EDFA的原理分析及應用探究

摘要：互聯網信息技術迅猛發展，傳統的光電轉換技術一定程度上已無法滿足現代電信傳輸的要求。摻鉺光纖放大器（EDFA）在泵浦光的作用下可以直接放大光信號，適用于現代光纖通信。該文分析了EDFA的基本原理，探究了EDFA技術的應用及發展趨勢。

關鍵詞：現代電信傳輸；摻鉺光纖放大器；EDFA；光纖通信

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.05.026

中圖分類號：TN 929.1" " " " " 文獻標志碼：A" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2024）05-00-03

Principle Analysis and Application Exploration of EDFA

WANG Miao， YIN Jiafan， CHEN Yuexuan， XIE Dongchen

（Jiangsu Normal University， Xuzhou 221000， China）

Abstract： With the rapid development of Internet information technology， the traditional photoelectric conversion technology has to some extent been unable to meet the requirements of modern telecommunications transmission. Erbium doped fiber amplifiers （EDFAs） can directly amplify optical signals under the action of pump light， making them suitable for modern fiber optic communication. This article analyzes the basic principles of EDFA and explores the application and development trends of EDFA technology.

Keywords： modern telecommunications transmission; erbium doped fiber amplifier; EDFA; fiber optic communication

自從1880年貝爾（Bell）發明電話以后，人類便有了“光通信”的概念。隨著互聯網技術的普及，人們對于大容量、高效率、高質量的通信需求也隨之增加。波分復用技術（Wavelength Division Multiplexing，WDM）的合理運用在很大程度上增加了傳輸容量，符合當代通信的需要。光波在光纖中傳輸，存在損耗和色散，導致能量在傳輸過程中逐漸降低。摻鉺光纖放大器（Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA）將鉺離子注入到光纖的纖芯，在光源的作用下可以直接對信號進行放大，可降低傳輸損耗，提高光纖通信的質量[1]。

1" "摻雜光纖放大器簡介

1.1 光放大器介紹

在通信系統中，信號會隨著傳輸距離的增加而衰減。傳統的光通信系統，是需要使用中繼器來彌補色散與損耗對光的影響。然而，光電轉換的過程極為復雜，并且成本較高、穩定性較差。實踐中，常使用光放大器來解決這一問題。

隨著技術手段不斷升級，通信技術逐漸朝著全光通信方向發展。而光放大器（Optical Amplifier，OA）是全光通信中不可缺少的器件之一，從線路上解決了光纖通信的無再生中繼問題。光放大器的分類如表1所示。

1.2 摻雜光纖放大器介紹

目前研究最多的便是摻鉺光纖放大器。摻雜稀土金屬離子的光纖放大器，具有增益高、摻雜濃度高、長度短的特點，與龐大的光纖通信系統和其他光纖系統相比，所使用的光纖較短，故而也稱為集總式光纖放大器[2]。具體如表2所示。下文主要介紹摻雜金屬鉺離子的光纖放大器。

2" "摻鉺光纖放大器原理

2.1 EDFA技術原理及結構

鉺（Er）是一種稀土元素，在制備光導纖維時，向其中摻入一定量的三價鉺離子（Er3+），就形成了摻鉺光纖[3]。組成摻鉺光纖放大器的元器件一般有光隔離器、摻鉺光纖、濾波器、泵浦光源、控制模塊等[4]。EDFA的結構原理如圖1所示。

其中，光隔離器的主要作用是抑制光路中無用的光反射，以防形成不必要的干擾信號。

波分復用器是用來將兩種及以上攜帶有大量信息的不同波長的光載波信號進行匯合、分離的關鍵器件，是現代光纖通信中必不可少的器件之一[5]。控制模塊是保護通信線路的關鍵設備。

2.2 基于EDFA系統的性能分析

EDFA的性能優劣主要由放大器的增益帶寬、飽和輸出功率、放大器噪聲等參數決定。EDFA的增益特性決定了光放大器的在工程應用中的性能好壞，通常用dB為單位來表示，定義為：

（1）

式中，增益G被用來描述系統對于光波信號的放大能力；表示為放大器的輸出信號功率；表示的是信號的輸入功率，取二者比值的對數[6]，即為增益G。

當輸入功率逐漸增加，到達一定程度后，就會出現功率增益飽和的現象。從理論上講，增益逐漸下降時并且與峰值狀態相差大概3 dB左右的輸入功率就是所謂飽和輸出功率。通常來看，飽和輸出功率在很大程度上反映一個系統的優劣。其值越大，性能越佳[7]；值越小，性能越差。

2.3 EDFA的應用探究

摻鉺光纖放大器主要有四種基本的放大形式：線路放大器、功率放大器、前置放大器、局域網（Local Area Network，LAN）放大器。具體如圖2所示。

其中，線路放大器將EDFA直接放置于光纖通信系統并對信號進行放大處理，它適用于遠距離通信，工作區間一般為近飽和區域；功率放大器主要是把EDFA置于發射光源后方，目的在于補償無源器件的損耗并提高發送功率，工作于飽和區域；前置放大器是指把EDFA放于光接收機之前，目的在于提高光接收機的接收靈敏度，以便提高發送功率，延長傳輸距離；LAN放大器是把EDFA放在局域網中，通過增加光節點的方式來擴大用戶服務數量[8]。

然而，EDFA在使用過程中會出現非線性效應以及光浪涌問題。光功率的不斷增加和能量的跳變會對整個通信系統造成嚴重的影響。在今后的實際應用中，可以嘗試將鉺離子與其他稀土離子結合，共同摻雜到光纖中，以此降低損耗，降低非線性效應以及光浪涌問題的影響。

3" "結束語

在現代光纖通信中，泵浦光作為一種未經調制的抽運光源，被廣泛地運用在光放大的過程中。泵浦光由泵浦激光器發出，在本質上與其他激光相同。摻鉺光纖放大技術的出現將泵浦光與摻鉺光纖放大器有機結合，避免了煩瑣的光-電轉換過程，加快了現代通信的傳輸速率，成為現代高速通信的主要器件之一。

摻鉺光纖放大器的結構簡單，與其他類型的光纖元器件相比，可以適應不同波長的光放大情況，是目前代替光學中繼器的最有效器件之一。近年來，隨著制備工藝不斷提高，人們研制出可以容納兩種及兩種以上稀土金屬元素的摻雜光纖，推動了光纖放大器的發展。EDFA是目前應用最為廣泛、綜合性能也最為優越的光纖放大器。

參考文獻

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