掺铒光纤放大器的特性研究

郑立军

(长春大学 电子信息工程学院，长春 130022)

0 引言

光纤传输的最大障碍是损耗，它直接制约着光纤的应用和发展。远距离光纤传输中为了保证传输信号的质量，在信号强度有所下降时要进行补偿，提高信号强度，这就是信号的放大。光纤放大器可实现对光的直接放大，具有实时，宽带，低损耗的全光放大功能，掺铒光纤放大器已广泛应用于长距离大容量高速率的光纤通信系统中。

1 基本原理

掺铒光纤放大器EDFA是通过受激辐射放大入射光的，相当于一个没有反馈的激光器。掺铒光纤放大器的核心结构是掺铒光纤。其放大作用就是利用了掺铒光纤中铒离子在泵浦光泵浦作用下受激辐射而实现的。当用较高能量的泵浦激光器来激励EDFA时，基态(E1)的电子吸收泵浦光后大量激发到激发态(E3)，而激发态(E3)不稳定，电子会无辐射跃迁到能量较低的亚稳态(E2)，当泵浦光功率足够强时，会形成基态(E1)和亚稳态(E2)的粒子数反转，当有信号光进入时，如果信号光的波长正好合适的话，电子会从亚稳态(E2)受激辐射跃迁到基态(E1)，同时放出与信号光频率相同的光子，这样信号光就得到了放大。

掺铒光纤放大器的小信号增益可以利用下式进行计算

式中Gs—信号增益;

αs—信号光在掺铒光纤中的衰减系数;

L—掺铒光纤的长度;

εs—定义为，这里αp是泵浦光的衰减系数;

Pp(0)—单端泵浦时的输入归一化泵浦光功率。

上式显示增益G与掺铒光纤长度和归一化输入的泵浦功率的关系。对确定的长度的掺铒光纤放大器，可以求得增益G随输入泵浦功率的变化关系，和给定输入泵浦功率时掺铒光纤放大器的增益G随长度的变化关系。对于给定掺铒光纤结构参数的掺铒光纤放大器，根据上式就可以求得增益随入射光功率，光纤长度等参数变化关系。

2 理论研究

不同光纤长度情况下，增益与泵浦功率的变化关系如图1所示:

图1 用1.55μm处小信号的Gs—Pp函数曲线

此图给出了用1.48μm泵浦的掺铒光纤放大器在1.55μm处的小信号增益作为泵浦功率的函数，用典型参数值计算得到的曲线图(其中参数为 Ps=100nW，λp=1480nm，λs=1550nm，α(λp)=3dB/m，g*(λp)=1.1dB/m，α(λs)=3.3dB/m，g*(λs)=4.8dB/m，ζ=3 ×1015m-1s-1)。通过图1 可以看出，对于给定的放大器长度L，放大器增益开始随泵浦功率呈指数增长，当泵浦功率超过一定值时(对应于图1中的拐点 )增长变缓。这是由于在泵浦功率较低时，泵浦功率是限制增益的最主要因素，所以增益随泵浦功率在开始时是指数增长的关系，当泵浦功率增长到一定程度时，掺铒光纤中基本形成粒子数全反转，所以这时增益随泵浦功率的增长变缓。

不同功率情况下，增益与掺铒光纤长度的变化关系如图2所示:

图2 用1.55μm处小信号的Gs—L函数曲线

此图给出了用1.48μm泵浦的掺铒光纤放大器在1.55μm处的小信号增益作为掺铒光纤长度的函数，用典型参数值计算得到的曲线图(其中参数为Ps=100nW，λp=1480nm，λs=1550nm，α(λp)=3dB/m，g*(λp)=1.1dB/m，α(λs)=3.3dB/m，g*(λs)=4.8dB/m，ζ=3 ×1015m-1s-1)。通过图 2 可以看出，对于给定的放大器泵浦功率Pp，放大器增益在L的一最佳值处取得最大，当L超过最佳值时迅速下降，原因是放大器的末端未受到泵浦且吸收放大信号。

因为L的最佳值依赖于泵浦功率Pp，因此有必要选择L和Pp。上图表明采取适当的设计，仅使用几米长的放大器就能实现高增益。图1和图2所示的定性特征在所有的掺铒光纤中都曾观察到。

3 实验结果和分析

图3是实验装置示意图。本次实验采用1480nm激光为泵浦源，使用双向泵浦方式。泵浦光经两个波分复用器，从正反两个方向对掺铒光纤进行泵浦，使掺铒光纤中形成粒子数反转，对信号光进行放大。

由于泵浦光源的输出功率是由驱动电流控制的，所以先研究一下泵浦光源输出功率和驱动电流的关系，

图3 掺铒光纤放大器性能参数测试实验装置示意图

如图4。

图4 泵浦光源的输出功率和驱动电流的关系图

通过图4可以看出，泵浦光源的输出功率和驱动电流基本是线性关系，这对实验的进行有很大的帮助。

通过改变泵浦光的驱动电流，测得对应的信号光经放大器后的输出功率，再经过计算，得到放大器增益和泵浦功率，将所测得的数据整理画出掺铒光纤放大器的Gs-Pp曲线。如图5。

图5 掺铒光纤放大器的Gs－Pp曲线

通过图5可以看出，在泵浦功率较小时，放大器增益随泵浦功率指数增加，当泵浦功率达到一定值时，增益随泵浦功率缓慢增加。这也验证了数值模拟得到的结果。

造成这种结果的原因是由于在泵浦功率较低时，泵浦功率是限制增益的最主要因素，所以增益随泵浦功率在开始时是指数增长的关系，当泵浦功率增长到一定程度时，掺铒光纤中基本形成粒子数全反转，所以这时增益随泵浦功率的增长变缓。也就是说当继续加大泵浦功率时，泵浦功率并没有大部分的转化到信号光中去，而是被浪费掉了，这样就降低了泵浦光的利用效率，如何提高泵浦光的泵浦效率是在实践中需要注意的问题。

除了泵浦功率可以影响放大器的增益，还有信号光功率和光纤的长度，由于实验条件的限制，没有对不同长度的掺铒光纤进行实验测量，不过数值模拟给出的结果同样有一定的参考价值，下面我们讨论一下输入信号光功率对放大器增益的影响。

图6 掺铒光纤放大器的Gs－Ps曲线

图6给出了放大器增益随输入信号功率变化的关系。当输入信号很小时，可以获得很大的增益，可是当信号光功率加大时，增益却不断减小。这是因为当信号光较小时，掺铒光纤中的粒子数反转程度较高，可以达到很高的增益，可是当信号光不断加大时，掺铒光纤中的粒子数反转程度随之降低，这是由于大量的信号光子耗费了大量的高能级的铒离子。所以，当信号光的功率不断加大时，掺铒光纤放大器的增益会不断的降低，也就是说一台掺铒光纤放大器的增益不是固定不变的，它将随着信号的强度有一定的变化。这在实际使用中有很大的指导意义。

4 结语

本文从理论和实验两方面对掺铒光纤放大器的输出特性进行了分析，得出了放大器增益与泵浦功率，信号强度和光纤长度的变化关系。对于给定的放大器长度L，放大器增益开始随泵浦功率呈指数增长，当泵浦功率超过一定值时增长变缓。对于给定的放大器泵浦功率Pp，放大器增益在L的一最佳值处取得最大，当L超过最佳值时迅速下降，原因是放大器的末端未受到泵浦且吸收放大信号。增益随输入信号功率变化的关系是当输入信号很小时，可以获得很大的增益，可是当信号光功率加大时，增益却不断减小。

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