【正文】 但它們中一部分是自發(fā)輻射落到較低的能帶上的 , 當(dāng)它們衰變時 ， 這些載流子自發(fā)地輻射光子 。 另外 ， 增益還與泵浦條件 (包括泵浦功率和泵浦波長 )有關(guān) ， 目前采用的主要泵浦波長是 980 nm和 1480 nm。 泵浦功率小時輸出光功率增加很快 ， 隨著泵浦功率增加 ， 放大器增益出現(xiàn)飽和 ， 即泵浦功率增加很多 ， 而增益基本保持不變 ， 此時放大器的增益效率將隨著泵浦功率的增加而下降 。 增益大小與多種因素如光纖中的摻鉺濃度 、 泵浦光功率 、 光纖長度 、 泵浦光的波長等因素有關(guān)聯(lián) 。 第 6章 光放大器 EDFA的增益與帶寬 增益特性代表了放大器的放大能力 ， 其定義為輸出功率與輸入功率之比 。 （ 8） 增益時間常數(shù)較大 。 （ 6） 與光纖的耦合損耗小 （ 1 dB） 。 （ 4） 動態(tài)范圍大 。 （ 2） 放大的譜寬與目前 WDM系統(tǒng)的光譜范圍一致 ， 適合于 WDM光纖通信 。 （ 3） 雙向泵浦是同向泵浦與反向泵浦結(jié)合的方式 ， 它們的原理框圖分別示于圖 （ a） 、 (b)、 (c)。 第 6章 光放大器 (1) 同向泵浦是一種信號光與泵浦光以同一方向從摻鉺光纖的輸入端注入的結(jié)構(gòu) ， 也稱為前向泵浦 。 如果沒有光隔離器 ， 光反射將降低放大器的增益并附加噪聲 ， 如圖 。 WDM合波 /分波器能有效地將信號光和泵浦光耦合進 /出摻鉺光纖。 為了獲得增益， 光能必須注入摻鉺光纖中， 我們把這種能量稱為泵浦， 它以 980 nm或 1480 nm的波長傳送光能。 第 6章 光放大器 EDFA的組成結(jié)構(gòu) 圖 EDFA的基本組成， 包括： 泵浦激光、 波分復(fù)用 (WDM)耦合器、 光隔離器和摻鉺光纖（ EDF）。 第 6章 光放大器 在鉺粒子受激輻射的過程中 ， 有少部分粒子以自發(fā)輻射形式自己躍遷到基態(tài) ， 產(chǎn)生帶寬極寬且雜亂無章的光子 ， 并在傳播中不斷地得到放大 ， 從而形成了自發(fā)輻射放大 ASE(Amplified Spontaneous Emission)噪聲 ， 并消耗了部分泵浦功率 ， 因此 ， 需增設(shè)光濾波器以降低 ASE噪聲對系統(tǒng)的影響 。 在泵浦光的激勵下 ， 4I11/2能級上的粒子數(shù)不斷增加 ， 又由于其上的粒子不穩(wěn)定 ， 很快躍遷到亞穩(wěn)態(tài) 4I13/2能級 ， 從而實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 。 第 6章 光放大器 圖 摻鉺光纖芯層的幾何模型 摻 鉺 高 密 度 帶( 1 0 0 ～ 2 0 0 0 p p m )直徑 3 ～ 6 ? m摻 鍺 的 纖 芯直徑 1 2 5 ? mS i O2包層直徑 2 5 0 ? m 涂 覆 層第 6章 光放大器 圖 鉺的能級圖 4I11 / 2泵浦9 8 0 n m4I15 / 21 5 5 0 n m4I13 / 2泵浦1 4 8 0 n m受 激 輻 射亞 穩(wěn) 態(tài)高 能 態(tài)基 態(tài)第 6章 光放大器 鉺的能級圖如圖 。 第 6章 光放大器 環(huán)繞在纖芯外的折射率較低的玻璃包層則完善了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)并提供了抗機械強度的特性 ， 保護層的加入則將光纖總直徑增大到 250 μm。 除了所摻的鉺以外， 這種光纖的構(gòu)造與通信中單模光纖的構(gòu)造一樣， 如圖 。 常見的強度噪聲類型有 : ① 散粒噪聲； ② 信號與自發(fā)輻射差拍噪聲 (簡稱 SISP噪聲 )； ③ 自發(fā)輻射與自發(fā)輻射差拍噪聲 (簡稱 SPSP噪聲 )等 。 光場噪聲指由光譜分析儀 （ OSA） 測量出的光噪聲譜 ， 如光放大器中輸出的ASE(放大的自發(fā)輻射 )噪聲是這種噪聲的主要部分 。 (5) 增益波動 : 是增益帶寬內(nèi)的增益變化范圍 （ 以 dB為單位 ） 。 第 6章 光放大器 (4) 增益飽和 : 一般情況下輸入信號應(yīng)該足夠大 ， 以便能引起放大器的飽和增益 。 (2) 增益效率 : 是增益對輸入光功率的函數(shù) 。 第 6章 光放大器 摻鉺光纖放大器 EDFA 光纖放大器是提升衰減的光信號 ， 延長光纖的傳輸距離的關(guān)鍵器件 。 人們經(jīng)過很大的努力 ， 終于研制成功了全光放大器 ， 它可同時對多個波長進行放大 。 另一方面 ， 對于很高的數(shù)據(jù)速率 ， 電放大器的實現(xiàn)難度很大 。 它們的功能如圖 。 第 6章 光放大器 根據(jù)不同的要求， 可將再生器分為三種類型 : 只有放大和均衡功能的 1R再生器， 用于模擬信號的傳輸 。第 6章 光放大器 第 6章 光放大器 引言 摻鉺光纖放大器 EDFA 受激拉曼光纖放大器 SRA 受激布里淵光纖放大器 SBA 其他光纖放大器 半導(dǎo)體光放大器 SOA 第 6章 光放大器 光放大器的應(yīng)用 光纖激光器 光波長變換器 第 6章 光放大器 引 言 在光放大器研制成功之前 ， 主要采用光電混合中繼器 （ 或稱再生器 ） 放大光信號 。 首先將光纖中送來的光信號轉(zhuǎn)換為電信號 ， 然后對電信號進行放大 ， 最后再將放大了的電信號轉(zhuǎn)換為光信號送到光纖中去 ， 如圖 。 2R再生器， 即在 1R的基礎(chǔ)上加上數(shù)字信號處理 (如整形(Reshaping))的再生器； 3R再生器， 即在 2R的基礎(chǔ)上再增加重新定時與判決功能（ Retiming）的再生器。 第 6章 光放大器 圖 傳統(tǒng)的中繼器原理框圖 光 電 變 換( O / E)放 大 器電 光 變 換( E/ O )光纖 光纖光 的 范 圍 電 的 范 圍 光 的 范 圍第 6章 光放大器 圖 三種再生器的功能 放大均衡 :頻 率 、 色 散1R1R2R數(shù) 字 整 形噪 聲 抑 制2R3R數(shù) 字 再 生( 定 時 、 判 決 )噪 聲 抑 制第 6章 光放大器 盡管這種方式對于單個波長且數(shù)據(jù)速率不太高的通信很適用 ， 但對于高速率的多個波長系統(tǒng)顯然是相當(dāng)復(fù)雜的 ， 每一波長就需一個再生器 ， 如有 N個波長就需要 N個這樣的再生器 ， 造價是相當(dāng)高的 。 因此 ， 人們試圖對光信號直接放大 ， 如果這種放大的帶寬較寬 ， 則可以同時對多個波長進行放大 ， 因而只需一個放大器即可 。 光放大器從功能上來看屬于 1R再生器 。 光纖放大器的主要特性如下： (1) 增益 : 是輸出光功率與輸入光功率的比值 （ 以dB為單位 ） 。 (3) 增益帶寬 : 是放大器放大信號的有效頻率范圍 。 飽和時的增益隨信號功率增加而減小 。 (6) 噪聲 : 與放大光信號有關(guān)的噪聲包括兩個方面： 光場噪聲和強度 /光電流噪聲 。 第 6章 光放大器 強度 /光電流噪聲是指與光束相聯(lián)系的功率或光電流的波動 ， 這種噪聲的譜寬典型值可達幾十 GHz。 第 6章 光放大器 EDFA的放大原理 鉺 (Er)是一種稀土元素， 在制造光纖過程中， 設(shè)法向其摻入一定量的三價鉺離子， 便形成了摻鉺光纖（ EDF）。 鉺離子位于 EDF的纖芯中央地帶， 將鉺離子放在這里有利于其最大地吸收泵浦和信號能量， 從而產(chǎn)生好的放大效果。 由于它的折射率較包層而言有所增加 ， 因而它可將任何不希望在其包層中傳播的光轉(zhuǎn)移掉 。 其發(fā)光原理可用三能級系統(tǒng)來解釋 ， 基態(tài)為 4I15/2， 激發(fā)態(tài)為 4I13/2， 4I11/2。 第 6章 光放大器 當(dāng)具有 1550 nm波長的光信號通過這段摻鉺光纖時 ， 亞穩(wěn)態(tài)的粒子以受激輻射的形式躍遷到基態(tài) ， 并產(chǎn)生出和入射光信號中的光子一模一樣的光子 ， 從而大大增加了信號光中的光子數(shù)量 ， 即實現(xiàn)了信號光在摻鉺光纖的傳輸過程中不斷被放大的功能 ， 摻鉺光纖放大器也由此得名 。 目前 ， 由于 980 nm和1480 nm的泵浦效率高于其他波長的泵浦效率 ， 因此它們得到了廣泛的應(yīng)用 ， 并已完全商用化 。 這些基本組件可以組成許多不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的放大器。 泵浦的功率典型范圍是 10～ 400 mW。 第 6章 光放大器 圖 EDFA的基本組成 輸入隔 離 器熔 接 頭摻 鉺 光 纖( ED F )W D M 耦 合 器泵 浦 激 光( 9 8 0 n m 或 1 4 8 0 n m )第 6章 光放大器 光隔離器將系統(tǒng)所產(chǎn)生的任何反射回放大器的光減小到一個可接受的水平 。 EDFA常用的結(jié)構(gòu)有三種 ， 即同向泵浦 、 反向泵浦和雙向泵浦 。 (2) 反向泵浦是一種信號光與泵浦光從兩個不同方向注入摻鉺光纖的結(jié)構(gòu) ， 也稱為后向泵浦 。 第 6章 光放大器 圖 EDFA的三種結(jié)構(gòu) ( a ) ( b )鉺光纖輸 入 光輸 出 光 信 號泵浦 LDW D M鉺光纖輸 入 光泵浦 LDW D M輸 出 光( c )鉺光纖輸 入 光