光纤放大器基础知识

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1、光纤放大器基础知识光纤放大器基础知识一.光纤放大器的原理结构掺铒光纤的放大原理EDFA的放大作用是通过1550nm波段的信号光在掺铒光纤中传输与Er3+离子相互作用产生的。在光与物质相互作用时，光可以被看作由光子组成的粒子束，每个光子的能量为：E=hv其中：E为光子的能量，v为光的频率，h为普朗克常数。掺铒光纤中的Er3+离子所出的能量状态是不能连续取值的，它只能处在一系列分立的能量状态成为能级上，这些能量状态成为能级。当在掺铒光纤中传输的光子能量与Er3+离子的某两个能级之间的能量差相等时，Er3+离子就会与光子发生相互作用，产生收激辐射和收激吸

2、收效应。受激辐射是指Er3+离子与光子相互作用从高能级跃迁到低能级，发射出一个与激发光子完全相同的光子（激光子的频率、相位、传播方向、偏振态相同）；受激吸收是指Er3+离子与光子相互作用从低能集跃迁到高能级，并且吸收激发光子。为了具体说明EDFA放大原理，图1给出了Er3+离子与光放大作用有关的能级结构。如图1所示，与Er3+离子产生光放大效应的能级由三个：高能态、亚稳态、基态。高能态与基态之间的能量差与泵浦光子能量相同，亚稳态与基态之间的能量与1550nm的光子能量相同。在掺铒光纤中注进足够强的泵浦光，就可以将大部分处于基态的Er3+离子抽运到高

3、能态上，处于高能态的Er3+离子又迅速无辐射地转移到亚稳态上。由于Er3+离子在亚稳态上能级寿命较长，因此，很轻易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转，即处于亚稳态的Er3+粒子数比处于基态的Er3+粒子数多。当信号光子通过掺耳光弦，与Er3+离子相互作用发生受激辐射效应，产生大量与自身完全相同的光子，这时通过掺耳光纤传输的信号光子迅速增多，产生信号放大作用；只有少数处于基态的Er3+离子队信号光子产生受激吸收效应，吸收光子。Er3+离子的亚稳态和基态具有一定的宽度，使EDFA的放大效应具有一定波长范围，其典型值维1530-1570nm。Er3+离子处

4、于亚稳态时，除了发生受激辐射和受激吸收以外，还要产生自发辐射，即Er3+离子在亚稳态上暂短停留还没有机会与光子相互作用，就会自发地从亚稳态跃迁到基态并发射出1550nm波段的光子，这种光子与信号光不同，它构成EDFA的噪声。由于自发辐射光子在掺铒光纤中传输时也会得到放大，因此在EDFA的输进光功率较低时，会产生较大的噪声。1.2光纤放大器的基本结构光纤放大器一般由五个基本部分组成，它们是掺铒光纤（EDF）、泵浦激光器（Pump-LD）、光无源器件、控制单元和监控接口（通讯接口）。其中光无源器件包括：波分复用器（WDM）、光隔离器（ISO）、光纤连接

5、器（FC/APC）和光耦合实在防止光路中反向光对EDFA的影响与通讯系统和光缆线路的连接变得轻易，光耦合器丛输进和输出光中分路出一部分光（5%左右）送到光探测器（PIN），由控制单元对光纤放大器的工作进行不中断的控制，监控借口向传输系统提供光纤放大器工作状态信息，确保光纤放大器作为传输系统的一个部件，纳进到同一的网络监控之中。图2给出了三种典型惨铒光纤放大器结构原理图。二.光纤放大器的应用光纤放大器与其他放大器比较，具有输出功率大、增益高、工作带宽宽、与偏振无关、噪声指数低、放大特性与系统比特率、数据格式无关等特点，它已成为新一代光通讯系统的关键器

6、件之一。掺铒光纤放大器用在系统发射机输出短，进步发送功率，延长传输间隔；用在光纤传输链路中，补偿光能量的损失，可增加传输间隔；用在光接收机前，对信号进行预防大，可进步光接收机灵敏度。应用范围包括干线高速光通讯系统、海缆系统、本地网、用户接进网、光纤CATV等工程。2.1功率放大器掺铒光纤放大器作为功率放大器有很多特殊功能是电子线路放大器所不能相比的，分述如下：2.1.1掺铒光纤放大器可用作数字、模拟以及相干光通讯的功率放大器。即假如线路上已采用掺铒光纤放大器做功率放大器，那么，不管它需要传输数字信号还是传输模拟信号，不必改变掺铒光纤放大器线路设备。

7、2.1.2掺铒光纤放大器可传输不同的码率。假如需要扩容，由低码率改变为高码率时，不必改变掺铒光纤放大器线路设备。2.1.3掺铒光纤放大器做功率放大器，可在不改变原有噪声特性和误码率的条件下，直接放大数字、模拟活二者混合的数据格式，特别适合光纤传输网络升级。实现语音、图像、数据同网传输，不必改变掺铒光纤放大器线路设备。2.1.4一个掺铒光纤放大器可同时传输若干波长的光信号，即用光波复用扩容时，不必改变掺铒光纤放大器线路设备。2.1.5掺铒光纤放大器做功率放大器，不必经过光电转换可以直接对光信号放大，结构简单，本钱低，性能稳定可靠。实践证实，使用掺铒光

8、纤放大器的光纤干线传输，经过近千公里的传输后的误码率人能达到。假如采用饱和功率为18dBm的放大器，可是实现160-200