掺铒光纤放大器的原理及其结构

掺铒光纤放大器（Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA）是使用掺了稀有金属铒的成分的光纤制作而成的光学放大器。EDFA已经成为当今高速通信系统和波分复用系统中非常重要的器件，工作在1550nm窗口。掺铒光纤放大器是国际上近十年来信息领域光电子技术的突破性成就，它的出现导致光通信技术革命，是建立全光通信传输网的三项核心技术EDFA、波分复用和光纤色散补偿技术的最重要的一环。

原理

当供给激光媒体能量使其处于激励状态时，即会产生光的受激辐射现象，如果能满足使受激辐射持续进行的条件，并用 输入光去感应，则能得到比其强的输出光，从而起到放大作用。 EDFA的放大作用是通过1550nm波长的信号光在掺铒光纤中传输与Er3+（铒离子）相互作用产生的。掺铒光纤中的Er3+所 处的能量状态是不能连续取值的，它只能处在一系列分立的能量状态上，这些能量状态称为能级，当Er3+在未受激励 的情况，处在最低能级即基态E1。

在掺铒光纤中注入足够强的泵浦光，就可以将大部分处于基态E1离子抽运到高能态E3上，处于E3的Er3+离子又迅速无辐 射的转移到亚稳态E2上。Er3+离子在亚稳态上能级寿命较长，由于连续地泵浦，E2粒子数不断增加，从而实现E1与E2粒子数 反转，即处于E2的粒子比E1的粒子数多。当信号光子通过掺铒光纤时，与Er3+离子相互作用发生受激辐射效应，E2的Er3+离 子跃迁到E1，并产生和入射信号光中的光子完全相同的光子（即频率、相位，传播方向、偏振态相同）从而大大增加信号光 子的数量，实现信号放大作用。Er3+离子的亚稳态和基态具有一定的宽度，使EDFA的放大效应具有一定波长范围，其典型值 为1530~1570nm。Er3+离子处于E2时，除了发生受激辐射和受激吸收（基态Er3+离子吸收信号光子，跃迁到E2）以外，还要产 生自发辐射，自发地从E2跃迁到E1，并发射出1550nm波长的光子，这种光子与信号光不同，它构成EDFA的噪声。如果EDFA的 输入光功率较低时，自激辐射较强会产生较大的噪声。

结构

EDFA一般由五个基本部分组成，即掺铒光纤（EDF），泵浦光源（pump-LD），光无源器件（包括耦合器、光波分复用器、 光纤连接器、隔离器），控制单元、监控接口。

光耦合器的作用是将信号光和泵浦光合在一起，一般采用波分复用器实现。光隔离器的作用是抑制光反射，以确保光 放大器工作稳定，它必须是插入损耗低，与偏振无关、隔离度优于40dB。光滤波器的作用是降低自发辐射产生的噪声对系 统的影响。控制单元对光纤放大器的工作实时控制，并由监控单位提供工作状态信息。

主要优点

增益高、带宽大、输出功率高、泵浦效率高、插入损耗低、对偏振态不敏感等。

责任编辑：lq6