51.3掺杂光纤放大器 掺杂光纤放大器是利用光纤中掺杂稀土引起的增益机制实现光放大的。光 纤通信系统最适合的掺杂光纤放大器是工作波长为1550mm的掺铒光纤放大器和工 作波长为1300nm的掺镨光纤放大器。目前已商品化并获得大量应用的是EDFA 掺镨光纤放大器的工作波段在1310nm,并与G-652光纤的零色散点相吻合, 在已建立的1310mm光纤通信系统中有着巨大的市场。但由于掺镨光纤的机械强度 较差,与常规光纤的熔接较为困难,故尚未获得广泛的应用。另一掺杂光纤放大 器——掺铥放大器工作的波段为光传输开辟了新的波段资源。我们首先讨论掺铒 放大器的工作机制。 1.EDFA结构 掺铒光纤放大器EDFA( Erbium Doped Fiber Amplifier)是利用掺铒(啪纤作 为增益介质、使用激光器二极管发出的泵浦光对信号光进行放大的器件。图 5.1.6画出了掺铒光纤放大器的结构 光隔离器波分复用器 掺钽光纤 光隔离器滤波器 输入光信号 输出光信号 泵浦源 熔接点 EDFA 图5.1.6EDFA的典型结构
( ) 3t Er 光隔离器 波分复用器 光隔离器 输入光信号 输出光信号 滤波器 熔接点 掺铒光纤 EDFA 泵浦源 5.1.3 掺杂光纤放大器 掺杂光纤放大器是利用光纤中掺杂稀土引起的增益机制实现光放大的。光 纤通信系统最适合的掺杂光纤放大器是工作波长为1550nm的掺铒光纤放大器和工 作波长为1300nm的掺镨光纤放大器。目前已商品化并获得大量应用的是EDFA。 掺镨光纤放大器的工作波段在1310nm，并与G－652光纤的零色散点相吻合， 在已建立的1310nm光纤通信系统中有着巨大的市场。但由于掺镨光纤的机械强度 较差，与常规光纤的熔接较为困难，故尚未获得广泛的应用。另一掺杂光纤放大 器——掺铥放大器工作的波段为光传输开辟了新的波段资源。我们首先讨论掺铒 放大器的工作机制。 1. EDFA结构 掺铒光纤放大器EDFA（Erbium Doped Fiber Amplifier）是利用掺铒 光纤作 为增益介质、使用激光器二极管发出的泵浦光对信号光进行放大的器件。图 5.1.6画出了掺铒光纤放大器的结构。 图5.1.6 EDFA的典型结构
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 入固体激光工作物质一—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。 掺铒光纤的模场直径约为36um,比常规光纤的916um要小得多。这 是为了提高信号光和泵浦光的能量密度,从而提高其相互作用的效率。 但掺铒光纤芯径的减小也使得它与常规光纤的模场不匹配,从而产生较 大的反射和连接损耗,解决的方法是在光纤中掺入少许氟元素,使折射 率降低,从而增大模场半径,达到与常规光纤可匹配的程度。另外,在 熔接时,通过使用过渡光纤、拉长常规光纤接头长度以减小芯径等方法 减小MFD的不匹配。 为了实现更有效地放大,在制作掺铒光纤时,将大多数铒离子集中 在纤芯的中心区域,因为在光纤中,可认为信号光与泵浦光的光场近似 为高斯分布,在纤芯轴线上光强最强,铒离子在近轴区域,将使光与物 质充分作用,从而提高能量转换效率。根据掺铒光纤放大器的使用场合, 有多种型号的掺铒光纤供设计EDFA时采用,如EDF-PAX-01用于设计在线 放大器和前置放大器,其增益带宽具有平坦和宽的特性;EDF-LAX-01可 用于在线放大器,它的功率转换效率高且噪声系数低;EDF-BAX-01能提 供高的输出功率等。 表5.1列出了一些掺铒光纤的技术指标
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 入固体激光工作物质——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。 掺铒光纤的模场直径约为3~6um，比常规光纤的9~16um要小得多。这 是为了提高信号光和泵浦光的能量密度，从而提高其相互作用的效率。 但掺铒光纤芯径的减小也使得它与常规光纤的模场不匹配，从而产生较 大的反射和连接损耗，解决的方法是在光纤中掺入少许氟元素，使折射 率降低，从而增大模场半径，达到与常规光纤可匹配的程度。另外，在 熔接时，通过使用过渡光纤、拉长常规光纤接头长度以减小芯径等方法 减小MFD的不匹配。 为了实现更有效地放大，在制作掺铒光纤时，将大多数铒离子集中 在纤芯的中心区域，因为在光纤中，可认为信号光与泵浦光的光场近似 为高斯分布，在纤芯轴线上光强最强，铒离子在近轴区域，将使光与物 质充分作用，从而提高能量转换效率。根据掺铒光纤放大器的使用场合， 有多种型号的掺铒光纤供设计EDFA时采用，如EDF-PAX-01用于设计在线 放大器和前置放大器，其增益带宽具有平坦和宽的特性；EDF-LAX-01可 用于在线放大器，它的功率转换效率高且噪声系数低；EDF-BAX-01能提 供高的输出功率等。 表5.1列出了一些掺铒光纤的技术指标
表5.1拯铒光纤基本参数 号 EDF-PAXO EDF-LAx-01 EDF-BAX-01 EDF-HC]01 数值孔爸 024±002024±02022±002024±002 止波长nP2 953+35 953+35 920+40 92040 岭吸收放长2 ≤1529.5 15305±0.51531±05 15301 峰倒衰诫dB/m ±2 72 52 85士2 衰戚(980)aB/ 5±15 51.5 35士1.5 85±2 背票极耗1(12002)dB/m35 15 ≤15 ≤15 饱和功密(153012m)mW0.17 0.15 0.18 0.20 糗场直径P? 48-59 4.8-59 5.2-6.6 4.8-6
泵浦源是EDFA的另一核心部件,它为光信号放大提供足够的能量, 是实现增益介质粒子数反转的必要条件,由于泵浦源直接决定着EDFA的 性能,所以要求其输岀功率高,稳定性好,寿命长。实用的EDFA泵浦源 都是半导体激光二极管,其泵浦波长有980nm和1480nm两种,应用较多 的是980nm泵浦源,其优点是噪声低,泵浦效率高,功率可高达数百毫 瓦 泵浦光与信号同时进入光纤,在掺铒光纤入口处泵浦光最强,当它 沿光纤传输时,将能量逐渐转移给信号光,使得信号强度越来越大,自 己的强度逐渐变小,如图12.15所示。 除了激光二极管LD外,作为泵浦模块还包括监视LD性能的光电二极管 PD和控制并稳定LD温度的热电冷却器。 按泵浦源所在的位置可以分为三种泵浦方式,第一种如图5.1.6所示, 称作同向泵浦,这种方式下,信号光与泵浦光以同一方向进入掺铒光纤 这种方式具有较好的噪声性能;第二种方式为反向泵浦,信号光与泵浦 光从两个不同的方向进入掺铒光纤见图5.1.7(a),这种泵浦方式具有输出 信号功率高的特点;第三中方式为双向泵浦源,用两个泵浦源从掺铒光 纤两端进入光纤,见图51.7(b),由于使用双泵浦源,输出光信号功率比 单泵浦源要高,且放大特性与信号传输方向无关
泵浦源是EDFA的另一核心部件，它为光信号放大提供足够的能量， 是实现增益介质粒子数反转的必要条件，由于泵浦源直接决定着EDFA的 性能，所以要求其输出功率高，稳定性好，寿命长。实用的EDFA泵浦源 都是半导体激光二极管，其泵浦波长有980nm和1480nm两种，应用较多 的是980nm泵浦源，其优点是噪声低，泵浦效率高，功率可高达数百毫 瓦。 泵浦光与信号同时进入光纤，在掺铒光纤入口处泵浦光最强，当它 沿光纤传输时，将能量逐渐转移给信号光，使得信号强度越来越大，自 己的强度逐渐变小，如图1.2.15所示。 除了激光二极管LD外，作为泵浦模块还包括监视LD性能的光电二极管 PD和控制并稳定LD温度的热电冷却器。 按泵浦源所在的位置可以分为三种泵浦方式，第一种如图5.1.6所示， 称作同向泵浦，这种方式下，信号光与泵浦光以同一方向进入掺铒光纤， 这种方式具有较好的噪声性能；第二种方式为反向泵浦，信号光与泵浦 光从两个不同的方向进入掺铒光纤见图5.1.7(a)，这种泵浦方式具有输出 信号功率高的特点；第三中方式为双向泵浦源，用两个泵浦源从掺铒光 纤两端进入光纤，见图5.1.7(b)，由于使用双泵浦源，输出光信号功率比 单泵浦源要高，且放大特性与信号传输方向无关
光隔离器掺铒光纤波分复用光隔离器滤波器 输出光信 (a)反向泵浦 光隔离器波分复用钙光纤波允复用光隔离器滤波器 输入光信 泵浦源 熔接点 (a)双向泵浦 EDFA 图5.1.7EDFA的泵浦方式
光隔离器 波分复用 光隔离器 器 输入光信 号 输出光信 号 滤波器 EDFA 熔接点 泵浦源 掺铒光纤 (a) 反向泵浦 光隔离器 波分复用光隔离器 器 输入光信 号 输出光信 号 滤波器 EDFA 熔接点 泵浦源 掺铒光纤 (a) 双向泵浦 波分复用 器 泵浦源 图5.1.7 EDFA的泵浦方式