光纤放大器的工作原理
掺铒光纤放大器的工作原理
Er3 能级图及放大过程：掺铒光纤放大器之所以能放大光信号的基本原理在于Er3＋吸收泵浦光的能量，由基态4I15/2跃迁至处于高能级的泵浦态，对于不同的泵浦波长电子跃迁到不同的能级，当用980nm波长的光泵浦时，如图15-1所示，Er＋3从基态跃迁至泵浦态4I11/2。由于泵浦态上的载流子的寿命只有1μs，电子迅速以非辐射方式由泵浦态豫驰至亚稳态，在亚稳态上载流子有较长的寿命，在源源不断的泵浦下，亚稳态上的粒子不断累积，从而实现粒子数反转分布。当有1550nm的信号光通过已被激发的铒光纤时，在信号光的感应下，亚稳态上的粒子以收集受激辐射的方式跃迁到基态，同时释放出一个与感应光子全同的光子，从而实现了信号光在掺铒光纤的传播过程中不断放大。在放大过程中，亚稳态上的粒子也会以自发辐射的方式跃迁到基态，自发辐射产生的光子也会被放大，这种放大的自发辐射（ASE: Amplified Spontaneous Emission）会消耗泵浦光并引入噪声。为什么光纤放大器被广泛应用恶劣的天气情况，会对无线光通讯系统的传播信号产生衰耗作用。
EDFA的基本性能
EDFA中，当接入泵浦光功率后输入信号光将得到放大，同时产生部分ASE自发辐射光，两种光都消耗上能级的铒粒子。当泵浦光功率足够大，而信号光与ASE很弱时，上下能级的粒子数反转程度很高，并可认为沿EDFA长度方向上的上能级粒子数保持不变，放大器的增益将达到很高的值，而且随输入信号光功率的增加，增益仍维持恒定不变，这种增益称为小信号增益。随着新材料、新技术的不断突破，光纤放大器在1292~1660nm波长范围内获得带宽为300nm超宽带将不是梦想，Tbit/sDWDM光网络传输系统将一定会实现。
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光纤放大器类型介绍
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典型的EDFA结构主要由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、耦合器、隔离器等组成。
掺铒光纤是EDFA的核心部件。它以石英光纤作为基质，在纤芯中掺人固体激光工作物质铒离子，在几米至几十米的掺铒光纤内，光与物质相互作用而被放大、增强。光隔离器的作用是***光反射，以确保放大器工作稳定，它必须是插进损耗低，与偏振无关，隔离度优于40 dB。在给定输入泵浦光功率时，随着信号光和ASE光的增大，上能级粒子数的增加将因不足以补偿消耗而逐渐减少，增益也将不能维持初始值不变，并逐渐下降，此时放大器进入饱和工作状态，增益产生饱和。
光纤放大器
增益与掺铒光纤长度的关系
EDFA的增益还跟输进光的程度、泵浦光功率及光纤中铒离子Er3 的浓度都有关系，如小信号输进时的增益系数大于大信号输进时的增益系数。当输进光弱时，高能位电子的消耗减少并可从泵激得到充分的供给，因而，受激辐射就能维持达到相当的程度。当输进光变强时，由于高能位的电子供给不充分，受激辐射光的增加变少，于是就出现饱和。泵浦光功率越大，掺铒光纤越长，3 dB饱和输出功率也就越大。其次与当Er3 的浓度超过一定值时，增益反而会降低，因此要控制好掺铒光纤的铒离子浓度。光纤连接器陶瓷插芯表面光洁度要求极高，除专用清洁布外禁止用手触摸或接触硬物。
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