【正文】 . [學(xué)位論文]碩士,2009]。1989年日本的NTT公司成功將1480nm的半導(dǎo)體激光器作為EDFA的泵浦源，并開展了關(guān)于光放大器原理及應(yīng)用相關(guān)的會(huì)議，這對(duì)今后EDFA的創(chuàng)新奠定了厚實(shí)的基礎(chǔ)。1992年日本KDD公司聯(lián)合美國ATamp。T公司，完成了9000公里距離5Gb/s的通信速率傳輸試驗(yàn)，該試驗(yàn)一共使用了274個(gè)EDFA，并且充分展示出了EDFA的優(yōu)越性能。九十年代中期，幾十路信道傳輸上千公里無中繼的試驗(yàn)也相繼取得突破；另外，為了擴(kuò)展EDFA的增益帶寬，還提出了長波段EDFA的方案，該方案采用的仍是傳統(tǒng)的摻鉺光纖，它的工作波長在L波段（1570~1610nm）。EDFA不僅延長傳輸?shù)木嚯x，簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和節(jié)約成本，而且還提高了整體的可靠性，為實(shí)現(xiàn)超長距離的跨洋海底和陸地通信提供了技術(shù)保障。由于EDFA具備優(yōu)良的性能，再加上半導(dǎo)體泵浦源的使用之后，使得1550nm窗口的光纖通信技術(shù)產(chǎn)生了巨大的飛躍，并促使了WDM技術(shù)走向?qū)嵱没蛷V泛應(yīng)用。EDFA未來的發(fā)展方向：多功能、小型化EDFA(Mini EDFA)，EDFA+FRA混合放大；高性能[[]李現(xiàn)勤. 光放大器現(xiàn)狀及未來發(fā)展[J]. [期刊論文]光通信技術(shù), 2002, 26(4)](低噪聲，增益平坦，高增益，高功率，寬帶寬)。2 概述 EDFA的基本結(jié)構(gòu)及泵浦方式摻鉺光纖輸入光信號(hào)光耦合器光隔離器光隔離器光濾波器輸出光信號(hào)泵浦光源圖21 EDFA結(jié)構(gòu)示意圖EFDA 結(jié)構(gòu)如圖21所示。EDFA 的核心部分是摻鉺光纖，是在石英基質(zhì)中摻入鉺離子制成，它利用鉺離子的受激輻射原理來實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的放大。光隔離器主要放置在信號(hào)光的輸入端與輸出端之間，它的目的主要是為了減少信號(hào)光在光纖中的來回的反射，盡可能使放大器的噪聲處于最低水平。泵浦光源是能量提供的主要來源，通常用其來誘導(dǎo)信號(hào)光。耦合器可以將信號(hào)光和泵浦光一同耦合進(jìn)入摻鉺光纖之中，在泵浦光的誘導(dǎo)之下，激勵(lì)鉺離子產(chǎn)生受激輻射放大來使得信號(hào)光被放大。光濾波器能夠?yàn)V除EDFA的噪聲，改善摻鉺光纖放大器系統(tǒng)性能的可靠性和穩(wěn)定性。EDFA 主要有如下三種泵浦方式，它們分別為同向泵浦方式、反向泵浦方式和雙向泵浦方式[[]陳琳, 徐軍, 邵曉鵬, 李高峰. 摻鉺光纖放大器增益和噪聲研究[J]. [期刊論文]光通信研究, 2006, 1]。(1)同向泵浦輸出光信號(hào)摻鉺光纖光隔離器光耦合器泵浦光源輸入光信號(hào)光隔離器光濾波器圖22 反向泵浦方式EDFA結(jié)構(gòu)輸入光信號(hào)與泵浦光源一同通過光耦合器耦合進(jìn)入摻鉺光纖中，這種方式被稱作同向泵浦，圖22為同向泵浦方式，該方式有很好的噪聲性能。(2)反向泵浦摻鉺光纖輸入信號(hào)光光隔離器光隔離器光耦合器光濾波器圖23 反向泵浦方式EDFA結(jié)構(gòu)泵浦光源輸出信號(hào)光反向泵浦方式是信號(hào)光和泵浦光源分別從摻鉺光纖的兩端注入，圖23為反向泵浦方式。這種泵浦方式能輸出很高的信號(hào)功率，但噪聲性能較差。摻鉺光纖光隔離器光耦合器圖24 雙向泵浦方式EDFA結(jié)構(gòu)泵浦光源輸入光信號(hào)光隔離器光濾波器輸出信號(hào)光(3)雙向泵浦雙向泵浦方式是將兩個(gè)泵浦光源從摻鉺光纖的兩端同時(shí)注入，這種方式的泵浦光可采用相同波長的泵浦光源，也可采用980nm和1480nm共同作為泵浦光源。圖24所為雙向泵浦結(jié)構(gòu)的EDFA，采用這種方式的輸出功率最大。圖25 噪聲系數(shù)與輸出功率的曲線從圖25可看出，在一定的條件下，噪聲系數(shù)隨著EDFA的輸出功率的增大而增大，其中反向泵浦的噪聲系數(shù)（NF）最大，同向泵浦居中，雙向泵浦最小。 EDFA的放大原理EDFA采用的是石英（）中的作為光增益的介質(zhì)，它的原理基于受激輻射放大。EDFA的核心是摻鉺光纖，它的制造是以石英為原材料，只需要在生產(chǎn)光纖的過程中，往光纖中填入少量的，就可制成一根摻鉺光纖。石英玻璃中摻雜能產(chǎn)生1550nm波段的熒光輻射，該輻射對(duì)應(yīng)于石英光纖的一個(gè)低損耗通信窗口（1550nm窗口），因此只要在光纖中摻入，然后使用合適的泵浦方式就能利用的受激輻射過程對(duì)該波段的光信號(hào)進(jìn)行放大。15201570nm10ms980nm1480nm圖26 鉺離子的能級(jí)圖鉺離子的3個(gè)能帶為、和，如圖26所示。其中能帶為基態(tài)，能帶為亞穩(wěn)態(tài)，粒子在亞穩(wěn)態(tài)上的平均壽命為十毫秒；能帶為激發(fā)態(tài)，其在激發(fā)態(tài)的壽命大約為一微秒。由激光原理的基礎(chǔ)知識(shí)可知，當(dāng)一個(gè)二能級(jí)系統(tǒng)的頻率滿足時(shí)，它們之間就有可能發(fā)生受激吸收、自發(fā)輻射和受激輻射。這三個(gè)過程都能使得光信號(hào)被放大，放大的三個(gè)過程如圖27所示。E1E2E2E1E2E1hv12hv12hv12hv12（a）受激吸收（b）自發(fā)輻射（c）受激輻射圖27 放大的三個(gè)關(guān)鍵過程(1)受激吸收處于低能級(jí)E1的一個(gè)粒子吸收一個(gè)能量為的光子后躍遷到高能級(jí)E2，該過程叫做受激吸收。設(shè)在E2上的粒子數(shù)密度是，單位體積內(nèi)的增益介質(zhì)的總的粒子數(shù)是，滿足能量守恒條件，可維象地描述為： (21)其中，為自發(fā)輻射速率，稱為Einstein自發(fā)輻射系數(shù)， 表示為量綱，該量綱的倒數(shù)是E2能級(jí)上的粒子的自發(fā)輻射壽命[[]王志強(qiáng). 基于兩級(jí)泵浦機(jī)制EDFA增益平坦化的研究. [學(xué)位論文]碩士, 2011]： (22)(2)自發(fā)輻射處于高能態(tài)E2的一個(gè)粒子通過發(fā)射出一個(gè)能量為的光子而躍遷到低能級(jí)E1，該過程被稱為自發(fā)輻射。為粒子受激輻射截面。假設(shè)光子在介質(zhì)內(nèi)運(yùn)動(dòng)的速度為，則在單位時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的光子數(shù)密度為： (23)，稱為Einstein受激輻射系數(shù)。(3)受激輻射處于高能級(jí)E2的一個(gè)粒子受到外來光子能量為的激勵(lì)之后，從高能級(jí)E2躍遷到低能級(jí)E1，并且釋放出一個(gè)和入射光子完全相同的另外一個(gè)光子，該過程稱為受激輻射。為粒子的受激吸收截面。因受激吸收而在單位時(shí)間內(nèi)減少的光子數(shù)密度為： (24)，稱為Einstein受激吸收系數(shù)。有很多的吸收帶，不同的吸收帶能吸收不同波長的光子，如圖28 所示。665nm807nm980nm1480nm圖28 鉺離子不同能級(jí)間受激吸收的波長在EDFA中的泵浦光源的波長采用560納米、680納米、810納米、980納米或者1480納米，泵浦光首先將處于基態(tài)的躍遷到激發(fā)態(tài)，然后粒子數(shù)發(fā)生反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，最后通過信號(hào)光的誘導(dǎo)對(duì)輸入的信號(hào)光進(jìn)行受激輻射放大[[]丁煒. EDFA光纖放大器原理及應(yīng)用 [J]. [期刊論文]有線電視技術(shù), 2004]。但是由于807nm、665nm等附近的能帶的泵浦光源易發(fā)生受激吸收，造成泵浦光功率利用率降低、粒子數(shù)數(shù)目也相應(yīng)的減少，量子效率降低以及增益也降低。但是可喜的是980納米和1480納米的泵浦光可以有效減少受激態(tài)吸收（ESA），所以通常采用980nm和1480nm作為泵浦光的波長。④衰變至低能態(tài)980nm光子⑦受激輻射⑥受激吸收③泵浦躍遷①泵浦躍遷亞穩(wěn)態(tài)能帶4I11/24I13/24I15/2泵浦能帶②快速非輻射衰變①泵浦躍遷