什么是掺铒光纤放大器（EDFA）？

掺铒光纤放大器（EDFA）是一种放大微弱的输入光信号而不将其转换为电信号的装置。光放大器是一种放大通过光纤电缆的光信号强度而不将其转换为电信号的装置。EDFA是在20世纪80年代中期由英国南安普顿大学的David Payne博士和他的团队发明的。这一发现是光通信领域的一个重大突破，为开发长距离光通信系统铺平了道路，该系统可以在不需要电子再生器的情况下将信号传输到数千公里的距离。掺铒光纤放大器自20世纪90年代初开始投入商业使用。今天，EDFA被广泛用于光纤通信系统，用于放大1550纳米波长范围内的光信号，并在这个范围内工作得最好，增益高达30dB。它们与偏振无关，具有高增益和低噪声。

EDFA的工作原理

EDFA是常用的光纤放大器，它们的工作原理是通过激发发射的过程来放大光。EDFA的主要组成部分是掺铒光纤，它是一种由二氧化硅制成的光纤，并掺入了少量的稀土元素铒离子（Er3+）。这种装置利用铒离子的特性来放大通过光缆传输的光信号，使数据能够以高速和低损耗的方式长距离传输。铒离子在制造过程中被添加到光纤的核心中。

EDFAs的基本工作原理是基于光与铒离子的相互作用。两个激光二极管（LD）为波长为980纳米或1480纳米的掺铒光纤提供泵浦功率。二色性泵浦耦合器用于将光耦合到掺铒光纤中。当光通过光纤时，它激发了铒原子，使它们在放大原始信号后发出波长为1550纳米的光。释放的额外光子与原始信号的相位和方向相同。两个辫子式法拉第隔离器被用来大力降低该装置对激光源的反向反射的敏感性。。

当光信号通过光纤时，这种激发发射的过程将其放大。然后，铒离子被耦合到光纤中的一个单独的激光器 "泵 "回其原始能量水平。

当EDFA在980纳米处被泵浦时，处于基态的Er3+离子吸收能量并被激发到泵浦水平。由于泵浦级的寿命较短，被激发的Er离子通过释放声子立即被松弛到可转移状态。这个松弛过程在地层和可转移状态之间产生了一个群体反转，放大作用在1550纳米左右发生。另一个潜在的泵浦波长是1480纳米；当足够的泵浦功率应用于光纤时，放大发生在1550纳米左右，并且在基态和可转移态之间形成了群体反转。

铒被选为光纤放大器的掺杂剂，因为它具有独特的特性和比其他类型的光放大器更多的优势：

高放大效率：EDFAs在1550nm波长区域具有很高的放大效率，这在长距离通信系统中得到了应用。这是因为铒离子在这一范围内可以有效地吸收和放大信号，因为它们在这一波长的吸收截面比较大。

低噪音：由于EDFA具有低噪声系数，它们在放大信号时噪声很小。这在通信系统中很重要，因为噪声会降低信号的质量。

稳定性：铒离子在玻璃中相对稳定，因此EDFA具有较长的使用寿命，可以在较长的时间内保持稳定的放大效果。

与光纤的兼容性：铒离子可以很容易地集成到光纤放大器中，因为它们与通信系统中使用的硅基光纤兼容。

成本效益高：与其他可用作光纤放大器掺杂剂的稀土元素（如钕或镱）相比，铒相对丰富且具有成本效益。

EDFA的基本配置

EDFA配置的基本组成部分是一个EDF、一个泵浦激光器和一个组件，通常称为WDM，用于混合信号和泵浦波长，使它们能够同时通过EDF传播。EDFA的构造可以使泵浦能量在三个方向之一传播：前向泵浦、后向泵浦或两个方向一起传播。在正向泵浦中，泵浦能量的传播方向与信号的传播方向相同。而在后向泵送中，泵的能量在信号的相反方向传播。

EDFA的最大可能增益的特点是：

Pp = 输入功率

Ps = 输出功率

λs = 放大信号的波长

λp = 泵送信号的波长

EDFA的类型

EDFA放大器有三种不同的配置：

增压放大器： 这种放大器工作在链路的传输端，置于发射器之后，将离开发射器的信号通道放大到发射到光纤链路所需的水平。与其他放大器相比，这种增强型放大器具有高输入功率、高输出功率和中等光增益。

线内放大器： 它被放置在传输线的中间点，以克服光纤传输和其他分配损失。线内EDFA是为了在两个网络节点之间跨越主光链路进行光放大。它具有中等至低的输入功率，高输出功率，高光增益和低噪声系数。

前置放大器： 这个EDFA放大器工作在末端，就在接收器之前，以确保接收器得到足够的光功率。它被用来补偿光接收器附近的损失。这个放大器具有相对较低的输入功率，中等输出功率和中等增益。

EDFA的局限性

然而，EDFA确实有一些限制。

最重要的限制是无法放大可见范围内的信号。这是因为铒在可见光波段没有吸收。

此外，EDFA有一个有限的增益带宽，这意味着它们不能在一个广泛的波长范围内放大信号。这一限制可以通过串联使用多个EDFA或将其与其他放大技术（如拉曼放大）相结合来克服。

需要泵浦激光器。

需要使用增益均衡器进行多级放大。

很难与其他元件集成。

丢弃通道会引起存活通道的错误。

EDFA的应用

EDFA在光纤通信的几个领域都有应用，包括长距离通信、城域网和海底通信系统。它们还被用于光纤传感器和光信号处理。

长途通信系统，在长距离的光通信系统中提升光信号，如海底通信电缆、城域网（MAN）和广域网（WAN）。

光纤到户（FTTH）网络，以提高从中央办公室到客户家中的光信号。这使得高速互联网接入、数字电视和电话服务可以通过一条光缆实现。

密集波分复用（DWDM）系统放大在同一光缆上通过不同波长传输的多个信号。这使得更多的数据可以在一条光缆上传输。

光通信系统的研究和开发，如用于测试新型的光纤和开发新的传输协议。

医学应用，如在光学相干断层扫描（OCT）成像中，用于创建身体内组织的高清晰度图像。

从EDFA到BDFA：应对光纤通信波段扩展的挑战

文 / 杨晶，郑保罗，王璞北京工业大学材料与制造学部激光工程研究院

光纤通信是以光为载体，光纤为传输介质的一种通信方式，具有传输容量大、中继距离长、抗电磁干扰能力强和保密性能好等优点，是现代通信最主要的方式之一。在光纤通信系统中，激光信号会因为光纤的吸收和散射造成功率衰减、振幅降低的问题，从而导致通信距离严重缩短，甚至会出现波形失真，造成传输误码。传统的中继放大器采用光 - 电 - 光的转换方式来对信号进行放大，这不仅需要复杂多元的器件，而且增加了能耗，不利于低成本光纤通信网络的建设。

光纤放大器的出现避免了这一繁琐的过程，它能够直接对光信号进行放大补偿，大大提高了系统的传输速度。除此以外，光纤放大器结构简单、体积小巧、稳定性高、价格低廉，对光纤通信的发展具有里程碑式的意义。掺铒光纤放大器（EDFA）作为光纤放大器的典型代表，具有高增益、低噪声、大带宽、高抽运效率和工作性能稳定等优点，被广泛应用于光纤通信系统，是现代通信行业最伟大的发明之一。

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EDFA 简介

掺铒光纤放大器中使用的增益材料铒元素，符号为Er，原子序数68，在化学元素周期表中位于第6周期、镧系（IIIB族）11号，电子构型为1s22s2p63s2p6d104s2p6d10f125s2p66s2。Er的发光来源于4f电子的跃迁，在近红外波段的发光峰位于1550 nm，光谱性能优异，常用于制备光学增益材料。

EDFA的基本结构

EDFA主要由掺铒石英光纤、抽运源、光波分复用器、光隔离器和光滤波器等组成，结构如图1所示。信号光和抽运光通过光波分复用器耦合到掺铒石英光纤中，并对信号光进行放大。为了防止光反馈产生噪声，分别在EDFA的输入和输出端连接光隔离器，使光信号单向传输。光滤波器可以对波长进行选择，有效滤除噪声，以确保放大器工作稳定。

图1 EDFA的结构

EDFA的工作原理

掺铒石英光纤是EDFA的核心，Er3+的能级结构如图2所示。处于基态E1的粒子吸收了抽运光能量后，向高能级E3跃迁，随即以非辐射跃迁的形式快速弛豫到亚稳态 E2上。粒子在亚稳态能级上有较长的寿命，在持续的抽运下亚稳态的粒子数不断增加，从而实现了粒子数反转。当波长为1550 nm左右的信号光通过光纤时，亚稳态的粒子以受激辐射的形式跃迁到基态，并释放出与信号光子完全相同的光子，从而增加信号光子数量以实现信号光的放大。

图2 Er3+能级及EDFA 工作原理示意图

EDFA的应用

EDFA的放大波段位于1550 nm附近，与石英光纤的低损耗窗口一致，拥有极低的传输损耗，且放大性能优异，可用于对光信号的前置、中继和后置放大。

（1）在密集波分复用系统中的应用

密集波分复用（DWDM）是指在一根光纤中间，能够同时传输多个波长间隔很短信号的技术，其原理如图3所示。在发射端，合波器将多种不同波长的光载波汇合在一起，耦合到同一根光纤中进行传输；在接收端，经分波器将各种波长的光载波分离，各个单波送到相应的接收机上，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。

图3 DWDM的工作原理

结合EDFA技术，可以在一根光纤中同时传输几十甚至上百路光信号波，同时实现对多路信号的放大传输，充分利用了光纤资源，极大地降低了线路建设成本。

（2）在有线电视网络中的应用

图4是有线电视网络（CATV）系统的示意图。光发射机发射的光信号经过EDFA放大后由光分路器分配到各支路，一部分信号直接传输到光接收机，另一部分则通过EDFA放大后继续向下一个站点传输。

图4 CATV系统示意图

EDFA 在CATV系统中发挥着重要作用，它可以在长距离传输CATV信号时显著减小光发射机的数量。在地级市和县级市的联网中，只需要一个总前端就能实现信号的传输，在此基础上采用DWDM技术还能有效提升系统的容量，大大节约了CATV网络的成本。

EDFA的发展史及现状

1985 年，英国南汉普顿大学成功研制出了EDFA。经过各国科学家多年的努力，EDFA已成为当前光纤通信系统中应用最广的光放大器件。国外对于EDFA研究较早，在EDFA的增益平坦控制、远距离传输以及C+L波段放大等技术方面遥遥领先。美国Corning公司是全球最大的光纤生产商，他们采用外部气相沉积法（OVD）制备的ER 1600L3特种光纤具有优良的掺杂均匀性，在1565 nm-1610 nm增益十分平坦；日本NEC公司研发了一种多级、线性和非线性星座优化算法，使用C+L波段EDFA在单根光纤上首次实现了超过11000 km的50.9 Tbps传输容量，接近香农极限；美国IPG公司的EAR系列放大器支持DWDM和单通道放大，输出功率高达33 dBm，在长距离传输中也能获得较高的增益。

我国在20世纪90年代才开始研究EDFA，虽然起步较晚，但发展迅猛。以武汉邮电科学研究院为代表的研究单位已经研发出小型化、低成本、实用化的EDFA模块，完成了多种类型产品的定型，并自主研发生产全新的EDFA系列产品。国内的头部企业，如光迅、飞通、华为、中兴、昂纳、霍普等，都已具备自主研发及生产 EDFA的能力，技术上正不断追赶国际水平。

EDFA面临的发展困境及解决方案

5G时代的来临使得人类社会对于信息传输速度和容量需求急速上升，如何实现超大容量信息传输，成了光纤通信系统的头号难题。根据光纤传输的原理，提高系统的传输容量有三个最直接有效的方法：

（1）提高光纤单信道的传输速率。 单个波长速率的提升可以大大提高整个系统的通信容量，但香农公式限制了单一信号传输容量的理论上限，而且还存在着“电子瓶颈”效应问题，因此很难实现突破。

（2） 增加信号传输的信道数量。 在DWMD系统中，国际电信联盟（ITU）的建议信道间隔为0.8 nm，大约可以容纳40路光信号同时传播。进一步减小信道的间隔虽然可以成倍地增加信道数量，但也意味着需要对激光器的输出波长进行十分精确的调控，这对于激光器和滤波器都提出了更高的要求，而且还可能会带来四波混频（FWM）等非线性效应，这也严重阻碍了通信容量的增加。

（3）开发新的通信波段。 Er3+的发光取决于4f电子的跃迁，由于受到5s2和 5p6的电子的屏蔽，导致其受周围环境变化的影响非常小，发光峰位稳定且宽带较窄，因此EDFA只能支持1535 nm-1565 nm光信号的放大。但从图5中可以看到，1300 nm-1700 nm的波段理论上损耗都很低，导致石英光纤的超低损耗窗口很大一部分没有得到有效的利用。

图5 石英光纤的损耗谱和未使用的放大波段[1]

EDFA的发展方向

EDFA是增益特性最好的光放大器，但较窄的放大带宽严重限制了它的进一步应用。拉曼光纤放大器（RFA）具有很宽的增益带宽和较小的噪声系数，但是增益效果却不如EDFA，因而未能大规模商用。近年来，人们发现如果把RFA和EDFA级联起来组成混合拉曼掺铒光纤放大器，就可以融合它们各自的优点，获得平坦的宽带增益谱，既能提高系统的带宽，又改善了信噪比，恰好适应现代系统发展的要求。此外，为了更好地进行商业应用，围绕着EDFA的小型智能化、增益平坦化和增益的自动控制等技术也在不断的研究中。

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新型掺铋（Bi）增益材料

从长远角度看，尽可能地拓宽数据传输的带宽，是缓解数据传输压力问题的根本途径。这也意味着研制近红外发光材料，特别是能覆盖第二通信窗口（~1310 nm）的超宽带近红外发光光纤材料，成为光放大器进一步发展的关键。

Bi宽带荧光的发现

1999年，日本大阪大学K. Murata等发现掺Bi石英玻璃在500 nm激发下能够发射出一个中心波长1150 nm、半高宽150 nm的宽带近红外发光，如图6所示。其发光范围远远大于稀土离子，能够有效地覆盖石英光纤低损耗窗口，因此他们预测该材料可用于实现近红外波段激光输出和放大。这一发现迅速吸引了研究人员的目光，随即国内外越来越多的单位开始投入到这一领域的探索中。

图6 掺Bi石英玻璃的荧光光谱[2]

掺Bi光纤的发光特性

Bi是83号元素，在化学元素周期表中位于第六周期VA族，它的电子构型为1s22s2p63s2p6d104s2p6d10f145s2p6d106s2p3，具有Bi5+、Bi3+、Bi2+、Bi+、Bi0等多种价态。Bi的近红外发光中心极不稳定，容易受到基质、组分和制备工艺的影响，因此目前还没有找到描述Bi近红外发光的通用规律。

为了增强掺Bi光纤的近红外发光及拓宽其发射谱，研究者们尝试在石英基质中掺杂磷、铝、锗等元素来调控掺Bi光纤的组分，使其近红外发光覆盖900 nm-1800 nm波段。同时，他们不断改进光纤的制备工艺，采用改进的化学气相沉积法（MCVD）制备出了低损耗的掺Bi光纤，证明了其能用于光纤通信的可能性。图7和图8分别给出了不同组分的掺Bi石英光纤的发光波段和损耗谱。

图7 不同组分掺Bi石英光纤的发射光谱[3]

图8 不同组分掺Bi石英光纤的损耗谱[3]

掺Bi光纤的放大性能

2005年，俄罗斯科学院V.V.Dvoyrin等利用MCVD做出第一根掺Bi光纤，并进行了放大测试。随后，关于掺Bi光纤放大器（BDFA）的研究捷报频传，目前已经在多个波段都实现了性能优异的光信号放大。2019年，英国南汉普顿大学N.K.Thipparapu等发现双通道结构能显著提升增益，在1300 nm-1360 nm波段实现了最高39 dB的增益，是当前获得的最好成绩，增益性能达到了商用的EDFA水平，在光纤通信领域展示了巨大的应用潜力。

与此同时，各种高性能的掺Bi光纤激光器层出不穷，在BDFA研制中可以作为光信号源。它的出现满足了BDFA对不同波长的光信号的需求，为光纤通信系统新波段的开发提供了优质的信号光源。图9展示了目前掺Bi光纤激光器的输出功率、峰位及对应的抽运波长。

图9 掺Bi光纤激光器的输出功率、峰位及对应的抽运波长[3]

BDFA的放大波段主要集中于O波段，靠近石英光纤低损耗的通信窗口，且增益带宽较宽，也具有与EDFA类似的高增益、低噪声的放大特性，满足了作为光纤放大器的基本条件。此外，通过改变掺杂组分，BDFA可以将放大波段拓展至更远的波段，拥有EDFA无法比拟的巨大优势，将来有望成为新一代光纤通信中不可或缺的光器件。

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总结

光放大技术是光纤通信中最为关键的支撑技术之一，以EDFA为主流的光纤放大器的出现极大地推动了光纤通信的发展。当今社会对通信的要求不断提高，EDFA也需要不断提升各类性能，提高自身的竞争力，更好地迎接未来的挑战。

为了从根本上解决制约通信发展的问题，人们开始把目光聚焦于通信波段的拓宽上。Bi的超宽带发光为开发新的通信波段带来了可能，是解决高速通信根本问题最有潜力的增益介质。经过十几年的发展，掺Bi光纤材料已经在激光器和放大器上取得了重大突破，特别是BDFA的放大性能已经接近目前商用EDFA的水平，不远的将来必定能在光纤通信领域有一番作为。

参考文献

1. Dianov E. M. Amplification in Extended Transmission Bands Using Bismuth-Doped Optical Fibers[J]. Lightwave Technology，2013，31(4)，681–688.

2. Murata K，Fujimoto Y，Kanabe T. Bi-Doped SiO2 as a New Laser Material for an Intense Laser[J]. Fusion Engineering & Design，1999，44(1): 437-439.

3. Dianov E，Semjonov S，Bufetov I. New generation of optical fibres[J]. Quantum Electronics，2016，46(1): 1-10.

作者简介

杨晶 ，北京工业大学硕士研究生，主要从事掺铋玻璃光纤制备、掺铒光纤放大器方向的研究。

郑保罗 ，北京工业大学博士研究生，主要从事稀土掺杂预制棒、光纤制备和光纤激光器方向的研究。

王璞 ，北京工业大学教授、博导，主要从事高功率超快激光技术、中红外光纤激光技术以及特种光纤技术方向的研究。

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