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