【正文】 度為 30m 時，可獲得 35dB 的功率增益。 因此，在給定的摻鉺光纖的情況下，應選擇合適的泵浦功率和光纖長度，以達到最大增益?？梢钥闯?，開始時功率增益隨摻鉺光纖長度的增加而上升，當光纖長度達到一定值后，功率增益反而逐漸下降?？梢钥闯?，放大器的功率增益隨泵浦功率的增加而增加，當泵浦功率達到一定值時，放大器的功率增益出現(xiàn)飽和，即泵浦功率再增加而功率增益基本保持不變。 功率增益 功率增益定義為 ）（輸入光功率輸出光功率功率增益 dB1 0 lo g? 它表示了光放大器的放大能力，增益的大小與泵浦光功率以及光纖長度等諸因素有關。 EDFA 的主要工作特性參數(shù) EDFA 具有廣泛的應用，不同的應用對 EDFA 的工作特性有不同的要求，各種工作特性參數(shù)是 EDFA 性能的差異的標準。 圖 EDFA的應用 光發(fā)射機 光接收機 光纖 （ a） EDFA作為前置放大器使用 光發(fā)射機 光接收機 光纖 EDFA EDFA （ b） EDFA作為功率放大器使用 光發(fā)射機 光接收機 （ c） EDFA作為光中繼器使用 L L L 11 3 EDFA 的工作特性分析 EDFA 的工作特性分析主要對 EDFA 的主要工作特性參數(shù)和性能進行定性分析。這是 EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的一種應用，它可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光 電 光中繼器。 EDFA 作為功率放大器 若將 EDFA 接在光發(fā)射機的輸出端，則可用來提高輸出功率，增加入纖光功率，延長傳輸距離，如圖 （ b）所示。圖 雙向泵浦方式 EDFA結(jié)構(gòu) 光耦合器 輸入 光信號 光隔離器 光隔離器 輸出 光信號 泵浦光源 光濾波器 摻鉺光纖 光耦合器 泵浦光源 10 其應用方式如圖所示。 EDFA 作為前置放大器 對于光接收機的前置放大器，一般要求它是高增益、低噪聲的放大器。 EDFA 的主要應用 EDFA 在光纖通信系統(tǒng)中的主要作用是延長中繼距離，當它與波分復用技術(shù)、光弧子技術(shù)相結(jié)合時，可實現(xiàn)超大容量、超長距離的傳輸。 EDFA 在密集波分復用（ DWDM）系統(tǒng)廣泛實用。這種泵浦方式結(jié)合了前向泵浦和后向泵浦的優(yōu)點，輸出的光信號功率更高，最多比前兩種單向泵浦多 3dB，而且 EDFA 的性能與信號傳 輸?shù)姆较驘o關。這匯總配置具有較高的輸出信號功率。 反向泵浦 反向泵浦方式是一種泵浦光源和信號光分別從摻鉺光纖的兩端注入，且泵浦光和信號光在摻鉺光纖中傳輸方向相反的方式。它又稱前向泵浦 ，如圖 所示。目前廣泛應用的有同向泵浦、反向泵浦和雙向泵浦的 3種方式，其次還有一些改進的方式。由于EDFA 具有細長的纖形結(jié)構(gòu)，使得有源區(qū)的能量密度很高，光與物質(zhì)的作用區(qū)很長，這樣可以降低對泵浦源功率的要求。自發(fā)輻射噪聲消耗了泵浦功率并影響通信質(zhì)量，因此應設法用濾波器濾掉，以降低自發(fā)輻射噪聲對系統(tǒng)的影響。光隔離器的作用是抑制光反射而保證光放大器工作的穩(wěn)定。 首先，信號光和泵浦光在光耦合器中何在一起，經(jīng)過隔離器一起輸入到摻鉺光纖中；接下來就是泵浦光激勵摻鉺光纖中的鉺粒子，使它們都處于亞穩(wěn)態(tài)能級 E2，從而 在基態(tài) E1和該能級之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布；最后在信號光子的激發(fā)下，鉺粒子發(fā)生受激輻射躍遷到基態(tài)，將一模一樣的光子注入到光信號中完成光放大。亞穩(wěn)態(tài)和4I11/2 4I13/2 4I15/2 泵浦能帶 ④衰變到低能態(tài) 亞穩(wěn)態(tài)能帶 ②快速 非輻射衰變 ① 泵 浦 躍 遷 ③ 泵 浦 躍 遷 ⑤ 自發(fā)輻射 ⑥ 受激吸收 ⑦ 受激輻射 980nm 光子 1480nm 光子 1550nm 光子 1550nm 光子 1550nm 光子 1550nm 光子 基態(tài)能帶 7 基態(tài)的寬度允許高 能級的受激輻射在 1530~1560nm 范圍內(nèi)出現(xiàn)，超過 1560nm 時增益會穩(wěn)定下降，在大約 1616nm 處降至 0dB（單位增益）。 當其能量相當于從基態(tài)到亞穩(wěn)態(tài)間帶隙能量的信號光子流通過這種器件時，會產(chǎn)生兩種類型的躍遷。位于亞穩(wěn)態(tài)的電子，在沒有外部激勵光子流時，一部分會衰變回到基態(tài)，如圖中躍遷過程⑤所示。 另一種可能的泵浦波長是 1480nm，這些泵浦光子的能量很接近信號光子能量，只是要稍高一些。在衰變過程中，多余的能量以聲子的形式釋放，或者等價地認為在光纖內(nèi)產(chǎn)生了機械振動。 665nm 807nm 980nm 1480nm 6 圖 Er3+離子的簡化能級圖和各種躍遷過程 使用發(fā)射 980nm 光子的泵浦激光器去激勵鉺離子時，鉺離子中的電子從基態(tài)躍遷到泵浦能級，如圖 中的躍遷過程①所示。而對應于 807nm、665nm 等附近的能帶用于泵浦時，具有很強的激發(fā)態(tài)吸收（ ESA），造成了泵浦能量的浪費，而 1480nm 和 980nm 不存在 ESA，泵浦效率高，故目前僅使用 1480nm和 980nm 波長激光器作為泵浦源。 圖 鉺離子不同能級間受激吸收的波長 由于每個能級的精細結(jié)構(gòu)和均勻加寬的影響，實際產(chǎn)生受激發(fā)射或吸收時是以這些波長為峰值的吸收和發(fā)射光譜帶。對于摻鉺光纖放大器而言，增益介質(zhì)為纖芯中摻稀土元素鉺離子（ Er3+）的單模石英光纖 。由于這是一種非平衡狀態(tài)，因此必須通過各種“泵浦”技術(shù)來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。只有當處于激發(fā)態(tài)的電子數(shù)量大于基態(tài)電子數(shù)量時，受激輻射才能超過光的吸收。 在熱平衡下，處于激發(fā)態(tài)的電子密度很小。該受激輻射的光和入射光同頻率、同相位，而且方向相同。所謂自發(fā)輻射，是指在沒有任何外界因素影響的情況下，處于高能態(tài)的原子經(jīng)過一 段時間后會自然而然的掉下來回到低能態(tài)而發(fā)射一個光子 ?h 。返 回的方式可能是無輻射躍遷，其多余的能量以熱或聲子的形式而不是以光的形式釋放出來 ； 也可能是輻射躍遷，其多余的能量是以光子或光波的形式向外釋放的，也就是說，在躍遷返回時將向外發(fā)射一個光子 ?h ，其能量為兩能態(tài)之間的能量差。這種通過吸收光子即用光來進行抽運的方法叫光泵浦。 E1 和 E2 之間的能量差正好等于所吸收的光子的能量 ?h ，E2E1= ?h 其中 h為普朗克常數(shù)， ? 為被吸收的光子或光波的頻率。鉺離子一般狀態(tài)下是處于基態(tài)或低能態(tài) E1的。下章就對其工作原理和性能進行分析。 但 EDFA 也有 其 固有的缺點： (1) 波長固定，只能放大 左右的光波，換用不同基質(zhì)的光纖時，鉺離子能級也只能發(fā)生很小的變化，可調(diào)節(jié)的波長有限，只能換用其他元素 ； (2) 增益帶寬不平坦，在 WDM 系 統(tǒng)中需要采用特殊的手段來進行增益譜補償。首先是 EDFA 增益對溫度不敏感，在 100℃ 內(nèi)增益特性穩(wěn)定，另外，增益也與偏振無關。輸出功率大，增益可達 40dB，輸出功率在單向泵浦時可達 14dBm， 雙向泵浦時可達 17dBm，甚至可達 20dBm，充分泵浦時，噪 聲系 3 數(shù)可低至 3~4dB，串話也很小。激光工作物質(zhì)集中在光纖芯子，且集中在光纖芯子中的近軸部分，而信號光和泵浦光也是在近軸部分最強，這使得光與物質(zhì)作用很充分。因為是光纖型放大器，易于光纖耦合連接，也可用熔接技術(shù)與傳輸光纖熔接在一起，損耗可降至 ，這樣的熔接反射損耗也很小，不易自激。 圖 11 摻鉺光纖放大器 EDFA的優(yōu)缺點 EDFA 之所以得到迅速的發(fā)展，源于它的一系列優(yōu)點 ， 如： (1) 工作波長與光纖最小 損耗窗口一致，可在光纖通信中獲得廣泛應用 。類似的產(chǎn)品還有超寬帶光放大器 (UWOA)，它的覆蓋帶寬可對單根光纖中多達 100 路波長信道進行放大。 EDFA 及 PDFA 的工作波長分別處于光纖通信的最低損耗 (1550nm)及零色散波長 (1300nm)窗口， TDFA工作在 S 波段，都非常適合于光纖通信系統(tǒng)應用。提供合適的反饋后則構(gòu)成光纖激光器。極大地增加了光纖通信的容量成為 2 當前光纖通信中應用最廣的光放大器件。從 20 世紀 80 年代后期開始，摻鉺光纖放大器的研究工作不斷取得重大的突破。是 1985 年英國南安普頓大學首先研制成功的光放