掺铒光纤的吸收谱
掺铒光纤放大器知识讲解
一、发展历程 •1964年，提出掺钕（Nd3+）光纤放大器的设想 •1985年，低损耗掺杂SiO2光纤研制成功 •目前，掺Er3+光纤放大器（EDFA）最为成熟，是光纤通信 系统必备器件 •特点： –插损小、高增益、大带宽、偏振无关 –低噪声、低串扰、高输出功率等
掺铒光纤放大器(EDFA)
•由于N1和N2与泵浦光功率和信号光功率相关，因此F与泵浦 光和输入信号光功率以及放大器长度有关 •高的泵浦功率和较低的输入信号有利于获得较低的噪声指数 •由于980nm泵浦的EDFA为三能级系统，易于获得较高的粒子 数反转（nsp，980=1.05~1.10； nsp，1480=1.3~1.8） ，所以980nm 泵浦具有较低的噪声系数 •通常，EDFA的F~5
EDFA
+
均衡器
→ 合成增益
掺铒光纤放大器(EDFA)
•新型宽谱带掺杂光纤： 如掺铒氟化物玻璃光纤（30nm平坦带宽）、铒/铝共
掺杂光纤（20nm）等， 静态增益谱的平坦，掺杂工艺 复杂
•声光滤波调节： 根据各信道功率，反馈控制放大器输出端的多通
道声光带阻滤波器，调节各信道输出功率使之均衡， 动态均衡需要解复用、光电转换、结构复杂，实用性 受限
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g=0.1~1ns），其增益不能响应调制信号的快速变 化，不存在增益调制，四波混频效应也很小，所 以在多信道放大中不引入信道间串扰（SOA则不 然），是其能够用于多信道放大的关键所在 EDFA对信道的插入、分出或无光故障等因素引起 的输入光功率的变化（较低速变化）能产生响应-瞬态特性。在系统应用中应予以控制--增益钳制 在 级 联 EDFA 系 统 中 瞬 态 响 应 速 度 将 增 加 （ 10~100s），对输入光功率的变化将更加敏感
温度对掺铒光纤光谱特性影响研究
温度对掺铒光纤光谱特性影响研究齐翊;陈伟民;雷小华;张伟;李竞飞;许亨艺;刘显明【摘要】不断提高以掺铒光纤为核心的光纤器件功率是研究与应用领域中的一个重要课题。
高功率光纤器件内能量聚集会发热升温，造成器件光谱参数性能显著变化，进而造成以掺铒光纤为核心的光学器件的性能发生显著变化。
因此对掺铒光纤在大温度范围下的光谱性能进行研究具有重要意义。
利用斯塔克能级展宽理论建立了掺铒光纤吸收系数与温度的关系模型，在此基础上结合McCumber理论仿真计算了掺铒光纤荧光寿命与温度的关系。
以O FS‐M P980型掺铒光纤为实验对象，测量了掺铒光纤在常温至900℃范围内的吸收光谱、发射光谱。
结果表明，温度升高造成980 nm波段吸收系数整体下降，且吸收系数的峰值波长增加，平均增加率0.625 nm／100℃。
1530 nm波段吸收系数整体展宽，且峰值吸收系数下降，平均下降率为－0.19 dB／100℃。
600℃以内荧光寿命随温度呈近似线性下降，下降率为－0.23 m s／100℃。
600℃以内理论模型能够反应温度造成峰值吸收系数、荧光寿命近似线性变化的趋势。
%In scientific research and engineering application ,improving the power of fiber device is an importanttopic ,which leads to observably rise of temperature in fiber core at the same time .In this paper ,Thermal effect and its influence on absorp‐tion spectrum and lifetime of Erb ium‐doped fiber are studied with numerical modeling .Lorentz broadening of sub‐levels is used to build the mathematical relationship between temperature and absorption spectrum .The McCumber Theory is applied to de‐duce the lifetime of Erbium‐doped fiber i n different temperature .Temperature experiments of absorption and emission spectrum from 25 to 900 ℃ are carried out ,whichshow that the wavelength of absorption peak near 980nm increase at rate of 0.625 nm/100 ℃ ,the ratio of absorption peak near 1 530 nm declines at a rate of 0.001 9 dB · (m℃)-1 and the broadband of absorption spectrum near 1 530 nm increase with rising temperature .The linear variation of lifetime and peak absorption in experiment proves that the theoretical model is reasonable when th e temperature is below 600 ℃ .【期刊名称】《光谱学与光谱分析》【年(卷),期】2016(036)007【总页数】5页(P2006-2010)【关键词】掺铒光纤;温度;吸收光谱;发射光谱;荧光寿命【作者】齐翊;陈伟民;雷小华;张伟;李竞飞;许亨艺;刘显明【作者单位】重庆大学光电工程学院，光电技术及系统教育部重点实验室，重庆400044;重庆大学光电工程学院，光电技术及系统教育部重点实验室，重庆400044;重庆大学光电工程学院，光电技术及系统教育部重点实验室，重庆400044;重庆大学光电工程学院，光电技术及系统教育部重点实验室，重庆400044;重庆大学光电工程学院，光电技术及系统教育部重点实验室，重庆400044;重庆大学光电工程学院，光电技术及系统教育部重点实验室，重庆400044;重庆大学光电工程学院，光电技术及系统教育部重点实验室，重庆400044【正文语种】中文【中图分类】TN253掺铒光纤已被广泛应用在光纤放大器、光纤激光器、光纤光源等光器件上。
光纤通信技术实验报告-掺铒光纤激光器
得分：_______ 光纤通信技术实验(2) 掺铒光纤激光器的设计实验报告一、实验目的1、完成环形腔掺铒光纤激光器谐振腔的设计，通过选择环形腔中耦合器的不同耦合比，优化设计激光器的阈值特性和输出效率。
2、通过使用不同滤波特性的滤波器，完成环形腔掺铒光纤激光器输出纵模特性的设计和选择。
3、完成光纤激光器的构建，并进行相关性能参数的测试。
二、实验原理与背景知识1.掺铒光纤(EDF)与掺铒光纤放大器(EDFA)当泵浦光通过掺杂光纤中的稀土离子（Er3+、Nd3+、Tm3+、Yb3+等）时，稀土离子吸收泵浦光，使稀土原子的电子激励到较高激发态能级，从而实现通常所说的粒子数反转。
反转后的高能态粒子在外界光场的诱使下，以光辐射的形式从高能级转移到基态，完成受激光辐射。
掺铒光纤放大器主要由波分复用器、大功率泵浦激光器、光隔离器和掺铒光纤构成。
根据泵浦光和信号光传播方向的相对关系, 掺铒光纤放大器的结构可分为正向泵浦、反向泵浦和双向泵浦三种形式。
EDFA 是利用掺铒光纤中掺杂的稀土离子在泵浦光(波长980nm 或1480nm ) 的作用下, 形成粒子数反转, 产生受激辐射, 辐射光随入射光的变化而变化, 进而对入射光信号提供光增益。
其放大范围为1530～1565 nm , 增益谱比较平坦的部分是1540～1560nm , 几乎可以覆盖整个1550nm工作窗口。
2.掺铒光纤激光器(EDFL)掺铒光纤激光器是在掺铒光纤放大器技术基础上发展起来的。
目前掺稀土元素光纤激光器的研究受到了世界各国的普遍重视，成为国际激光器技术研究领域一个十分活跃的前沿研究方向。
和传统的固体、气体激光器一样，掺稀土光纤激光器基本也是由泵浦源、增益介质、谐振腔三个基本的要素组成。
泵浦源一般采用高功率半导体激光器( LD) , 增益介质为掺稀土光纤，谐振腔可以由光纤光栅等光学反馈元件构成各种直线型谐振腔，也可以用耦合器构成各种环形谐振腔。
泵浦光经适当的光学系统耦合进入增益光纤，增益光纤在吸收泵浦光后形成粒子数反转或非线性增益并产生自发辐射。
掺铒光纤放大器的增益平坦化方法综述
掺铒光纤放大器的增益平坦化方法刘俭辉1,2，葛春风1( 1 天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术科学教育部重点实验室，天津，300072；2 辽宁财政高等专科学校计算中心，辽宁丹东，118001 ) 摘要：掺铒光纤放大器是光纤通信系统中的重要器件，但其增益不平坦性影响了它在高速率WDM系统中的应用。
本文就增益均衡器和改进光纤成分两方面综述了国际上对EDFA增益平坦化处理的常用方法。
关键词：WDM，EDFA，增益平坦1 引言掺铒光纤放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier，简称EDFA）的出现引起了光纤通信技术的一场革命，它是80～90年代光电子领域的一项重大技术突破[1]，是光纤通信系统中最成功的技术之一。
随着EDFA的不断完善和发展，它的应用前景会更加广阔。
EDFA具有增益高、带宽大、插入损耗小、噪声低、增益特性与光偏振态无关、对数据率及其格式透明等特点，且有在多路系统中信道交叉串扰通常可以忽略的优点，可以用于接收机前置放大、中继放大、功率放大器和光孤子通信等。
但在通信系统中，尤其是在波分或频分复用系统中应用EDFA时，除要求EDFA 有足够高的增益，还要求EDFA有足够的带宽。
而随着WDM通信速率的提高和网络技术的发展，EDFA的性能缺陷——增益谱非均匀性和噪声等对系统特性的影响也愈加明显地暴露出来。
尽管由于掺铒玻璃中基态和亚稳态能级的斯塔克裂变效应使EDFA具有很宽的谱带，但一般的掺铒光纤放大器，其本身的增益轮廓是不平坦的，它们在1532nm和1550nm附近有两个明显的峰值，致使EDFA的平坦区域仅为10nm左右，并且，如果避开放大器的峰值增益波长，让放大器在后面平台处进行工作，又会存在增长的噪声和峰值激光效应等多种缺陷，当WDM系统包含多个EDFA时，不同波长处积累的增益差异会超过接收器的动态范围，从而造成大的传输误差，因此，必须对EDFA的增益谱进行平坦化处理，使波分复用系统（WDM）不是仅限制在一个很窄的带宽内使用，从而提高通信通道数，使通信系统的容量大大增加。
直线腔掺铒光纤激光器有源内腔吸收型气体检测灵敏度分析
乙炔 、 氨气等几种重要有害气体的吸收峰 ； 二是 因为
体 检测 技术 也迅 速发展 起来 ， 为气 体检测 技术 的研 成 究 热点 之一 Ｊ２０ 西． ０４年 ， ｈｎ Ｚ ａｇ等 ｌ报道 了基 于掺铒 ２ Ｊ
既是激光振荡谱线 ， 又是样 品吸收谱线． 一 光纤有源气 体检 测通 常利用 掺铒 光纤作 为增 益介 质 ， 是 因为 ｎ ， 包 含 １ ３ ｍ ０ ｍ） 且 ５
为人 们 争相 研 究 的 焦 点 ．
随着我 国经济社 会不断 向前发展 ，光纤传感技 术在 国家安全 、重 大工程 等多个领域具有重大的社会 需求和应 用 前景． 国家安全监控方面 ，光纤传感技术能提供大 范围、实时、非侵入式监测手段．在重大工程安全监 测方面，光 在 纤传 感技 术的抗 电磁 干扰 、电绝缘 和体积小的特性使 其具有显著优势．
报
第４ ５卷
第 ２ 期
Ｔｈ ｏ ｅ ｉａ ａ ｙ ｉ ｆ ｅ ｓｔ ｉｙｉ ｎ Ｅｒ ｉ ｍ — ｐ ｄ Ｆｉ ｅ ｓ ｒ ｅ ｒ ｔｃ ｌ Ａｎ ｌ ｓｓｏ ｎ ｉ ｖ ｔ ａ ｂ ｕ Ｄｏ ｅ ｂ ｒＬａ ｅ Ｓ ｉ ｎ Ｉ ｔ ａ Ｃａ ｉｙＡｂ ｏ ｐ ｉ ｎ Ｇａ ｅ ｓ ｒ ｎ ｒ — ｖ ｔ ｓ ｒ ｔｏ ｓＳ ｎ ｏ
中图分 类号 ：Ｔ ２ ２１ Ｐ １． ４ 文献标志码 ：Ａ 文章 编号 ：０ ９— １７ ２ １） ２０ ９ —５ ４ ３２ ３ （０ ２ ０ —０ ５０
收 稿 日期 ： ２ １－ ５２ ；修 回 日期 ：２ １－ Ｏ１ ． ０ １０ ．３ ０ １１ －７
９３ 资助项 目 （００ Ｂ ２ ８ １ ２ １Ｃ ３ ７０ ） 基 金项 目： 国家 重点 基础 研究 发展 计划 （７ 计 划 ）
掺铒光纤放大器的工作原理
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。
15-EDFA原理及特性
第一章 掺铒光纤放大器机理研究本章将简要讨论掺铒光纤放大器的结构、原理、及特性。
我们首先由简化二能级速率方程建立EDFA 的理论模型，然后讨论了EDFA 的泵浦特性、增益特性、噪声特性和温度特性。
第一节 掺铒光纤放大器的结构模型这一节介绍掺铒光纤放大器的结构及其主要的组成部分。
EDFA 的基本结构如Fig1.1所示：Fig 1.1 Configurion of Erbium-doped Fiber Amplifier(forward Pumped)1. 掺铒光纤(EDF)EDF 是放大器的主体，纤芯中掺有铒元素（Er ），Er 属稀土锎系元素，Er 逸出两个6S 和一个4f 电子而显示为+3价,其电子组态和惰性气体Xe 相同：1S 22S 22P 63S 23P 63d 104S 24P 64d 105S 25P 6。
掺有Er 3+的石英光纤具有激光增益特性，铒光纤的光谱性质主要由铒离子和光纤基质决定，铒离子起主导作用，掺Er 3+浓度及在纤芯中的分布等对EDFA 的特性有很大影响。
基质的影响有二：其一是导致斯塔克分裂使能级出现亚结构；其二是能级展宽，展宽的机理有基质电场扰动展宽和声子展宽，基质扰动展宽属于非均匀加宽，声子展宽属于均匀加宽。
为使每个铒离子受到的泵浦速率最大，同时所需的泵浦功率最小，泵浦功率及铒离子必须尽可能的限制在最小的模截面内，铒光纤应具有高的数值孔径NA ，小芯径且只有纤芯掺杂，通常将光纤设计为双层结构，如Fig1.2所示[7]。
此外阶跃折射率光纤有较大的相对折射率差，便于缩小泵浦光的模场直径，提高泵浦光功率密度，降低泵浦阈值，达到高泵浦效率。
为保证泵浦光与信号光的单模传输，光纤的截止波长应适当。
在EDF 中掺入适量的铝元素，使铒离子在EDF 中分布更均匀，从而获得平坦的宽带增益谱。
2. 光耦合器(WDM)光耦合器有合波信号光与泵浦光的作用，也称光合波器和波分复用器。
是EDFA 必不可少的组成部分，它将绝大多数的信号光与泵浦光合路于EDF中。
EDFA实用简介
3. 增益带宽（nm）工作带宽，平坦增益带宽
4. 输出功率（mW 或 dBm） ； 饱和输出功率：最大输出功率。 5. 增益饱和: 一般情况下输入信号应该足够大， 以便能引起放大器的饱和增益。 饱和时的增益随信号功 率增加而减小。 九、EDFA 优缺点以及应用需要解决的问题 1. EDFA 的主要优点有： 工作作波长正好落在光纤通信最佳波段(1500～1600 nm)：其主体是一段光纤(EDF)，与传输光纤的耦 合损耗很小， 可达 0.1 dB。 （对掺铒光纤进行激励的泵浦功率低， 仅需几十毫瓦； 而拉曼放大器需 0.5～ 1W 的泵浦源进行激励。 ） 增益高，约为 30～40 dB; 饱和输出光功率大， 约为 10～15 dBm； 增益特性与光偏振状态无关。 噪声指数小， 一般为 4～7 dB； 用于多信道传输时， 隔离度大，无串扰，适用于波分复用系统。 频带宽，在 1550 nm 窗口，频带宽度为 20～40 nm， 可进行多信道传输，有利于增加传输容量。
因此，在 EDFA 设计中，需要在掺铒光纤结构参数的基础上，选择合适的泵浦功率和光纤长度，使放大器工 作于最佳状态。 2. 噪声系数 NF（dB） 输入信噪比与输出信噪比的比值
SNR in NF (dB) 10 log10 SNR out
光场噪声和强度/光电流噪声: 光场噪声指由光谱分析仪（OSA）测量出的光噪声谱，如光放大器中输出的 ASE(放大的自发辐射)噪声 是这种噪声的主要部分。 强度/光电流噪声:是指与光束相联系的功率或光电流的波动， 这种噪声的谱宽典型值可达几十 GHz。 常见的强度噪声类型有: ① 散粒噪声； ② 信号与自发辐射差拍噪声； ③ 自发辐射与自发辐射差拍 噪声等。
G(dB) 10 log10
实验五 光纤激光器与光纤放大器的设计实验
实验五 光纤激光器与光纤放大器的设计实验一、实验目的1、掌握掺铒有源光纤的增益放大特性；2、掌握光纤激光器的原理及其基本结构，掌握光纤激光器的设计及其波长调谐方法；3、掌握光纤放大器的原理及其基本结构，掌握光纤放大器的设计以及基本特性参数的测试方法。
二、实验原理（一）光纤激光器的基本结构光纤激光器和其它激光器一样，由能产生光子的增益介质、使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和激励光跃迁的泵浦源三部分组成。
纵向泵浦的光纤激光器的结构如图1所示。
图1 光纤激光器原理示意图一段掺杂稀土金属离子的光纤被放置在两个反射率经过选择的腔镜之间，泵浦光从左面腔镜耦合进入光纤。
左面镜对于泵浦光全部透射和对于激射光全反射，以便有效利用泵浦光和防止泵浦光产生谐振而造成输出光不稳定。
右面镜对于激射光部分透射，以便造成激射光子的反馈和获得激光输出。
这种结构实际上就是Fabry-perot 谐振腔结构。
泵浦波长上的光子被介质吸收，形成粒子数反转，最后在掺杂光纤介质中产生受激发射而输出激光。
激光输出可以是连续的，也可以是脉冲形式的，依赖于激光工作介质。
对于连续输出，激光上能级的自发发射寿命必须长于激光下能级以获得较高的粒子数反转。
通常当激光下能级的寿命超过上能级时只能获得脉冲输出。
光纤激光器有两种激射状态，一种是三能级激射，另一种是四能级激射，图2(a)、(b)分别表示三能级和四能级系统的跃迁系统的简化能级图。
两者的差别在于较低能级所处的位置。
在三能级系统中，激光下能级即为基态，或是极靠近基态的能级。
而在四能级系统中激光下能级和基态能级之间仍然存在一个跃迁，通常为无辐射跃迁，电子从基态提升到高于激光上能级的一个或多个泵浦带，电子一般通过非辐射跃迁到达激光上能级。
泵浦带上的电子很快弛豫到寿命比较长的亚稳态，在亚稳态上积累电子造成粒子数多于激光下能级，既形成粒子数反转。
电子以辐射光子的形式放出能量回到基态。
这种自发发射的光子被光学谐振腔反馈回增益介质中诱发受激发射，产生与诱发这一过程的光子性质完全相同的光子，当光子在谐振腔内所获得的增益大于其在腔内损耗时，就会产生激光输出。
掺铒光纤放大器及其应用PPT课件
7
噪声系数 dB
6
75
5
60
4
30 3
2 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
泵浦功率 mW
May 15, 2020 • 24
增益带宽（nm）工作带宽，平坦增益带宽
Gain (dB) 40
30
20
P Input: -30 dBm -20 dBm -10 dBm -5 dBm
耦
光隔
信
合
离器
号
器
光
光隔 离器
光滤 波器
输 出
光
掺铒
光纤
泵 浦 光
May 15, 2020 • 16
三种泵浦方式的EDFA
LD
EDF
in
APC
WDM
EDF
out
APC
LD
in APC LD1
WDM
APC out
EDF
LD2
in APC
WDM1
WDM2
APC out
同向泵浦(前向泵浦)型： 好的噪声性能
EDFA
光纤 接收器
在线放大器
EDFA
光纤
接收器
功率放大器
光纤
EDFA
接收器
前置放大器
May 15, 2020 • 19
泵浦功率和光纤长度对增益的影响
增益 dB 增益 dB
40
L=20m
20 L=5m
0
40 4mW
20
2mW 0
5
10
泵浦功率 mW
25
50
铒纤长度 m
May 15, 2020 • 20
掺铒光纤光源原理与应用技术研究毕业论文
掺铒光纤光源原理与应用技术研究摘要:掺铒光纤光源是基于自发辐射放大原理的一种新型宽带超荧光光源，它有着高输出功率、低噪声等优点，因此在现代光通信中得到广泛的应用。
本文主要研究以掺铒光纤为增益介质的光纤光源研制中的相关技术，描述了用于制作掺铒光纤光源的相关器件的基本原理、结构，介绍了掺铒光纤光源中的单程前向、单程后向、双程前向、双程后向抽运等多种结构。
论文的第一部分介绍了纤维光学的产生背景、发展现状、光纤在通信等领域的应用现状、掺铒光纤光源的发展与应用特色。
论文的第二部分对掺铒光纤光源研制过程中的主要光电器件从原理与结构等各方面作了描述，介绍了各个光电器件的性能指标。
论文的第三部分，介绍了超荧光产生的基本原理和物理模型，并且论述了掺铒光纤中Er3+的跃迁特性，同时对超荧光光源的四种结构做了简单的介绍。
论文的第四部分，主要是通过实验的方法对实验室现有的掺铒光纤光源进行研究，分析了结构为单程前向的光纤光源相关参数变化对光源性能的影响。
最后，结合论文中研究情况指出了论文研究的不足之处，并根据现在国外的研究现状对掺杂光纤光源相关领域的下一步的目标和未来研究方向进行了展望。
关键词：掺铒光纤光源；放大自发辐射；C波段The Principle and Application of Technology forErbium-doped Fiber SourceAbstract:Erbium-doped fiber light, based on the principle of amplified spontaneous emission, is a new type of broadband light source which possesses the advantages ofhigh output power, low noise, etc. Thus, it is widely used in modern optical communication, such as providing optical signal for optical devices measurement, fiber Bragg grating (FBG) sensing system, and fiber-optic gyroscope. Especially in optical communication light source is the indispensable unit. This paper makes a research on the relevant technologies for the production of fiber light source which involves a gain medium of Erbium-doped fiber (EDF). It is also introduces the basic principles and structures of devices related in producing the erbium-doped fiber source, in which the structures of single-pass forward pumping(SPF), single-pass backward pumping(SPB), double-pass forward pumping(DPF), double-pass backward pumping(DBF) are put forward. The first part of this paper introducesthe background, recent developments, applications of fiber-optics and the characters of Erbium-doped fiber light. The second part describes principles and structures of the optoelectronic devices in producing the Erbium-doped fiber light and their performances. The third part introduces the basic principles and the physical models of the ASE; and discusses ASE transitions among energy levels in the erbium-doped fiber. Meanwhile, it gives a brief introduction of the four ultra-structure of ASE light source. The fourth part mainly studies the existing erbium-doped fiber light source through the method of laboratory experiments and analyzes the influences of changes of the relevant parameters of single-pass forward pumping on the light source performance. Finally, the disadvantages of the study are analyzed, and then prospect the future of the doped fiber light source according to the recent developments.Keywords:Erbium-doped fiber source；Amplified spontaneous emission；C-band目录第1章绪论11.1引言11.2国外的研究现状11.3本论文研究的目的和意义3第2章掺铒光纤光源研究所需的器件与其原理4 2.1掺铒光纤52.2光纤连接技术62.2.1 光纤的处理62.3光纤隔离器和环形器72.3.1 隔离器72.3.2 环形器72.4全光纤波分复用器82.4.1 WDM工作原理82.4.2 WDM 的特征参数92.5泵浦源介绍102.5.1 泵浦源的特性102.5.2 使用泵浦源的注意事项和防护措施10 第三章掺铒光纤光源基本原理与结构123.1C波段和L波段介绍123.2超荧光产生的基本原理123.3超荧光光源的物理模型133.4掺铒光纤中ASE能级间跃迁基本原理14 3.5放大的自发辐射产生的原理方程与线宽16 3.6超荧光光源的四种结构17第四章掺铒光纤光源的C波段的研究184.1实验装置184.2实验数据分析与结论19第五章总结21参考文献22第1章绪论1.1 引言光纤技术是现代光通信、光纤传感以与分析测量领域的关键技术之一，但在上世纪50年代前，光纤技术并未得到人们足够的认识，其发展也相当的缓慢。
铋镓铝共掺的高浓度掺铒光纤及放大器
研究与试制铋镓铝共掺的高浓度掺铒光纤及放大器傅永军,简 伟,郑 凯,延凤平,魏 淮,简水生(北京交通大学光波技术研究所,北京,100044)摘 要:研制出了铋镓铝共掺的高浓度掺铒光纤,这种掺铒光纤在1530nm 处的吸收系数达到了28.5dB /m 。
利用这种铋镓铝共掺的高浓度掺铒光纤制成了C 波段和L 波段的掺铒光纤放大器(EDFA),测试这两种放大器的荧光谱和增益谱线。
利用2.5m 的高浓度掺铒光纤制作的C 波段EDFA 就实现了高增益。
利用10m 这种掺铒光纤制作的L 波段放大器实现了有效的L 波段放大。
关键词:掺铒光纤放大器;高浓度掺铒光纤;增益中图分类号:TN253 文献标识码:A 文章编号:1005-488X(2007)01-0017-03Bismuth -gallium -aluminum Co -doped High ConcentrationErbium Doped Fiber and AmplifierFU Yo ng -jun,JIAN W ei,ZHENG Kai,YAN Feng -ping ,W EI Huai,JIAN Shui-sheng (Institute of Lightwave Technology ,Beijing J iaotong University ,Beijing ,100044,C HN )Abstract:Bismuth -g allium -aluminum co -do ped high concentra tion erbium doped fiber (EDF )is fabrica ted .The abso rptio n coefficient o f this fiber at w av eleng th of 1530nm reaches 28.5dB /m.C band and L band erbium doped fiber amplifiers (EDFAs)are made by this high concentra tion EDF.The fluorescence spectrum and gain characteristics o f these tw o EDFAs a re m easured.C band EDFA only uses 2.5m o f this EDF,and which realize hig h g ain.L band EDFA uses 10m of this EDF,and which achiev es effectiv e amplifica tio n o f L ba nd.Key words:erbium doped fiber am plifier ;hig h concentration erbium do ped fiber ;gain 引 言近年来,高浓度掺铒光纤放大器和激光器得到了广泛的关注,与传统的低浓度掺铒光纤放大器和激光器相比,高浓度EDFA 可以大大缩短铒纤的长度、降低EDFA 的成本。
北大光纤测量：EDFA的测试1
19
另一方面，在输入光信号关闭前后 EDFA 输出光功率相差几千倍，光谱分 析仪必须在短时间内由测量饱和光功率变为测量小功率， 这也需要恢复时 间，图 10 是光谱分析仪的恢复特性。在输入光信号关闭前后 EDFA 输出光 功率相差 30dB 时，可在 10μS 内测量 ASE，测量误差≤±0.2dB。
3
自发辐射是随机的是非相干光，可在任意方向。只有位于临界角 内的自发辐射的那部分才可以耦合进光导区，其本身又可以进一步 引起受激辐射。所以耦合进光束传输路径内的自发辐射光随后又被 放大，放大了的和原始耦合进光束传输路径的自发辐射加在一起总 称 ASE（Amplified spontaneous emission 放大的自发辐射） 。ASE
24
探测法光谱图
25
WDM 测量方法比较
26
27
ν是信号光频率） ,PASE 是在信号波长处滤波器 （h=6.626!10-34J·S，
带宽 B0(Hz)内的 ASE 光功率(W)。
13
2. 测试方法 测量增ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ和噪声系数的困难是 PASE 掩埋在被放大的光信号中，不易测 准。通常采用的方法有三种，即插值法、偏振消光法和时域消光法。下面 分别叙述这三种方法。 ① 插值法（电平拟合法） 认为在信号波长附近 ASE 功率是平坦的，测量在信号波长两侧的 ASE 功率，然后用最小二乘法拟合出线性方程，再求出在信号波长处的 ASE 功率。测试前先要规定拟合区间，在拟合区间内不能包含其它信号，为了 精确的拟合取拟合区间≥5nm 比较合适。 在拟合区间内还要扣除在信号波 长 附近 的 掩模 区 间，一 般 以 衍 射光 栅 为 基 础 的光 谱分 析仪 动 态 范围约 60dB（在距离峰值 0.5nm 处） ，所以取掩模区间为 1nm 足够了。
EDFA
P PP ,in 1 S PS ,in
假设没有自发辐射，根据能量 守恒： 当输入功率非常大时，增益为1， 无放大
增益随掺铒光纤长度的变化
在通过铒纤的一定长 度后，泵浦没有足够 的能量在其后产生足 够的粒子数反转，增 益开始下降。在非泵 浦区，吸收大于增益。
合成增益
波长
波长
波长
增益平坦/均衡技术
2. 新型宽谱带掺杂光纤： 如掺铒氟化物玻璃光纤（30nm平坦带宽）、铒/铝共 掺杂光纤（20nm）等， 静态增益谱的平坦，掺杂工艺复 杂。 3. 声光滤波调节： 根据各信道功率，反馈控制放大器输出端的多通道 声光带阻滤波器，调节各信道输出功率使之均衡，动态均 衡需要解复用、光电转换、结构复杂，实用性受限
多信道增益谱
2高浓度掺铝EDFA的增益波长特性
北京兴宇通SPACECOM 10G EDFA
产品参数工作波长：1550.12nm 增益：20/25db
SPACECOM 2.5G EDFA
工作波长：1550.12nm 光增益：15/17db
G(dB) 10lg
Ps ,out Ps ,in
Pout PASE 10 lg Pin
EDFA增益
G与光放大器的泵浦功率、掺杂光纤的参数和 输入光信号有很复杂的关系。
估算式：
GE
PS ,out PS ,in
P PP ,in 1 S PS ,in
增益随输入光功率的变化
3
2 10 20 30 40 50 60 70 80 90
30
100
泵浦功率 mW
4. EDFA 的应用
EDFA的三种应用方式
掺铒光纤放大器(EDFA)简介
反转粒子数与输出功率沿光纤的分布
增益饱和
GEF DFA的光学指标
28.7 28.6 28.5 28.4 28.3 28.2 28.1
28 27.9 27.8 27.7 27.6
1525
1530
1535
1540
Magnetic tube Faraday Rotator ISO的基本结构
GEainDFA的光学指标
G1(v) exp{[ e (v)N2 a (v)N1]L}
➢ N2,N1分别是激光上下能级的平均粒子数线密度，N=N1+N2是单位长度 铒光纤的铒粒子数。直接决定铒光纤最重要参数：单位长度的吸收系数。
2h
SNRout iout 2
2G 2 Pin2
2iout
(Ssig sp Sspsp Sshot )Be
2iout : 光电流的方差，表示EDFA输出的噪声。EDFA的噪声主要考虑散粒噪声，信号-ASE
拍频噪声，ASE-ASE拍频噪声。其中信号-ASE拍频噪声与光学带宽无关，而ASEASE拍频噪声与光学带宽是相关的，所以在EDFA后加一个光学滤波器可以滤除绝大 部分ASE-ASE拍频噪声，但是对于信号-ASE拍频噪声没有影响，所以这里我们主要 考虑散粒噪声以及信号-ASE拍频噪声。
基PD 本结构与组成器件 当入射光照射到半导体材料上，半导体吸收就产生一个电
子—空穴对。在外加电压建立的电场作用下，电子和空穴就
在半导体中渡越并形成电流流动，称为光电流，I p RPin
入射光 半导体
ITMS 结构 公司目前用到的PD主要有PIPD，UTMS，ITMS等类型。
掺铒光纤激光器(EDFL)的原理与应用简介
掺铒光纤激光器（ＥＤＦＬ）的原理与应用简介 光信０３０４班 杨鹤猛 指导教师 王英 摘要： 本文从增益介质，谐振腔结构和泵浦源三个构成激光器的必要条件出发，重点介绍了掺铒光纤激光器—ＥＤＦＬ的原理，接着简要介绍了光纤激光器的特点及分类，最后结合掺铒光纤激光器的特点阐明其应用并做了总结。
关键字：光通信 光纤激光器 掺铒光纤激光器 环形腔 １．引言 掺铒光纤激光器简称ＥＤＦＬ（Ｅｒｂｉｕｍ Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ｌａｓｅｒ），光纤激光器的一种，是在掺铒光纤放大器（ＥＤＦＡ）技术基础上发展起来的。
早在１９６１年，美国光学公司的Ｅ．Ｓｎｉｔｚｅｒ等就在光纤激光器领域进行了开创性的工作，但由于相关条件的限制，其实验进展相对缓慢。
而８０年代英国Ｓｏｕｔｈｈａｍｐｔｏｎ大学的Ｓ．Ｂ．Ｐｏｏｌｅ等用ＭＣＶＤ法制成了低损耗的掺铒光纤，从而为光纤激光器带来了新的前景。
近期，随着光纤通信系统的广泛应用和发展，超快速光电子学、非线性光学、光传感等各种领域应用的研究已得到日益重视。
其中，以光纤作基质的光纤激光器，在降低阈值、振荡波长范围、波长可调谐性能等方面，已明显取得进步，是目前光通信领域的新兴技术，它可以用于现有的通信系统，使之支持更高的传输速度，是未来高码率密集波分复用系统和未来相干光通信的基础。
目前光纤激光器技术是研究的热点技术之一。
ＥＤＦＬ利用光纤成栅技术把掺铒光纤相隔一定长度的两处写入光栅，两光栅之间相当于谐振腔，用９８０ｎｍ或１４８０ｎｍ泵浦激光激发，铒离子就会产生增益放大。
由于光栅的选频作用，谐振腔只能反馈某一特定波长的光，输出单频激光，再经过光隔离器即能输出线宽窄、功率高和噪声低的激光。
２．ＥＤＦＬ的工作原理 （１） ＥＤＦＬ的增益介质—ＥＤＦ ＥＤＦ作为ＥＤＦＬ的增益介质，其基本原理是在光纤的纤芯中能产生激光的稀有元素（如铒、钕、镨等），通过激光器提供的直流光激励，使通过的光信号得到放大。
利用掺铒光纤的非线性效应，把泵浦光输入到掺铒光纤中，使光线中的铒原子的电子能级升高。
掺铒光纤放大器
解决了系统容量提高的最大的限制——光损耗，使长
距离传输成为可能。
EDFA给光纤通信领域带来革命
1989 年诞生的掺铒光纤放大器代
表的全光放大技术，是光纤通信技术
上的一次革命，它不仅解决了电中继 器设备复杂、维护难、成本高的问题， 更重要的意义在于促使波分复用技术 (WDM) 走向实用化，促进了光接入
双向泵浦的掺铒光纤放大器
掺铒光纤放大器结构图
信号放大
掺铒光纤放大器 的工作特性
增益及增益谱特性 饱和输出/输入功率
噪声系数及噪声谱特性
增益带宽
光放大器的增益
增益G是描述光放大器对信号放大能力的参数。定义为：
G(dB) 10log10
影响增益的因素：
Ps ,out Ps ,in
输出信号光功率 输入信号光功率
激发态
通过受激辐射 实现1480 nm 信号光
4I 13 / 2
亚稳态
粒子数反转， 即N2>N1
~1520 ~1560 nm 放大的信号光
4I 15 / 2
实际上能级分
裂成能带，有较宽 的吸收和发射带。
基 态
N1
铒离子能级结构
掺铒光纤放大器的基本结构
光发 送机
„
采用光放大器的中继方法
光发送机 1 光发送机 2 λ λ
1
光纤 复 用 λ 1 λ 2„λ 光放大器
n
λ 解 复 用 器 λ λ
1
光接收机 1 光接收机 2
2
2
„
光发送机 n
λ
器
n
Optical Amplifiers
n
光接收机 n
宽带宽的光放大器可以对多信道信号同时放大，而不需 要进行解复用，光放大器的问世推动了DWDM技术的
EDFC-980-HP C-Band 掺铒光纤 典型熔接损耗
Connet Fiber OpticsNufern EDFC-980-HP C-Band 掺铒光纤技术指标：_:Nufern 公司高性能C-Band 掺铒光纤EDFC-980-HP 和EDFC-980-HP-80是针对C-band 单通道和多通道光放大器和ASE 光源设计的优秀光纤。
其中80um 包层的掺铒光纤适合于小尺寸光纤放大器和城域网光纤放大器。
两种类型的C-Band 掺铒光纤都可以采用980nm 或者1480nm 泵浦。
Nufern 公司掺铒光纤采用特有的掺杂技术制作，光纤具有良好的批次一致性和光谱性能的重复性，可以和通信光纤低损耗连接，具有极其出色的机械性能。
: 应用领域:¾ 高批次一致性和光谱重复性能-高成品率制造光纤放大器，匹配GFF 。
¾ 出色的纤芯同心度-和单模光纤低损耗熔接 ¾高掺铝浓度-保证内在的增益平坦性¾单通道，多通道光纤放大器 ¾ ASE 光源¾ 小尺寸光纤放大器 ¾城域网光纤放大器Connet Fiber Optics包层/涂覆层偏差 um ≤5≤5强度测试水平 kpsi ≥200 (1.4GN/m 2)≥200 (1.4GN/m 2)涂覆层材料UV Cured Dual Acrylate工作温度 ℃-40 ~ +85性能展示：典型吸收和增益谱EDFC-980-HP 色散特性曲线EDFC-980-HP和其他光纤的典型熔接损耗：To SMF-28 Nufern 980-HP Nufern 1060-XPTypical Splicing Loss0.12 0.07 0.07(dB)订货信息：EDFC-980-HP：125um包层C-Band掺铒光纤EDFC-980-HP-80：80um包层C-Band掺铒光纤Connet Fiber Optics。