鉺放大器

鉺放大器（erbium amplifier），也被稱為光放大器（optical amplifier）或摻鉺光纖放大器（erbium-doped fiber amplifier）或EDFA，是一個光學或紅外線轉發器。摻鉺光纖放大器是目前在長距離光纖通信領域最重要的光纖放大器；因為它們可以放大1500nm附近的光，而通信光纖在這一波長區域內損耗最小。

基本介紹

• 中文名：鉺放大器
• 外文名：erbium amplifier
• 定義：一種光學或紅外線轉發器

概述

鉺放大器（erbiumamplifier），也被稱為光放大器（opticalamplifier）或摻鉺光纖放大器（erbium-dopedfiberamplifier）或EDFA，是一個光學或紅外線轉發器。該轉發器不通過光電和電光轉換，就可以直接放大調製的雷射束。鉺放大器是由短波長的光纖摻雜上稀有元素鉺所形成的。當載有信號的雷射束穿過光纖的時候，外能通常是在紅外線這個波長區域內得到利用。所謂的pumping能激活在光纖中的混合鉺區域的原子，這樣就增加了雷射束穿過的強度。雷射束從鉺放大器（EDFA）中出來以後保持了所有原始的調製特性，但比輸入光束更明亮。

在光纖通信系統中，由於沒有完全透明的光纖材料，問題就出現了。可見光或紅外線（IR）光束在光纖材料中傳輸的時候逐漸削弱。所以在長度超過100公里的光纖範圍內使用轉發器是必要的。

傳統轉發器分三階段傳送經過調製的光學信號：（1）光電轉換；（2）電信號放大；（3）電光轉換。（在這種情況下，光學環繞紅外線和可見光能量。）此類轉發器限制了可以在長距離的光纖光纜傳送的信號的頻寬。因為即使雷射束可以每秒傳送幾吉比特（Gbps）的數據，但傳統的轉發器也不能傳送這么快。

除了排除複雜的和低效率的轉換和電放大階段，鉺放大器（EDFA）允許使用波分復用（WDM）技術傳送信號。這一技術相對於傳統轉發器來說增加了可實現的頻寬。

裝置和工作原理

圖1是一種典型的鉺放大器的裝置圖。光纖是標準的單模光纖，纖芯摻鉺。在如圖所示的這種情況下，光纖是由兩個雷射二極體發出的光（雙向泵浦）來泵浦的，儘管單方向的泵浦（同方向和反方向泵浦）也非常常見。泵浦光通常是採用980nm，有時也用1450nm的光。

圖1.一種典型鉺放大器裝置圖

這個裝置還包含兩個馬尾式（光纖耦合）的光學隔離器。輸入端的隔離器阻止放大的自發輻射產生的光以防其干擾前端的器件，而輸出端的隔離器則抑制（也可能完全消除）被反射的輸出光重新進入放大器而產生的雷射效應。如果沒有隔離器，光纖放大器將會對背向反射非常敏感。

除了光學隔離器，商用光纖放大器還可以包含其它的器件。例如，光纖耦合器和光探測器用來操控光功率值，泵浦雷射二極體需要採用控制電路和增益平坦濾波器。對於封裝非常緊湊的放大器，一些無源光學器件可以集成到光電集成迴路上（平板光波迴路）。

在需要非常高增益的情況下，例如放大高能量的超短脈衝，則通常採用放大器鏈來實現，包含多級放大器和放大器之間的光學器件（如隔離器，濾波器，調製器）。

增益譜

增益譜的形狀依賴於吸收和發射截面，也就是依賴於基質玻璃。增益的幅值和增益譜的形狀都極大的受鉺離子被激發的程度的影響，因為這是準三能級躍遷。圖2是一種普通玻璃的值，這種玻璃是在二氧化矽內加入摻雜來防止鉺離子聚集在一起。其它種類的玻璃會得到非常不同的增益譜。

圖2.含鉺離子的磷酸鹽玻璃

強三能級過程（在>50%激發情況下透明）發生在1535nm處。在這一光譜區域，未被泵浦的光纖具有非常大的損耗，但是由於發射界面非常大，所以強激發仍然可以得到高增益。在更長波長處（如1580nm），需要低激發能級來得到增益，但是最大增益更小。

峰值增益通常發生在波長為1530-1560nm區域，在1530nm峰值處具有最高的激發能級，然而稍低的激發能級使峰值增益發生在稍長的波長處。激發能級依賴於發射和吸收截面，還依賴於泵浦光和信號光強度（ASE光除外）。整個光纖的平均激發能級，與淨增益譜相關，是依賴於泵浦光和信號光功率的，還和光纖長度和摻鉺濃度有關。這些參數（還包括玻璃成分選擇）都用來最佳化EDFAs在特定波長區域的性能，例如通訊C或者L帶。

為了在一個大的波長範圍得到平坦的增益譜（增益均衡），例如在波分復用中要求的，可以通過最佳化玻璃基底（例如碲化物光纖或者氟化物光纖，或者不同的放大器區域採用不同玻璃）或者採用合適的光學濾波器，例如長周期光纖布拉格光柵。

通信系統中的鉺放大器

EDFAs在光纖通信系統中具有多種用途，最重要的幾種套用包括：

• 數據傳輸器的功率在進入長光纖或者損耗很大的器件（如光纖分束器）之前可以先通過EDFA得到高功率。光纖分束器在有線電視系統中套用非常廣泛，在這個系統中一個傳輸器將信號傳入很多光纖中。
  
• 當信號很弱時，光纖放大器也可套用於數據接收器之前。除了引入放大器噪聲外，這可以提高信噪比和數據傳輸速率，因為放大器噪聲比接收器的輸入噪聲要小。雪崩二極體更加常用，它內部本身具有信號放大功能。
  
• 在無源光纖傳輸中，同軸的EDFA被放置於長跨度光纖中。在長光纖鏈中採用多個放大器的優勢在於大的傳輸損耗被補償，同時（a）不會降低光功率，而光功率過低會極大降低信噪比；（b）也不會使其它位置傳輸多餘光功率，從而避免了有害的非線性效應。許多這種同軸的EDFAs即使在環境惡劣情況下，如在海平面，也可以正常工作，當然了維護比較難。
  
• 儘管數據傳輸器一般不基於摻鉺裝置，但是EDFAs通常是測試傳輸硬體的一部分。EDFAs也可以用於光學信號處理。
  

這些功能在通信C和L波段都可以實現。其它的光纖放大器，例如採用鐠的，也可以用於其它波段，但是在增益和增益效率方面都無法和摻鉺的器件相比擬。

EDFAs的一個顯著優點就是它非常大的增益頻寬，通常具有幾十個納米，因此足夠放大所有信號通道並且還能保持最高的數據速率而不引入任何增益變窄的效應。一個EDFA就可以再增益區域內同時用於放大多個不同波長的信號通道，這項技術被稱為波分復用。在這個光纖放大器技術出現之前，沒有任何實際方法來放大長光纖跨度中的所有通道。因此引入光纖放大器極大的簡化了系統，並且提高了可靠性。

在1500nm區域唯一可以與摻鉺光纖放大器比擬的就是拉曼放大器，它得益於高功率泵浦雷射器的發展。在傳輸光纖中就可以實現拉曼放大。儘管如此，EDFAs仍然占據主導地位。

技術細節

EDFAs中常用的泵浦光波長為980nm。980nm光可以將鉺離子從基態 泵浦到激發態 ，然後很快轉移到能級 。由於轉移過程很快，泵浦光的受激輻射不受影響，可以達到非常高的激發能級。因此儘管由於量子數虧損泵浦效率並不是理想情況，但是它仍然可以得到最高的增益效率（10dB/mW量級）和最低的噪聲係數。

由於雷射截面不是很大，EDFA的飽和功率相比於半導體光放大器來說相對比較高。因此在高比特率數據傳輸中，單一的位元組具有很低的能量不會產生任何的增益飽和。只有當位元組具有成千上百萬的時候，增益會自調整到平均信號功率。

在高增益放大器中，放大的自發輻射通常是制約增益的一個因素。由於鉺離子準三能級的特性，前向和後向的ASE功率是不同的，而且峰值ASE所處的波長與峰值增益對應的波長是不同的。

EDFA的噪聲係數比理想的高增益放大器理論上的3dB要稍大，這主要是由於準三能級的特性。可以通過合理設計放大器來降低噪聲，要考慮到輸入信號處鉺被激發的程度，它受泵浦光方向的影響很大。

通過光纖模擬軟體可以從許多不同角度來分析摻鉺光纖放大器。得到的定量記過可以作為最佳化裝置性能和需要哪些器件的基礎。

鉺放大器的套用

採用摻鐿光纖（也被稱為Er:Yb:光纖）可以在較短波長處取得高增益。這種光纖除了摻雜鉺離子，還包含一部分的鐿離子（通常鐿的濃度要遠大於鉺）。鐿離子也可以由980nm泵浦光（也可以由1064nm泵浦光）激發，然後將它們的能量轉移到鉺離子中。通過合理配置光纖纖芯中摻雜成分的濃度，能量轉移可以達到很高的效率。但是，純摻鉺光纖在通訊領域套用更廣泛，因為額外摻鐿在這個領域套用並沒有顯著優勢，並且由於化學成分改變可能會降低增益頻寬。

摻鉺的雙包層光纖可用來產生幾十瓦甚至更高的輸出功率。在這種情況下，泵浦吸收效率比較弱，摻鐿的纖芯有很大的用途。

也可以將1500nm波長區域的超短脈衝放大到比較高的能量，這需要採用EDFAs作為一個放大器鏈。利用了這些放大器的高飽和能量，尤其是採用摻鉺的具有很大模式面積光纖。