关于EDFA

两个6S 和一个4f 电子而显示为+3 价,其电子组态和惰性气体Xe 相同：

1S22S22P63S23P63d104S24Pd105S25P6。掺有Er3+的石英光纤具有激光增益特

性，铒光纤的光谱性质主要由铒离子和光纤基质决定，铒离子起主导作用，掺Er3+

浓度及在纤芯中的分布等对EDFA 的特性有很大影响。基质的影响有二：其一是

导致斯塔克使能级出现亚结构；其二是能级展宽，展宽的机理有基质电场扰

动展宽和声子展宽，基质扰动展宽属于非均匀加宽，声子展宽属于均匀加

使每个铒离子受到的泵浦速率最大，同时所需的泵浦功率最小，泵浦功率及铒离

子必须尽可能的在最小的模截面内，铒光纤应具有高的数值孔径NA，小芯

径且只有纤芯掺杂，通常将光纤设计为双层结构，如Fig1.2 所示[7]。此外阶跃折

射率光纤有较大的相对折射率差，便于缩小泵浦光的模场直径，提高泵浦光功率为保证泵浦光与信号光的单模传输，光

纤的截止波长应适当。在EDF 中掺入适量的铝元素，使铒离子在EDF 中分布更

均匀，从而获得平坦的宽带增益谱。

2. 光耦合器(WDM)

光耦合器有合波信号光与泵浦光的作用，也称光合波器和波分复用器。是EDFA

必不可少的组成部分，它将绝大多数的信号光与泵浦光合路于EDF 中。主要有两

种形式：980nm/1550nm 或1480nm/1550nm，一般为光纤熔锥型。要求在上述

波长附近插入损耗都小，耦合效率高，耦合频带具有一定的宽度且耦合效率平坦，

对偏振不敏感。

3. 光隔离器(ISO)

光隔离器是一种单向光传输器件，对EDFA 工作稳定性至关重要。通常光反射会

干扰器件的正常输出，产生诸如强度涨落、频率漂移和噪声增加等不利影响。提

高EDFA 稳定性的最有效的方法是进行光隔离。在输入端加光隔离器消除因放大

的自发辐射反向传播可能引起的干扰，输出端保护器件免受来自下段可能的逆向

反射。同时输入和输出端插入光隔离器也为了防止连接点上反射引起激光振荡，

抑制光路中的反射光返回光源侧，从而既保护了光源又使系统工作稳定。要求隔

离度在40dB 以上，插入损耗低，与偏振无关。

4. 光滤波器(Optical Filter)

光滤波器消除被放大的自发辐射光以降低放大器的噪声，提高系统的信噪比

（SNR）。一般多采用多层介质膜型带通滤波器，要求通带窄，在1nm 以下。目

前应用的光滤波器的带宽为1～3nm。此外，滤波器的中心波长应与信号光波长

一致，并且插入损耗要小。

5. 泵浦源(PumPing Supply)

泵浦源为信号放大提供能量，即实现粒子数反转分布。根据掺铒光纤(EDF)的吸

收光谱特性，可以采用不同波长的激光器作为泵源,但由于在807 nm 及小于807 nm 波长处存在强烈的激发态吸收（ESA），泵浦效率较低。若用665nm、514nm 的染料和Ar+激光器泵浦得到25dB以上的增益，需要的入纤泵浦功率大于100mw，且Ar+激光器体积大难以实用化。目前980 nm 和1480 nm 的LD 已商品化，所以一般采用980nm 和 1480nm 的

半导体激光器作泵源。__

是不同泵浦功率时，信号增益与光纤长度的关系。由图看出，对应一定的

泵浦功率，EDF 有一最大增益长度，此长度处泵浦光能量低于泵浦阈值，反转粒

子数为零，如再增加长度，信号光能量将被铒离子吸收，导致增益下降。随泵浦

功率提高，增益增大，最大增益长度向后移。这是因泵浦功率增大使得粒子能在

更长的光纤范围内形成反转；如果EDF 较短，对泵浦光吸收较少，粒子反转数也

少，信号光得不到足够的增益。虽然最大增益长度随泵浦功率增大而增长，但两

者不存在线性关系。

增益的大小表示放大器的放大能力，它与EDF 的掺铒浓度，掺杂半径，光纤长度，

泵浦波长及功率，信号波长及功率等因素有关。EDFA 的波长带宽是指最小小信

号增益与最大小信号增益之差小于3dB 的波长间隔，波长带宽主要取决于纤芯中

添加剂的选择

图是相同泵浦光功率下，不同信号波长与增益的关系。由图看出EDFA 光谱范围宽，增益谱对波长具有依赖性，在1531nm 处存在一增益峰，在1550 nm 为中心的波段增益较平坦，经过合理设计EDFA 的参数，3dB 带宽可达35nm（1530nm～1565nm）。

给出了泵浦功率相同而信号输入功率不同时，光纤长度与信号增益的关系。由图看出，小信号增益大，而大信号增益小，这是因大信号使EDFA 增益饱和。随着信号增大，光纤最佳长度变小，因大信号对泵浦光消耗大，所以最佳长度减小

要使 EDFA 实用化，在恶劣环境下都能可靠地工作，必须考虑EDFA 的温度特性。

1、掺铒光纤(EDF)的荧光谱吸收谱及荧光寿命与温度的关系

由于环境温度的改变，掺铒光纤的荧光谱、吸收谱及荧光寿命将发生变化，如

Fig1.14 和Fig1.15 所示，谱线与温度的关系：(1) 随着温度的降低，吸收谱线向

短波方向移动，吸收系数增加，而长波长处吸收系数显著减小。(2) 随着温度的

降低，在1.52μm 处短波长荧光曲线“尾巴”逐渐消失，1.53μm 处荧光峰值增加，

而1.55μm 处荧光峰值却减小。由荧光谱知，随着温度的下降，带宽减小，但不

是很显著，一般认为在-40℃～+70℃内，温度对带宽无影响[12]，这一结论对EDFA

在波分复用系统中的应用有重要的意义。