光放大器的原理

摻鉺光纖放大器（Erbium-doped Optical Fiber Amplifier，EDFA）的組成基本上包括了摻鉺光纖，泵浦激光器，光合路器幾個(gè)部分。基于不同的用途，摻鉺光纖放大器已經(jīng)發(fā)展出多種不同的結(jié)構(gòu)。

EDFA的放大原理與雷射產(chǎn)生原理類(lèi)似，光纖中參雜的稀土族元素Er(3 )其亞穩(wěn)態(tài)（meta-stable state）和基態(tài)（ground state）的能量差相當(dāng)于1550nm光子的能量、

當(dāng)吸收適當(dāng)波長(zhǎng)的泵浦光能量（980nm或1480nm）后，電子會(huì)從基態(tài)躍遷到能階較高的激發(fā)態(tài)（exciting state），接著釋放少量能量轉(zhuǎn)移到較穩(wěn)定的亞穩(wěn)態(tài)、在泵浦光源足夠時(shí)鉺離子的電子會(huì)發(fā)生居量反轉(zhuǎn)（population reverse），即高能階的亞穩(wěn)態(tài)比能階低的基態(tài)電子數(shù)量多、當(dāng)適當(dāng)?shù)墓庑盘?hào)通過(guò)時(shí)，亞穩(wěn)態(tài)電子會(huì)發(fā)生受激輻射效應(yīng)，放出大量同波長(zhǎng)光子、但因?yàn)榇嬖谡駝?dòng)能階，所以波長(zhǎng)不是單一而是一個(gè)范圍，典型值為1530~1570nm、

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光放大器的發(fā)展趨勢(shì)

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(1)發(fā)展應(yīng)變補(bǔ)償?shù)臒o(wú)偏振、單片集成、光橫向連接的半導(dǎo)體光放大器光開(kāi)關(guān)；

(2)研發(fā)具有動(dòng)態(tài)增益平坦技術(shù)的光纖放大器；

(3)小型化、集成化光纖放大器。

隨著新材料、新技術(shù)的不斷突破，光纖放大器在1292~1660nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)獲得帶寬為300nm超寬帶將不是夢(mèng)想，Tbit/s DWDM光網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)將一定會(huì)實(shí)現(xiàn)。

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。為什么使用光線放大器在光纖放大器實(shí)用化以前，為了克服光纖傳輸中的損耗，每傳輸一段距離都要進(jìn)行“再生”，即把傳輸后的弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大、整改后，再去調(diào)制激光器，生成一定強(qiáng)度的光信號(hào)，即所謂的O—E—O光電混合中繼。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。

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