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掺铒光纤放大器（EDFA）在HFC网络中的应用 |
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作者：河南濮阳有线电视台 李军 刘道甫 |
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一、概述
在有线电视系统传输距离不太长时，我们根据同轴电缆的特性，采用分支分配结构就能构成较为经济的电视电缆系统，而在有线电视传输距离较远、范围较大时，我们通常采用光缆、电缆组合搭建HFC网络，在HFC网络的光纤部分我们也可利用 分支器件来搭建成本较低的系统。实际应用中，我们通常采用光分支来实现同一光源带更多的光节点，同时为使光信号传输距离更远，必须对光信号进行放大，以补偿光分支损耗和光纤损耗。解决这一问题的传统方法是采用光电中继器，而这种光/电/光的变换和处理方式已满足不了现代通信传输的要求。掺铒光纤放大器直接对光信号进行放大，无需转换成电信号，并且具有输出功率大、增益高、工作频带宽、与偏振无关、噪声指数低、放大特性与系统比特率、数据格式无关等特点，因此它已成为现代光通信系统的关键器件之一，因而在有线电视HFC系统中格外受到青眯。
二、EDFA的工作原理
当供给激光媒体能量使其处于激励状态时，即会产生光的受激辐射现象，如果能满足使受激辐射持续进行的条件，并用输入光去感应，则能得到比其强的输出光，从而起到放大作用。
EDFA的放大作用是通过1550nm波长的信号光在掺铒光纤中传输与Er3+（铒离子）相互作用产生的。掺铒光纤中的Er3+所处的能量状态是不能连续取值的，它只能处在一系列分立的能量状态上，这些能量状态称为能级，当Er3+在未受激励的情况，处在最低能级即基态E1 
铒的能级图（一）
在掺铒光纤中注入足够强的泵浦光，就可以将大部分处于基态E1离子抽运到高能态E3上，处于E3的Er3+离子又迅速无辐射的转移到亚稳态E2上。Er3+离子在亚稳态上能级寿命较长，由于连续地泵浦，E2粒子数不断增加，从而实现E1与E2粒子数反转，即处于E2的粒子比E1的粒子数多。当信号光子通过掺铒光纤时，与Er3+离子相互作用发生受激辐射效应，E2的Er3+离子跃迁到E1，并产生和入射信号光中的光子完全相同的光子（即频率、相位，传播方向、偏振态相同）从而大大增加信号光子的数量，实现信号放大作用。Er3+离子的亚稳态和基态具有一定的宽度，使EDFA的放大效应具有一定波长范围，其典型值为1530~1570nm。Er3+离子处于E2时，除了发生受激辐射和受激吸收（基态Er3+离子吸收信号光子，跃迁到E2）以外，还要产生自发辐射，自发地从E2跃迁到E1，并发射出1550nm波长的光子，这种光子与信号光不同，它构成EDFA的噪声。如果EDFA的输入光功率较低时，自激辐射较强会产生较大的噪声。
三、EDFA的基本结构
EDFA一般由五个基本部分组成，即掺铒光纤（EDF），泵浦光源（pump-LD）,光无源器件（包括耦合器、光波分复用器、光纤连接器、隔离器），控制单元、监控接口。
结构方框图（二）
光耦合器的作用是将信号光和泵浦光合在一起，一般采用波分复用器实现。光隔离器的作用是抑制光反射，以确保光放大器工作稳定，它必须是插入损耗低，与偏振无关、隔离度优于40dB。光滤波器的作用是降低自发辐射产生的噪声对系统的影响。控制单元对光纤放大器的工作实时控制，并由监控单位提供工作状态信息。
四、EDFA特性及对系统的影响
EDFA的增益与诸多因素有关，如光纤中掺铒Er3+的浓度有关，如图(三) 所示，当Er3+的浓度超过一定值时，增益反而降低，要控制好铒的浓度。
图三 掺铒浓度与增益关系
EDFA的增益跟输入光的程度、泵浦光功率及掺铒光纤长度都有关系，如图（四）表示了EDFA的输入输出饱和特性，表示小信号输入时的增益系数大于大信号输入时的增益系数。当输入光弱时，高能位电子的消耗减少并可从泵激得到充分的供应，因而，感应辐射就能维持达到相当的程度。当输入光变弱时，由于高能位的电子供应不充分，感应辐射光的增加变少，于是就出现饱和。泵浦光功率越大，掺铒光纤越长，3db饱和输出功率也就越大。
采用EDFA后，提高了注入光纤的功率，但当大到一定数值时，将产生光纤非线性效应和光泄漏效应，这影响了系统的传输距离和传输质量，另外色散问题变成了限制系统的突出问题，可以选用G.653光纤（色散位移光纤DSF）或非零色散光纤（NZDF）来解决这一问题。
五、EDFA的应用
在CATV系统中，EDFA应用形式很灵活，EDFA用在前端光发射机输出端，提高发送功率，延长传输距离；用在光纤传输链路中，补偿光能量的损失，可增加传输距离；用在光接收机前，对信号进行预放，从而大大提高光接收机的接收灵敏度。
图五是濮阳市有线广播电视台在市县连网中应用EDFA的实例。
图五 濮阳市县联网拓扑图
由于范县、台前距离总前台分别为55km、100km，链路损耗太大，必须在范县新区进行中继，因此，系统采用功率放大和在线放大两个EDFA补偿光分支损耗和光链路损耗。系统指标符合国家标准C/N>50dB CSO>65dB OTB>65dB。该系统的成功建设，使网络规模覆盖范围大大增加，方便了各项业务的开展，为本台也带来了丰厚的回报。本系统基本光路基本参数见表（一）表（一）本系统光路基本参数
 光发射机输出功率8.96dbm，前端EDFA输出功率19.31dbm，中继EDFA输出功率13.8dbm。
图六是濮阳有线广播电视台在市区CATV网中应用EDFA的计划。
濮阳有线台拥有十万用户，每个光接点带500户，需要200个光接收机，若1310nmCATV发射机，输出光功率为16mW（价格为15万元），则需要14台发射机，发射设备总价格210万元；而用1550nmCATV系统（如图六）需要：1550nmCATV发射机，发射功率4mW（价格为30万元）一台，输出光功率为50mW的EDFA（价格为15万/台），用五台EDFA，则发射设备总价格为105万元，两方案相差1倍，1550nm发射系统的成本仅为1310nm发射系统的50%。由于光缆在1550nm波长的衰耗只有1310nm波长的57%，因此在发射具有相同的发射总功率的情况下，1550nm波长的发射设备比1310nm的设备能传输更长的距离，带更多的光接收机。在大中型CATV网中，应用的EDFA的1550nm波长的CATV系统具有明显的性能价格比优势，是目前CATV发展的主流。 (end)
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(5/17/2008) |
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