掺铒光纤放大器电子

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1、光纤通信技术课程设计专业电子科学与技术班级电子3班学号姓名手机掺铒光纤放大器(EDFAErbium-DopedFiberAmplifier)的设计0概述光线通信中采用光纤来传输光信号，一般它会受到两个方面的限制：损耗和色散。就损耗而言，目前光纤的典型值在1.3um波段为0.35dB/km，在1.55um波段为0.20dB/km，由于光纤损耗的限制，所以在无中继传输距离一般为50—100km。20世纪80年代末期，波长为1.55um的摻铒光纤放大器（EDFAErbium-DopedFiberAmplifier）的研制成功并投入使用，打破了光纤通信传输距离受光纤色散和损耗的制

2、约，使全光通信距离延长至几千公里，给光纤通信带来了革命性变化，把光纤通信技术推向一个新的高度，成为光纤通信发展史上一个重要的里程碑。1摻铒光纤放大器的工作原理铒是一种稀土元素，原子序数三68，原子量为167.3。铒的自由离子具有不连续的能级，当Er3+被结合到硅光纤时，它们的每个能级被分裂为许多紧密相关的能级---能带。而能带的作用是，第一：使EDFA对光信号的放大不只是单个波长而是一组波长的能力，即在一段波长范围内的光波长都可以得到放大；第二：避免了细调泵浦激光波长。下图1是掺铒光纤放大器的工作原理，说明了光信号被放大的原因。EDFA采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵

3、浦光作用下产生粒子数反转，信号光诱导实现受激辐射放大。从图1可以看出，在掺铒光纤放大器中，铒离子有三个能级：能级1代表基态，能量是最低的；能级2是亚稳态，处在中间能级；能级3代表激发态，能量最高。Er3+在未任何光激励的情况下，处于最低能级基态上。在泵浦光的作用下，当泵浦光的光子能量等于能级3和能级1的能量差时，电子不断从基态能级吸收泵浦光的能量跃迁到激发态，但是电子在激发态的生存期很短，而且激发态是很不稳定的，平均寿命为1us，电子迅速以“非辐射方式跃迁至亚稳态，在亚稳态上电子有较长的寿命，在源源不断的泵浦下，亚稳态上的粒子数积累，从而实现粒子数反转分布；铒离子被泵浦光

4、不断地泵浦到亚稳态上，此时电子在亚稳态上生存期较长（~10ms），不断地积累实现粒子数反转分布。图1如果输入信号光的光子能量等于能级2和能级1的能量差，则处于能级2的铒离子将跃迁至基态，产生受激辐射，并产生与输入光子完全一样（具有相同波长、相同方向和相同相位）的光子，从而实现信号光的放大。因此，简单地说，EDFA放大就是把泵浦能量转换为信号光的能量，而且它的效率很高。2泵浦源选择980nm的泵浦光如下图2是泵浦源为980nm时的摻铒光纤放大器光路结构方框图。图中WDM耦合器的是指波长敏感型光纤耦合器（WDM），将泵浦光和信号光复用耦合进EDF，作用是把输入的光信号耦合到光

5、纤。隔离器的作用是阻止反射光保证光信号正向传输的器件、防止反射光影响EDFA的工作稳定性。光隔离器是一种只允许光沿一个方向通过而在相反方向阻挡光通过的光无源器件。它通过光纤回波反射的光能够被光隔离器很好的隔离，隔离度代表了光隔离器对回波隔离（阻挡）能力。图2下图3是泵浦源为980nm时的摻铒光纤放大器的电路图模块。图33如何选择980nm和1480nm的泵浦光源在980nm泵浦光的作用下，电子不断从基态能级吸收泵浦光的能量跃迁到激发态，但是电子在激发态的生存期很短，对于，平均寿命为1us，电子迅速以“非辐射方式跃迁至亚稳态，在亚稳态上电子有较长的寿命，在源源不断的泵浦下，

6、亚稳态上的粒子数积累，从而实现粒子数反转分布；电子被1480nm的泵浦光不断地泵浦到亚稳态上，此时电子在亚稳态上生存期较长（~10ms），不断地积累实现粒子数反转分布，如图1所示。泵浦效率等因素的影响，980nm、1480nm半导体激光器更适合于EDFA的泵浦光源，而且这两种半导体激光器已经得到很好的商用化。另外，980nm相对于1480nm而言，增益高、噪声小，是目前EDFA的首选泵浦光源。但是由于光纤对1480nm的光损耗较小，所以1480nm泵浦光常用于遥泵方式。4掺铒光纤放大器的性能特性（1）增益G增益是评价一个光放大器时的第一特性，是输出光功率与输入光功率之比。

7、即：G=Pout/Pin以分贝表示：◆增益饱和（饱和输出功率）：当Pin增大到一定值后，光放大器的增益G开始下降。如下图4.◆饱和输出功率：增益相对小信号增益减少3dB时的输出信号的光功率称为饱和输出功率。图4◆增益G是激励光纤长度的函数。EDF中泵浦租用是沿激励光纤长度提供的，对于一定的泵浦光功率，如果EDF的长度超过了一定的范围，泵浦光功率沿光纤衰减，然后消耗到阈值功率以下，信号光将会受到越来越小的增益，并且最终经受损耗，EDF有一最佳长度，它与光纤的特性有关，如：掺杂浓度、增益带宽等。◆小信号增益随泵浦功率而变，对于给定