一、前言 

　　随着光纤通信系统传输距离的延伸和全光通信网络的兴起，光纤损耗成了限制光信号传输的重要因素之一。90年代初掺铒光纤放大器的出现及其近几年的飞速发展，已给光纤通信技术带来了一场新的革命；掺铒光纤放大器在1550nm窗口既可以将数字信号，也可以将模拟信号进行直接全光放大，并对码型和速率都是透明的， 而且由于其本身具有高增益、高输出功率、宽带宽、低噪声、对偏振无关等优点，已成为新一代长距离、大容量、高速率光纤通信系统中不可缺少的光纤器件。根据光纤通信系统的不同应用，可将EDFA作为功率放大器（BA）、线路放大器（LA）和前置放大器（PA），还可作为光功率补偿器广泛应用于光纤CATV和光纤用户接入网络中。 

二、掺铒光纤放大器的原理 

　　EDFA的放大作用是通过1550nm波段的信号光在掺铒光纤中传输与Ｅr3+离子相互作用的原理产生的；其Ｅr3+与光放大作用的能级图如图１所示，由图可知，当在掺铒光纤中注入足够的泵浦光时，就可以将大部分处于基态的Ｅr3+离子抽运到激发态上，处于激发态的Ｅr3+又迅速无辐射地转移到亚稳态上，由于Ｅr3+在亚稳态上的平均寿命较长（约为１０ms），因而，很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转；当信号光子通过掺铒光纤，与Ｅr3+相互作用发生受激辐射效应，产生大量与自身完全相同的光子，使信号光子迅速增多，产生信号放大。 

三、掺铒光纤放大器的设计 

　　根据DWDM 光纤传输系统对掺铒光纤放大器的设计技术要求，我们采用了980nmLD泵浦对 EDFA进行了设计，其具体设计原理框图如图2所示，由图2可知，增益平坦EDFA模块主要由EDFA光模块和驱动控制器电模块构成；实现了光增益平坦、自动增益锁定等功能，完全满足了DWDM光纤传输系统对掺铒光纤放大器的技术要求。 

3.1掺铒光纤放大器光模块的设计 

　　掺铒光纤放大器光模块主要由掺铒光纤（EDF）、泵浦激光器（LD）、光波分复用器（WDM）、光隔离器（Isolator）和光耦合器（Tap Coupler）等几部分构成，如图2所示。图中输入光信号和980nm LD泵浦光经波分复用器（WDM）合波后进入掺铒光纤， EDF 在泵浦光的激励下具有放大作用，将信号光进行放大；连接在EDF两端的光隔离器是为了抑制光的来回反射和激光器振荡，保证放大器的工作稳定。 

3.1.1增益平坦度的最佳优化 

　　根据给定的掺铒光纤参数，为了提高EDFA的增益平坦度，泵浦增益存在着一个最佳优化；而泵浦增益不仅随输入功率而变，而且还随信号光波长而变，这主要决定于两个因素： 

　　(1)EDF的受激吸收和受激辐射截面的线型； 

　　(2) 沿EDF长度方向上非均匀粒子数反转引起的增益系数的变化。因此，除了与EDF的材料有关外，EDFA的增益主要与EDF长度、信号光和泵浦光功率有关，所以在一定的EDF条件下，我们通过调整EDF的长度、信号光和泵浦光的功率及EDFA光模块的结构设计优化，调整了EDFA的增益谱线，实现了EDFA在1545~1561nm波段范围内的增益平坦，其平坦度<1.0dB， 噪声指标< 4.0dB，如图3所示，满足了DWDM光纤传输系统对EDFA的应用。 

3.1.2 掺铒光纤与常规光纤的接续 

　　掺铒光纤放大器采用了掺铒光纤、康宁Flexcore 1060和康宁SMF-28三种单模光纤，其模场直径都不一样，一般康宁SMF-28单模光纤的模场直径为8～10μm ，而掺铒光纤中大多数是小芯径，模场直径只有3～4μm,且折射率高；康宁Flexcore 1060 单模光纤的模场直径为5.9μm左右，所以如果采用传统的单模熔接方法，由于模场直径失配，会造成熔接损耗偏大（>0.2dB），但为了降低熔接损耗，我们采用了爱立信的FSU-975型掺铒光纤自动熔接机，通过优化其熔接电流和熔接时间等参数，实现了掺铒光纤分别与SMF-28和康宁Flexcore 1060光纤的熔接损耗都小于0.1dB，保证了EDFA的优良性能。 

3.2 LD泵浦驱动控制器的设计 

　　作为EDFA泵浦需要有较大的输出光功率和一定的光稳定度。为此，我们对LD泵浦采用了恒流驱动和自动温度控制方法，并利用8位CPU微处理器对LD的工作状态参量如输入/输出光功率、LD驱动电流和温控电流、告警信息及与外部远端通信等实行了自动控制，保证了EDFA泵浦驱动控制器工作稳定可靠，实现了适用于DWDM传输系统要求的EDFA自动增益锁定功能。其结构原理图如图4所示。 

四、掺铒光纤放大器的性能测试 

　　根据以上的方案设计，我们开发出了适合于DWDM光传输系统的EDFA产品，并采用HP公司EDFA测试系统的Noise Gain Profile法对EDFA进行了性能测试，其测试原理如图5所示： EDFA模块的主要性能测试指标为： 工作波长：1545~1561nm 输入光功率：-8~0dBm 光增益@ 0dBm输入：17dB 输出光功率@0dBm输入：17dBm 增益平坦度：0.8 dB 噪声指数：3.6 dB 五、结束语 掺铒光纤放大器由于其独特的性能，已广泛应用于高速SDH、DWDM和全光网络系统中，成为新一代光纤通信领域中不可缺少的关键器件。我们FibX(Shenzhen)Ltd.在JDS Uniphase和E-TEK强有力的技术支持下，成功地开发了具有恒定功率和自动温度控制、自动增益锁定功能及RS232通信接口等特性的增益平坦掺铒光纤放大器模块，以满足迅速发展的国内外光纤通信市场。

  蒋芬良 黎中华 陈真 张佳欣 洪元浩 
     光炬科技（深圳）有限公司