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掺铒光纤放大器
掺铒光纤放大器是利用掺铒光纤这一活性介质，当泵浦光输入到EDF 中时，就可以将大部分处于基态的Er3+抽运到激发态上，处于激发态的Er3+又迅速
无辐射地转移到亚稳态上，由于Er3+在亚稳态上的平均停留时间为10ms，因
此很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转，此时，信号光子通过掺铒光纤，在受激辐射效应作用下产生大量与自身完全相同的光子，使信号光子迅速增多，这样在输出端就可以得到被不断放大的光信号。
自80 年代末至90 年代初研制成掺铒光纤放大器(EDFA)，并开始应用于
1.55mm 频段的光纤通信系统以来，推动了光纤通信向全光传输方向发展，且
目前EDFA 的技术开发和商品化最成熟;应用广泛的C 波段EDFA 通常工作在1530~1565nm 光纤损耗最低的窗口，具有输出功率大、增益高、与偏振无关、噪声指数低、放大特性与系统比特率和数据格式无关，且同时放大多路波长信
号等一系列的特性，在长途光通信系统中得到了广泛的应用。
其不足是C-Band EDFA 的增益带宽只有35nm，仅覆盖石英单模光纤低损耗窗口的一部分，制约了光纤固有能够容纳的波长信道数;然而随着因特网技术的迅速发展，要求光纤
传输系统的传输容量要不断地扩大，面对传输容量的扩大，目前主要有三种解
决途径：
(1)增加每个波长的传输速率;
(2)减少波长间距;
(3)增加总的传输带宽。
对于第一种办法，如果速率提高到10Gbit/s 将带来新的色散补偿问题，况且
现在的电子系统还存在着所谓电子瓶颈效应问题。
第二种办法如果将信号间距
从100GHz 降低到50GHz 或25GHz 将给系统带来四波混频(FWM)等非线性效。
6.2 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器（EDFA）基本原理：铒离子吸收泵浦光的能量，实现粒子数反转分布，受激辐射产生与入射光子完全一样的光子。
EDFA的特点工作波长与光纤最小损耗波长窗口一致；对掺铒光纤进行激励所需要的泵浦光功率较低； 增益高、噪声低、输出功率高。
连接损耗低。
长度为10m~100m左右的掺铒光纤，铒离子的掺杂浓度一般为25mg/kg左右半导体激光器，输出功率为10~100mW，工作波长为0.98μm或1.48μm。
将信号光和泵浦光耦合在一起。
保证信号单向传输滤除噪声，提高信噪比EDFA 结构及工作原理铒离子能级分布泵浦能带快速非辐射衰变亚稳态能带5EDFA泵浦方式EDFA的内部按泵浦方式分，有三种基本的结构：即同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。
同向泵浦信号光与泵浦光以同一方向从掺铒光纤的输入端注入的结构，也称为前向泵浦。
反向泵浦信号光与泵浦光从两个不同方向注入进掺铒光纤的结构，也称后向泵浦。
双向泵浦同向泵浦和反向泵浦同时泵浦的结构。
不同泵浦方式性能差异（1）（2）（3）8EDFA性能参数1.功率增益2.输出功率特性3.噪声特性功率增益功率增益:输出功率与输入功率之比。
12输出功率噪声EDFA的主要噪声种类：①信号光的散粒噪声；②被放大的自发辐射光的散粒噪声；③自发辐射光谱与信号光之间的差拍噪声；④自发辐射光谱间的差拍噪声。
13EDFA的应用EDFA的基本应用：（1）延长中继距离；（2）与波分复用技术结合。
（3）与光孤子技术结合。
（4）与CATV等技术结合。
14。
掺铒光纤放大器的原理宝子，今天咱们来唠唠一个超酷的东西——掺铒光纤放大器。
你可别一听这名字就觉得它是那种特别高深莫测、让人望而却步的玩意儿。
其实呀，它的原理就像一场超级有趣的小魔法呢。
咱先从光纤说起哈。
光纤就像是一条超级细长的小管道，光就在这个管道里跑来跑去的。
那你想啊，光在里面跑着跑着，可能就会变弱啦，就像人跑着跑着没力气了一样。
这时候呢，掺铒光纤放大器就闪亮登场啦。
这个掺铒光纤放大器里有个很关键的东西，就是铒元素。
铒元素就像是一群活力满满的小助手，被掺到光纤里面。
当光通过这个含有铒元素的光纤段的时候，就像是一群小蚂蚁遇到了一大堆美食。
铒元素呢，它们有特殊的本事，能够和光产生相互作用。
光其实是一种能量，有不同的频率和波长啥的。
铒元素就对特定频率的光特别感兴趣。
当这个特定频率的光过来的时候，铒元素就像个热情的接待员，它会吸收这个光的能量。
不过呢，铒元素可不是那种把能量吞了就不吐出来的小气鬼。
它吸收了能量之后呀，就像是给自己充满了电一样，然后又把能量以光的形式再释放出去，而且释放出来的光比原来进去的光还要强呢。
这就像是一个小魔法，把光变得更有力量啦。
你可以想象一下，光就像一群小绵羊，本来有点没精打采的，经过铒元素这个魔法草地，吃了魔法草，一下子就变得精神抖擞，而且数量还变多了呢。
这个过程其实是非常复杂又很奇妙的原子层面的反应哦。
铒原子内部的电子状态会发生改变，就像小绵羊从一个懒洋洋的状态变成了活力四射的状态。
而且呀，这个掺铒光纤放大器还有个很棒的特点。
它可以在比较长的距离上对光进行放大。
就好比一条长长的高速公路，沿途有很多这样的小魔法站，光在传输的过程中不断地被加强，这样就可以让光信号传输得更远更稳定啦。
这对于咱们现代的通信啥的可太重要了呢。
要是没有这个小宝贝，咱们的网络信号可能就传不了那么远，咱们就不能畅快地刷视频、聊微信啦。
再往深一点想哈，这个掺铒光纤放大器就像是光的一个超级贴心的小管家。
它知道光什么时候需要能量补充，然后就恰到好处地给光注入新的活力。
光电技术实验-掺铒光纤放⼤器掺铒光纤放⼤器(EDFA)特性参数测量⼀、实验⽬的1.了解掺铒光纤放⼤器的⼯作原理及相关特性；2.掌握掺铒光纤放⼤器性能参数的测量⽅法；⼆、实验原理掺铒光纤放⼤器(Er Droped Fiber Amplifier,EDFA)的出现是光纤通信发展史上⼀个重要⾥程碑。
1986年英国南安普敦⼤学制作出了最初的掺铒光纤放⼤器。
在此之前，由于不能直接放⼤光信号，所有的光纤通信系统都只能采⽤光-电-光中继⽅式。
光纤放⼤器可直接放⼤光信号，这就可使光-电-光中继变为全光中继。
这是⼀次极为重要的飞跃，把光通信推向了⼀个新的阶段，其意义可与当年⽤晶体管代替电⼦管相提并论。
当作为掺铒光纤放⼤器泵浦源的0.98um和1.48um的⼤功率半导体激光器研制成功后，掺铒光纤放⼤器趋于成熟，进⼊了实⽤化阶段。
掺铒光纤放⼤器的意义不仅在于可进⾏全光中继，它还在多⽅⾯推动了光纤通信的发展，引起了光纤通信的⾰命性变⾰。
其中最突出的是在波分复⽤(WDM)光纤通信系统中的应⽤。
波分复⽤是在⼀根光纤上传输多个光信道，从⽽充分利⽤光纤带宽，有效扩展通信容量的光纤通信⽅式。
由于掺铒光纤放⼤器具有约40nm的极宽带宽，可覆盖整个波分复⽤信号的频带，因⽽⽤⼀只掺铒光纤放⼤器就可取代与信道数相应的光⼀电⼀光中继器，实现全光中继。
这极⼤地降低了设备成本，提⾼了传输质量。
这⼀优越性推动了波分复⽤技术的发展。
现在EDFA+WDM已成为⾼速光纤通信⽹发展的主流，代表新⼀代的光纤通信技术。
（1）EDFA的⼯作原理铒(Er)是⼀种稀⼟元素(属于镧系元素)，原⼦序数是68，原⼦量为167．3。
EDFA利⽤了镧系元素的4f能级，图1是Er+3的能级图。
在掺铒光纤中．由于⽯英基质的作⽤，4f的每⼀个能级分裂成⼀个能带。
图中4I15/2能带称为基态；4I能带称为亚稳态，在亚稳态上粒⼦的平均寿命时间达到10ms。
4I11/2能带为13/2泵浦态，粒⼦在泵浦态上的平均寿命为1us。
掺铒光纤放大器的工作原理动
掺铒光纤放大器的工作原理如下：
1. 掺铒光纤：掺铒光纤是一种光纤材料，其中掺入了铒离子。
铒离子具有特殊的能级结构，可以吸收和发射特定频率的光信号。
2. 泵浦光源：掺铒光纤放大器使用泵浦光源来提供能量，激发掺铒光纤中的铒离子。
常见的泵浦光源包括激光二极管和光纤激光器。
3. 泵浦光激发：泵浦光源提供的能量被吸收到掺铒光纤中的铒离子上，使其处于高能级激发态。
4. 铒离子跃迁：在高能级激发态下，铒离子会经历自发跃迁或受到外界光信号的刺激而跃迁到低能级，释放能量。
5. 光信号放大：当外界光信号通过掺铒光纤时，铒离子会吸收光信号的能量，并通过受激辐射的过程放大原始信号。
6. 光信号增强：经过多次反射和放大，原始信号在掺铒光纤中得到了增强，从而实现光信号的放大。
总结起来，掺铒光纤放大器通过掺入铒离子的光纤材料来实现光信号的放大。
当
外界光信号通过掺铒光纤时，铒离子会吸收光信号的能量并放大原始信号，使得光信号增强。
这种放大器适用于光通信和光传感等领域，可以提高光信号的传输距离和质量。
掺铒光纤放大器的工作原理掺铒光纤放大器是一种将输入信号进行放大的设备，它用掺有少量的铒离子的光纤作为放大介质，在光纤中的铒离子受到激光光子的激发后，会产生放大的荧光信号，在光纤中传播并放大输入信号。
掺铒光纤放大器具有增益大、噪声小、稳定性好等特点，是光通信和光传感领域中广泛使用的重要设备。
掺铒光纤放大器的工作原理主要涉及到掺铒光纤中的铒离子、基于激光器的光源和光纤耦合器等方面。
下面将从这些方面详细介绍掺铒光纤放大器的工作原理。
一、掺铒光纤中的铒离子掺铒光纤的制备过程中，在非常纯净的二氧化硅（SiO2）玻璃内加入了少量的铒离子（Er3+），通常铒离子的摩尔分数在0.1%至1.0%之间。
这些铒离子会在光纤中形成能级结构，以便通过激光器来激发它们。
当铒离子受到一个在适当波长范围内的激励光子时（通常在980至1480纳米之间），它们会吸收这些光子并将它们的原子能级提升到一个更高的激发态能级。
接着，铒离子会从高激发态能级中产生自发辐射荧光，并向下跃迁到一个较低的能级。
这种过程中所产生的荧光光子的波长通常在1500纳米左右，这种波长范围也称为雪崩区域。
二、基于激光器的光源掺铒光纤放大器需要用到激光器作为输入信号的光源，激光器通常是基于半导体技术的光源。
通常情况下，用于掺铒光纤放大器的激光器被称为泵浦光源，这是因为它们的主要作用是激励光纤中的铒离子产生放大荧光信号。
泵浦光源通常采用激光二极管（LD）或光纤激光器（FP）、DFB（调制反馈）激光器等器件，可选择的泵浦光源范围很广，包括735、980、1480等纳米波段。
三、光纤耦合器光纤耦合器是将光源的输出光束耦合到放大器光纤中的设备，它可以使光源的输出尽可能有效地耦合到光纤中，并且降低光纤的损耗。
在掺铒光纤放大器中，光纤耦合器将泵浦光源的输出光束耦合到掺铒光纤中，并激发铒离子进行光放大。
光纤耦合器一般有径向耦合器、光栅耦合器、双光纤耦合器和光纤连接器等类型。
径向耦合器将输入和输出光纤正对光学轴，通过一定的设备使局部光场光强变化，从而实现光束的耦合；光栅耦合器利用光栅的衍射效应，使光束在光栅衍射角处尽可能高的衍射效应，使输出光束尽量向光纤的中心传输，从而实现光束的耦合；双光纤耦合器则是利用两个光纤直接接触的方式来实现耦合。
掺饵光纤放大器物电学院08电子一班侯进：200840620110概论光纤通信中采用光纤来传输光信号，一般它受到两方面的限制:损耗和色散。
就损耗而言，目前光纤损耗的典型值在1.3μm波段为0.35dB/km，在1.55μm波段为0.20dB/km。
由光纤损耗限制的光纤无中继传输距离为50-100km. 90年代初期EDFA的研制成功，打破了光纤通信传输距离受光纤损耗的限制，使全光通信距离延长至几千公里，给光纤通信带来了深刻的变化。
一般，光放大器都由增益介质、泵源、输入输出耦合结构组成。
根据增益介质的不同，目前主要有两类放大器，一类采用活性介质，如半导体材料和掺稀土元素的光纤。
掺稀土光放大器，是在光纤芯层中掺入极小浓度的稀土元素，如饵、谱或铥等离子制作出相应的掺饵、掺镨或掺铥光纤。
光纤中掺杂离子在受到泵浦光激励后跃迁到亚稳定的高激发态，在信号光诱导下，产生受激辐射，形成对信号光的相干放大。
主要有: 掺铒光纤放大器（EDFA－Erbium Doped Fiber Amplifier）、掺镨光纤放大器 (PDFA- Praseodymium Doped Fiber Amplifier) 和掺铥光纤放大器 (TDFA- Thulium Doped Fiber Amplifier) 等；另一类基于光纤的非线性效应，利用光纤的非线性实现对信号光放大的一种激光放大器。
当光纤中光功率密度达到一定阈值时，将产生受激喇曼散射(SRS- Stimulated Raman Scattering)或受激布里渊散射(SBS-Stimulated Brillouin Scattering)，形成对信号光的相干放大，如光纤喇曼放大器(FRA－Fiber Raman Amplifier)和光纤布里渊放大器(FBA- Fiber Brillouin Amplifier)。
本文仅对EDFA作相应的讨论。
一、铒离子的电子能级图----铒(E r)是一种稀土元素(属于镧系元素),原子序数是68,原子量为167.3。
按常规电子能级的光谱命名方法，铒离子的电子能级如图1-1所示，描述铒离子Er3+的能级，用量子数S（电子轨道角动量的矢量加和）、L（电子自旋运动的矢量加和）、J(和再耦合，可得到总角动量)来表示。
通常用大写的英文字母S、P、D、F、G、H、I、……分别表示L＝0，1，2，3，4，5，6，……的状态。
将数值2s＋1写在L的左上角，这样的符号2s＋1L称为光谱项。
用J表示光谱项中能级的进一步分裂。
符号2s＋1L J称为光谱支项。
对铒离子E r3+，量子数分别为：3156,,22L S J===，则其光谱支项2s＋1L J为4I15/2。
由下能级向上能级的跃迁则对应于光的吸收过程，而由上能级向下能级的跃迁则对应于光的发射过程。
E r3+的吸收过程主要发生在以下能级之间:从基态4I15/2到4I9/2，对应800nm波长，从4I15/2到4I11/2，对应980nm波长，从4I15/2到4I13/2，，对应1480nm波长。
E r3+的发射过程主要发生在从4I13/2到4I15/2能级，对应1530nm波长。
图1-1 铒离子的电子能级-----由图1-2可以看出，一些具有重要意义的跃迁过程主要是，铒离子的（光子）吸收和（荧光）发射过程分别发生在下列能级之间：吸收过程：从基态4 I 15/2 →⎢⎢⎢⎣⎡→→→)1480.0(I )0.980(I )0.800(I 13/2411/249/24波长对应波长对应波长对应nm nm nm 荧光发射：从激发态4 I 13/2 →4I 15/2 （对应1530nm 波长）E r 3+有许多不同的能级，而且容易受光纤基质的影响产生Stark 分裂，形成准能带。
参与光放大的主要有三个能级。
其中4I 15/2是基态能级(E 1)；4 I 13/2为受激发射上能级，这个能级是一个亚稳能级(E 2)，粒子具有较长的寿命（～10ms ）；4I 11/2是泵浦能级(E 3)，其上的粒子可以以无辐射跃迁的形式极快地转移到4 I 13/2能级上。
饵离子的三能级模型如图1-2所示：图1-24I 11/2-4I 15/2能级之间的跃迁对应980nm 的泵浦带，4I 13/2－4 I 15/2之间的能级跃迁对应1520nm-1570nm 的信号能带以及1460nm-1500nm 的泵浦带。
当采用1480nm 泵浦时，掺饵光纤(EDF)相当于一个二能级系统，吸收和辐射跃迁只涉及基态能级4 I 15/2和激发态能级4 I 13/2。
由于4 I 13/2处在亚稳态，因此很容易实现粒子数反转分布。
采用1480nm 泵浦的一个不利因素是存在泵浦波长上的受激辐射过程，这种过程将消耗处于激发态的粒子数，从而引起放大器增益、泵浦效率和噪声特性的劣化。
当采用980nm 泵浦时，掺饵光纤是一个三能级系统: E r 3+先从基态激发到泵浦能级上，然后很快衰变到上能级上。
由于上能级处于亚稳态，粒子在该能级上的寿命很长，容易聚集很多粒子形成粒子数反转分布。
在外部光激励下，E r 3+就会以受激发射的方式从上能级衰变到下能级(基态)，并发射光子实现对入射光的放大，放大的光波长取决于上下能级的能级差。
由于不存在泵浦波长上的受激辐射过程，因此与1480nm相比，采用980nm泵浦的EDFA将具有更好的泵浦效率和噪声特性。
二、掺铒光纤的光放大原理掺铒光纤之所以能放大光信号的基本原理在于E r3+吸收泵浦光的能量，由基态4 I15/2跃迁至处于高能级的泵浦态，对于不同的泵浦波长电子跃迁至不同的能级，当用980nm波长的光泵浦时，E r3+从基态跃迁至泵浦态4I11/2。
由于泵浦态上载流子的寿命时间只有1μs，电子迅速以非辐射方式又泵浦态衰变到亚稳态，在亚稳态上载流子有较长的寿命，在源源不断的泵浦下，亚稳态上的粒子数积累，从而实现了粒子数反转分布,如图1-3所示。
图1-4所示的是掺铒光纤的放大器。
图1-3 在泵浦光激发下实现粒子数反转分布图1-4 掺铒光纤的放大器当有1.55μm 信号光通过已被激活的掺铒光纤时，在信号光的感应下，亚稳态上的粒子以受激辐射的方式跃迁到基态。
对应于每一次跃迁，都将产生一个与感应光子完全一样的光子，从而实现了信号光在掺铒光纤的传播过程中不断放大，如图1-5所示。
图1-6所示的是掺铒光纤的放大器。
图1-5 在信号光的激励下实现光的放大图1-6 掺铒光纤的放大器三、掺饵光纤放大器的基本结构掺铒光纤放大器是由一段掺铒光纤(几十米左右长的掺饵石英光纤，芯径3--5μm,掺杂浓度25～1000 x 10-6)、泵浦光源(800nmLD阵列、980nm和1480nmLD)、光耦合器以及光隔离器等组成。
信号光与泵浦光在掺铒光纤内可以在同一方向（同向泵浦）、相反方向（反向泵浦）或两个方向（双向泵浦）传播，当信号光与泵浦光同时注入到掺饵光纤中时，饵离子在泵浦光的作用下激发到高能级上，并很快衰变到亚稳态能级上，形成粒子数反转，在入射信号光作用下回到基态时发射对应于信号光的光子，使信号得到放大。
输入端的光隔离器用于阻止反向的放大的自发辐射(ASE)沿光纤返回，输出端的隔离器用于防止可能的反馈以避免放大器发生自激。
泵浦源一般为具有高可靠性和高输出功率的半导体激光二极管，它可以提供数十至数百mw的输出功率。
光耦合器用于将不同波长的泵浦光与1550nm波段的信号光一起耦合至饵光纤内为前向（同向）泵浦掺铒光纤放大器，表示信号光和泵浦光同向进入掺铒光纤。
光隔离器用于隔离反馈光信号，提高稳定性。
这种结构噪声特性较好；后向（反向）泵浦掺铒光纤放大器，表示信号光和泵浦光从两个不同方向进入掺铒光纤。
这种结构具有较高的输出信号功率，但噪声特性较差；双向泵浦掺铒光纤放大器，表示两个泵浦光从两个相反方向进入掺铒光纤。
这种结构具有的输出信号功率最高，噪声特性也不差。
EDFA工作在1.55μm窗口的损耗系数较1.3μm窗口的低，仅0.2dB/km。
已商用的EDFA噪声低、增益特性好、带宽大，泵浦效率高，工作性能稳定，技术成熟，在现代长途高速光通信系统中备受青睐。
目前，“掺饵光纤放大器(EDFA)+密集波分复用 (DWDM－Dense Wavelength Division Multiplexing)+非零色散光纤 (NZDF－Zero Dispersion Fiber)+光子集成 (PIC－Photonic Integrated Circuit) "正成为国际上长途高速光纤通信线路的主要技术方向。
注：DWDM-激光的波长按照比特位并行传输或者字符串行传输方式在光纤内传送数据。
首先把引入的光信号分配给特定频带内的指定频率（波长，lambda），然后把信号复用到一根光纤中去，采用这种方式就可以大大增加已铺设光缆的带宽。
四、掺饵光纤放大器的特点EDFA之所以得到迅速的发展，源于它一系列突出的优点。
(1) EDFA的工作波长与光纤最小损耗窗口一致，恰好落在最佳波长区 (1300-1600nm):(2)因为EDFA的主体也是一段光纤，它与线路光纤的耦合损耗很小，甚至可达到0.1dB，耦合效率高。
因为是光纤型放大器，易于与传输光纤耦合连接，也可以用熔接在一起，熔接后反射损耗小;(3)能量转换效率高。
激光工作物质集中在光纤芯子中，且集中在光纤芯子中的近轴部分，饵信号光和泵浦光也是在光纤的近轴部分最强，这使得光与媒质的作用很充分;再加之有较长的作用长度，因而有较高的转换效率。
所需泵浦光功率较低(数十毫瓦)，泵浦效率却相当高，用980nm光源泵浦时，增益效率可达11dB/mW，用1480nm光源泵浦时为5.1 dB/mW；泵浦功率转换为输出功率的效率和吸收效率高于80%.(4)增益高、噪声低、输出功率大。
增益约为20-40dB。
输出功率在单光谱时可达14dBm，而在双泵浦时可达17dBm，甚至20dBm。
噪声指数低，一般为4～7dB:(5)频带宽，在1310nm和1550nm窗口各有20-40nm带宽，可以进行多信道传输，便于扩大传输容量，从而节省成本费用，对比特率高于2.5Gb/s的系统有利;(6)与半导体激光放大器不同，EDFA的增益特性与光纤极化状态无关，放大特性与光信号的传输方向也无关，当光纤放大器内无隔离器时，可以实现双向放大;在多信道应用中可以进行无串话传输;(注：所谓极化光纤(Poled Fiber) 是指对熔石英光纤外加直流强电场进行极化, 以及其它附加工艺处理后(如升温, 紫外照射, 激光注入等), 具有永久二阶非线性光学效应(例如电光效应, 倍频效应等) 的一种光纤功能器件。
极化光纤器件是一种新型的全玻璃光纤有源器件, 它充分利用了①熔石英光纤优良的透明性和很低的群速色散；②与晶体材料的非线性光学器件或电光器件相比, 它的制造成本很低, 易集成化和封装简便；③具有较高的光学损伤阈值；④具有较高的可靠性和较低的插入损耗。
