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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，因為E1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能級因為是處于亞穩(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，因為它需要處于粒子數(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)，實現(xiàn)受激輻射的過程大于受激吸收的過程，從而實現(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)钠骷灰芎笙蛏⑸涔獾挠绊憽?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（因為可反轉(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（因為摻鉺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（這是因為光纖長度繼續(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（因為輸入信號繼續(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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