摻鉺光纖放大器（EDFA）在HFC網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

一、概述
    在有線電視系統(tǒng)傳輸距離不太長(zhǎng)時(shí)，我們根據(jù)同軸電纜的特性，采用分支分配結(jié)構(gòu)就能構(gòu)成較為經(jīng)濟(jì)的電視電纜系統(tǒng)，而 在有線電視傳輸距離較遠(yuǎn)、范圍較大時(shí)，我們通常采用光纜、電纜組合搭建HFC網(wǎng)絡(luò)，在HFC網(wǎng)絡(luò)的光纖部分我們也可利用 分 支器件來(lái)搭建成本較低的系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用中，我們通常采用光分支來(lái)實(shí)現(xiàn)同一光源帶更多的光節(jié)點(diǎn)，同時(shí)為使光信號(hào)傳輸距離 更遠(yuǎn)，必須對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大，以補(bǔ)償光分支損耗和光纖損耗。解決這一問(wèn)題的傳統(tǒng)方法是采用光電中繼器，而這種光/電/光 的變換和處理方式已滿足不了現(xiàn)代通信傳輸?shù)囊?。摻鉺光纖放大器直接對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大，無(wú)需轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并且具有輸 出功率大、增益高、工作頻帶寬、與偏振無(wú)關(guān)、噪聲指數(shù)低、放大特性與系統(tǒng)比特率、數(shù)據(jù)格式無(wú)關(guān)等特點(diǎn)，因此它已成為現(xiàn) 代光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件之一，因而在有線電視HFC系統(tǒng)中格外受到青瞇。

二、EDFA的工作原理
    當(dāng)供給激光媒體能量使其處于激勵(lì)狀態(tài)時(shí)，即會(huì)產(chǎn)生光的受激輻射現(xiàn)象，如果能滿足使受激輻射持續(xù)進(jìn)行的條件，并用 輸入光去感應(yīng)，則能得到比其強(qiáng)的輸出光，從而起到放大作用。 EDFA的放大作用是通過(guò)1550nm波長(zhǎng)的信號(hào)光在摻鉺光纖中傳輸與Er3+（鉺離子）相互作用產(chǎn)生的。摻鉺光纖中的Er3+所 處的能量狀態(tài)是不能連續(xù)取值的，它只能處在一系列分立的能量狀態(tài)上，這些能量狀態(tài)稱(chēng)為能級(jí)，當(dāng)Er3+在未受激勵(lì) 的情況，處在最低能級(jí)即基態(tài)E1

鉺的能級(jí)圖（一） 

光發(fā)射機(jī)輸出功率8.96dbm，前端EDFA輸出功率19.31dbm，中繼EDFA輸出功率13.8dbm。

圖六是濮陽(yáng)有線廣播電視臺(tái)在市區(qū)CATV網(wǎng)中應(yīng)用EDFA的計(jì)劃。 

   濮陽(yáng)有線臺(tái)擁有十萬(wàn)用戶，每個(gè)光接點(diǎn)帶500戶，需要200個(gè)光接收機(jī)，若1310nmCATV發(fā)射機(jī)，輸出光功率為16mW（ 價(jià)格為15萬(wàn)元），則需要14臺(tái)發(fā)射機(jī)，發(fā)射設(shè)備總價(jià)格210萬(wàn)元；而用1550nmCATV系統(tǒng)（如圖六）需要：1550nmCATV發(fā)射 機(jī)，發(fā)射功率4mW（價(jià)格為30萬(wàn)元）一臺(tái)，輸出光功率為50mW的EDFA（價(jià)格為15萬(wàn)/臺(tái)），用五臺(tái)EDFA，則發(fā)射設(shè)備總價(jià)格 為105萬(wàn)元，兩方案相差1倍，1550nm發(fā)射系統(tǒng)的成本僅為1310nm發(fā)射系統(tǒng)的50%。由于光纜在1550nm波長(zhǎng)的衰耗只有1310 nm波長(zhǎng)的57%，因此在發(fā)射具有相同的發(fā)射總功率的情況下，1550nm波長(zhǎng)的發(fā)射設(shè)備比1310nm的設(shè)備能傳輸更長(zhǎng)的距離， 帶更多的光接收機(jī)。在大中型CATV網(wǎng)中，應(yīng)用的EDFA的1550nm波長(zhǎng)的CATV系統(tǒng)具有明顯的性能價(jià)格比優(yōu)勢(shì)，是目前CATV發(fā) 展的主流。

    在摻鉺光纖中注入足夠強(qiáng)的泵浦光，就可以將大部分處于基態(tài)E1離子抽運(yùn)到高能態(tài)E3上，處于E3的Er3+離子又迅速無(wú)輻 射的轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)E2上。Er3+離子在亞穩(wěn)態(tài)上能級(jí)壽命較長(zhǎng)，由于連續(xù)地泵浦，E2粒子數(shù)不斷增加，從而實(shí)現(xiàn)E1與E2粒子數(shù) 反轉(zhuǎn)，即處于E2的粒子比E1的粒子數(shù)多。當(dāng)信號(hào)光子通過(guò)摻鉺光纖時(shí)，與Er3+離子相互作用發(fā)生受激輻射效應(yīng)，E2的Er3+離 子躍遷到E1，并產(chǎn)生和入射信號(hào)光中的光子完全相同的光子（即頻率、相位，傳播方向、偏振態(tài)相同）從而大大增加信號(hào)光 子的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大作用。Er3+離子的亞穩(wěn)態(tài)和基態(tài)具有一定的寬度，使EDFA的放大效應(yīng)具有一定波長(zhǎng)范圍，其典型值 為1530~1570nm。Er3+離子處于E2時(shí)，除了發(fā)生受激輻射和受激吸收（基態(tài)Er3+離子吸收信號(hào)光子，躍遷到E2）以外，還要產(chǎn) 生自發(fā)輻射，自發(fā)地從E2躍遷到E1，并發(fā)射出1550nm波長(zhǎng)的光子，這種光子與信號(hào)光不同，它構(gòu)成EDFA的噪聲。如果EDFA的 輸入光功率較低時(shí)，自激輻射較強(qiáng)會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲。

三、EDFA的基本結(jié)構(gòu)
    EDFA一般由五個(gè)基本部分組成，即摻鉺光纖（EDF），泵浦光源（pump-LD）,光無(wú)源器件（包括耦合器、光波分復(fù)用器、 光纖連接器、隔離器），控制單元、監(jiān)控接口。
結(jié)構(gòu)方框圖（二）
    光耦合器的作用是將信號(hào)光和泵浦光合在一起，一般采用波分復(fù)用器實(shí)現(xiàn)。光隔離器的作用是抑制光反射，以確保光 放大器工作穩(wěn)定，它必須是插入損耗低，與偏振無(wú)關(guān)、隔離度優(yōu)于40dB。光濾波器的作用是降低自發(fā)輻射產(chǎn)生的噪聲對(duì)系 統(tǒng)的影響?？刂茊卧獙?duì)光纖放大器的工作實(shí)時(shí)控制，并由監(jiān)控單位提供工作狀態(tài)信息。
四、EDFA特性及對(duì)系統(tǒng)的影響
   EDFA的增益與諸多因素有關(guān)，如光纖中摻鉺Er3+的濃度有關(guān)，如圖(三) 所示，當(dāng)Er3+的濃度超過(guò)一定值時(shí)， 增益反而降低，要控制好鉺的濃度。
圖三 摻鉺濃度與增益關(guān)系
    EDFA的增益跟輸入光的程度、泵浦光功率及摻鉺光纖長(zhǎng)度都有關(guān)系，如圖（四）表示了EDFA的輸入輸出飽和特性，表 示小信號(hào)輸入時(shí)的增益系數(shù)大于大信號(hào)輸入時(shí)的增益系數(shù)。當(dāng)輸入光弱時(shí)，高能位電子的消耗減少并可從泵激得到充分的 供應(yīng)，因而，感應(yīng)輻射就能維持達(dá)到相當(dāng)?shù)某潭取．?dāng)輸入光變?nèi)鯐r(shí)，由于高能位的電子供應(yīng)不充分，感應(yīng)輻射光的增加變少 ，于是就出現(xiàn)飽和。泵浦光功率越大，摻鉺光纖越長(zhǎng)，3db飽和輸出功率也就越大。

圖四 輸入輸出飽和特性 

    采用EDFA后，提高了注入光纖的功率，但當(dāng)大到一定數(shù)值時(shí)，將產(chǎn)生光纖非線性效應(yīng)和光泄漏效應(yīng)，這影響了系統(tǒng)的傳 輸距離和傳輸質(zhì)量，另外色散問(wèn)題變成了限制系統(tǒng)的突出問(wèn)題，可以選用G.653光纖（色散位移光纖DSF）或非零色散光纖 （NZDF）來(lái)解決這一問(wèn)題。
五、EDFA的應(yīng)用 

   在CATV系統(tǒng)中，EDFA應(yīng)用形式很靈活，EDFA用在前端光發(fā)射機(jī)輸出端，提高發(fā)送功率，延長(zhǎng)傳輸距離；用在光纖傳輸鏈 路中，補(bǔ)償光能量的損失，可增加傳輸距離；用在光接收機(jī)前，對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)放，從而大大提高光接收機(jī)的接收靈敏度。 圖五是濮陽(yáng)市有線廣播電視臺(tái)在市縣連網(wǎng)中應(yīng)用EDFA的實(shí)例。


圖五 濮陽(yáng)市縣聯(lián)網(wǎng)拓?fù)鋱D 

   由于范縣、臺(tái)前距離總前臺(tái)分別為55km、100km，鏈路損耗太大，必須在范縣新區(qū)進(jìn)行中繼，因此，系統(tǒng)采用功率放大 和在線放大兩個(gè)EDFA補(bǔ)償光分支損耗和光鏈路損耗。系統(tǒng)指標(biāo)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)C/N>50dB CSO>65dB OTB>65dB。該系統(tǒng)的成 功建設(shè)，使網(wǎng)絡(luò)規(guī)模覆蓋范圍大大增加，方便了各項(xiàng)業(yè)務(wù)的開(kāi)展，為本臺(tái)也帶來(lái)了豐厚的回報(bào)。本系統(tǒng)基本光路基本參數(shù) 見(jiàn)表（一）

表（一）本系統(tǒng)光路基本參數(shù)