掺饵光纤放大器光纤通信课程设计

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1、光纤通信课程设计题目：掺饵放大器学院：物理与电子科学学院年级专业：08级电子<1>班作者：侯进学号：200840620110指导教师：刘广东目录概述31.铒离子的电子能级图32.掺铒光纤的光放大原理53.掺饵光纤放大器的基本结构64.掺饵光纤放大器的特点74.1优点74.2缺点75.掺饵光纤放大器的应用86.EDFA的增益特性86.1EDFA的放大特性86.2EDFA对增益的影响87.技术展望9参考文献9掺饵光纤放大器概述光纤通信中采用光纤来传输光信号，一般它受到两方面的限制:损耗和色散。就损耗而言，目前光纤损耗的典型值在1.3mm波段为0.35dB/km，在1.55mm波段为0

2、.20dB/km。由光纤损耗限制的光纤无中继传输距离为50-100km.90年代初期EDFA的研制成功，打破了光纤通信传输距离受光纤损耗的限制，使全光通信距离延长至几千公里，给光纤通信带来了深刻的变化。一般，光放大器都由增益介质、泵源、输入输出耦合结构组成。根据增益介质的不同，目前主要有两类放大器，一类采用活性介质，如半导体材料和掺稀土元素的光纤。掺稀土光放大器，是在光纤芯层中掺入极小浓度的稀土元素，如饵、谱或铥等离子制作出相应的掺饵、掺镨或掺铥光纤。光纤中掺杂离子在受到泵浦光激励后跃迁到亚稳定的高激发态，在信号光诱导下，产生受激辐射，形成对信号光的相干放大。主要有:掺铒光纤放大

3、器（EDFA－ErbiumDopedFiberAmplifier）、掺镨光纤放大器(PDFA-PraseodymiumDopedFiberAmplifier)和掺铥光纤放大器(TDFA-ThuliumDopedFiberAmplifier)等；另一类基于光纤的非线性效应，利用光纤的非线性实现对信号光放大的一种激光放大器。当光纤中光功率密度达到一定阈值时，将产生受激喇曼散射(SRS-StimulatedRamanScattering)或受激布里渊散射(SBS-StimulatedBrillouinScattering)，形成对信号光的相干放大，如光纤喇曼放大器(FRA－FiberR

4、amanAmplifier)和光纤布里渊放大器(FBA-FiberBrillouinAmplifier)。本文仅对EDFA作相应的讨论。一、铒离子的电子能级图----铒(Er)是一种稀土元素(属于镧系元素),原子序数是68,原子量为167.3。按常规电子能级的光谱命名方法，铒离子的电子能级如图1-1所示，描述铒离子Er3+的能级，用量子数S（电子轨道角动量的矢量加和）、L（电子自旋运动的矢量加和）、J(和再耦合，可得到总角动量)来表示。通常用大写的英文字母S、P、D、F、G、H、I、……分别表示L＝0，1，2，3，4，5，6，……的状态。将数值2s＋1写在L的左上角，这样的符号2

5、s＋1L称为光谱项。用J表示光谱项中能级的进一步分裂。符号2s＋1LJ称为光谱支项。对铒离子Er3+，量子数分别为：，则其光谱支项2s＋1LJ为4I15/2。。由下能级向上能级的跃迁则对应于光的吸收过程，而由上能级向下能级的跃迁则对应于光的发射过程。Er3+的吸收过程主要发生在以下能级之间:从基态4I15/2到4I9/2，对应800nm波长，从4I15/2到4I11/2，对应980nm波长，从4I15/2到4I13/2，，对应1480nm波长。Er3+的发射过程主要发生在从4I13/2到4I15/2能级，对应1530nm波长。图1-1铒离子的电子能级-----由图1-2可以看出，

6、一些具有重要意义的跃迁过程主要是，铒离子的（光子）吸收和（荧光）发射过程分别发生在下列能级之间：吸收过程：从基态4I15/2荧光发射：从激发态4I13/24I15/2（对应1530nm波长）Er3+有许多不同的能级，而且容易受光纤基质的影响产生Stark分裂，形成准能带。参与光放大的主要有三个能级。其中4I15/2是基态能级(E1)；4I13/2为受激发射上能级，这个能级是一个亚稳能级(E2)，粒子具有较长的寿命（～10ms）；4I11/2是泵浦能级(E3)，其上的粒子可以以无辐射跃迁的形式极快地转移到4I13/2能级上。饵离子的三能级模型如图1-2所示：图1-24I11/2-4

7、I15/2能级之间的跃迁对应980nm的泵浦带，4I13/2－4I15/2之间的能级跃迁对应1520nm-1570nm的信号能带以及1460nm-1500nm的泵浦带。当采用1480nm泵浦时，掺饵光纤(EDF)相当于一个二能级系统，吸收和辐射跃迁只涉及基态能级4I15/2和激发态能级4I13/2。由于4I13/2处在亚稳态，因此很容易实现粒子数反转分布。采用1480nm泵浦的一个不利因素是存在泵浦波长上的受激辐射过程，这种过程将消耗处于激发态的粒子数，从而引起放大器增益、泵浦效