光电技术实验-掺铒光纤放大器

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1、掺铒光纤放大器(EDFA)特性参数测量一、实验目的1.了解掺铒光纤放大器的工作原理及相关特性；2.掌握掺铒光纤放大器性能参数的测量方法；二、实验原理掺铒光纤放大器(ErDropedFiberAmplifier,EDFA)的出现是光纤通信发展史上一个重要里程碑。1986年英国南安普敦大学制作出了最初的掺铒光纤放大器。在此之前，由于不能直接放大光信号，所有的光纤通信系统都只能采用光-电-光中继方式。光纤放大器可直接放大光信号，这就可使光-电-光中继变为全光中继。这是一次极为重要的飞跃，把光通信推向了一个新的阶段，其意义可与当年用晶体管代替电子

2、管相提并论。当作为掺铒光纤放大器泵浦源的0.98um和1.48um的大功率半导体激光器研制成功后，掺铒光纤放大器趋于成熟，进入了实用化阶段。掺铒光纤放大器的意义不仅在于可进行全光中继，它还在多方面推动了光纤通信的发展，引起了光纤通信的革命性变革。其中最突出的是在波分复用(WDM)光纤通信系统中的应用。波分复用是在一根光纤上传输多个光信道，从而充分利用光纤带宽，有效扩展通信容量的光纤通信方式。由于掺铒光纤放大器具有约40nm的极宽带宽，可覆盖整个波分复用信号的频带，因而用一只掺铒光纤放大器就可取代与信道数相应的光一电一光中继器，实现全光中继

3、。这极大地降低了设备成本，提高了传输质量。这一优越性推动了波分复用技术的发展。现在EDFA+WDM已成为高速光纤通信网发展的主流，代表新一代的光纤通信技术。（1）EDFA的工作原理铒(Er)是一种稀土元素(属于镧系元素)，原子序数是68，原子量为167．3。EDFA利用了镧系元素的4f能级，图1是Er+3的能级图。在掺铒光纤中．由于石英基质的作用，4f的每一个能级分裂成一个能带。图中4I15/2能带称为基态；4I13/2能带称为亚稳态，在亚稳态上粒子的平均寿命时间达到10ms。4I11/2能带为泵浦态，粒子在泵浦态上的平均寿命为1us。除

4、图中标出的吸收带外，Er+3还有800nm等其它吸收带。由于980nm和1480nm大功率半导体激光器已完全商用化，并且泵浦效率高于其它波长，故得到了最广泛的应用。掺铒光纤之所以能放大光信号的基本原理在于Er+3吸收泵浦光的能量，由基态4I15/2跃迁至处于高能级的泵浦态。对于不同的泵浦波长，8电子跃迁至不同的能级，当用980nm波长的光泵浦时，如图1所示，Er+3从基态跃迁至泵浦态4I11/2，，由于泵浦态上载流子的寿命时间只有1us，电子迅速以非辐射方式由泵浦态豫驰至亚稳态。在亚稳态上载流子有较长的寿命（10ms），在源源不断的泵浦下

5、，亚稳态上的粒子数积累，从而实现了亚稳态和基态间的粒子数反转分布。当有1550nm的信号光通过已被激活的掺铒光纤时，在信号光的感应下，亚稳态上的粒子以受激辐射的方式跃迁到基态。对应于每一次跃迁，都将产生一个与感应光子完全一样的光子，从而实现了信号光在掺铒光纤的传播过程中不断放大。在放大过程中，亚稳态的粒子也会以自发辐射的方式跃迁到基态，自发辐射产生的光子也会被放大，这种放大的自发辐射(ASE：AmplifiedSpontaneousEmission)会消耗泵浦功率并引入噪声。当用1480am波长的光泵浦时，Er+3从基态跃迁至亚稳态能带的

6、上部，然后粒子迅速以非辐射方式由迅速在亚稳态上重新分布，实现粒子数的反转分布。图1Er+3的能级图（2）EDFA的结构掺铒光纤放大器(简称EDFA)采用掺饵离子单模光纤作为增益介质，在泵浦光激发下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大，其结构如图2所示。泵浦光由半导体激光器(LD)提供，与被放大信号光一起通过光耦合器或波分复用耦合器注入掺饵光纤(EDF)。光隔离器用于隔离反馈光信号，提高稳定性。光滤波器用于滤除放大过程中产生的噪声。为了提高EDFA的输出功率，泵浦激光亦可从EDF的末端(放大器输出端)注入，或输入输出端同时注入，分

7、别如图2(a)、(b)、(c)所示。这三种结构的EDFA分别称作前向泵、后向泵和双向泵掺铒光纤放大器8。双向泵浦可以采用同样波长的泵浦源，也可采用1480nm和980nm双泵浦源方式。980nm的泵浦源工作在放大器的前端，用以优化噪声性能；1480nm泵浦源工作在放大器后端，以便获得最大的功率转换效率，这种配置既可以获得高的输出功率，又能得到较好的噪声系数。图2掺铒光纤放大器的基本结构(a)前向或正向泵浦结构；(b)后向或反向泵浦结构；(c)双向泵浦结构图3给出了实用EDFA的外形结构图。8图3实用EDFA的外形结构图(3)EDFA的增益

8、特性增益G是描述光放大器对信号放大能力的参数。定义为：①增益谱G(l)：增益G与信号光波长l的关系。如图4所示，光放大器的增益谱不平坦。图4EDFA增益与信号光波长关系图②小信号增益与泵浦光功