光纖放大器的工作原理

摻鉺光纖放大器的工作原理

Er3 能級圖及放大過程：摻鉺光纖放大器之所以能放大光信號的基本原理在于Er3＋吸收泵浦光的能量，由基態(tài)4I15/2躍遷至處于高能級的泵浦態(tài)，對于不同的泵浦波長電子躍遷到不同的能級，當用980nm波長的光泵浦時，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，從而實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。當有1550nm的信號光通過已被激發(fā)的鉺光纖時，在信號光的感應下，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)，同時釋放出一個與感應光子全同的光子，從而實現(xiàn)了信號光在摻鉺光纖的傳播過程中不斷放大。在放大過程中，亞穩(wěn)態(tài)上的粒子也會以自發(fā)輻射的方式躍遷到基態(tài)，自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子也會被放大，這種放大的自發(fā)輻射（ASE: Amplified Spontaneous Emission）會消耗泵浦光并引入噪聲。大氣環(huán)境多變的客觀性無法改變，要獲得更好更快的傳輸效果，對在大氣信道傳輸?shù)墓庑盘柧吞岢隽烁叩囊?，一般地，采用大功率的光信號可以得到更好的傳輸效果?

由于超高速率、大容量、長距離光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展，對作為光纖通信領(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，在未來的光纖通信網(wǎng)絡中，光纖放大器的發(fā)展方向主要有以下幾個方面：

(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的泵浦過程需要使用三能級系統(tǒng)，如圖1所示。在摻鉺光纖中注進足夠強的泵浦光，就可以將大部分處于基態(tài)的Er3 離子抽運到激發(fā)態(tài)，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)。由于 Er3 離子在亞穩(wěn)態(tài)能級上壽命較長，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)。當信號光子通過摻鉺光纖時，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，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?，產(chǎn)生信號放大作用。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(ASE)，它造成EDFA的噪聲。當輸進光弱時，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到相當?shù)某潭取?

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