nm)及零色散波長(1300nm)窗口，TDFA工作在S波段，都非常適合於光纖通信系統應用。尤其是EDFA，發展最為迅速，已實用化。


　　在摻鉺光纖發展的基礎上，不斷出現許多新型光纖放大器，例如，以摻鉺光纖為基礎的雙帶光纖放大器(DBFA)，是一種寬帶的光放大器，頻寬幾乎可以覆蓋整個分波多工(WDM)頻寬。類似的產品還有超寬帶光放大器(UWOA)，它的覆蓋頻寬可對單芯光纖中多達100路波長信道進行放大。


　　EDFA的優點為：具有高放大增益、高輸出光功率、低雜訊指數、增益不受極化方向影響、適用於各種傳輸速率、適用於各種調變型態信號(TDM，WDM，FDM)。




EDFA的原理

　　光纖放大器一般由五個基本部分組成，它們是摻鉺光纖（EDF）、泵浦鐳射器（PUMP-LD）、光無源器件、控制單元和監控介面（通信介面）。其中光無源器件包括：光波分復用器（WDM）、光隔離器（ISO）、光纖連接器（FC/APC）和光耦合器（Coupler）。WDM作用是將信號光與泵浦光耦合起來進入摻鉺光纖，光隔離器是防止光路中反向光對EDFA的影響，光纖連接器使EDFA與通信系統和光纜線路的連接變得容易，光耦合器從輸入和輸出中分路出一部分光（5%左右）送到光探測器（PIN），由控制單元對光纖放大器的工作進行不間斷地控制，監控介面向傳輸系統提供光纖放大器工作狀態資訊，確保光纖放大器作為傳輸系統的一個部件，納入到統一的網路監控之中。

　　EDFA的基本結構如下圖所示，它主要有源媒質(幾十米左右長的摻鉺石英光纖，苾徑3-5微米，摻雜濃度(25-1000)X10-6)、泵浦光源(980或1480nm LD)、光耦合器及光隔離器等組成。信號光與泵浦光在鉺光纖內可以在同一方向(同向泵浦)、相反方向(反向泵浦)或兩個方向(雙向泵浦)傳播。當信號光與泵浦光同時注入到鉺光纖中時，鉺離子在泵光作用下激發到高能級上，並很快衰變到亞穩態能級上，在入射信號光作用下回到基態能級時發射對應於信號光的光子，使信號得到放大。



EDFA 放大器架構




　　如鉺離子能帶圖所示，與Er3+離子產生光放大效應的能級有三個：激發態、亞穩態、基態。激發態與基態之間的能量差與泵浦光子能量相同，亞穩態與基態之間的能量差與1550nm的光子能量相同。

　　在摻鉺光纖中注入足夠強的泵浦光，就可以將大部分處於基態的Er3+離子抽運到激發態上，處於激發態的Er3+離子又迅速無輻射地轉移到亞穩態上。由於Er3+離子在亞穩態上能級壽命較長，因此，很容易在亞穩態與基態之間形成粒子數反轉，即處於亞穩態的Er3+粒子數比處於基態的Er3+粒子數多。

　　當信號光子通過摻鉺光纖，與Er3+離子相互作用發生受激輻射效應，產生大量與自身完全相同的光子，這時通過摻鉺光纖傳輸的信號光子迅速增多，產生信號放大作用；只有少數處於基態的Er3+離子對信號光子產生受激吸收效應，吸收光子。Er3+離子的亞穩態和基態具有一定的寬度，使EDFA的放大效應具有一定波長範圍，其典型值為1530~1570nm。

　　Er3+離子處於亞穩態時，除了發生受激輻射和受激吸收以外，還要產生自發輻射，即Er3+離子在亞穩態上短暫停留還沒有機會與光子相互作用，就會自發地從亞穩態躍遷到基態併發射出1550nm波段的光子，這種光子與信號光不同，它構成EDFA的噪聲。由於自發輻射光子在摻鉺光纖中傳輸時也會得到放大，因此在EDFA的輸入光功率較低時，會產生較大的噪聲。



鉺離子能帶圖




泵激光源與摻鉺光纖之分析

　　泵激光源是利用半導體雷射產生980nm 波長光源，與一般半導體雷射相同，利用 電子電洞復合，產生自激放射光，再藉由端面放射，並配合光不斷反射與累積放大， 而形成雷射光源。摻鉺光纖的吸收譜線有514nm、630nm、800nm、980nm、1480nm 幾 條。下圖表示在不同波段中各自的激勵狀態吸收現象的強弱，與獲得放射能量大小的 關係。就980nm 與1480nm 都沒有激勵狀態吸收現象，但980nm 頻帶所放射出的能量 較強，所以一般都會選用980nm 波長之雷射做為泵激光源。


0.5um~1.1um激勵狀態吸收現象與放射能量之關係


　　一般光纖摻雜離子有釹(Neodymium)、鐿(Ytterbium)、銩(Thulium)與鉺(Erbium) 等離子，摻雜釹與鐿離子的光纖可激發出1060nm 波段的光源，摻雜銩離子可激發出短 波段波長(S-band, 1480-1510nm)，摻鉺光纖可激發出1550nm 波段的光源(C-band)。目 前光通訊所使用的放大器主要有拉曼放大器(FRA)、半導體光放大器(SOA)與摻鉺放大器(FEA)等，摻鉺光纖由於有高增益、大頻寬、放大後無偏極化現象、訊號不會變形及 低雜訊的特性，在這幾年中深受重視；一般摻鉺光纖纖心直徑約為5nm，數值孔徑 約為0.18，與一般光纖最大的差別在於光纖內摻雜了具有光放大功能的鉺離子。




EDFA應用

　　EDFA在功能應用上可以分為作遠距離傳輸的線路放大器、用作光反射機輸出的功率放大器和用作光接收機前端的前置放大器。

線路放大器

　　摻鉺光纖放大器作為線路放大器有許多特殊功能是電子線路放大器不可比擬的：

  1. 中繼距離長。採用“光-電-光”的中繼方式一般只能傳輸70-80公里就要加一級中繼。而光放大器作中繼可超過150公里，這種特性為在條件惡劣不宜加中繼的地帶的通訊帶來極大的方便。


  2. 它可用作數字、模擬以及相干光通信的線路放大器，即如果採用EDFA作為線路放大器，不管傳輸數字信號還是模擬信號，都不必改變EDFA設備。


  3. EDFA可傳輸不同的碼率。如果需要擴容，由底碼率改變為高碼率時，不需要改變EDFA線路設備。


  4. EDFA作為線路放大器，可在不改變原有噪聲特性和誤碼率的前提下直接放大數字、模擬或二者混合的數據格式。特別適合光纖傳輸網路升級，實現語言、圖像、數據同網傳輸時，不必改變EDFA線路設備。


  5. 一個EDFA可同時傳輸若干個波長的光信號，即用光波復用擴容時，不必改變EDFA的線路設備。


  6. EDFA用作線路放大器，不必經過光電轉換可以直接對光信號放大，結構簡單可靠。實踐證明，使用EDFA的光纖傳輸，經過近千公里的傳輸後的誤碼率仍能達到10e-9。


前置放大器

　　把EDFA置於光接收機PIN管光檢測器的前面，來自光纖的信號經EDFA放大後再由PIN管檢測。強大的光信號使電子放大器的噪聲可以忽略，最根本的原因是由於EDFA的信噪比優於電子放大器。所以，用EDFA作預放的光接收機具有較好的靈敏度。


功率放大器

　　把EDFA置於光發射機半導體鐳射器之後，光信號經EDFA放大後進入光纖線路，從而使光纖傳輸的無中繼距離增大，可達200公里以上。在CATV網路應用中，它能更有效地保證點對多點對的所謂星形結構的光功率分配。在高速Gbit/s系統中，半導體鐳射器直接調製會發出“啁啁”聲，如果採用EDFA對輸出功率進行放大後再輸入到光纖線路則能獲得良好的效果。EDFA的應用領域非常的廣泛，它不僅在現在的通訊、CATV、數據傳輸方面得到廣泛的應用。而且在未來的各種通信制式中如相光通信、光孤子通信、全光通信等當中都將有突出的作用。




相關產品

PTA5102摻鉺光纖放大器

　　980nm泵浦激光器，低噪音特性保証信號質量，多種輸出功率供不同應用選擇，VFD顯示設備運行狀態，網路接口實現遠距離狀態監控，PTA5102摻鉺光纖放大器的輸出功率有14dBm、16dBm、17dBm、18dBm、19dBm、20dBm、21dBm、22dBm等，易於監控。



NBO800A-22dB系列摻光纖放大器

　　NBO800A系列摻鉺光纖放大器適用於1550nm光纖傳輸系統中配合1550nm光發射機在前端對光信號作功率放大或在線路上作中繼放大，極大的延長系統的傳輸距離，廣泛用於有線電的都會網路和電信系統中。

（1）980 nm泵浦激光器採用SDL或Lasertron。

（2）採用獨特的光路設計，雙980 nm泵浦激光器結構。

（3）整機的輸入、輸出光功率，980 nm泵浦激光器的各工作參數在前面板LCD上實時顯示。

（4）整機採用開關電源供電，風機和散熱器輔助散熱，溫升小，適應電壓範圍寬，風扇為溫度控制。





參考資料來源

[1].維基百科
http://en.wikipedia.org/wiki/Erbium-doped_fiber_amplifier#Erbium-doped_fibre_amplifiers
[2].MEOS
http://repairfaq.ece.drexel.edu/sam/MEOS/EXP14
[3].Fiber Optics Online
http://www.fiberopticsonline.com/product.mvc/Erbium-Doped-Fiber-Amplifiers-0002?VNETCOOKIE=NO
[4].北台學報第28期"摻鉺光纖放大器之設計與實作"
http://lib.tsint.edu.tw/11/journal/028/PDF/03
[5].深圳市飛通寬帶技術有限公司
http://www.ofweekb2b.com.cn/Showroom/925d37a9a8a7d85d/eca36770c9fb5f46/product-detail.html
[6].成都市柏斯特電子有限公司
http://www.bestdz.com/Products_show.asp?id=169
[7].中國科普博覽
http://159.226.2.2:82/gate/big5/www.kepu.net.cn/gb/technology/telecom/fiber/fbr100.html