掺铒光纤放大器的原理及在密集波分复用系统中的应用

　　前言

　　 　　在掺铒光纤放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA)实用化以前，为了克服光纤传输中的损耗，每传输一段距离，都要进行“再生”，即把传输后的弱光信号转换成电信号，经过放大、整形后，再去调制激光器，生成一定强度的光信号。随着传输码率的提高，“再生”的难度也随之提高，成了信号传输容量扩大的“瓶颈”。

　　 图1 密集波分复用系统与时分复用系统相比较

　　 　　掺铒光纤放大器实用化，实现了直接光放大，节省了大量的再生中继器，使得传输中的光纤损耗不再成为主要问题，同时使传输链路“透明化”，简化了系统，成几倍或几十倍地扩大了传输容量，促进了真正意义上的密集波分复用技术的飞速发展，是光纤通讯领域上的一次革命。

　　 　　 掺铒光纤放大器的优点

　　 　　1.掺铒光纤的放大区域恰好与单模光纤的最低损耗区域相重合。那么，被掺铒光纤放大器放大的光在光纤中的传输损耗小，能传输比较远的距离 (图2) 。

　　 　　2.对数字信号的格式及数据率“透明”。

　　 图2 单模光纤损耗谱和掺饵光纤放大器的增益谱

　　 　　3.放大频带宽，能在同一根光纤中传输几十甚至上百个信道。

　　 　　4.噪声指数低，接近量子极限，意味着可级联多个放大器。

　　 　　5.增益饱和的恢复时间长，各个信道间的串扰极小。

　　 　　掺铒光纤放大器的基本工作原理

　　 　　掺铒光纤放大器是利用掺铒光纤中掺杂离子在泵浦光的作用下，形成粒子数反转，从而对入射光信号提供光增益，如图3，对于波长为980nm的泵浦源，掺铒光纤相当于一个三能级的系统。铒离子通过受激吸收入射波长为980nm的光子的能量，从N1能级跃迁到N3能级，由于N3能到N2能级的驰豫时间很短，N3能级上的粒子很快跃迁到N2能级，N3能级上的粒子数基本上可认为是零。