光纖放大器的工作原理

摻鉺光纖放大器的工作原理

Er3 能級(jí)圖及放大過(guò)程：摻鉺光纖放大器之所以能放大光信號(hào)的基本原理在于Er3＋吸收泵浦光的能量，由基態(tài)4I15/2躍遷至處于高能級(jí)的泵浦態(tài)，對(duì)于不同的泵浦波長(zhǎng)電子躍遷到不同的能級(jí)，當(dāng)用980nm波長(zhǎng)的光泵浦時(shí)，如圖15-1所示，Er＋3從基態(tài)躍遷至泵浦態(tài)4I11/2。由于泵浦態(tài)上的載流子的壽命只有1μs，電子迅速以非輻射方式由泵浦態(tài)豫馳至亞穩(wěn)態(tài)，在亞穩(wěn)態(tài)上載流子有較長(zhǎng)的壽命，在源源不斷的泵浦下，亞穩(wěn)態(tài)上的粒子不斷累積，從而實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。當(dāng)有1550nm的信號(hào)光通過(guò)已被激發(fā)的鉺光纖時(shí)，在信號(hào)光的感應(yīng)下，亞穩(wěn)態(tài)上的粒子以收集受激輻射的方式躍遷到基態(tài)，同時(shí)釋放出一個(gè)與感應(yīng)光子全同的光子，從而實(shí)現(xiàn)了信號(hào)光在摻鉺光纖的傳播過(guò)程中不斷放大。在放大過(guò)程中，亞穩(wěn)態(tài)上的粒子也會(huì)以自發(fā)輻射的方式躍遷到基態(tài)，自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子也會(huì)被放大，這種放大的自發(fā)輻射（ASE: Amplified Spontaneous Emission）會(huì)消耗泵浦光并引入噪聲。大氣環(huán)境多變的客觀性無(wú)法改變，要獲得更好更快的傳輸效果，對(duì)在大氣信道傳輸?shù)墓庑盘?hào)就提出了更高的要求，一般地，采用大功率的光信號(hào)可以得到更好的傳輸效果。

由于超高速率、大容量、長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)作為光纖通信領(lǐng)域的關(guān)鍵器件——光纖放大器在功率、帶寬和增益平坦方面提出了新的要求，因此，在未來(lái)的光纖通信網(wǎng)絡(luò)中，光纖放大器的發(fā)展方向主要有以下幾個(gè)方面：

(1)EDFA從C-Band向L-Band發(fā)展；

(2)寬頻譜、大功率的光纖拉曼放大器；

(3)將局部平坦的EDFA與光纖拉曼放大器進(jìn)行串聯(lián)使用，獲得超寬帶的平坦增益放大器；

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光纖放大器

EDFA的原理

EDFA的泵浦過(guò)程需要使用三能級(jí)系統(tǒng)，如圖1所示。在摻鉺光纖中注進(jìn)足夠強(qiáng)的泵浦光，就可以將大部分處于基態(tài)的Er3 離子抽運(yùn)到激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的Er3 離子又迅速無(wú)輻射地轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)。由于 Er3 離子在亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)上壽命較長(zhǎng)，因此很輕易在亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)信號(hào)光子通過(guò)摻鉺光纖時(shí)，與處于亞穩(wěn)態(tài)的Er3 離子相互作用發(fā)生受激輻射效應(yīng)，產(chǎn)生大量與自身完全相同的光子，這時(shí)通過(guò)摻鉺光纖傳輸?shù)男盘?hào)光子迅速增多，產(chǎn)生信號(hào)放大作用。Er3 離子處于亞穩(wěn)態(tài)時(shí)，除了發(fā)生受激輻射和受激吸收以外，還要產(chǎn)生自發(fā)輻射(ASE)，它造成EDFA的噪聲。當(dāng)輸進(jìn)光弱時(shí)，高能位電子的消耗減少并可從泵激得到充分的供給，因而，受激輻射就能維持達(dá)到相當(dāng)?shù)某潭取?

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