【正文】 摻鉺光纖放大器噪聲的主要來源包括：信號(hào)光的散彈噪聲，信號(hào)光波與放大器自發(fā)輻射光波之間的差拍噪聲，被放大的自發(fā)輻射光的散彈噪聲，光放大器自發(fā)輻射的不同頻率光波間差拍噪聲。m）2010 010020輸入功率（dB當(dāng)飽和增益下降3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出功率值為3dB輸出飽和功率，它代表了摻鉺光纖放大器的最大輸出能力。由圖可看出，在摻鉺光纖放大器中，輸入信號(hào)功率和輸出信號(hào)功率并不完全成正比關(guān)系，而是存在著飽和的趨勢(shì)。406080100100102030402020功率增益（dB） 泵浦光功率輸出信號(hào) = 。從圖中看出，當(dāng)光纖為某一長(zhǎng)度時(shí)，可獲得最佳功率增益，這個(gè)光纖長(zhǎng)度為最大功率增益的光纖長(zhǎng)度。EDFA的主要參數(shù)是指功率增益、飽和輸出功率和噪聲系數(shù)。下面具體介紹EDFA的工作特性。對(duì)線路中的光信號(hào)直接進(jìn)行放大，它是實(shí)現(xiàn)全光通信的重要保障之一。 EDFA作為光中繼器（c）所示的是EDFA作為光中繼器使用的原理方框圖。EDFA作為前置放大器使用，接收靈敏度可提高10~20dB。由于EDFA得低噪聲特性，將它用作光接收機(jī)的前置放大器時(shí)，可大大提高接收靈敏度。其應(yīng)用主要有以下幾種形式。為了滿足更高的要求，結(jié)構(gòu)往往更復(fù)雜，比如為了能比較寬頻帶范圍內(nèi)有增益平坦和增益自動(dòng)控制避免增益競(jìng)爭(zhēng)，會(huì)分別增加均衡器和自動(dòng)增益電路。 雙向泵浦方式EDFA結(jié)構(gòu)光耦合器輸入光信號(hào)光隔離器光隔離器輸出光信號(hào)泵浦光源光濾波器摻鉺光纖光耦合器泵浦光源 EDFA是最理想的光放大器：耦合損耗低、噪聲低、增益高、輸出功率高、與信號(hào)光極化狀態(tài)無關(guān)且所需泵浦功率低。 反向泵浦方式EDFA結(jié)構(gòu)光耦合器光隔離器光隔離器泵浦光源光濾波器摻鉺光纖輸出光信號(hào)輸入光信號(hào) 雙向泵浦就是在兩個(gè)泵浦光源從摻鉺光纖的兩端同時(shí)注入泵浦光的方式。它又稱后向泵浦。這種配置的噪聲性能較好。同向泵浦是一種泵浦光和信號(hào)光在摻鉺光纖的同一端注入，且泵浦光和信號(hào)光在摻鉺光纖種傳輸方向相同的方式。 EDFA結(jié)構(gòu)和泵浦方式 EDFA的結(jié)構(gòu)因其泵浦方式的不同而不同。 EDFA之所以能放大光信號(hào)，簡(jiǎn)單的來說，是在泵浦源的作用下，在摻鉺光纖中出現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生了受激輻射，從而使光信號(hào)得到放大。但是，鉺粒子受激輻射過程中，有一小部分粒子自發(fā)輻射躍遷到基態(tài)，產(chǎn)生帶寬很寬的雜亂光子，并在傳輸過程中被放大而形成自發(fā)輻射噪聲。放大的光信號(hào)在經(jīng)過隔離器和濾波器之后便全部完成了整個(gè)信號(hào)光的放大工作。 EDFA的工作原理 EDFA主要由泵浦光源、光耦合器、光隔離器和摻鉺光纖等部件組成。第一，處在基態(tài)的離子將吸收一部分處部光子，因此這些離子將躍遷到亞穩(wěn)態(tài)，⑥所示；第二，在受激輻射過程（躍遷過程⑦）中，信號(hào)光子觸發(fā)激發(fā)態(tài)的離子下降到基態(tài)，從而發(fā)射出一個(gè)與輸入信號(hào)光子具有相同能量、相同波矢量以及相同偏振態(tài)的新光子。這種現(xiàn)象是所謂的自發(fā)輻射，自發(fā)輻射會(huì)導(dǎo)致放大器的噪聲。吸收一個(gè)1480nm的泵浦光子，會(huì)直接把一個(gè)電子從基態(tài)激發(fā)到很少被粒子占據(jù)的亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的頂部，③所示，然后這些電子又將移向粒子數(shù)較多的亞穩(wěn)態(tài)的較低端（躍遷過程④）。在亞穩(wěn)態(tài)能帶中，激發(fā)態(tài)離子的電子將移至能帶的底端，在這里，人們使用熒光時(shí)間來表征這個(gè)過程，這個(gè)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10ms左右。這些受激離子從泵浦帶到亞穩(wěn)帶衰變（弛豫）得非?？欤ù蠹s在1μs內(nèi)），如圖中躍遷過程②所示。而對(duì)應(yīng)于807nm、665nm等附近的能帶用于泵浦時(shí)，具有很強(qiáng)的激發(fā)態(tài)吸收（ESA），造成了泵浦能量的浪費(fèi)，而1480nm和980nm不存在ESA，泵浦效率高，故目前僅使用1480nm和980nm波長(zhǎng)激光器作為泵浦源。665nm807nm980nm1480nm 鉺離子不同能級(jí)間受激吸收的波長(zhǎng)由于每個(gè)能級(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu)和均勻加寬的影響，實(shí)際產(chǎn)生受激發(fā)射或吸收時(shí)是以這些波長(zhǎng)為峰值的吸收和發(fā)射光譜帶。對(duì)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(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。只有當(dāng)處于激發(fā)態(tài)的電子數(shù)量大于基態(tài)電子數(shù)量時(shí)，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(shí)間后會(huì)自然而然的掉下來回到低能態(tài)而發(fā)射一個(gè)光子。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(shí)將向外發(fā)射一個(gè)光子，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(jìn)行抽運(yùn)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，E2E1=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(duì)其工作原理和性能進(jìn)行分析。 但EDFA也有其固有的缺點(diǎn)：　　(1) 波長(zhǎng)固定，換用不同基質(zhì)的光纖時(shí)，鉺離子能級(jí)也只能發(fā)生很小的變化，可調(diào)節(jié)的波長(zhǎng)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(jìn)行增益譜補(bǔ)償。首先是EDFA增益對(duì)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(guān)。輸出功率大，增益可達(dá)40dB，輸出功率在單向泵浦時(shí)可達(dá)14dBm，雙向泵浦時(shí)可達(dá)17dBm，甚至可達(dá)20dBm，充分泵浦時(shí)，噪聲系數(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(hào)光和泵浦光也是在近軸部分最強(qiáng)，這使得光與物質(zhì)作用很