掺饵光纤放大器 光纤通信课程设计
掺饵光纤放大器光纤通信课程设计
光纤通信课程设计题目：掺饵放大器
学院：物理与电子科学学院
年级专业： 08级电子<1>班
作者：侯进
学号： 200840620110
指导教师：刘广东
目录
概述 (3)
1. 铒离子的电子能级图 (3)
2. 掺铒光纤的光放大原理 (5)
3.掺饵光纤放大器的基本结构 (6)
4. 掺饵光纤放大器的特点 (7)
4.1 优点 (7)
4.2 缺点 (7)
5. 掺饵光纤放大器的应用 (8)
6. EDFA的增益特性 (8)
6.1 EDFA的放大特性 (8)
6.2 EDFA对增益的影响 (8)
7. 技术展望 (9)
参考文献 (9)
掺饵光纤放大器
概述
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
r 3+，量子数分别为：315
6,,
22
L S J
===，则其光谱支项2s
＋1L
J 为4I
15/2
。。
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
r
3+的吸收
过程主要发生在以下能级之间:从基态4I
15/2到4I
9/2
，对应
800nm 波长，从4I 15/2到4I 11/2，对应980nm 波长，从4I 15/2到4
I 13/2，，
对应1480nm 波长。E r 3+的发射过程主要发生在从4I 13/2到4I 15/2
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 →4
I 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1-2
4I
-4I15/2能级之间的跃迁对应980nm的泵浦带，4 I13/2－4 11/2
I15/2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 I15/2和激发态能级4 I13/2。由于4 I13/2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
3+先从基态激发到泵浦能级上，然后一个三能级系统: E
r
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
3+就会以受激发射的方式从上能布。在外部光激励下，E
r
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
r
3+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
r 3+从基态跃迁至泵浦态4I
11/2
。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。
这些都使它在许多领域有着广泛的应用前景。例如：在高速光纤通讯领域, 可作为光纤调制器, 可调制相位和偏
振态, 在适当的结构下, 还可调制振幅, 也可作为高速
光开关；在非线性光学领域, 可作为光学参量频率转换器件,光子对放大器, 例如利用三波混频, 以扩展高功率二极管激光器的波长范围; 在光纤传感领域, 其可调制特性, 可作为本征光纤传感器, 测量电压等参量; 带有布
拉格反射光栅的、集成化的电光有源光纤传感器在替代现有传感器上是非常吸引人的。
(7) 增益特性稳定。EDFA对温度不敏感，在100℃范围内，增益特性保持稳定;
(8) 中继器只有低速电子装置和几个无源器件，所以结构简单，可靠性高，体积小;
(9) 可以同时传输模拟信号和数字信号，高比特率信号和低比特率信号。当系统扩容时，可以只改动端机而不改动线路。对不同传输速率的数字体系具有完全的透明度，与准同步数字体系(PDH)和同步数字体系(SDH)的各种速率兼容，调制方案可以任意选择;
(10) EDFA需要的工作电流比光一电一光中继器小，因此可以大大减小所需电流，从而降低了对海底电缆和绝缘特性的要求:
(11) EDFA具有增益自动调整的能力，在放大器级联使用中可以自动补偿线路上损耗的增加，使系统经久耐用。EDFA也有其固有的缺点。
(1) 波长范围固定。只能放大1550nm左右波长的光波，可以调节的波长范围有限。
(2) 增益带宽不平坦。EDFA的增益谱宽大约40nm，但增益带宽不平坦。在光纤通信系统中需要采取特殊手段来进行增益谱补偿。
(3) 附加的噪声使接收机灵敏度退化。
(4) 光纤的色散和非线性效应可以无阻碍地得到积累。
五、掺饵光纤放大器的应用
EDFA在功能应用上可以分为用作远距离传输的线路放大器、用作光发射机输出的功率放大器和用作接收机前端的前置放大器。
(1) 功率放大器
把EDFA置于光发射机半导体激光器之后，光信号经EDFA 放大后进入光纤线路，从而使光纤传输的无中继距离增大，可达200km以上。具有输出功率大、输出稳定、噪声小、增益频带宽、易于监控等优点。
(2) 线路放大器
处于功率放大器之后，用于周期性地补偿线路传输损耗，一般要求比较小的噪声指数，较大的输出光功率。EDFA 作为线路放大器有许多特殊功能是电子线路放大器不可比拟的。
(3) 前置放大器
处于分波器之前，线路放大器之后，用于信号放大，提高接收机的灵敏度。EDFA具有接近量子极限的低噪声优点，因而可用作接收机的前置放大器以提高接收灵敏度，要求噪声指数很小，对输出功率没有太大的要求。把EDFA置于光接收机PIN光检侧器的前面，来自光纤的信号经EDFA放大后再由PIN检测。强大的光信号使电子放大器的噪声可以忽略，用EDFA作预放的光接收机具有更高的灵敏度。
如果综合上述各种应用，一个EDFA用作接收机前置放大器，另一个EDFA用作发送机的功率提升放大器，就可以实现长距离的无中继传输。这类系统主要用于海底光纤通信系统。
六、EDFA的增益特性
增益G是指输出信号光功率P out,与输入信号光功率P in,之比，一般以分贝(dB)来表示。
G=P out /P in(1)
G=10lg(P out /P in ) (dB) (2)
应用上面给出的理论模型可以用数值法进行计算，从而得出光纤放大器的特性，其中最主要的是增益及噪声特性。首先分析EDFA的增益特性。EDFA的增益特性与饵离子浓度的纤芯内径向分布、纤芯尺寸、放大器长度及泵浦功率等有关。
6-1．EDFA的放大特性
（1）掺饵光纤放大器小信号增益G与泵浦功率P p以及光纤长度l的关系曲线。它的泵浦光波长为1.48μm，信号光波长为1.55 μm，采用典型的光纤参数。用泵浦光功率P p做参变量，给出了增益G (dB)与光纤长度1之间的关系曲线。对一定的泵浦光功率，EDFA的增益开始随着EDF的长度增长而增大，到某一长度时达到最大，然后随着长度的进一步增加，增益反而减小，可见有一个最佳长度(L opt ) ,这时增益最大。可以这样认为，当长度L < L opt 时，泵浦光功率P p(z) >P p th，在整个长度的EDF上，处处满足放大条件，从而最大限度利用了泵浦光功率。当长度L> L opt时，泵浦光功率P p(z)
纤长度1做参变量给出了增益G与泵浦功率凡之间的关系。图中可以看出，开始时G随着P P的增加而指数增加，但当P P到一定大小时，G趋向饱和.该图还可以看出存在泵浦阈值功率P p th，只有P p >P p th时，G ≥0,且L愈长，P p th愈高。必须选择合适的L及P p，才能使G最大。
（2）取与图2-5相近参数的掺饵光纤（根据速率方程），长度分别为:(a) 15m; (b)10m;(C)5m.信号光功率为1μW,输出信号光功率与信号光增益与入射泵浦功率关系如图2-6所示。图2-6与图2-5 (b)接近。
（3）取相同参数掺饵光纤长度30m，信号光功率为1μW。
前向泵浦光功率分别取:(a) 15mW; (b) l0mW;(C)5mW。输出信号光增益与长度关系如图2－7所示。
图2-7与图2-4 (a)趋势一致，但由于参数取值不同，相同泵浦光功率下信号光获得的增益较小。
（4）取相同参数的掺饵光纤长度l 0m,信号光功率为1μW。采用前向泵浦光激励功率。输入信号光分别取:(a) 1 μW；(b) 10 μW;(c) 100 μW; (d) 500 μW。信号光增益与泵浦光功率的关系如图2-8所示。
由图2-8可知，当EDF一定时，随着泵浦光功率的增大，信号光增益渐渐增大最终趋于饱和，饱和增益随着输入信号功率的增加而有所减少。图中还显示，EDFA
的阈值功率(P p th)几乎和信号光入射功率无关。阈值功率(P p th)主要由EDF的长度决定，大的入射功率比小的更加容易饱和。
（5）取相同参数的掺饵光纤长度20m，信号光功率为1 μW。采用前向泵浦光激励功率。泵浦光功率分别取:(a) 5mW；(b) l0mW ;(c) 20mW; (d) 50mW。当泵浦光功率、EDF一定时，输入信号光功率不同时获得的增益不同，输入信号光功率越大，增益越小。激励泵浦光功率越大，信号增益越大。
6-2 EDFA的泵浦方式对增益的影响
取掺饵光纤长度为20m,掺杂粒子密度为1.63 X 1024/m3，用1480nm的泵浦光进行激励，对1536nm的信号光进行放大:(a)前向泵浦光激励方式，前向泵浦光功率为8mW; (b)反向泵浦光激励方式，反向泵浦光功率为8mW;
(c)双向泵浦光激励方式，前向泵浦光功率为4mW，反向泵浦光功率为4mW。达到稳态时信号光的增益随传播长度的变化如图2-4所示。
由图2-4可知，前向泵浦光、反向泵浦光、双向泵浦光三种激励方式效果各不相同。
（1)前向（同向）泵浦
在掺饵光纤的输入端，泵浦光较强，故粒子反转激励也强，其增益系数大，信号一进入光纤即得到较强的放大。但由于吸收，泵浦光将沿光纤长度而衰减，这一因素使在一定长度上达到增益饱。
（2)反向泵浦
泵浦光与信号光从不同的反向输入EDFA，两者在光纤中传输方向相反。其优点是:当光信号放大到很强时，泵浦光也强，不易达到饱和。
（3)双向泵浦
为使EDFA中掺杂粒子得到充分的激励，必须提高泵浦功率，所以可以用多个泵浦源激励光纤。如果提供部分前向泵浦，部分后向泵浦，则称为双向泵浦。这种泵浦方式结合了前向泵浦与反向泵浦的优点，使得泵浦光在光纤中均匀分布，从而其增益在光纤中也均匀分布。
七、技术展望
正如前面所说，光纤放大器在超长距离超大容量通信系统中扮演着举足轻重的角色，因此笔者认为在未来1-2年会在实际工程中应用。另外一方面，由于它的成本较高，并且C Band EDFA比较成熟，L Band EDFA也在研发之中，因此我认为光纤放大器不可能取代EDFA,只能是EDFA的必要的和有益的补充。
参考文献：【1】赵铁夫刘文坚《广播与电视技术》1997 第12期
?【2】曾智龙程红霞何新安石小军《光通信技术》2000 第4期- 万方数据
?
?【3】掺饵光纤放大器在CATV中的应用张向东2003 有线电视技术... 维普资讯网