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EDFA工作原理

—泵浦光能量轉(zhuǎn)移到信號光

       現(xiàn)在具體說明泵浦光是如何將能量轉(zhuǎn)移給信號光的。若摻鉺離子的能級圖用三能級表示，如圖8.1.2a所示，其中能級E1代表基態(tài)，能量最低；能級E2代表中間能級；能級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E3 的鉺離子很快返回到能級E2。若信號光的光子能量等于能級E2和E1之差，則當處于能級E2的鉺離子返回基態(tài)E1時就產(chǎn)生信號光子，這就是受激發(fā)射，使信號光放大獲得增益。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，應盡可能使基態(tài)鉺離子激發(fā)到能級E3。從以上分析可知，能級E2和E1之差必須等于需要放大信號光的光子能量，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時就產(chǎn)生信號光子 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為輸出信號功率與泵浦功率的關系，由圖可見，能量從泵浦光轉(zhuǎn)換成信號光的效率很高，因此EDFA很適合作為功率放大器。泵浦光功率轉(zhuǎn)換為輸出信號光功率的效率為92.6%，60mW功率泵浦時，吸收效率（（信號輸出功率-信號輸入功率）/泵浦功率）為88%。

圖8.1.3 輸出信號功率與泵浦功率的關系

        圖8.1.4表示小信號增益與泵浦功率的關系，由圖可見，當泵浦功率增大到一定值后，小信號增益將發(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摻入鉺光纖的小信號增益頻譜和大信號增益頻譜特性，與圖8.1.2b比較可見，將鋁與鍺同時摻入鉺光纖可獲得比純摻鍺更平坦的增益頻譜。

圖8.1.4 小信號增益與泵浦功率的關系

圖8.1.5 小信號增益頻譜

圖8.1.6 大信號增益頻譜

3.小信號增益

       EDFA的增益與鉺離子濃度、摻鉺光纖長度、芯徑和泵浦功率有關。在圖8.1.2a所示的摻鉺離子能級圖中，存在著自發(fā)輻射和受激發(fā)射。當處于激發(fā)態(tài)E3能級的離子很快返回到E2能級時產(chǎn)生的輻射是自發(fā)輻射，它對信號光的放大不起作用。只有鉺離子從E2能級返回E1能級時發(fā)生的受激發(fā)射，才對信號光的放大有貢獻。當忽略自發(fā)輻射和激發(fā)態(tài)吸收時，使用一個簡單兩能級模型，對EDFA的原理可得到更好的理解。該模型假定三能級系統(tǒng)的激活態(tài)能級E3幾乎保持空位，因為泵浦到能級E3的離子數(shù)快速地轉(zhuǎn)移到能級E2上。

        對于給定的放大器長度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，但是當泵浦功率超過一定值后，增益增加就變得緩慢。對于給定的泵浦功率，放大器的最大增益對應一個最佳光纖長度，如圖8.1.7b所示，并且當L超過這個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。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?shù)腖和Pp值，以便獲得最大的增益。由圖8.1.7b可知，當用1.48μm波長的激光泵浦時，如泵浦功率Pp=5mW，放大器長度L=30m，則可獲得35dB的光增益。

圖8.1.7 小信號增益和泵浦功率與光纖長度的關系

a）小信號增益和泵浦功率的關系 b）小信號增益和光纖長度的關系