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3分钟了解掺铒光纤放大器

光信号在光纤中传输时，随着距离增加，光信号会逐渐衰减，甚至导致通信中断......直到光放大器的出现，它就像一座“加油站”，给光信号充能，让其能够顺利带着数据传输到目的地。本期将为大家介绍一种光通信中常见的光放大器——掺铒光纤放大器（EDFA）。

一、背景及原理

光纤通信的“能量加油站”

背景

光放大器能够避免传统中继器频繁的光-电-光转换，将衰减的信号光直接放大，是现代光纤通信系统中必不可少的器件。这技术直接推动了密集波分复用（DWDM）系统的普及，让一根光纤同时传输几十甚至上百个波长信号，堪称光通信领域的“工业革命”。

工作原理

掺铒光纤放大器顾名思义：在石英光纤中掺入稀土元素铒（Er），当输入光信号通过掺铒光纤时，三价铒离子（Er³⁺）会吸收泵浦光的能量，跃迁到高能级。激发态的粒子数产生反转,在输入信号光的诱导下,激发态的稀土离子发生受激辐射,释放与信号光相同频率的光子,从而实现光的放大。例如，在长距离光纤通信线路中，每间隔一定距离（如80-100km）设置一个EDFA，可以有效补偿光纤传输过程中的光衰减，提高光纤通信的质量与距离。

二、结构及性能

EDFA好用的关键

组成EDFA的元器件一般有光耦合器（常采用波分复用器WDM）光隔离器、掺铒光纤、滤波器、泵浦光源等。EDFA的结构原理如图1所示。
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图1 掺铒光纤放大器结构原理图（图源：电工文库）

其中光耦合器巧妙融合输入光和泵浦光，确保信号精确注入掺铒光纤；光隔离器的作用是抑制光路中无用的光反射,以防形成不必要的干扰信号，确保信号的单向传输；光滤波器滤除无用噪声，提升信噪比，确保信息传输清晰度。
泵浦光常采用高强度的980 nm半导体激光器作为光源，为铒离子提供能量跃迁所需的能量。其布局灵活，根据适用场景不同见表1，常见三种模式如图2所示：
表1 不同泵浦光输入方式的原理及适用场景
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图2 泵浦光的三种注入模式

关键参数

EDFA的性能优劣主要由放大器的增益带宽、噪声系数、饱和输出功率、增益平坦度等参数决定。
（1）增益
增益特性决定了EDFA的在工程应用中的性能好坏，通常用分贝（dB）为单位来表示，定义为：
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式中，增益G被用于衡量放大器对于光波信号的放大能力；Pout表示为放大器的输出信号功率；Pin表示的是信号的输入功率。增益通常和在光纤中的掺铒浓度、泵浦光功率和光纤的长度有关。
（2）噪声系数
噪声来源主要是指放大过程中亚稳态粒子跃迁到基态过程中，产生的光子形成放大的自发辐射（ASE），除此之外还有信号光的散粒噪声也是主要的噪声来源‌。噪声系数（NF）与粒子反转差有关，因而充分泵浦有利于减小噪声，理想的EDFA噪声系数接近3 dB，表示放大过程中的噪声干扰被控制在最低水平。
（3）饱和输出功率
当输入功率逐渐增加，到达一定程度后，就会出现功率增益饱和的现象。从理论上讲，增益逐渐下降时并且与峰值状态相差大概3 dB左右的输入功率就是所谓饱和输出功率。通常来看，饱和输出功率在很大程度上反映一个EDFA系统的优劣。其值越大，性能越佳，反之越差。

三、应用探究

解锁EDFA的工作场景

EDFA的主要工作波长覆盖在1530-1565 nm区间，它能够在这个波长范围内实现最高效的信号放大。结合光纤在1310nm 和1550nm这两个长波长通信窗口中能实现低损耗，故EDFA常用于1550 nm通信窗口。
EDFA通常应用于DWDM系统中，根据放大器在系统中的位置及作用，可以分成线路放大器、功率放大器、前置放大器三种类型。

功率放大器（Booster-Amplifier）

位于发射端，处于合波器之后，用于对合波以后的多个波长信号进行功率提升，确保信号在开始传输前拥有足够的能量开始“冲刺”。由于合波后的信号功率一般都比较大，所以，对功率放大器的噪声指数、增益要求并不是很高，但要求放大后，有比较大的输出功率。原理如图3所示：
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图3 功率放大器工作原理图（图源：骏龙科技）

线路放大器（Line-Amplifier）

处于功率放大器之后，像高速公路上的“加油站”，用于周期性地补偿线路传输损耗，一般要求比较小的NF，较大的输出光功率，如图4所示：
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图4 线路放大器工作原理图（图源：骏龙科技）

前置放大器（Pre-Amplifier）

位于分波器之前，线路放大器之后，在接收端增强微弱信号，提高灵敏度，延长传输距离。在光信噪比（OSNR）满足要求的情况下，较大的输入功率可以压制接收机本身的噪声，提高接收灵敏度，所以对前置放大器的输出功率没有太大的要求，但是要求NF很小，如图5所示：
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图5 前置放大器工作原理图（图源：骏龙科技）

四、产业化升级

EDFA的国产突围

国外技术路线

自1985年英国南安普顿大学首先研制出掺铒光纤放大器，1990年，比瑞利（Pirelli）公司研制出第一台商用EDFA，自此EDFA完成从实验室到市场化应用的蝶变。后续也有更多企业都在EDFA产业化升级的进程中起到关键作用。
美国康宁（Corning）：作为世界上最大的光纤制造商，凭借其在光纤产品方面的优势，迅速将 EDFA 应用于自身的光通信产品中。其研发的 Er 1600 L3 特种光纤，采用外部气相沉积（OVD）工艺制备，在1565 nm-1610 nm处具有优异的掺杂均匀性和非常平坦的增益，为 EDFA 在该波段的高效放大提供了优质的光纤介质，推动了 EDFA 在长距离、大容量光通信传输中的应用；
日本电气（NEC）：开发的多级、线性和非线性星座优化算法，首次利用C+L波段 EDFA 在单根光纤上实现了11000km、50.9 Tbps 的传输容量，接近香农极限。也表明其较早地将 EDFA 用于突破光通信系统传输容量和距离的限制，在推动光通信技术发展方面发挥重要作用。
IPG的EAR系列放大器支持DWDM和单通道放大，输出功率高达33 dBm，在长距离传输中具有高增益特性。这也是较早地将 EDFA 应用于工业激光相关产品中，满足了在工业应用中对光信号放大的需求。

国产化进程

我国从20世纪90年代开始研究EDFA，虽然起步较晚，但发展迅速，主要有以下三个关键节点：
（1）起步与探索阶段（20 世纪 90 年代- 21世纪初）：这一时期国内开始关注和引进 EDFA 技术，进行基础理论研究和实验探索。例如，部分高校和科研院所在实验室中开展了关于掺铒光纤特性、泵浦技术等方面的研究工作。
（2）国产化攻坚阶段（2010 - 2020年初）：随着光通信产业的快速发展，对 EDFA 的需求日益增长，核心器件国产化的重要性凸显。国内企业和科研机构加大研发投入，努力突破关键技术，实现 EDFA 核心部件的自主研发和生产。
（3）技术突破与应用拓展阶段（2020年-至今）：2022年，中国信科联合中国联通启动"自主可控EDFA攻坚计划"，通过自主研发泵浦激光器和掺铒光纤，完成自主可控EDFA放大模块试制，成功实现EDFA关键器件国产化，成果如图6所示，2024年工程化验证完成，实现年产万套的产能，大幅降低光网络建设成本。
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图6 中国信科联合中国联通研制的国产EDFA样机（图源：中国信息通信科技集团有限公司）
清华大学、中国信科、光迅科技、华为、长飞光纤、烽火通信、三石园科技、拜安实业等机构在EDFA国产化进程中实力不菲。

技术革新

在全球数据流量激增的背景下，光通信系统面临关键瓶颈。EDFA工作带宽仅限于C波段（约35 nm带宽），这限制了光网络的扩展能力。
当前，科研人员正研发双带光纤放大器（DBFA）和超宽带放大器（UWOA），试图将增益带宽扩展到整个波分复用（WDM）频段。在近期，瑞士洛桑联邦理工学院与IBM欧洲研究院联合研发团队研制出一款基于光子芯片的行波参量放大器，通过紧凑结构实现了超带宽信号放大，带宽达140 nm（传统EDFA的3倍），体积缩小至厘米级，为数据中心和AI计算提供超高速支持。
这些"超级放大器"将支持单纤百波以上的传输，为6G时代的全息通信、智能工厂等应用奠定基础。 

结语

尽管随着数据的爆炸式增长和科学技术不断进步，未来或将涌现性能更为强大的光放大器，但EDFA从实验室的冷门技术到全球通信网络的“隐形支柱”，为信息时代的传输法则做出了不可磨灭的贡献。

参考资料

1.王淼,殷佳帆,陈越轩,等.EDFA的原理分析及应用探究[J].数字通信世界,2024,(05):75-76+83.

2.掺铒光纤放大器（EDFA）的原理及应用
https://www.eefocus.com/article/1702644.html
3.于淼.大容量掺铒光纤放大器的研究[D].厦门理工学院,2023.DOI:10.27866/d.cnki.gxlxy.2023.000133.
4.你了解EDFA的历史和现状吗？
https://www.daytaifiberoptic.com/news/do-you-know-the-history-and-current-situation-53665373.html

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