1、 掺铒光纤放大器（EDFA）在 HFC 网络中的应用 河南省濮阳市广电信息网络中心高级工程师 李 军 河南省濮阳市广电信息网络中心工程师 刘道甫 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
2、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
3、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
4、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15301570nm。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 E
5、DFA 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
6、 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。 图四 输入输出饱和特性 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
7、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
8、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/N50dB CSO65dB OTB65dB。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
9、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1310 nm 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。
