掺饵光纤放大器的特性研究

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1、掺饵光纤放大器的特性研究单击此处添加副标题主要内容2掺饵光纤放大器的结构原理3掺饵光纤放大器的特性研究1掺饵光纤放大器历史发展光放大器的分类（1）半导体放大器（2）掺稀土元素的光纤放大器，主要是掺饵(Er)光纤放大器，还有掺铥(Tm)光纤放大器及掺镨（Pr）光纤放大器。（3）非线性的光纤放大器，主要是光纤喇曼放大器。我们主要介绍掺饵光纤放大器，首先了解一下它的历史发展掺饵光纤放大器的历史发展1964年，提出掺钕（Nd3+）光纤放大器的设想1985年，低损耗掺杂SiO2光纤研制成功目前，掺(Er3+)光纤放大器（EDFA）最为成熟，是光纤通信系统必备器件。掺饵

2、光纤放大器的特性研究1.EDFA的基本结构典型掺饵光纤放大器(EDFA)的基本结构如图2-1所示在输入端和输出端各有一个隔离器，目的是使光信号单向传输。泵浦激器波长为980nm或1480nm，用于提供能量。耦合器的作用是把输入光信号和泵浦光耦合进掺铒光纤中，通过掺铒光纤作用把泵浦光的能量转移到输入光信号中，实现输入光信号的能量放大。实际使用的掺铒光纤放大器为了获得较大的输出光功率，同时又具有较低的噪声指数等其他参数，采用两个或多个泵浦源的结构，中间加上隔离器进行相互隔离。为了获得较宽较平坦的增益曲线，还加入了增益平坦滤波器。掺饵光纤放大器的特性研究2.EDF

3、A的工作原理信号光和泵浦光在掺铒光纤内可在同一方向(同向泵浦)、相反方向(反向泵浦)或两个方向(双向泵浦)传播。掺饵光纤放大器的特性研究EDFA的激光增益媒质是掺铒光纤，即为掺有少量铒离子的光纤；其能级结构符合对1550nm波长区的光进行放大的要求，即其稳态能级E2与基态能级E1之差，恰好等于1550nm波长区域光波的光子能量hν。因此EDFA的工作机理是：当信号光和泵浦光同时注入到掺铒光纤中时，铒离子在泵浦光作用下被激发到亚稳态能级E3上，并很快以无辐射形式（不释放光子）跃迁到稳态能级E2上，随后又在入射信号光作用下回到基态E1，并发射出与信号光同频率的光

4、子，从而使信号放大。掺饵光纤放大器的特性研究2.EDFA的工作原理利用泵浦光把处于基态能级E1的铒离子激励到亚稳态能级E3；因E3为亚稳态，所以铒离子很快以无辐射形式（不释放光子）跃迁到稳态能级E2，从而使材料中处于E2能级上的铒离子数远远大于处于E1能级上的铒离子数，形成粒子数反转分布。掺饵光纤放大器的特性研究2.EDFA工作原理当有1550nm波长区的外来光信号入射时，大量处E2能级上的铒离子很快以受激辐射形式跃迁到E1能级，并释放大量的光子而发光；释放光子的能量等于E2与E1能级之差(hν)，释放光子的频率恰恰与外入射光信号的频率相同，从而产生光放大作

5、用。掺饵光纤放大器的特性研究3.EDFA特点：（1）增益谱宽——EDFA的信号增益谱很宽，达30nm或更高，可用于宽带信号的放大，尤其适用密集波分复用（DWDM）光纤通信系统。（2）带宽利用率可控（3）饱和输出功率高——EDFA具有较高的饱和输出功率（10~20dBm），可用作发射机后的功率放大，提高无中继线路传输距离或分配的光节点数。（4）耦合损耗小，噪声低——EDFA与光纤线路的耦合损耗小（＜1dB），噪声低(4~8dB)。（5）增益与偏振无关——增益与光纤的偏振状态无关，故稳定性好。（6）弛豫时间长——弛豫时间很长（越10ms）。（7）泵浦功率低——所

6、需的浦功率低（数十毫瓦）。损耗小、增益高、带宽大、与偏振无关，低噪声、低串扰、高输出功率等掺饵光纤放大器的特性研究4.影响增益的四个因素如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。当输入光变强时，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。其次与Er的浓度超过一定值时，增益反而会降低，因此要控制好掺饵光纤的铒离子浓度。①掺饵光纤的长度②泵浦光功率③输入光的程度④光纤中铒离子(

7、Er)的浓度掺饵光纤放大器的特性研究采用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。掺饵光纤放大器的特性研究5增益与泵浦功率、掺饵光纤长度的变化关系EDFA的增益与诸多因素有关，如掺饵光纤的长度，如图3-7所示(泵浦波长1480nm、信号波长1550nm)。随着掺饵光长度的增加，增益经历了从增加到减少的程，这是因为着光纤长度的增加，光纤中的泵浦功率降低，使得粒

8、子反转数降低，最终在低能级上的饵离子数多于高能级上的