摻鉺光纖的放大原理

　　EDFA的放大作用是通過1550nm波段的信號光在摻鉺光纖中傳輸與Er³⁺離子相互作用產(chǎn)生的。在光與物質(zhì)相互作用時，光可以被看作由光子組成的粒子束，每個光子的能量為：

　　Ｅ=hv

　　其中：�。艦楣庾拥哪芰�， v為光的頻率，h為普朗克常數(shù)。

　　摻鉺光纖中的Er3+離子所處的能量狀態(tài)是不能連續(xù)取值的，它只能處在一系列分立的能量狀態(tài)上，這些能量狀態(tài)稱為能級。當(dāng)在摻鉺光纖中傳輸?shù)墓庾幽芰颗cEr³⁺離子的某兩個能級之間的能量差相等時，Er³⁺離子就會與光子發(fā)生相互作用，產(chǎn)生受激輻射和受激吸收效應(yīng)。受激輻射是指Er³⁺離子與光子相互作用從高能級躍遷到低能級，發(fā)射出一個與激發(fā)光子完全相同的光子（即光子的頻率、相位、傳播方向、偏振態(tài)相同）；受激吸收是指Er³⁺離子與光子相互作用從低能級躍遷到高能級，并且吸收激發(fā)光子。為了詳細(xì)說明EDFA的放大原理，下圖給出了Er³⁺離子與光放大作用有關(guān)的能級結(jié)構(gòu)。

鉺離子能帶圖

　　如鉺離子能帶圖所示，與Er³⁺離子產(chǎn)生光放大效應(yīng)的能級有三個：激發(fā)態(tài)、亞穩(wěn)態(tài)、基態(tài)。激發(fā)態(tài)與基態(tài)之間的能量差與泵浦光子能量相同，亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)之間的能量差與1550nm的光子能量相同。

　　在摻鉺光纖中注入足夠強(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)上，處于激發(fā)態(tài)的Er³⁺離子又迅速無輻射地轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)上。由于Er³⁺離子在亞穩(wěn)態(tài)上能級壽命較長，因此，很容易在亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即處于亞穩(wěn)態(tài)的Er³⁺粒子數(shù)比處于基態(tài)的Er³⁺粒子數(shù)多。當(dāng)信號光子通過摻鉺光纖，與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，這時通過摻鉺光纖傳輸?shù)男盘柟庾友杆僭龆啵�產(chǎn)生信號放大作用；只有少數(shù)處于基態(tài)的Er³⁺離子對信號光子產(chǎn)生受激吸收效應(yīng)，吸收光子。Er³⁺離子的亞穩(wěn)態(tài)和基態(tài)具有一定的寬度，使EDFA的放大效應(yīng)具有一定波長范圍，其典型值為1530~1570nm。Er³⁺離子處于亞穩(wěn)態(tài)時，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，即Er³⁺離子在亞穩(wěn)態(tài)上短暫停留還沒有機(jī)會與光子相互作用，就會自發(fā)地從亞穩(wěn)態(tài)躍遷到基態(tài)并發(fā)射出1550nm波段的光子，這種光子與信號光不同，它構(gòu)成EDFA的噪聲。由于自發(fā)輻射光子在摻鉺光纖中傳輸時也會得到放大，因此在EDFA的輸入光功率較低時，會產(chǎn)生較大的噪聲。

　　摻鉺光纖放大器（EDFA）的組成，是一段不長的石英光纖，在纖芯中摻鉺離子。1.55μm波長窗口的光信號輸入至這段光纖的一端，而在另一端輸出。當(dāng)這段光纖受到波長0.98μm或1.48μm的半導(dǎo)體激光管輸出足夠大的功率抽引時，傳輸經(jīng)過一定波段寬度，1.55μm信號得到有用的功率增益和平坦的增益特性，也就是得到放大作用。由于光子從抽引至信號間有顯著的轉(zhuǎn)換效率，光纖的輸出信號得到較大的功率，并保持較低的噪聲系數(shù)，這樣的EDFA對一定的波段寬度提供有用增益和平坦特性，表明它們能對波分多路信號的每一路都提供放大作用，而平坦特性意味著，WDM各路同樣放大，不會相互間產(chǎn)生路標(biāo)串?dāng)_。EDFA能提供一定大的輸出功率，就可使WDM信號沿線路傳輸較長距離才需要再次放大，從而減少線路中間放大器的只數(shù)。EDFA能保持一定小的噪聲系數(shù)，就容許長距離線路沿線設(shè)置較多的放大器，而整個線路的噪聲累積不致太嚴(yán)重。

　　最初的EDFA是在波長1540~1560nm范圍的20nm寬度提供增益。它有兩段摻鉺光纖，各由980nm激光管經(jīng)過耦合器抽引。就是說，它是兩級放大：輸入級主要是提高增益，輸出級則是提供飽和的輸出功率，而兩級之間設(shè)置一個避免放大自發(fā)性發(fā)射的濾波器。后來，EDFA能在C波段1530~1565nm或1525~1560nm的35nm寬度提供平坦增益，在兩級之間設(shè)置增益均衡濾波器。這樣的EDFA已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用于長途線路的32路和64路的DWDM系統(tǒng)，光纖的傳輸容量加大為320Gb/s和640Gb/s。然而，EDFA并不停留在這樣的水平，而是準(zhǔn)備在L波段1565~1615nm,的50nm寬度同時提供平坦增益。進(jìn)一步的辦法是把C波段EDFA和L波段EDFA裝在一起聯(lián)合使用，兩者寬度相加，得到85nm，構(gòu)成寬度的W-EDFA。據(jù)最近報道，這種實(shí)際試驗(yàn)的W-EDFA是采用分開波段的結(jié)構(gòu)，在輸入端設(shè)置分波器，把輸入的寬帶信號分為C波段和L波段兩支，由兩支EDFA各自放大，在輸出端設(shè)置合波器，把放大過的C波段和L波段信號合并為一個寬波段的輸出信號。C波段EDFA和L波段EDFA各有3級，即3部分摻鉺光纖。這3級分別稱為色散補(bǔ)償級、增益均衡濾波級和功率級，它們的第1、2級都是各有一段摻鉺光纖，各由980nm激光管抽引。第1級各有色散補(bǔ)償光纖光柵，第2級各有增益均衡濾波器。C波段的第3級有一段摻鉺光纖，由980nm和1480nm抽引，而L波段的第3級則有3段摻鉺光纖，分別由980nm和1480nm抽引。這樣的兩個EDFA各自調(diào)整到同樣的增益、同樣的輸出功率和同樣的噪聲系數(shù)。只是它們組成W-EDFA后，波段是C和L兩個波段的總和，即40.8nm+43.5nm=84.3nm,有平坦效益24dB,每路輸出功率24.5dBm，噪聲系數(shù)6.5dB。這樣的W-EDFA曾與DWDM配合應(yīng)用于1Tb/s 400km的大容量、長距離傳輸系統(tǒng)。

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