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摻鉺光纖的放大原理

  EDFA的放大作用是通過1550nm波段的信號(hào)光在摻鉺光纖中傳輸與Er3+離子相互作用產(chǎn)生的。在光與物質(zhì)相互作用時(shí),光可以被看作由光子組成的粒子束,每個(gè)光子的能量為:

 。=hv

  其中:。艦楣庾拥哪芰, v為光的頻率,h為普朗克常數(shù)。

  摻鉺光纖中的Er3+離子所處的能量狀態(tài)是不能連續(xù)取值的,它只能處在一系列分立的能量狀態(tài)上,這些能量狀態(tài)稱為能級(jí)。當(dāng)在摻鉺光纖中傳輸?shù)墓庾幽芰颗cEr3+離子的某兩個(gè)能級(jí)之間的能量差相等時(shí),Er3+離子就會(huì)與光子發(fā)生相互作用,產(chǎn)生受激輻射和受激吸收效應(yīng)。受激輻射是指Er3+離子與光子相互作用從高能級(jí)躍遷到低能級(jí),發(fā)射出一個(gè)與激發(fā)光子完全相同的光子(即光子的頻率、相位、傳播方向、偏振態(tài)相同);受激輻射是指Er3+離子與光子相互作用從低能級(jí)躍遷到高能級(jí),并且吸收激發(fā)光子。為了詳細(xì)說明EDFA的放大原理,下圖給出了Er3+離子與光放大作用有關(guān)的能級(jí)結(jié)構(gòu)。

鉺離子能帶圖

  如鉺離子能帶圖所示,與Er3+離子產(chǎn)生光放大效應(yīng)的能級(jí)有三個(gè):激發(fā)態(tài)、亞穩(wěn)態(tài)、基態(tài)。激發(fā)態(tài)與基態(tài)之間的能量差與泵浦光子能量相同,亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)之間的能量差與1550nm的光子能量相同。

  在摻鉺光纖中注入足夠強(qiáng)的泵浦光,就可以將大部分處于基態(tài)的Er3+離子抽運(yùn)到激發(fā)態(tài)上,處于激發(fā)態(tài)的Er3+離子又迅速無輻射地轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)上。由于Er3+離子在亞穩(wěn)態(tài)上能級(jí)壽命較長,因此,很容易在亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn),即處于亞穩(wěn)態(tài)的Er3+粒子數(shù)比處于基態(tài)的Er3+粒子數(shù)多。當(dāng)信號(hào)光子通過摻鉺光纖,與Er3+離子相互作用發(fā)生受激輻射效應(yīng),產(chǎn)生大量與自身完全相同的光子,這時(shí)通過摻鉺光纖傳輸?shù)男盘?hào)光子迅速增多,產(chǎn)生信號(hào)放大作用;只有少數(shù)處于基態(tài)的Er3+離子對(duì)信號(hào)光子產(chǎn)生受激吸收效應(yīng),吸收光子。Er3+離子的亞穩(wěn)態(tài)和基態(tài)具有一定的寬度,使EDFA的放大效應(yīng)具有一定波長范圍,其典型值為1530~1570nm。Er3+離子處于亞穩(wěn)態(tài)時(shí),除了發(fā)生受激輻射和受激吸收以外,還要產(chǎn)生自發(fā)輻射,即Er3+離子在亞穩(wěn)態(tài)上短暫停留還沒有機(jī)會(huì)與光子相互作用,就會(huì)自發(fā)地從亞穩(wěn)態(tài)躍遷到基態(tài)并發(fā)射出1550nm波段的光子,這種光子與信號(hào)光不同,它構(gòu)成EDFA的噪聲。由于自發(fā)輻射光子在摻鉺光纖中傳輸時(shí)也會(huì)得到放大,因此在EDFA的輸入光功率較低時(shí),會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲。

  摻鉺光纖放大器(EDFA)的組成,是一段不長的石英光纖,在纖芯中摻鉺離子。1.55μm波長窗口的光信號(hào)輸入至這段光纖的一端,而在另一端輸出。當(dāng)這段光纖受到波長0.98μm或1.48μm的半導(dǎo)體激光管輸出足夠大的功率抽引時(shí),傳輸經(jīng)過一定波段寬度,1.55μm信號(hào)得到有用的功率增益和平坦的增益特性,也就是得到放大作用。由于光子從抽引至信號(hào)間有顯著的轉(zhuǎn)換效率,光纖的輸出信號(hào)得到較大的功率,并保持較低的噪聲系數(shù),這樣的EDFA對(duì)一定的波段寬度提供有用增益和平坦特性,表明它們能對(duì)波分多路信號(hào)的每一路都提供放大作用,而平坦特性意味著,WDM各路同樣放大,不會(huì)相互間產(chǎn)生路標(biāo)串?dāng)_。EDFA能提供一定大的輸出功率,就可使WDM信號(hào)沿線路傳輸較長距離才需要再次放大,從而減少線路中間放大器的只數(shù)。EDFA能保持一定小的噪聲系數(shù),就容許長距離線路沿線設(shè)置較多的放大器,而整個(gè)線路的噪聲累積不致太嚴(yán)重。

  最初的EDFA是在波長1540~1560nm范圍的20nm寬度提供增益。它有兩段摻鉺光纖,各由980nm激光管經(jīng)過耦合器抽引。就是說,它是兩級(jí)放大:輸入級(jí)主要是提高增益,輸出級(jí)則是提供飽和的輸出功率,而兩級(jí)之間設(shè)置一個(gè)避免放大自發(fā)性發(fā)射的濾波器。后來,EDFA能在C波段1530~1565nm或1525~1560nm的35nm寬度提供平坦增益,在兩級(jí)之間設(shè)置增益均衡濾波器。這樣的EDFA已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用于長途線路的32路和64路的DWDM系統(tǒng),光纖的傳輸容量加大為320Gb/s和640Gb/s。然而,EDFA并不停留在這樣的水平,而是準(zhǔn)備在L波段1565~1615nm,的50nm寬度同時(shí)提供平坦增益。進(jìn)一步的辦法是把C波段EDFA和L波段EDFA裝在一起聯(lián)合使用,兩者寬度相加,得到85nm,構(gòu)成寬度的W-EDFA。據(jù)最近報(bào)道,這種實(shí)際試驗(yàn)的W-EDFA是采用分開波段的結(jié)構(gòu),在輸入端設(shè)置分波器,把輸入的寬帶信號(hào)分為C波段和L波段兩支,由兩支EDFA各自放大,在輸出端設(shè)置合波器,把放大過的C波段和L波段信號(hào)合并為一個(gè)寬波段的輸出信號(hào)。C波段EDFA和L波段EDFA各有3級(jí),即3部分摻鉺光纖。這3級(jí)分別稱為色散補(bǔ)償級(jí)、增益均衡濾波級(jí)和功率級(jí),它們的第1、2級(jí)都是各有一段摻鉺光纖,各由980nm激光管抽引。第1級(jí)各有色散補(bǔ)償光纖光柵,第2級(jí)各有增益均衡濾波器。C波段的第3級(jí)有一段摻鉺光纖,由980nm和1480nm抽引,而L波段的第3級(jí)則有3段摻鉺光纖,分別由980nm和1480nm抽引。這樣的兩個(gè)EDFA各自調(diào)整到同樣的增益、同樣的輸出功率和同樣的噪聲系數(shù)。只是它們組成W-EDFA后,波段是C和L兩個(gè)波段的總和,即40.8nm+43.5nm=84.3nm,有平坦效益24dB,每路輸出功率24.5dBm,噪聲系數(shù)6.5dB。這樣的W-EDFA曾與DWDM配合應(yīng)用于1Tb/s 400km的大容量、長距離傳輸系統(tǒng)。


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