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精品文档 掺铒光纤放大器(EDFA Erbium-Doped Fiber

Amplifier)的设计

0 概述

光线通信中采用光纤来传输光信号，一般它会受到两个方面的限制：损耗和色散。

就损耗而言，目前光纤的典型值在1.3um 波段为0.35dB/km ，在1.55um 波段为0.20dB/km ，由于光纤损耗的限制，所以在无中继传输距离一般为50—100km 。20世纪80年代末期，波长为1.55um 的摻铒光纤放大器（EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier ）的研制成功并投入使用，打破了光纤通信传输距离受光纤色散和损耗的制约，使全光通信距离延长至几千公里，给光纤通信带来了革命性变化，把光纤通信技术推向一个新的高度，成为光纤通信发展史上一个重要的里程碑。

1 摻铒光纤放大器的工作原理

铒是一种稀土元素，原子序数三68，原子量为167.3。铒的自由离子具有不连续的

能级，当Er 3+被结合到硅光纤时，它们的每个能级被分裂为许多紧密相关的能级---能带。而能带的作用是，第一：使EDFA 对光信号的放大不只是单个波长而是一组波长的能力，即在一段波长范围内的光波长都可以得到放大；第二：避免了细调泵浦激光波长。

下图1是掺铒光纤放大器的工作原理，说明了光信号被放大的原因。EDFA 采用掺

铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用下产生粒子数反转，信号光诱导实现受激辐射放大。从图1可以看出，在掺铒光纤放大器中，铒离子有三个能级：能级1代表基态，

能量是最低的；能级2是亚稳态，处在中间能级；能级3代表激发态，能量最高。 Er 3+在未任何光激励的情况下，处于最低能级基态上。在泵浦光的作用下，当泵浦光的光子能量等于能级3和能级1的能量差时， 电子不断从基态能级吸收泵浦光的能量跃迁到激发态，但是电子在激发态的生存期很短，而且激发态是很不稳定的，平均寿命为1us ，电子迅速以“非辐射方式跃迁至亚稳态，在亚稳态上电子有较长的寿命，在源源不断的泵浦下，亚稳态上的粒子数积累，从而实现粒子数反转分布；铒离子被泵浦光不断地泵浦到亚稳态上，此时电子在亚稳态上生存期较长（~10ms ），不断地积累实现粒子数反转分布。

图1