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掺铒光纤放大器(EDFA)在HFC网络中的应用
河南省濮阳市广电信息网络中心高级工程师李军
河南省濮阳市广电信息网络中心工程师刘道甫
一、概述
在有线电视系统传输距离不太长时,我们根据同轴电缆的特性,
采用分支分配结构就能构成较为经济的电视电缆系统,而在有线电视传
输距离较远、范围较大时,我们通常采用光缆、电缆组合搭建HFC网络,
在HFC网络的光纤部分我们也可利用分支器件来搭建成本较低的系统。
实际应用中,我们通常采用光分支来实现同一光源带更多的光节点,同时
为使光信号传输距离更远,必须对光信号进行放大,以补偿光分支损耗
和光纤损耗。解决这一问题的传统方法是采用光电中继器,而这种光/电/
光的变换和处理方式已满足不了现代通信传输的要求。掺铒光纤放大器
直接对光信号进行放大,无需转换成电信号,并且具有输出功率大、增
益高、工作频带宽、与偏振无关、噪声指数低、放大特性与系统比特率、
数据格式无关等特点,因此它已成为现代光通信系统的关键器件之一,
因而在有线电视HFC系统中格外受到青眯。
二、EDFA的工作原理
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当供给激光媒体能量使其处于激励状态时,即会产生光的受激辐
射现象,如果能满足使受激辐射持续进行的条件,并用输入光去感应,
则能得到比其强的输出光,从而起到放大作用。EDFA的放大作用是通过
1550nm波长的信号光在掺铒光纤中传输与Er3+(铒离子)相互作用产生
的。掺铒光纤中的Er3+所处的能量状态是不能连续取值的,它只能处在
一系列分立的能量状态上,这些能量状态称为能级,当Er3+在未受激励的
情况,处在最低能级即基态E1
铒的能级图(一)
在掺铒光纤中注入足够强的泵浦光,就可以将大部分处于基态E1
离子抽运到高能态E3上,处于E3的Er3+离子又迅速无辐射的转移到亚
稳态E2上。Er3+离子在亚稳态上能级寿命较长,由于连续地泵浦,E2粒
子数不断增加,从而实现E1与E2粒子数反转,即处于E2的粒子比E1
的粒子数多。当信号光子通过掺铒光纤时,与Er3+离子相互作用发生受激
辐射效应,E2的Er3+离子跃迁到E1,并产生和入射信号光中的光子完全
相同的光子(即频率、相位,传播方向、偏振态相同)从而大大增加信号
光子的数量,实现信号放大作用。Er3+离子的亚稳态和基态具有一定的
宽度,使EDFA的放大效应具有一定波长范围,其典型值为1530~1570nm。
Er3+离子处于E2时,除了发生受激辐射和受激吸收(基态Er3+离子吸收
信号光子,跃迁到E2)以外,还要产生自发辐射,自发地从E2跃迁到
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E1,并发射出1550nm波长的光子,这种光子与信号光不同,它构成EDFA
的噪声。如果EDFA的输入光功率较低时,自激辐射较强会产生较大的噪
声。
三、EDFA的基本结构
EDFA一般由五个基本部分组成,即掺铒光纤(EDF),泵浦光源
(pump-LD),光无源器件(包括耦合器、光波分复用器、光纤连接器、
隔离器),控制单元、监控接口。
结构方框图(二)
光耦合器的作用是将信号光和泵浦光合在一起,一般采用波分复
用器实现。光隔离器