掺饵光纤放大器

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：

315

6,,

22

L 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

4I

15/2到4I

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 →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1-2

4I 11/2-4I 15/2能级之间的跃迁对应980nm 的泵浦带，4

I 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。