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宽带光纤放大器技术进展
一、光通信的基石一DWDM和W-EDFA
激光和光纤从发明至实用，已被证明确实具有强大生命力，而且使用完全可靠。
自此电通信就以快速的步伐朝向光通信方向发展。近几年来，单模光纤的1.55Pm波
长窗口显得特别重要，在这窗口实施的波分多路技术（WDM）以加大光纤实际传输容
量，取得非常可喜的效果与它密切配合的是掺饵光纤放大器（EDFA），用来延长光
纤传输距离，同样取得明显成绩。当WDM系统的各路波长间隔进一步靠近以致同时传
输的波长路数加多，进化为密集的WDM即DWDM时，势必要求它的同伴EDFA在更宽的波
带内提供平坦的功率增益，成为宽带的EDFA即W－ED－FA。这样，由DWDM和W－EDFA
一起，加上非零色散光纤NZDF的线路，就可组成大容量（Tbit／s）、长距离（几千
km）的光通信线路。这样的有线光通信线路既适应近年来数据通信业务量急剧增长
的需要，又是在经济上节约成本的理想措施，因而值得不断深入研究和大力推广发
展。最的，DWDM和W－EDFA一起，不仅在点一点通信线路发挥主力，还要作为全光通
信的骨干结构，其发展前途是无可限量的。本文谈谈W－EDFA的技术进展。
二、EDFA的开始和现状
80年代下半期，研制成功一段一定长度的纤芯掺饵离子的石英光纤，在受到半
导体激光管波长0.98pm或1.48pm足够大功率的抽引下，能使波长1.55pm窗口（1.52
－1.57pm）传输的光信号得到一定有用的功率增益即放大作用。就是说，一段掺饵
光纤受到足够的治适的抽引功率影响，能使传输经过的光信号在一定波带宽度内得
到一定的有用增益，输出较大有光功率并保持较小的噪声系数。这就形成在1.55pm
波长窗口工作的光纤放大器，称之为掺饵光纤放大器（EDFA）。既要求光子从抽引
至信号的转换效率高，从而使信号输出功率提高，又要求转换过程引起的噪声很低。
而且，这样对一定的波带宽度提供功率增益，又要求它具有平坦的增益一波长特性。
对于光纤传输波分多路（WDM）系统而言，平坦的EDFA增益特性非常重要，应该对
所有各路波长的信号提供同等的增益值。如果放大器对某些路波长提供的增益很高，
而对另一些路波长提供的增益很低，那就容易引起各路不同波长之间的路际串扰，
使WDM系统无法正常运用。EDFA的输出功率应该有一定大的值，以便信号能够沿光纤
传输较长距离才再放大。EDFA的噪声系数应该保持较小值，因为长距离光纤线路有
很多只放大器，噪声是累积的。
当初与WDM系统配合运用的EDFA，是在波长1540－1560um范围内，即波带宽度
20um内提供平坦的功率增益。EDFA采用两级放大，即有分开的两段接饵光纤各自得
到980nm激光二极管的抽引。第一级是输入级，主要是用来提高增益，而第二级是
输出级，主要是用来提供饱和的输出功率。在两级的中间，则有一个ASE滤波器，
即放大引起的自发性发射滤波器。由两只有波长选择性的耦合器（WSC）分别把两
只抽引管的功率提供给输入级和输出级。这种WSC也称抽引与信号的混合器，它对
抽引功率是通过的，而对信号则是反射的。
后来，为了充分利用波带宽度，希望在1530－1565um或1525－1560um，即常称
的C波带内得到平坦增益，EDFA提供增益的波带宽度增加至35nm，就考虑在EDFA的
两级之间设置增益均衡滤波器GEF。试用各种不同材料工艺制成这种GEF，有的利用
光栅，也有利用波导。滤波器等不同的方法，都取得一定的效果。这样的平坦增益
C波带，宽度35nm，比最初EDFA的宽度20nm确实加宽了。现在已经实际应用于长途
传输线路的32路和64路的WDM系统，每路数字速率10Gbit／s，因而一对光纤传输容
量增加为320Gbit／S和640Gbit／S。这是当今实际应用的长途光纤线路传输容量的
水平，几百Gbit／s。
三、宽带W-EDFA的出现
上面讲到在C波带1530－1565nm，宽度35nm工作的EDFA，主要是在两段掺饵光纤
之间设置增益均衡滤波器（GEF），以致提供平坦增益的波带宽度从20nm加大至35nm。
但近年来数据通信业务量增长很快，密集波分多路（DWDM）技术有明显改进，可以
在更宽的波带内同时传输更多路数的不同波长，相应地希望EDFA能对更宽的波带，
或者宽度大得多的波带提供平坦增益。这就不能单单依靠C波带，也不能由GEF加大
带宽，只能设法利用另一的L波带1565－1615nm，宽度50nm。因此，进一步的办法
是把C波带EDFA和L波带EDFA一同联合使用，两者宽度相加，得到85nm，构成真正的
宽带W－EDFA。（国外期刊上也有人把C波带35nm宽度的EDFA称为‘宽带’ED－FA，
而把C波带与L波带联合使用，成为85nm宽度的EDFA称为‘超宽带’EDFA）。
据报道，最近设计的这种由C波带宽度40.3um和L波带宽度43.5nm联合使用而构
成的W－EDFA，总宽度84.3nm，平坦增益24dB，每路波长的输出功率24.5dBm，噪声
系数6.5dB。这样的W－EDFA采用分开波带的结构，在输入端设置分波器（DMUX），
把输入信号分为C波带和L波带两支，由两支EDFA分别放大。在输出端设置合波器
（MUX），把放大过的C波带和 L波带信号，即两支EDFA的输出信号合并为一个宽波
带的输出信号。C波带EDFA和L波带EDFA各有3级，即各有3部分惨何光纤。这3级分
别称为色散补偿级、增益均衡滤波级和功率级。C波带的第1级和L波带的第1级各有
一段掺饵光纤，各自由980nm激光管抽引，又各有色散补偿光纤光栅。C波带的第2
级和L波带的第2级也是各有一段掺饵光纤，各自由980nm激光管抽引，又各有增益
均衡滤波器。C波带的第3级有一段接何光纤，由980um和1480um抽引。L波带的第3
级则有3段掺饵光纤，分别由980nm和1480nm抽引。这样的C波带EDFA和L波带EDFA调
整到同样的增益，同样的输出功率和同样的噪声系数，只不过总的W－EDFA的波带
是C波带与L波带两者相加或为很宽的波带。1998年上半年第一次公开表演的1Tbit
／s－400km大容量，长距离实验系统，就是DWDM和这种W－EDFA配合使用，估计不
久就可在实际线路上正式运用。
在含有EDFA的通信网中，有时发生快速的功率瞬变，因而有必要对每一EDFA加
装保护措施。一种办法是利用EDFA的抽引控制，即利用低频控制环路，调整EDFA的
每级抽引电流，从而在7－8PS时间内控制EDFA的增益。例如8路WDM系统，有7路突
然不用或加上，势必影响余下一路的信号功率，其变化可能大于6dB，但在有了抽
引控制后，这一路功率变化减小为0.6dB，效果很好。所以，在宽带W－EDFA，每级
抽引控制是必要的。
四、EDFA／W－EDFA的各种应用
EDFA/W-EDFA是对于波长1.55Pm窗口的光信号（WDM／DWDM）起放大作用的放大
器，所以只能对工作于1.55pm波长窗口的线路和通信网提供应用。 （对波长1.31pm
的线路，另有掺错光纤放大器PDFA，但迄今尚未普遍实用）。EDFA的应用主要分为
两类。其一是用于点一点光纤传输线咯，包括大容量。长距离光纤通信系统，沿线
路每隔一定距离设置一个去向、一个来向的EDFA或W－EDFA，由放大器增益抵消其
前面一段线路的光纤损耗，让光信号恢复原来的功率，继续向前传输。这样的EDFA
应用称为线路中间放大器。过去在光纤线路中；司设置再生中继机，把从光纤线路
输入的光信号变换为电信号，经过电的放大、定时、整形，再变为光信号，向光纤
线路输出。现在有了EDFA，线路上的光信号可以直接通过光放大，免除了光／电和
电／光转换，成为全光传输，当然是极大的改进。不过，对于距离很长的线路，中
间放大器EDFA数量过多，它们的噪声累积可能影响最后接收性能，所以在这种情形
有必要采用光的再生措施。在点一点传输线路的应用，EDFA也可以用作发送端的功
率放大器，提高发往光纤线路的光功率。EDFA又可以用作接收端的预放大器，提高
光检测管的接收灵敏度。EDFA的第二人类应用是用于光通信网的内部，光通信网内
部有不少的光上下分波／合波器（OADM）和许多光交及连接器（OXC），EDFA可以
用来抵偿损耗，还有广播系统，EDFA可以用在发送端，提高分播光信号功率，对有
线电视广播（CATV）有利。
一般地说，长途线路的EDFA要求高增益、平增益和低噪声；大容量线路的W－
EDFA要求大带宽和大输出功率；而通信网内部的EDFA则主要要求平增益和大输出功
率。当EDFA在通信网与WDM系统一同使用时，必须具备动态控制措施。这是因为网
络在运用过程中结构有时改变，或某一部分发生故障，经过EDFA的WDM路数可能增
多或减少，以致实际运用的各路功率可能加大或减小。如WDM系统的路数减少，可
能使继续工作的各路大功率而引起非线性。如WDM系统的路数增多，可能使原来工
作各路的接收灵敏度降得过低，从而发生误码。为了保护各路在任何情况下能够安
全工作，必须对EDFA的暂态响应和传输系统的功率边际加以适当的控制和管理。
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