摻鉺光纖放大器（EDFA）在HFC網(wǎng)絡(luò )中的應用

一、概述
    在有線(xiàn)電視系統傳輸距離不太長(cháng)時(shí)，我們根據同軸電纜的特性，采用分支分配結構就能構成較為經(jīng)濟的電視電纜系統，而 在有線(xiàn)電視傳輸距離較遠、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。實(shí)際應用中，我們通常采用光分支來(lái)實(shí)現同一光源帶更多的光節點(diǎn)，同時(shí)為使光信號傳輸距離 更遠，必須對光信號進(jìn)行放大，以補償光分支損耗和光纖損耗。解決這一問(wèn)題的傳統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(mǎn)足不了現代通信傳輸的要求。摻鉺光纖放大器直接對光信號進(jìn)行放大，無(wú)需轉換成電信號，并且具有輸 出功率大、增益高、工作頻帶寬、與偏振無(wú)關(guān)、噪聲指數低、放大特性與系統比特率、數據格式無(wú)關(guān)等特點(diǎn)，因此它已成為現 代光通信系統的關(guān)鍵器件之一，因而在有線(xiàn)電視HFC系統中格外受到青瞇。

二、EDFA的工作原理
    當供給激光媒體能量使其處于激勵狀態(tài)時(shí)，即會(huì )產(chǎn)生光的受激輻射現象，如果能滿(mǎn)足使受激輻射持續進(jìn)行的條件，并用 輸入光去感應，則能得到比其強的輸出光，從而起到放大作用。 EDFA的放大作用是通過(guò)1550nm波長(cháng)的信號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，當Er3+在未受激勵 的情況，處在最低能級即基態(tài)E1

鉺的能級圖（一） 

光發(fā)射機輸出功率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(xiàn)廣播電視臺在市區CATV網(wǎng)中應用EDFA的計劃。 

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

    在摻鉺光纖中注入足夠強的泵浦光，就可以將大部分處于基態(tài)E1離子抽運到高能態(tài)E3上，處于E3的Er3+離子又迅速無(wú)輻 射的轉移到亞穩態(tài)E2上。Er3+離子在亞穩態(tài)上能級壽命較長(cháng)，由于連續地泵浦，E2粒子數不斷增加，從而實(shí)現E1與E2粒子數 反轉，即處于E2的粒子比E1的粒子數多。當信號光子通過(guò)摻鉺光纖時(shí)，與Er3+離子相互作用發(fā)生受激輻射效應，E2的Er3+離 子躍遷到E1，并產(chǎn)生和入射信號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）從而大大增加信號光 子的數量，實(shí)現信號放大作用。Er3+離子的亞穩態(tài)和基態(tài)具有一定的寬度，使EDFA的放大效應具有一定波長(cháng)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(cháng)的光子，這種光子與信號光不同，它構成EDFA的噪聲。如果EDFA的 輸入光功率較低時(shí)，自激輻射較強會(huì )產(chǎn)生較大的噪聲。

三、EDFA的基本結構
    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、光波分復用器、 光纖連接器、隔離器），控制單元、監控接口。
結構方框圖（二）
    光耦合器的作用是將信號光和泵浦光合在一起，一般采用波分復用器實(shí)現。光隔離器的作用是抑制光反射，以確保光 放大器工作穩定，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)生的噪聲對系 統的影響?？刂茊卧獙饫w放大器的工作實(shí)時(shí)控制，并由監控單位提供工作狀態(tài)信息。
四、EDFA特性及對系統的影響
   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(cháng)度都有關(guān)系，如圖（四）表示了EDFA的輸入輸出飽和特性，表 示小信號輸入時(shí)的增益系數大于大信號輸入時(shí)的增益系數。當輸入光弱時(shí)，高能位電子的消耗減少并可從泵激得到充分的 供應，因而，感應輻射就能維持達到相當的程度。當輸入光變弱時(shí)，由于高能位的電子供應不充分，感應輻射光的增加變少 ，于是就出現飽和。泵浦光功率越大，摻鉺光纖越長(cháng)，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，但當大到一定數值時(shí)，將產(chǎn)生光纖非線(xiàn)性效應和光泄漏效應，這影響了系統的傳 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的應用 

   在CATV系統中，EDFA應用形式很靈活，EDFA用在前端光發(fā)射機輸出端，提高發(fā)送功率，延長(cháng)傳輸距離；用在光纖傳輸鏈 路中，補償光能量的損失，可增加傳輸距離；用在光接收機前，對信號進(jìn)行預放，從而大大提高光接收機的接收靈敏度。 圖五是濮陽(yáng)市有線(xiàn)廣播電視臺在市縣連網(wǎng)中應用EDFA的實(shí)例。


圖五 濮陽(yáng)市縣聯(lián)網(wǎng)拓撲圖 

   由于范縣、臺前距離總前臺分別為55km、100km，鏈路損耗太大，必須在范縣新區進(jìn)行中繼，因此，系統采用功率放大 和在線(xiàn)放大兩個(gè)EDFA補償光分支損耗和光鏈路損耗。系統指標符合國家標準C/N>50dB CSO>65dB OTB>65dB。該系統的成 功建設，使網(wǎng)絡(luò )規模覆蓋范圍大大增加，方便了各項業(yè)務(wù)的開(kāi)展，為本臺也帶來(lái)了豐厚的回報。本系統基本光路基本參數 見(jiàn)表（一）

表（一）本系統光路基本參數