無線光通信是以激光作為信息載體，是一種不需要任何有線信道作為傳輸媒介的通信方式。與微波通信相比，無線光通信所使用的激光頻率高，方向性強(保密性好)，可用的頻譜寬，無需申請頻率使用許可；與光纖通信相比，無線光通信造價低，施工簡便、迅速。它結合了光纖通信和微波通信的優勢，已成為一種新興的寬帶無線接人方式，受到了人們的廣泛關注。

但是，惡劣的天氣情況，會對無線光通信系統的傳播信號產生衰耗作用。空氣中的散射粒子，會使光線在空間、時間和角度上產生不同程度的偏差。大氣中的粒子還可能吸收激光的能量，使信號的功率衰減，在無線光通信系統中光纖通信系統低損耗的傳播路徑已不復存在。大氣環境多變的客觀性無法改變，要獲得更好更快的傳輸效果，對在大氣信道傳輸的光信號就提出了更高的要求，一般地，采用大功率的光信號可以得到更好的傳輸效果。隨著光纖放大器(edfa)的迅速發展，穩定可靠的大功率光源將在各種應用中滿足無線光通信的要求。

1、edfa的原理及結構

摻鉺光纖放大器(edfa)具有增益高、噪聲低、頻帶寬、輸出功率高、連接損耗低和偏振不敏感等優點，直接對光信號進行放大，無需轉換成電信號，能夠保證光信號在最小失真情況下得到穩定的功率放大。

1.1、edfa的原理

在摻鉺光纖中注入足夠強的泵浦光，就可以將大部分處于基態的er3+離子抽運到激發態，處于激發態的er3+離子又迅速無輻射地轉移到亞穩態。由于er3+離子在亞穩態能級上壽命較長，因此很容易在亞穩態與基態之間形成粒子數反轉。當信號光子通過摻鉺光纖時，與處于亞穩態的er3+離子相互作用發生受激輻射效應，產生大量與自身完全相同的光子，這時通過摻鉺光纖傳輸的信號光子迅速增多，產生信號放大作用。er3+離子處于亞穩態時，除了發生受激輻射和受激吸收以外，還要產生自發輻射(ase)，它造成edfa的噪聲。

1.2、edfa的結構

典型的edfa結構主要由摻鉺光纖(edf)、泵浦光源、耦合器、隔離器等組成。摻鉺光纖是edfa的核心部件。它以石英光纖作為基質，在纖芯中摻人固體激光工作物質鉺離子，在幾米至幾十米的摻鉺光纖內，光與物質相互作用而被放大、增強。光隔離器的作用是抑制光反射，以確保放大器工作穩定，它必須是插入損耗低，與偏振無關，隔離度優于40db。

1.3、edfa的特性及性能指標

增益特性表示了放大器的放大能力，其定義為輸出功率與輸入功率之比：

式中：pout，pin分別表示放大器輸出端與輸入端的連續信號功率。增益系數是指從泵浦光源輸入1mw泵浦光功率通過光纖放大器所獲得的增益，其單位為db/mw：

式中：g0是由泵浦強度定的小信號增益系數，由于增益飽和現象，隨著信號功率的增加，增益系數下降；is，ps分別為飽和光強和飽和光功率，是表明增益物質特性的量，與摻雜系數、熒光時間和躍遷截面有關。

增益和增益系數的區別在于：增益主要是針對輸入信號而言的，而增益系數主要是針對輸入泵浦光而言的。另外，增益還與泵浦條件(包括泵浦功率和泵浦波長)有關，目前采用的主要泵浦波長是980nm和1480nm。由于各處的增益系數是不同的，而增益須在整個光纖上積分得到，故此特性可用以通過選擇光纖長度得到較為平坦的增益譜。

1.4、edfa的帶寬

增益頻譜帶寬指信號光能獲得一定增益放大的波長區域。實際上的edfa的增益頻率變化關系比理論的復雜得多，它還與基質光纖及其摻雜有關。在edfa的增益譜寬已達到上百納米.而且增益譜較平坦。ed-fa的增益頻譜范圍在1525～1565nm之間。

2、edfa的級聯應用

2.1、edfa的級聯結構

edfa對光信號功率的放大，特別在無線光通信大功率(瓦級)應用中，常常采用級聯的方式，比如兩級或者三級放大。之所以采用級聯的方式，是因為在edfa的摻鉺光纖(edf)中插入一個光隔離器，構成帶光隔離器的兩段級聯edfa，由于光隔離器有效地抑制了第二段：edf的反向自發輻射(ase)，使其不能進入第一段edf，減少了泵浦功率在反向ase上的消耗，使泵浦光子更有效地轉換成信號光能量，從而可以明顯改善edfa的增益、噪聲系數和輸出功率等特性。本文采用麗級級聯放大，將1～2mw的1550nm光信號，經edfa放大到1w左右。

光信號由ld激光器產生，是已調制的信號，第一級放大采用單包層摻鉺光纖放大器，980nm單模半導體激光器作為泵浦源，將光功率放大到50mw附近。第一級采用單模半導體激光器泵浦，先將光信號穩定可靠的放大到一定功率，保證了整個光信號的完整，又為下一級光放大提供了較高的光功率基礎。第二級采用雙包層光纖放大器，多模半導體激光器泵浦源將光功率放大到1w左右。雙包層光纖放大器纖芯比單包層纖芯大，泵浦功率可以有效地耦臺到纖芯中，使第二級光信號的輸出功率可達到瓦級。

2.2、edfa級聯應用的增益

2.2.1、增益計算

對edfa級聯的整體光功率增益：

其中：pout表示edfa兩級放大后的輸出光功率，pin表示需要放大的輸入光功率。

在本文中，光放大采用了兩級級聯放大，第一級增益為g1：

其中第一級的輸出為第二級的輸入，p‘out=p’in=p，所以：

即，整體增益等于兩級增益之和，本文的整體光功率增益為：

第一級增益為17db，第二級增益為13db，1w的光功率經過準直聚焦，再有光學鏡頭發射到大氣信道，大大提高了光信號的有效傳輸距離。

2.2.2、影響增益的因素

edfa的增益與諸多因素有關，如摻鉺光纖的長度，隨著摻鉺光纖長度的增加，增益經歷了從增加到減少的過程，這是因為隨著光纖長度的增加，光纖中的泵浦功率將下降，使得粒子反轉數降低，最終在低能級上的鉺離子數多于高能級上的鉺離子數，粒子數恢復到正常的數值。

由于摻鉺光纖本身的損耗，造成信號光中被吸收掉的光子多于受激輻射產生的光子，引起增益下降。由上述討論可知，對于某個確定的入射泵浦功率，存在著一個摻鉺光纖的最佳長度，使得增益最大。

edfa的增益還跟輸入光的程度、泵浦光功率及光纖中鉺離子er3+的濃度都有關系，如小信號輸入時的增益系數大于大信號輸入時的增益系數。當輸入光弱時，高能位電子的消耗減少并可從泵激得到充分的供應，因而，受激輻射就能維持達到相當的程度。當輸入光變強時，由于高能位的電子供應不充分，受激輻射光的增加變少，于是就出現飽和。泵浦光功率越大，摻鉺光纖越長，3db飽和輸出功率也就越大。其次與當er3+的濃度超過一定值時，增益反而會降低，因此要控制好摻鉺光纖的鉺離子濃度。

采用edfa后，提高了注入光纖的功率，但當大到一定數值時，將產生光纖非線性效應和光泄漏效應，這影響了系統的傳輸距離和傳輸質量。另外色散問題變成了限制系統的突出問題，可以選用g653光纖(色散位移光纖dsf)或非零色散光纖(nzdf)來解決這一問題。

2.3、edfa級聯的改進

之所以采用edfa級聯的方式，一是插入兩級間的光隔離器有效地抑制了第二段edf的反向自發輻射(ase)，使其不能進入第一段edf，減少了泵浦功率在反向ase上的消耗，使泵浦光子更有效地轉換成信號光能量；二是分為兩級后，各自的增益可以任意分配，可以根據不同的增益要求和應用環境改變相應的增益。但是，要在保證信號無失真的情況下得到最佳的光功率增益，還需要解決一些問題：

(1)由于增益分為兩級，如何分配兩級問的增益才能在現有的edf、泵浦源功率等條件下使得光放大的實現更容易，這與edf的放大能力，泵浦遠功率大小、穩定性，泵浦光波長及其模式等均有密切相關。

(2)在每一級各自一定的泵浦功率下，找到摻鉺光纖的最佳長度。當edf過短時，由于對泵浦吸收的不充分而導致增益降低；而當edf過長時，由于泵浦光在edf內被鉺離子吸收，泵浦功率逐漸下降，當功率降至泵浦閾值以下時，就不能形成粒子數反轉，此時，這部分edf不僅對信號光無放大作用，反而吸收了已放大的部分信號，造成增益的下降，同時也會引起噪聲系數的增大。

(3)如果需要更高的光功率輸出，幾十瓦甚至上百瓦，可考慮更高級聯的方法，因為隨著增益的增大，泵浦源由于轉換效率的問題，功率需求會很高，所需的單級edf長度也會大大增長，這樣的工作條件往往不易達到，且穩定性不強，采用更高級聯可以將增益劃分到多級，易于實現和控制，光模塊的整體增益特性也有較大提高。

3、常規檢查方法

光放大器，面板顯示和實際輸出是同步的，如果面板顯示正常，則說明光放大器輸出正常，如果這種情況下測試光放大器時光功率下降或不夠，最大的可能性有以下幾種：

3.1、光功率計不準，國產的光功率計只能測試光功率輸出較小的設備，不能測試大功率輸出的edfa，測試光放大器的光功率計必須原裝進口，不能把不準確的儀器當作標準來使用。

3.2、輸出口的法蘭損壞，這個可能性較小。

3.3、用戶使用不當，在機器工作時插拔尾纖，燒傷光放大器輸出的尾纖頭，造成光放大器輸出功率下降，如發生這種情況，只要重新熔接光放大器的輸出接頭即可。

3.4、用戶使用的尾纖質量太差，纖芯過長，在插入尾纖后擦傷光放大器的輸出接頭，這個現象是第一次測試是好的，第二次插入再次測試時就光功率下降了，解決這個問題也只要重新熔接光放大器的輸出接頭就可。

3.5、光源的波長不對，如果1550nm光發射機的波長有偏差，會造成光放大器的輸出光功率不夠，也會造成面板顯示偏小。

3.6、輸入光放大器的光功率較小，如果低于標準值時可能會造成光功率變小，同時面板顯示也會變小。