什么是掺铒光纤放大器（EDFA）？

掺铒光纤放大器（EDFA）是一种放大微弱的输入光信号而不将其转换为电信号的装置。光放大器是一种放大通过光纤电缆的光信号强度而不将其转换为电信号的装置。EDFAs是在20世纪80年代中期由英国南安普敦大学的David Payne博士和他的团队发明的。这一发现是光通信领域的一个重大突破，为开发长途光通信系统铺平了道路，该系统可以在不需要电子再生器的情况下将信号传输到数千公里的距离。掺铒光纤放大器自20世纪90年代初开始投入商业使用。今天，EDFA被广泛用于光纤通信系统，用于放大1550纳米波长范围内的光信号，并在这个范围内工作得最好，增益高达30dB。它们与偏振无关，具有高增益和低噪声。

EDFA的工作原理

EDFA是常用的光纤放大器，它们的工作原理是通过激发发射的过程放大光。EDFA的主要组成部分是掺铒光纤，它是一种由二氧化硅制成的光纤，并掺入了少量的稀土元素铒离子（Er3+）。这种装置利用铒离子的特性来放大通过光缆传输的光信号，使数据能够以高速和低损耗的方式长距离传输。铒离子在制造过程中被添加到光纤的核心中。

图1：EDFA的示意图

EDFA的基本工作原理是基于光与铒离子的相互作用。两个激光二极管（LD）以980纳米或1480纳米的波长为掺铒光纤提供泵浦功率。二色性泵浦耦合器用于将光耦合到掺铒光纤中。当光通过光纤时，它激发了铒原子，使它们在放大原始信号后发出波长为1550纳米的光。释放的额外光子与原始信号的相位和方向相同。两个辫子式法拉第隔离器被用来大力降低该装置对激光源的反向反射的敏感性。图1显示了一个简单的掺铒光纤放大器（EDFA）的设置示意图。

当光信号通过光纤时，这种激发发射的过程将其放大。然后，铒离子被耦合到光纤中的一个单独的激光器 "抽 "回其原始能量水平。

能级图

图2：EDFA的工作原理

当EDFA在980纳米处被泵浦时，处于基态的Er3+离子吸收能量并被激发到泵浦水平。由于泵浦级的寿命较短，被激发的Er离子通过释放声子立即松弛到可转移的状态。这个松弛过程在地层和可转移状态之间产生了一个群体反转，放大作用在1550纳米左右发生。另一个潜在的泵浦波长是1480纳米；当足够的泵浦功率应用于光纤时，放大发生在1550纳米左右，并且在基态和可转移态之间形成了群体反转。

铒被选为光纤放大器的掺杂剂，因为它具有独特的特性和比其他类型的光放大器更多的优势。

高放大效率。EDFAs在1550nm波长区域具有很高的放大效率，这在长距离通信系统中得到了应用。这是因为铒离子可以有效地吸收和放大这个范围内的信号，因为它们在这个波长上的吸收截面相对较大。
低噪音。由于EDFA具有低噪声系数，它们在放大信号时噪声很小。这在通信系统中很重要，因为噪声会降低信号的质量。
稳定性。铒离子在玻璃中相对稳定，因此EDFA具有较长的使用寿命，可以在较长的时间内保持稳定的放大效果。
与光纤的兼容性。铒离子可以很容易地集成到光纤放大器中，因为它们与通信系统中使用的硅基光纤兼容。
成本效益高。与其他可用作光纤放大器掺杂剂的稀土元素（如钕或镱）相比，铒相对丰富且具有成本效益。
EDFA的基本配置

EDFA配置的基本组成部分是一个EDF、一个泵浦激光器和一个组件，通常称为WDM，用于混合信号和泵浦波长，以便它们能够同时通过EDF传播。EDFA的构造可以使泵浦能量在三个方向之一传播：前向泵浦、后向泵浦或两个方向一起传播。在正向泵浦中，泵浦能量的传播方向与信号的传播方向相同。而在后向泵送中，泵的能量是以与信号相反的方向传播的。

图3：980纳米EDFA的示意图

EDFA的最大可能增益的特点是。

Pp = 功率输入

Ps = 输出功率

λs = 放大信号的波长

λp = 泵送信号的波长

EDFA的类型

EDFA放大器有三种不同的配置。

图4：EDFA的助推器、线内和前置放大器的配置

增压放大器。这种放大器工作在链路的传输端，置于发射器之后，将离开发射器的信号通道放大到发射到光纤链路所需的水平。与其他放大器相比，这种增压放大器具有高输入功率、高输出功率和中等光增益。

线内放大器。它被放置在传输线的中间点，以克服光纤传输和其他分配损失。线内EDFA是为了在两个网络节点之间跨越主光链路进行光放大。它具有中等至低的输入功率，高输出功率，高光增益和低噪声系数。

前置放大器。这个EDFA放大器工作在末端，就在接收器之前，以确保接收器得到足够的光功率。它被用来补偿光接收器附近的损失。这种放大器的输入功率相对较低，输出功率中等，增益中等。

EDFA的局限性

然而，EDFA确实有一些限制。

最重要的限制是无法放大可见范围内的信号。这是因为铒在可见光波段没有吸收。
此外，EDFA有一个有限的增益带宽，这意味着它们不能在一个广泛的波长范围内放大信号。这一限制可以通过串联使用多个EDFA或将其与其他放大技术（如拉曼放大）相结合来克服。
需要泵浦激光器。
需要使用增益均衡器进行多级放大。
很难与其他元件集成。
丢弃通道会引起存活通道的错误。
EDFA的应用

EDFA在光纤通信的几个领域都有应用，包括长距离通信、城域网和海底通信系统。它们还被用于光纤传感器和光信号处理。

长途通信系统，在长距离的光通信系统中提升光信号，如海底通信电缆、城域网（MAN）和广域网（WAN）。
光纤到户（FTTH）网络，以提高从中央办公室到客户家中的光信号。这使得高速互联网接入、数字电视和电话服务可以通过一条光缆实现。
密集波分复用（DWDM）系统放大在同一光缆上通过不同波长传输的多个信号。这使得更多的数据可以在一条光缆上传输。
光通信系统的研究和开发，如用于测试新型的光纤和开发新的传输协议。
医学应用，如在光学相干断层扫描（OCT）成像中，用于创建身体内组织的高清晰度图像。