第7章掺铒光纤放大器
掺铒光纤放大器
6.2 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器（EDFA）基本原理：铒离子吸收泵浦光的能量，实现粒子数反转分布，受激辐射产生与入射光子完全一样的光子。
EDFA的特点工作波长与光纤最小损耗波长窗口一致；对掺铒光纤进行激励所需要的泵浦光功率较低； 增益高、噪声低、输出功率高。
连接损耗低。
长度为10m~100m左右的掺铒光纤，铒离子的掺杂浓度一般为25mg/kg左右半导体激光器，输出功率为10~100mW，工作波长为0.98μm或1.48μm。
将信号光和泵浦光耦合在一起。
保证信号单向传输滤除噪声，提高信噪比EDFA 结构及工作原理铒离子能级分布泵浦能带快速非辐射衰变亚稳态能带5EDFA泵浦方式EDFA的内部按泵浦方式分，有三种基本的结构：即同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。
同向泵浦信号光与泵浦光以同一方向从掺铒光纤的输入端注入的结构，也称为前向泵浦。
反向泵浦信号光与泵浦光从两个不同方向注入进掺铒光纤的结构，也称后向泵浦。
双向泵浦同向泵浦和反向泵浦同时泵浦的结构。
不同泵浦方式性能差异（1）（2）（3）8EDFA性能参数1.功率增益2.输出功率特性3.噪声特性功率增益功率增益:输出功率与输入功率之比。
12输出功率噪声EDFA的主要噪声种类：①信号光的散粒噪声；②被放大的自发辐射光的散粒噪声；③自发辐射光谱与信号光之间的差拍噪声；④自发辐射光谱间的差拍噪声。
13EDFA的应用EDFA的基本应用：（1）延长中继距离；（2）与波分复用技术结合。
（3）与光孤子技术结合。
（4）与CATV等技术结合。
14。
光电技术实验-掺铒光纤放大器
光电技术实验-掺铒光纤放⼤器掺铒光纤放⼤器(EDFA)特性参数测量⼀、实验⽬的1.了解掺铒光纤放⼤器的⼯作原理及相关特性；2.掌握掺铒光纤放⼤器性能参数的测量⽅法；⼆、实验原理掺铒光纤放⼤器(Er Droped Fiber Amplifier,EDFA)的出现是光纤通信发展史上⼀个重要⾥程碑。
1986年英国南安普敦⼤学制作出了最初的掺铒光纤放⼤器。
在此之前，由于不能直接放⼤光信号，所有的光纤通信系统都只能采⽤光-电-光中继⽅式。
光纤放⼤器可直接放⼤光信号，这就可使光-电-光中继变为全光中继。
这是⼀次极为重要的飞跃，把光通信推向了⼀个新的阶段，其意义可与当年⽤晶体管代替电⼦管相提并论。
当作为掺铒光纤放⼤器泵浦源的0.98um和1.48um的⼤功率半导体激光器研制成功后，掺铒光纤放⼤器趋于成熟，进⼊了实⽤化阶段。
掺铒光纤放⼤器的意义不仅在于可进⾏全光中继，它还在多⽅⾯推动了光纤通信的发展，引起了光纤通信的⾰命性变⾰。
其中最突出的是在波分复⽤(WDM)光纤通信系统中的应⽤。
波分复⽤是在⼀根光纤上传输多个光信道，从⽽充分利⽤光纤带宽，有效扩展通信容量的光纤通信⽅式。
由于掺铒光纤放⼤器具有约40nm的极宽带宽，可覆盖整个波分复⽤信号的频带，因⽽⽤⼀只掺铒光纤放⼤器就可取代与信道数相应的光⼀电⼀光中继器，实现全光中继。
这极⼤地降低了设备成本，提⾼了传输质量。
这⼀优越性推动了波分复⽤技术的发展。
现在EDFA+WDM已成为⾼速光纤通信⽹发展的主流，代表新⼀代的光纤通信技术。
（1）EDFA的⼯作原理铒(Er)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。
EDFA利⽤了镧系元素的4f能级，图1是Er+3的能级图。
在掺铒光纤中．由于⽯英基质的作⽤，4f的每⼀个能级分裂成⼀个能带。
图中4I15/2能带称为基态；4I能带称为亚稳态，在亚稳态上粒⼦的平均寿命时间达到10ms。
4I11/2能带为13/2泵浦态，粒⼦在泵浦态上的平均寿命为1us。
掺铒光纤放大器的工作原理动
掺铒光纤放大器的工作原理动
掺铒光纤放大器的工作原理如下：
1. 掺铒光纤：掺铒光纤是一种光纤材料，其中掺入了铒离子。
铒离子具有特殊的能级结构，可以吸收和发射特定频率的光信号。
2. 泵浦光源：掺铒光纤放大器使用泵浦光源来提供能量，激发掺铒光纤中的铒离子。
常见的泵浦光源包括激光二极管和光纤激光器。
3. 泵浦光激发：泵浦光源提供的能量被吸收到掺铒光纤中的铒离子上，使其处于高能级激发态。
4. 铒离子跃迁：在高能级激发态下，铒离子会经历自发跃迁或受到外界光信号的刺激而跃迁到低能级，释放能量。
5. 光信号放大：当外界光信号通过掺铒光纤时，铒离子会吸收光信号的能量，并通过受激辐射的过程放大原始信号。
6. 光信号增强：经过多次反射和放大，原始信号在掺铒光纤中得到了增强，从而实现光信号的放大。
总结起来，掺铒光纤放大器通过掺入铒离子的光纤材料来实现光信号的放大。
当
外界光信号通过掺铒光纤时，铒离子会吸收光信号的能量并放大原始信号，使得光信号增强。
这种放大器适用于光通信和光传感等领域，可以提高光信号的传输距离和质量。
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。
掺铒光纤放大器EDF掺铒光纤放大器.PPT
半导体光放大器（SOA)
四、应用
1、多信道放大中存在的问题 •噪声大（Fn~8dB) •信道串扰（交叉增益调制XGM、四波混频FWM） •增益饱和引起信号畸变
2、其他应用 A、光波长转换：
光波长转换器（Wavelength Converter）是一种实现将光信号从某一波 长的光载波转换至另一波长光载波的器件，是波分复用光通信系统向 光 网络演变的一个关键性器件。光波长转换器能使网络在不同节点处 重复 使用某一个波长，这种“波长再利用”无疑能提高波长的利用效 率，有 效地减少波分复用网络中所需波长的数量 机理：
掺铒光纤放大器(EDFA)
•多信道放大中存在的其它问题： 要求：增益平坦、增益钳制、高的输出功率
1、增益平坦
固有的增益不平坦 增益差随级联放大而积累增大
各信道的信噪比差别增大 各信道的接收灵敏度不同
1544
1569
典型的EDFA增益谱
光发射机 1 光发射机 2 光发射机 3
光发射机 N
掺铒光纤放大器(EDFA)
掺铒光纤放大器(EDFA)
2、增益钳制
•EDFA对信道的插入、分出或信道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 •瞬态特性使得剩余信道获得过大的增益，并输出过大的功率， 而产生非线性，最终导致其传输性能的恶化--需进行自动增益 控制 •对于级联EDFA系统，瞬态响应时间可短至几~几十 s，要求 增益控制系统的响应时间相应为几~几十 s
掺铒光纤放大器基本结构
掺铒光纤放大器基本结构掺铒光纤放大器（EDFA）是一种利用掺铒光纤中的铒离子来实现信号放大的高性能光纤放大器。
在光通信领域中广泛应用的EDFA，通过将铒离子掺入光纤中来实现光信号的放大，从而提高信号传输的距离和质量。
本文将深入探讨掺铒光纤放大器的基本结构、工作原理以及在光通信系统中的应用。
**一、掺铒光纤放大器的基本结构**掺铒光纤放大器的基本结构主要包括光纤、激发器、泵浦光源、滤波器和耦合器等组成部分。
1. 光纤：掺铒光纤是掺有铒离子的光纤，其内部的铒离子能够吸收泵浦光源的能量，并将其转化为放大信号的能量。
2. 激发器：激发器用于向掺铒光纤中输入激发信号，激发铒离子的能级跃迁，使其处于激发态。
3. 泵浦光源：泵浦光源是用于供应泵浦光能量的光源，常见的泵浦光源有光纤激光器和二极管激光器。
4. 滤波器：滤波器用于滤除放大信号中的杂散光，确保输出信号的纯度和质量。
5. 耦合器：耦合器用于将泵浦光源的能量耦合到掺铒光纤中，并将放大信号从掺铒光纤中耦合出来。
以上是掺铒光纤放大器的基本结构，不同的应用场景和需求还可能会有一些其他的组成部分，但基本结构通常是这样的。
**二、掺铒光纤放大器的工作原理**掺铒光纤放大器的工作原理主要涉及到铒离子的能级跃迁和光信号的放大过程。
当泵浦光源输入泵浦光能量时，其中的光子被掺铒光纤内的铒离子吸收，使得铒离子处于激发态。
在激发态下，铒离子会发生非辐射性跃迁，即从高能级跃迁到低能级，释放出与之相应的能量。
这部分能量就是用来放大光信号的能量。
当光信号通过掺铒光纤时，处于激发态的铒离子会与光信号发生能量的交换作用，将光信号中的能量吸收并转化为放大信号的能量。
这样，光信号就得到了放大。
最后，经过滤波器的过滤，杂散光被滤除，只留下所需的放大信号输出。
**三、掺铒光纤放大器在光通信系统中的应用**掺铒光纤放大器在光通信系统中有广泛的应用。
它能够实现光信号的放大，从而延长信号传输的距离，提高信号传输的质量和可靠性。
掺铒光纤放大器
特点：光路简单，电路控制灵活性强
24
均衡EDFA的工作原理— 增益锁定
隔离器
泵浦源
掺铒光纤
信号输入
可调滤波器 可调衰减器
激光箝制放大器（光控）
隔离器 信号输出
环形腔结构
LD PUMP
ISO
WDM
Input Signal
Grating 1
EDF
ISO
Grating 2
Output Signal
特点：完全自动， 精确度高
增益谱的形状随信号功率而变，在有信道上、下的动 态情况下，失衡情况更加严重
22
WDM+EDFA系统的均衡技术—立足EDFA
立足于EDFA的均衡功能的开发 • 采用新型宽谱带掺杂光纤：
掺铒氟化物光纤（30nm)； 高掺铝的铒铝共掺光纤（17nm）；
• 采用与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器；
只能适应静态情况的平坦，当信道功率变化时仍不能保持平坦
29
长波段（L-band）掺铒光纤放大器
30
k
g
*k
/
h k
14
掺铒光纤放大器的基本理论模型(4)
增益：
G
exp
L 0
g
*
n2 nt
n1
nt
dz
增益的大小和谱分布由粒子数反转水平及掺铒光纤长度决定
噪声系数：
NF
10log10
SNRin SNRout
10 log10
2nsph G 1 ase
hG ase
10 log10
Pase
什么是掺铒光纤放大器
电子轨道 电子能级 跃迁
辐射跃迁（发光） 非辐射跃迁（不发光） 受激吸收（光泵浦） 受激辐射（光放大） 自发辐射（产生噪声） 获得光放大的基本条件：粒子数反转
光纤通信第7章光放大器讲解学习
SOA也是一种 重要的光放大 器，其结构类 似于普通的半 导体激光器。
I
R1
R2
半导体光放大器示意图
•半导体光放大器的放大特性主要决定于激光腔的反射特性与 有源层的介质特性。
•根据光放大器端面反射率和工作偏置条件，将半导体光放大 器分为：----法布里－珀罗放大器(FP－SOA)
EDFA + 均衡器 → 合成增益
增益平坦/均衡技术(2)
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
增益钳制技术(1)
电控：监测EDFA的输入光功率，根据其大小调整 泵浦功率，从而实现增益钳制，是目前最为成熟的
方法。
In
Out
EDFA
LD Pump
泵浦控制均衡放大器（电控）
增益钳制技术(2)
在系统中附加一波长信道，根据其它信道的功率， 改变附加波长的功率，而实现增益钳制。
注入激光
四、EDFA的大功率化(1)
=1.3%
=0.7%
用于制作大功率EDFA 的双包层光纤结构图
芯层：5m 内包层： 50m 芯层(掺铒)，传播信号层(SM) 内包层，传播泵浦光(MM)
7.1 光放大器
7.1.1 光放大器概述 7.1.2 掺铒光纤放大器EDFA 7.1.3 半导体光放大器SOA 7.1.4 光纤拉曼放大器FRA
7.1.3 半导体光放大器SOA
输出信号光功率 输入信号光功率
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
掺铒光纤放大器实验报告
掺铒光纤放大器实验报告引言掺铒光纤放大器是一种能够放大光信号的器件，利用掺杂有铒离子的光纤来实现放大功能。
本报告旨在介绍掺铒光纤放大器的实验原理、实验步骤以及实验结果分析。
实验原理掺铒光纤放大器利用了铒离子的特殊性质，当铒离子被激发时，会发射出特定波长的光子。
这些光子可以与输入的光信号发生相互作用，使信号得到放大。
掺铒光纤放大器由激发源、光纤和光探测器组成。
实验步骤1. 准备工作首先，我们需要准备实验所需的材料和设备，包括掺铒光纤、光源、光探测器、光纤连接器等。
确保实验环境光线较暗，以避免干扰。
2. 搭建实验装置将光源和光探测器与掺铒光纤分别连接起来，注意保持光纤的连接质量，以免信号损失。
可以使用光纤连接器来简化连接过程。
3. 测量初始光功率在实验开始之前，需要测量输入光源的初始光功率，并记录下来。
这可以作为后续实验结果的参考。
4. 开始实验将输入光信号通过掺铒光纤放大器，并让光信号在光纤中传输一段距离。
可以使用光纤延长器来延长传输距离。
5. 测量输出光功率在光信号通过掺铒光纤放大器后，使用光探测器测量输出光功率，并记录下来。
比较输出光功率与初始光功率的差异，可以评估掺铒光纤放大器的放大效果。
6. 数据分析根据实验结果，我们可以对掺铒光纤放大器的性能进行评估和分析。
可以计算放大倍数、增益和信噪比等指标，以判断实验的成功与否。
实验结果和讨论根据我们的实验数据，我们观察到输出光功率明显高于输入光功率，这表明掺铒光纤放大器成功地将光信号进行了放大。
通过计算，我们得到了放大倍数为X，增益为Y。
此外，我们还注意到放大过程中的信噪比有所下降，这可能是由于光纤传输过程中的损耗导致的。
在实验过程中，我们还发现了一些潜在的问题。
例如，光纤连接质量的影响、光源的稳定性和光探测器的灵敏度等。
这些因素可能会对实验结果产生一定的影响，需要进一步研究和改进。
结论通过本次实验，我们成功地搭建了一个掺铒光纤放大器实验装置，并进行了实验数据的测量和分析。
2011年第7章 掺铒光纤放大器
WDM系统的基本构成主要有以下两种形式：
1 光发射机
…
(1) 双纤单向传输。
1
光接收机 解复用器
…
1
复用器
光纤放大器
n
光发射机
n
1′ 光接收机 解复用器
1 … n 1
光纤放大器 复用器
光接收机
n
光发射机
…
1′
n′
光接收机
由于各信号是通过不同光波长携带的，因而彼此之间不会混淆。 在接收端通过光解复用器将不同波长的信号分开， 完成多路 光信号传输的任务。
注：泵浦（pump，抽运）
LD和EDF 区别
外加源 输入信号 工作物质 输出信号 工作机理 放大作用
半导体激光器 正向电压 电信号 半导体 光信号 受激辐射 谐振腔
EDFA 激光 光信号 掺铒光纤 光信号 受激辐射 光纤本身
四、掺铒光纤放大器结构
泵浦 激光 (98 0 n m或 1 48 0 n m)
六、掺铒光纤放大器
泵浦波长为1480nm、信号波长为1550nm时，EDFA 增益与光纤长度和泵浦功率依存关系
七、掺铒光纤放大器的优点和应用
(1)工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。
(2) 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。
二、光放大器的种类 1、半导体光放大器（SOA）
普通光放大器的基本工作原理
二、光放大器的种类 2、光纤放大器（DFA） 非线性光纤放大器 掺铒光纤放大器
非线性光纤放大器：利用强的光源对光纤进行激发，使光
掺铒光纤放大器
外来激励光子能量为两能级能量差 激辐射；
h E2时，E才1 能发生受
受激辐射的光子与外来光子的特性完全相同， 即：频率、位相、偏 振和传播方向(fāngxiàng)完全一样，因此受激辐射与外来辐射是相 干的，换句话说外来辐射被 “放大” 了；
光的受激辐射过程是产生光放大与激光的基本过程（受激辐射的光子与 外来光子的特性完全相同可以在量子电动力学中得到证明）
共五十七页
受激吸收(xīshōu)几率
受激吸收(xīshōu)（跃迁）几率W12定义为 W12 B12 ，则有：
W12
B12
1 n1
dn2 dt
受激吸收的跃迁几率的物理意义为：单位时间内，在外来单色能量密
度为
的光照下，E1能级上因为受激吸收跃迁到E2能级上的粒子数密度占
处于E1能级总粒子数密度的百分比。
到高能级E2的过程：
光的受激吸收(xīshōu)过程
特点：处于低能级E1的原子受到外来光子的刺激作用，完全吸收 光子的能量而跃迁到高能级E2的过程。
共五十七页
受激吸收(xīshōu)跃迁速率与受激吸收(xīshōu) 系数
从E1经受激吸收跃迁到E2具有一定的跃迁速率则有：
dn2 B12 n1dt
A21称为爱因斯坦自发辐射系数，简称(jiǎnchēng)自发辐射系数，
它是粒子能级系统的特征参量。
A21
1 n2
dn2 dt
物理意义是：单位时间内，发生自发辐射的粒子数密度占处于(chǔyú)E2能
级总粒子数密度的百分比。
共五十七页
自发辐射时E2能级(néngjí)上粒子的平均寿命
解该方程得：
n2 (t) n20e A21t
LD1
2011第7章掺铒光纤放大器
增益 / dB
35.0
30.0
增益 / dB
25.0
20.0
15.0
输出光功率 / dBm
10.0
I
I
I
I
5.0
I
0.0
I
噪声指数 / dB
－5.0
I
－10.0 －40 －35 －30 －25 －20 －15 －10 －5 0
输入光功率 / dBm
图7.4 掺铒光纤放大器增益、 噪声指数和输出光功率与输入光功率的关系曲线
输出信号光功率 / mW 增益 / dB
80 转换效率
60 92.6％
40
40
30 增益系数
20
6.3 dB / mW
20
10
0 0 20 40 60 80 输入泵浦光功率 / mW
0 0 5 10 15 20
输入泵浦光功率 / mW
(a)
(b)
掺铒光纤放大器的特性
(a) 输出信号光功率与泵浦光功率的关系； (b) 小信号增益与泵浦光功率的关系
(3) 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。只要信道间隔大于10KHz，在EDFA 中就不会产生串扰。对于多信道应用，EDFA是理想的放大器
三、掺铒光纤放大器工作原理（1）
掺 铒高 密 度带 (100～ 2000 ppm )
直 径 3～ 6 m 掺 锗的 纤 芯
直 径 125 m
S iO
包
2
层
直 径 250 m 涂 覆 层
掺铒光纤芯层的几何模型
三、掺铒光纤放大器工作原理（2）
三、掺铒光纤放大器工作 原理（3）
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
掺铒光纤放大器工作原理
掺铒光纤放大器工作原理
掺铒光纤放大器是一种利用掺铒光纤的特性来实现光信号放大的器件。
掺铒光纤放大器的工作原理基于铒离子的能级结构和光与物质相互作用的原理。
在掺铒光纤放大器中，光信号首先通过输入光纤被引入到掺铒光纤中。
掺铒光纤中的铒离子由于掺杂而处于激发态，当光信号与铒离子相互作用时，铒离子的电子从激发态跃迁到基态，并释放出能量。
在掺铒光纤中，铒离子的能级结构决定了能量释放的过程。
铒离子的基态称为基态4I15/2，激发态分为多个能级，如4I11/2、4I13/2等。
当激发态的铒离子从高能级跃迁到低能级时，会以
光子的形式释放出能量。
这些释放出的光子与光信号相互作用，使光信号得到放大。
光信号经过多次的放大和传输，在掺铒光纤中得到明显的增强。
掺铒光纤放大器中的光信号经过放大后，可通过输出光纤传输到其他设备或系统中进行进一步处理或应用。
掺铒光纤放大器的工作原理主要依赖于光与物质相互作用导致激发态和基态之间的能量转换，通过多次的能级跃迁和光子释放来实现光信号的放大。
掺铒光纤放大器因其低噪声、波长无关性和大增益等特点，在光通信、激光器和光传感等领域得到广泛应用。
掺铒光纤放大器的工作原理
利用图加深学生对掺铒光纤的了解。
2.铒离子的能级结构
讲述铒离子的能级结构和泵浦跃迁、泵浦波长。
利用图加深理解。
3.EDFA的工作原理
讲述EDFA的工作原理，利用图加深理解，对比980nm和1480nm泵浦的不同。
讲述EDFA的典型放大谱线。
小结：
课堂总结
教学章节
掺铒光纤放大器的工作原理
教学环境
多媒体机房
教学
内容1.掺铒光纤的结构Fra bibliotek2.铒离子的能级结构
3.EDFA的工作原理
教学
目标
1.了解掺铒光纤的结构
2.掌握铒离子的能级结构
3.掌握EDFA的工作原理
重点
难点
1.EDFA的工作原理
教学
方法
讲授、讨论、总结
教学
过程
讲授：
1.掺铒光纤的结构
讲述掺铒光纤的结构。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
( P / s ) PP ,in G 1
例题： 一个在 980nm 泵浦的 EDFA ，其泵浦
功率为40mW，如果在1550nm处的增益是
22dB ，求 EDFA 的最大输入、输出光信号
功率。
体激光器已完全商用化，并且泵浦效率 高于其他波长，故得到了最广泛的应用。
在泵浦光的激励下，4I11/2能级上的粒 很快跃迁到亚稳态 4I13/2能级，从而实现了 粒子数反转。
子数不断增加，又由于其上的粒子不稳定，
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
种结构具有较高的输出信号功率，但噪声特性较
差。
后向（反向）泵浦掺铒光纤放大器
掺铒光纤 光耦合器
光信号输入
光隔离器
光隔离器
光信号输出
泵浦LD
3、双向泵浦掺铒光纤放大器
双向泵浦掺铒光纤放大器，表示两个泵
浦光从两个相反方向进入掺铒光纤。这种结
构具有的输出信号功率最高，噪声特性也不
差。
双向泵浦掺铒光纤放大器
7.2.1 掺铒光纤 掺铒光纤是 EDFA 的核心元件，它以
石英光纤作基质材料，并在其纤芯中掺入
一定比例的稀土元素铒离子（Er），便形 成了掺铒光纤（EDF）。
掺入铒元素的目的是，促成被动的传 输光纤转变为具有放大能力的主动光纤。
掺杂浓度在百万分之几十至百万分之
几百。
除了所掺的铒以外，这种光纤的构
掺铒光纤 光耦合器 光耦合器
光信号输入 光隔离器
光隔离器
光信号输出
泵浦LD
泵浦LD
7.4 EDFA的最大输入、输出光信号功率 根据能量守恒原理，EDFA的输入、输 出光信号功率可以表示为：
Ps ,out
p Ps ,in PP,in s
Ps ,out
p Ps ,in PP,in s
泵浦波长：λp，泵浦效率：Wp 在λp=0.532μm处， Wp =1.35 dB/mW； 在λp=0.800μm处， Wp =0.80 dB/mW；
在λp=0.980μm处， Wp =4.90 dB/mW；
在λp=1.480μm处， Wp =3.90 dB/mW。
（2）要求无激发态吸收 在理想的系统中，处于激发态的电 子，在受到外来的光子作用时，向低能 级跃迁而发出光子，但是还有一种可能 就是它可以吸收外来的光子继续向更高
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。
3、选用泵浦波长的原则： （1）要求泵浦效率高; （2）要求无激发态吸收。
（1）要求泵浦效率高
泵浦效率Wp 为：
Wp= 放大器增益（dB）/泵浦功率（mW）
不同吸收频率处的泵浦效率相差很大，
实验测得的一组数据是：
的能级跃迁，这就是激发态吸收。
由实验得知：
0.98 μm 和 1.48μm 泵浦对应着无激发
态吸收的能带，因而是倍受重视的两个波
长。这两个波长的泵浦源都可以用半导体
激光器来实现。
0.98μm与1.48μm相比，增益高、泵浦 效率高、噪声小，具有很大的吸引力，
0.98μm是目前掺铒光纤放大器的首选波长。
造与通信中单模光纤的构造一样，铒离 子位于 EDF 的纤芯中央地带，将铒离子
放在这里有利于其最大地吸收泵浦和信
号能量，从而产生好的放大效果。
7.2.2 铒离子的电子能级图
铒( Er )是一种稀土元素，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
电子能级如图所示。由下能级向上能级的跃迁则
4 4
基态
I15/2
基态
I15/2
铒离子的电子能级图
7.2.3 掺铒光纤的光放大原理 铒的能级图如图所示。其发光原理可
用三能级系统来解释：
基态为4I15/2；亚稳态为4I13/2，在亚稳 态上粒子的平均寿命时间达到10ms；泵浦
态为4I11/2，粒子在泵浦态上的平均寿命为
1μ s 。
由于980 nm 和1480 nm 大功率半导
掺铒光纤放大器工作原理
7.3 掺铒光纤放大器的结构
掺铒光纤放大器是由一段掺铒光纤、泵浦
光源、光耦合器以及光隔离器等组成。
掺铒光纤放大器的结构因泵浦方式不同而 不同，目前应用的泵浦方式主要有： （1）同向（前向）泵浦掺铒光纤放大器； （2）反向（后向）泵浦掺铒光纤放大器；
（3）双向泵浦掺铒光纤放大器 。
式中，Ps,in是输入光信号功率，PP,in是输入泵浦
P 和 功率，
s 分别是泵浦波长和信号波长。
假设没有自发辐射，掺铒光纤放大器增益G为G源自Ps ,out Ps ,in
p PP,in 1 s Ps ,in
因此，为了达到一个给定的最大增益G，输
入光信号功率必须满足下式：
Ps ,in
1、前向（同向）泵浦掺铒光纤放大器
前向（同向）泵浦掺铒光纤放大器，表 示信号光和泵浦光同向进入掺铒光纤，光隔 离器用于隔离反馈光信号，提高稳定性。这 种结构噪声特性较好。
前向（同向）泵浦掺铒光纤放大器
掺铒光纤 光耦合器 光带通滤波器
光信号输入 光隔离器 光隔离器
光信号输出
泵浦LD
2、后向（反向）泵浦掺铒光纤放大器 后向（反向）泵浦掺铒光纤放大器，表示信 号光和泵浦光从两个不同方向进入掺铒光纤。这
第 7 章 掺铒光纤放大器
教学重点 1、光放大器的类型及其特点； 2、理解掺铒光纤的激光特性和掺铒光纤放
大器的工作原理；
3、掌握EDFA的光路结构原理、特点及应
用。
7.1 光放大器概述
光放大器的应用 光纤的中继距离受限于光纤的的损耗和色 散。 就损耗来说，目前光纤损耗的典型值在 1.31μm波段为0.35 dB/km左右，在1.55μm波段 为0.25 dB/km左右。由于光纤损耗的限制，因 此，每隔一定距离（50-70 km），就要设置一 个中继器 。
统中必不可少的重要器件。
7.2 掺铒光纤放大器 EDFA 20世纪80年代末期，波长为1.55 μm的
掺 铒 (Er) 光 纤 放 大 器 ( EDFA ： Erbium
Doped Fiber Amplifier ) 研制成功并投入实
用，把光纤通信技术水平推向一个新高度，
成为光纤通信发展史上一个重要的里程碑。
在光放大器研制成功之前，传统的 中继器主要采用光 - 电 - 光转换方式，首
先将光纤中送来的光信号转换为电信号，
然后对电信号进行放大，最后再将放大
了的电信号转换为光信号送到光纤中去，
如图所示。
光纤
光电变换 (O/E)
放大器
电光变换 (E/O)
光纤
光的范围
电的范围
光的范围
传统的中继器原理框图
以1989年诞生的掺铒光纤放大器代表 的光放大技术可以说是光纤通信技术上的 一次革命。它为未来的全光通信网奠定了 扎实的基础，成为现代和未来光纤通信系
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。如图
2
0.514 μ m 0.650μ m 0.800μ m
H11/2 F9/2
泵浦态 980 nm
4
4
4 4
I9/2 I11/2
泵浦态
I11/2
0.980μ m
4
亚稳态
1.480μ m
I13/2
亚稳态
4
I13/2
1530 nm
1.530μ m