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如铒离子能带图所示，与Er3+离子产生光放大效应的能级有三个：激发态、亚稳态、基态。激发态与基态之间的能量差与泵浦光子能量相同，亚稳态与基态之间的能量差与1550nm的光子能量相同。 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的Er3+离子抽运到激发态上，处于激发态的Er3+离子又迅速无辐射地转移到亚稳态上。由于Er3+离子在亚稳态上能级寿命较长，因此，很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转，即处于亚稳态的Er3+粒子数比处于基态的Er3+粒子数多。当信号光子通过掺铒光纤，与Er3+离子相互作用发生受激辐射效应，产生大量与自身完全相同的光子，这时通过掺铒光纤传输的信号光子迅速增多，产生信号放大作用；只有少数处于基态的Er3+离子对信号光子产生受激吸收效应，吸收光子。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+离子处于亚稳态时，除了发生受激辐射和受激吸收以外，还要产生自发辐射，即Er3+离子在亚稳态上短暂停留还没有机会与光子相互作用，就会自发地从亚稳态跃迁到基态并发射出1550nm波段的光子，这种光子与信号光不同，它构成EDFA的噪声。由于自发辐射光子在掺铒光纤中传输时也会得到放大，因此在EDFA的输入光功率较低时，会产生较大的噪声。 掺铒光纤放大器（EDFA）的组成，是一段不长的石英光纤，在纤芯中掺铒离子。1.55μm波长窗口的光信号输入至这段光纤的一端，而在另一端输出。当这段光纤受到波长0.98μm或1.48μm的半导体激光管输出足够大的功率抽引时，传输经过一定波段宽度，1.55μm信号得到有用的功率增益和平坦的增益特性，也就是得到放大作用。由于光子从抽引至信号间有显著的转换效率，光纤的输出信号得到较大的功率，并保持较低的噪声系数，这样的EDFA对一定的波段宽度提供有用增益和平坦特性，表明它们能对波分多路信号的每一路都提供放大作用，而平坦特性意味着，WDM各路同样放大，不会相互间产生路标串扰。EDFA能提供一定大的输出功率，就可使WDM信号沿线路传输较长距离才需要再次放大，从而减少线路中间放大器的只数。EDFA能保持一定小的噪声系数，就容许长距离线路沿线设置较多的放大器，而整个线路的噪声累积不致太严重。 最初的EDFA是在波长1540~1560nm范围的20nm宽度提供增益。它有两段掺铒光纤，各由980nm激光管经过耦合器抽引。就是说，它是两级放大：输入级主要是提高增益，输出级则是提供饱和的输出功率，而两级之间设置一个避免放大自发性发射的滤波器。后来，EDFA能在C波段1530~1565nm或1525~1560nm的35nm宽度提供平坦增益，在两级之间设置增益均衡滤波器。这样的EDFA已经实际应用于长途线路的32路和64路的DWDM系统，光纤的传输容量加大为320Gb/s和640Gb/s。然而，EDFA并不停留在这样的水平，而是准备在L波段1565~1615nm,的50nm宽度同时提供平坦增益。进一步的办法是把C波段EDFA和L波段EDFA装在一起联合使用，两者宽度相加，得到85nm，构成宽度的W-EDFA。据最近报道，这种实际试验的W-EDFA是采用分开波段的结构，在输入端设置分波器，把输入的宽带信号分为C波段和L波段两支，由两支EDFA各自放大，在输出端设置合波器，把放大过的C波段和L波段信号合并为一个宽波段的输出信号。C波段EDFA和L波段EDFA各有3级，即3部分掺铒光纤。这3级分别称为色散补偿级、增益均衡滤波级和功率级，它们的第1、2级都是各有一段掺铒光纤，各由980nm激光管抽引。第1级各有色散补偿光纤光栅，第2级各有增益均衡滤波器。C波段的第3级有一段掺铒光纤，由980nm和1480nm抽引，而L波段的第3级则有3段掺铒光纤，分别由980nm和1480nm抽引。这样的两个EDFA各自调整到同样的增益、同样的输出功率和同样的噪声系数。只是它们组成W-EDFA后，波段是C和L两个波段的总和，即40.8nm+43.5nm=84.3nm,有平坦效益24dB,每路输出功率24.5dBm，噪声系数6.5dB。这样的W-EDFA曾与DWDM配合应用于1Tb/s 400km的大容量、长距离传输系统。 |
