摻鉺光纖放大器的原理及其結構

摻鉺光纖放大器（Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA）是使用摻了稀有金屬鉺的成分的光纖制作而成的光學放大器。EDFA已經成為當今高速通信系統(tǒng)和波分復用系統(tǒng)中非常重要的器件，工作在1550nm窗口。摻鉺光纖放大器是國際上近十年來信息領域光電子技術的突破性成就，它的出現(xiàn)導致光通信技術革命，是建立全光通信傳輸網的三項核心技術EDFA、波分復用和光纖色散補償技術的最重要的一環(huán)。

原理

當供給激光媒體能量使其處于激勵狀態(tài)時，即會產生光的受激輻射現(xiàn)象，如果能滿足使受激輻射持續(xù)進行的條件，并用 輸入光去感應，則能得到比其強的輸出光，從而起到放大作用。 EDFA的放大作用是通過1550nm波長的信號光在摻鉺光纖中傳輸與Er3+（鉺離子）相互作用產生的。摻鉺光纖中的Er3+所 處的能量狀態(tài)是不能連續(xù)取值的，它只能處在一系列分立的能量狀態(tài)上，這些能量狀態(tài)稱為能級，當Er3+在未受激勵 的情況，處在最低能級即基態(tài)E1。

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(tài)E1離子抽運到高能態(tài)E3上，處于E3的Er3+離子又迅速無輻 射的轉移到亞穩(wěn)態(tài)E2上。Er3+離子在亞穩(wěn)態(tài)上能級壽命較長，由于連續(xù)地泵浦，E2粒子數(shù)不斷增加，從而實現(xiàn)E1與E2粒子數(shù) 反轉，即處于E2的粒子比E1的粒子數(shù)多。當信號光子通過摻鉺光纖時，與Er3+離子相互作用發(fā)生受激輻射效應，E2的Er3+離 子躍遷到E1，并產生和入射信號光中的光子完全相同的光子（即頻率、相位，傳播方向、偏振態(tài)相同）從而大大增加信號光 子的數(shù)量，實現(xiàn)信號放大作用。Er3+離子的亞穩(wěn)態(tài)和基態(tài)具有一定的寬度，使EDFA的放大效應具有一定波長范圍，其典型值 為1530~1570nm。Er3+離子處于E2時，除了發(fā)生受激輻射和受激吸收（基態(tài)Er3+離子吸收信號光子，躍遷到E2）以外，還要產 生自發(fā)輻射，自發(fā)地從E2躍遷到E1，并發(fā)射出1550nm波長的光子，這種光子與信號光不同，它構成EDFA的噪聲。如果EDFA的 輸入光功率較低時，自激輻射較強會產生較大的噪聲。

結構

EDFA一般由五個基本部分組成，即摻鉺光纖（EDF），泵浦光源（pump-LD），光無源器件（包括耦合器、光波分復用器、 光纖連接器、隔離器），控制單元、監(jiān)控接口。

光耦合器的作用是將信號光和泵浦光合在一起，一般采用波分復用器實現(xiàn)。光隔離器的作用是抑制光反射，以確保光 放大器工作穩(wěn)定，它必須是插入損耗低，與偏振無關、隔離度優(yōu)于40dB。光濾波器的作用是降低自發(fā)輻射產生的噪聲對系 統(tǒng)的影響。控制單元對光纖放大器的工作實時控制，并由監(jiān)控單位提供工作狀態(tài)信息。

主要優(yōu)點

增益高、帶寬大、輸出功率高、泵浦效率高、插入損耗低、對偏振態(tài)不敏感等。

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