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EDFA工作原理

—泵浦光能量轉(zhuǎn)移到信號(hào)光

       現(xiàn)在具體說明泵浦光是如何將能量轉(zhuǎn)移給信號(hào)光的。若摻鉺離子的能級(jí)圖用三能級(jí)表示，如圖8.1.2a所示，其中能級(jí)E1代表基態(tài)，能量最低；能級(jí)E2代表中間能級(jí)；能級(jí)E3代表激發(fā)態(tài)，能量最高。若泵浦光的光子能量等于能級(jí)E3與E1之差，摻雜離子吸收泵浦光后，從基 態(tài)E1躍升至激活態(tài)E3。但是激活態(tài)是不穩(wěn)定的，激發(fā)到激活態(tài)能級(jí)E3 的鉺離子很快返回到能級(jí)E2。若信號(hào)光的光子能量等于能級(jí)E2和E1之差，則當(dāng)處于能級(jí)E2的鉺離子返回基態(tài)E1時(shí)就產(chǎn)生信號(hào)光子，這就是受激發(fā)射，使信號(hào)光放大獲得增益。圖8.1.2b表示EDFA的吸收和增益光譜。為了提高放大器的增益，應(yīng)盡可能使基態(tài)鉺離子激發(fā)到能級(jí)E3。從以上分析可知，能級(jí)E2和E1之差必須等于需要放大信號(hào)光的光子能量，而泵浦光的光子能量也必須保證使鉺離子從基態(tài)E1躍遷到激活態(tài)E3。

圖8.1.2 摻鉺光纖放大器的工作原理

a）摻雜離子吸收泵浦光后，從基態(tài)E1躍遷至E3，E2的鉺離子返回E1時(shí)就產(chǎn)生信號(hào)光子 b）EDFA的吸收和增益頻譜

EDFA的特性

       EDFA的增益頻譜曲線形狀取決于光纖芯內(nèi)摻雜劑的濃度。圖8.1.2b 為纖芯摻鍺的EDFA的增益頻譜和吸收頻譜。從圖中可知，摻鉺光纖放大器的帶寬（曲線半最大值帶寬）大于10nm。

1.泵浦特性

        圖8.1.3為輸出信號(hào)功率與泵浦功率的關(guān)系，由圖可見，能量從泵浦光轉(zhuǎn)換成信號(hào)光的效率很高，因此EDFA很適合作為功率放大器。泵浦光功率轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)光功率的效率為92.6%，60mW功率泵浦時(shí)，吸收效率（（信號(hào)輸出功率-信號(hào)輸入功率）/泵浦功率）為88%。

圖8.1.3 輸出信號(hào)功率與泵浦功率的關(guān)系

        圖8.1.4表示小信號(hào)增益與泵浦功率的關(guān)系，由圖可見，當(dāng)泵浦功率增大到一定值后，小信號(hào)增益將發(fā)生飽和。

2.增益頻譜

       圖8.1.5和圖8.1.6分別表示將鋁與鍺同時(shí)摻入鉺光纖的小信號(hào)增益頻譜和大信號(hào)增益頻譜特性，與圖8.1.2b比較可見，將鋁與鍺同時(shí)摻入鉺光纖可獲得比純摻鍺更平坦的增益頻譜。

圖8.1.4 小信號(hào)增益與泵浦功率的關(guān)系

圖8.1.5 小信號(hào)增益頻譜

圖8.1.6 大信號(hào)增益頻譜

3.小信號(hào)增益

       EDFA的增益與鉺離子濃度、摻鉺光纖長(zhǎng)度、芯徑和泵浦功率有關(guān)。在圖8.1.2a所示的摻鉺離子能級(jí)圖中，存在著自發(fā)輻射和受激發(fā)射。當(dāng)處于激發(fā)態(tài)E3能級(jí)的離子很快返回到E2能級(jí)時(shí)產(chǎn)生的輻射是自發(fā)輻射，它對(duì)信號(hào)光的放大不起作用。只有鉺離子從E2能級(jí)返回E1能級(jí)時(shí)發(fā)生的受激發(fā)射，才對(duì)信號(hào)光的放大有貢獻(xiàn)。當(dāng)忽略自發(fā)輻射和激發(fā)態(tài)吸收時(shí)，使用一個(gè)簡(jiǎn)單兩能級(jí)模型，對(duì)EDFA的原理可得到更好的理解。該模型假定三能級(jí)系統(tǒng)的激活態(tài)能級(jí)E3幾乎保持空位，因?yàn)楸闷值侥芗?jí)E3的離子數(shù)快速地轉(zhuǎn)移到能級(jí)E2上。

        對(duì)于給定的放大器長(zhǎng)度L，放大器增益最初隨泵浦功率按指數(shù)函數(shù)增加，如圖8.1.7a所示，但是當(dāng)泵浦功率超過一定值后，增益增加就變得緩慢。對(duì)于給定的泵浦功率，放大器的最大增益對(duì)應(yīng)一個(gè)最佳光纖長(zhǎng)度，如圖8.1.7b所示，并且當(dāng)L超過這個(gè)最佳值后增益很快降低，其原因是鉺光纖的剩余部分沒有被泵浦，反而吸收了已放大的信號(hào)。既然最佳的L值取決于泵浦功率Pp，那么就有必要選擇適當(dāng)?shù)腖和Pp值，以便獲得最大的增益。由圖8.1.7b可知，當(dāng)用1.48μm波長(zhǎng)的激光泵浦時(shí)，如泵浦功率Pp=5mW，放大器長(zhǎng)度L=30m，則可獲得35dB的光增益。

圖8.1.7 小信號(hào)增益和泵浦功率與光纖長(zhǎng)度的關(guān)系

a）小信號(hào)增益和泵浦功率的關(guān)系 b）小信號(hào)增益和光纖長(zhǎng)度的關(guān)系