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行放大。
其誕生是光纖通信領域革命性的突破，它使長距離、大容量、高速率的光纖通信成為可能，是DWDM系統及未來高速系統、全光網絡不可缺少的重要器件。這一次的筆記就來著重介紹一下EDFA的相關內容。
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，粒子數至多，而E3能級能量至高，粒子數至少，中間藍色的線對應的是E2能級。這三個能級中，因為E1能級能級至低，粒子數至多，至穩定，我們也稱它為基態，即至穩定的狀態；而E3能級中能量至高，這個能級的粒子至不穩定，我們也稱它為激發態。中間的E2能級處在基態和激發態之間，我們稱它為亞穩態。它比基態活躍些，也比激發態穩定一些。亞穩態上的粒子數相對來說比較穩定，能在一段時間內保持住一個穩定狀態。
知道了餌離子三個能級的組成，那EDFA是如何實現光的放大呢？
比如說，光纖中所要傳過來(lai)的(de)光比較弱，通過EDFA這個放大器之后，輸出來(lai)就是已經放大了(le)的(de)強光，是怎么實現的(de)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，也就是激發態，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態，非常不穩定，所以在沒有外界粒子激發的情況下，它就會紛紛地向下躍遷，躍遷到E2能級也就是亞穩態，我們稱這個過程為無輻射躍遷，沒有外界粒子激發，高能級的粒子就自動地自發地向下躍遷到低能級。
而E2能級因為是處于亞穩態，可以在一段時間內保持住該能級上的粒子，使得在E2和E1之間實現粒子數的反轉分布狀態（關于粒子數的反轉分布狀態我們在前面的筆記已經介紹過，就是指物質的粒子分布一反常態，使得高能級粒子數反而多，而低能級粒子數反而少）。這時候，如果有一個外來光子的激發，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光子，會在反轉分布狀態的E2和E1之間實現受激輻射的過程大于受激吸收的過程，產生新的全同光子，從而實現光的放大，那么從物質中輸出來的光就是強光了。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的反轉分布狀態，那么如何被激活呢，這就需要外來的激勵源——泵浦光源。這兩部分是構成摻鉺光纖放大器的主要部分。
在了解工作原理的基礎上，接下來，我們來看一下EDFA的結構。
EDFA的結構
EDFA主(zhu)要組成有：摻鉺(er)光(guang)纖(xian)（EDF）、泵浦光(guang)源、光(guang)耦合器(qi)(qi)、光(guang)隔(ge)離器(qi)(qi)、光(guang)濾波器(qi)(qi)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過來的光耦合進同一根光纖中，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的反轉分布狀態，之后通過輸入光信號作為外界的激發，實現受激輻射的過程大于受激吸收的過程，從而實現光的放大。
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定的環境中，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，一般采用波分復用器（WDM）
（4） 光隔離器：防止反射光影響光放大器的工作穩定性，保證光信號只能正向傳輸的器件，不要受后向散射光的影響。
（5） 光濾(lv)波(bo)器：濾(lv)除(chu)光放大器的噪聲，降低噪聲對系統(tong)的影響，提高系統(tong)的信噪比。
EDFA的分類
按照泵浦光源的泵浦方式不同，EDFA有三種不同的結構形式：
（1） 同向泵浦結構
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(pu)結構
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(beng)浦結構
雙向(xiang)泵(beng)浦：既有同向(xiang)泵(beng)浦也有反(fan)向(xiang)泵(beng)浦。
EDFA的主要特性參數
1、 功率增益
摻鉺光(guang)纖(xian)放大(da)器是(shi)把弱光(guang)放大(da)成強光(guang)，我們用(yong)功率增益(yi)來表示(shi)放大(da)的倍數(shu)。
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。
（1）增(zeng)益的(de)大小與(yu)泵浦(pu)光(guang)功(gong)率的(de)關系
摻鉺光纖放大器功率增益與泵浦功率間的關系
放大器的功率增益隨泵浦功率的增加而增加（泵浦光越強，會有更多的低能級粒子吸收了泵浦光的能量向上躍遷，從而產生反轉分布的粒子數就多了，光的放大作用也就強了），當泵浦功率達到一定值時，放大器的功率增益出現飽和，即泵浦功率再增加而功率增益基本不變（因為可反轉分布的粒子數畢竟是有限，當泵浦光強度已經很強的時候，無論其再怎樣加強，如果達到了反轉分布粒子數的極限，那么放大倍數將不會再增加了，因此會出現一個飽和的趨勢）。
（2）增益的(de)大小與(yu)光(guang)纖長度的(de)關系
摻鉺光纖放大器功率增益與光纖長度間的關系
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(guang)纖(xian)長(chang)(chang)(chang)(chang)度(du)(du)(du)(du)越(yue)長(chang)(chang)(chang)(chang)，可獲得的(de)(de)(de)功(gong)率(lv)(lv)(lv)增益(yi)就越(yue)大(da)(da)（因(yin)(yin)為(wei)摻鉺光(guang)纖(xian)長(chang)(chang)(chang)(chang)度(du)(du)(du)(du)越(yue)大(da)(da)表示(shi)可以(yi)反(fan)轉分布(bu)的(de)(de)(de)粒子數的(de)(de)(de)作用區(qu)(qu)就越(yue)長(chang)(chang)(chang)(chang)，作用區(qu)(qu)越(yue)長(chang)(chang)(chang)(chang)，功(gong)率(lv)(lv)(lv)增益(yi)當然就越(yue)大(da)(da)），但是(shi)隨著光(guang)纖(xian)長(chang)(chang)(chang)(chang)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)再一步增強(qiang)，功(gong)率(lv)(lv)(lv)增益(yi)反(fan)而會下(xia)降(jiang)（這(zhe)是(shi)因(yin)(yin)為(wei)光(guang)纖(xian)長(chang)(chang)(chang)(chang)度(du)(du)(du)(du)繼續加(jia)長(chang)(chang)(chang)(chang)的(de)(de)(de)話損(sun)耗也增加(jia)了(le)，損(sun)耗比放大(da)(da)的(de)(de)(de)功(gong)率(lv)(lv)(lv)增益(yi)損(sun)耗還要大(da)(da)，終的(de)(de)(de)功(gong)率(lv)(lv)(lv)增益(yi)就被減小了(le)）。因(yin)(yin)此(ci)，增益(yi)的(de)(de)(de)大(da)(da)小與光(guang)纖(xian)長(chang)(chang)(chang)(chang)度(du)(du)(du)(du)是(shi)有一個先升(sheng)高后(hou)下(xia)降(jiang)的(de)(de)(de)過程，其中，頂(ding)點(dian)是(shi)佳功(gong)率(lv)(lv)(lv)增益(yi)，它所(suo)對應的(de)(de)(de)光(guang)纖(xian)長(chang)(chang)(chang)(chang)度(du)(du)(du)(du)是(shi)max增益(yi)的(de)(de)(de)光(guang)纖(xian)長(chang)(chang)(chang)(chang)度(du)(du)(du)(du)。
2、 輸出飽和功率
是一個(ge)描(miao)述輸入信號功(gong)率與輸出信號功(gong)率之間(jian)關系的參量。
摻鉺光纖放大器輸出飽和功率曲線
輸入(ru)信(xin)號功率與(yu)輸出信(xin)號功率之間不完全是正比，而且(qie)存(cun)在著飽和的(de)趨勢（因為(wei)輸入(ru)信(xin)號繼續增強(qiang)(qiang)，反轉分布的(de)粒(li)子數有限，輸出信(xin)號也不再增強(qiang)(qiang)，反而出現一(yi)個飽和的(de)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。
當飽和增益下降3dB時所對應的輸出功率值為3dB飽和輸出功率，它代表了EDFA的max輸出能力。
3、 噪聲系數
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輻射光波之間的差拍噪聲，被放大的自發輻射光的散彈噪聲以及光放大器自發輻射的不同頻率光波間差拍噪聲。
EDFA噪(zao)聲系數(shu)可用噪(zao)聲系數(shu)F來(lai)表(biao)示。
EDFA噪聲(sheng)系(xi)數的極限值為3dB。
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