掺铒光纤放大器 (EDFA)

掺铒光纤放大器 (EDFA) 使用铒 (Er3+) 等稀土元素作为放大介质。它在制造过程中被掺杂到纤芯中。它由一小段由玻璃制成的光纤（通常为 10 m 左右）组成，其中添加了少量受控量的铒作为离子 (Er3+) 形式的掺杂剂。因此，二氧化硅纤维充当主体介质。决定工作波长和增益带宽的是掺杂剂（铒）而不是石英光纤。EDFA 通常在 1550 nm 波长区域工作，可提供超过 1 Tbps 的容量。因此，它们广泛应用于WDM系统中。

受激发射原理适用于 EDFA 的放大机制。当掺杂剂（铒离子）处于高能状态时，输入光信号的入射光子将激发它。它将部分能量释放给掺杂剂，并返回到更稳定的低能状态（“受激发射”）。下图显示了 EDFA 的基本结构。

1.1 EDFA的基本结构

泵浦激光二极管通常以高功率 (~ 10–200 mW) 产生波长（980 nm 或 1480 nm）的光信号。该信号通过 WDM 耦合器与石英光纤的掺铒部分中的光输入信号耦合。铒离子将吸收泵浦信号能量并跃迁至激发态。输出光信号的一部分被分出并通过光学滤波器和检测器反馈到泵浦激光器的输入端。这可作为反馈功率控制机制，从而使 EDFA 成为自调节放大器。当所有亚稳态电子都被消耗时，就不再发生进一步的放大。因此，系统自动稳定，因为无论输入功率波动（如果有），EDFA 的输出光功率几乎保持恒定。

1.2 EDFA 的简化功能原理图

上图显示了 EDFA 的简化功能原理图，其中来自激光器的泵浦信号通过 WDM 耦合器添加到输入光信号（1480 nm 或 980 nm）。

该图显示了一个非常基本的 EDF 放大器。泵浦信号的波长（泵浦功率约为50 mW）为1480 nm或980 nm。该泵浦信号的某些部分通过掺铒光纤的短长度内的受激发射传输到输入光信号。它的典型光学增益约为 5–15 dB，噪声系数低于 10 dB。对于 1550 nm 操作，可以获得 30–40 dB 光增益。

1.3 EDFA的实际实现

上图描述了 EDFA 在 WDM 应用中使用时的简化操作及其实用结构。

如图所示，主要包括以下几个部分：

• 输入端有一个隔离器。这可以防止 EDFA 生成的噪声向发射器端传播。

• WDM 耦合器。它将低功率 1550 nm 光输入数据信号与 980 nm 波长的高功率泵浦光信号（来自激光器等泵浦源）相结合。

• 一小段掺铒石英光纤。事实上，它是 EDFA 的活性介质。

• 输出端有一个隔离器。它有助于防止任何背反射光信号进入掺铒石英光纤。

最终输出信号是放大的 1550 nm 波长光数据信号，带有剩余的 980 nm 波长泵浦信号。

掺铒光纤放大器 (EDFA) 的类型

掺铒光纤放大器（EDFA）有两种结构：

• 带有同传播泵的 EDFA

• 带有反向传播泵的 EDFA

下图显示了可在 EDFA 结构中使用的反向传播泵和双向泵布置。

不同的泵布置

同传泵浦EDFA具有输出光功率低、噪声低的特点；而反向传播泵浦 EDFA 提供更高的输出光功率，但也会产生更大的噪声。在典型的商用 EDFA 中，使用同时进行同向传播和反向传播泵浦的双向泵浦，从而产生相对均匀的光学增益。

EDFA 作为增强器、串联放大器和前置放大器的应用

在光纤通信链路的长距离应用中，EDFA 可用作光发射机输出端的增强放大器、光纤内嵌式光放大器以及光传输之前的前置放大器。接收器，如上图所示。

值得注意的是，串联 EDFA 的放置距离为 20-100 公里，具体取决于光纤损耗。光输入信号的波长为 1.55 μm，而泵浦激光器的工作波长为 1.48 μm 或 980 nm。掺铒光纤的典型长度为 10–50 m。

EDFA 中的放大机制

如前所述，EDFA 中的放大机制基于类似于激光的受激发射。来自光泵信号（由另一台激光器产生）的高能量以较高能态激发石英光纤中的掺杂剂铒离子 (Er3+)。输入光数据信号刺激受激铒离子跃迁至较低能态，并导致具有与输入光信号相同能量（即相同波长）的光子辐射。

能级图：游离铒离子表现出离散能带水平。当铒离子掺杂到石英光纤中时，它们的每个能级分裂成许多密切相关的能级，从而形成能带。

1.4 EDFA的放大机制

为了实现粒子数反转，Er3+ 离子在中间能级 2 处被泵浦。在间接方法（980 nm 泵浦）中，Er3+ 离子连续从能级 1 移动到能级 3。随后是非辐射衰变到能级 2，从它们降至 1 级，以 1500–1600 nm 的所需波长辐射光信号。这称为三级放大机制。

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