掺铒光纤的吸收谱
掺铒光纤放大器知识讲解
一、发展历程 •1964年，提出掺钕（Nd3+）光纤放大器的设想 •1985年，低损耗掺杂SiO2光纤研制成功 •目前，掺Er3+光纤放大器（EDFA）最为成熟，是光纤通信 系统必备器件 •特点： –插损小、高增益、大带宽、偏振无关 –低噪声、低串扰、高输出功率等
掺铒光纤放大器(EDFA)
•由于N1和N2与泵浦光功率和信号光功率相关，因此F与泵浦 光和输入信号光功率以及放大器长度有关 •高的泵浦功率和较低的输入信号有利于获得较低的噪声指数 •由于980nm泵浦的EDFA为三能级系统，易于获得较高的粒子 数反转（nsp，980=1.05~1.10； nsp，1480=1.3~1.8） ，所以980nm 泵浦具有较低的噪声系数 •通常，EDFA的F~5
EDFA
+
均衡器
→ 合成增益
掺铒光纤放大器(EDFA)
•新型宽谱带掺杂光纤： 如掺铒氟化物玻璃光纤（30nm平坦带宽）、铒/铝共
掺杂光纤（20nm）等， 静态增益谱的平坦，掺杂工艺 复杂
•声光滤波调节： 根据各信道功率，反馈控制放大器输出端的多通
道声光带阻滤波器，调节各信道输出功率使之均衡， 动态均衡需要解复用、光电转换、结构复杂，实用性 受限
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g=0.1~1ns），其增益不能响应调制信号的快速变 化，不存在增益调制，四波混频效应也很小，所 以在多信道放大中不引入信道间串扰（SOA则不 然），是其能够用于多信道放大的关键所在 EDFA对信道的插入、分出或无光故障等因素引起 的输入光功率的变化（较低速变化）能产生响应-瞬态特性。在系统应用中应予以控制--增益钳制 在 级 联 EDFA 系 统 中 瞬 态 响 应 速 度 将 增 加 （ 10~100s），对输入光功率的变化将更加敏感
温度对掺铒光纤光谱特性影响研究
温度对掺铒光纤光谱特性影响研究齐翊;陈伟民;雷小华;张伟;李竞飞;许亨艺;刘显明【摘要】不断提高以掺铒光纤为核心的光纤器件功率是研究与应用领域中的一个重要课题。
高功率光纤器件内能量聚集会发热升温，造成器件光谱参数性能显著变化，进而造成以掺铒光纤为核心的光学器件的性能发生显著变化。
因此对掺铒光纤在大温度范围下的光谱性能进行研究具有重要意义。
利用斯塔克能级展宽理论建立了掺铒光纤吸收系数与温度的关系模型，在此基础上结合McCumber理论仿真计算了掺铒光纤荧光寿命与温度的关系。
以O FS‐M P980型掺铒光纤为实验对象，测量了掺铒光纤在常温至900℃范围内的吸收光谱、发射光谱。
结果表明，温度升高造成980 nm波段吸收系数整体下降，且吸收系数的峰值波长增加，平均增加率0.625 nm／100℃。
1530 nm波段吸收系数整体展宽，且峰值吸收系数下降，平均下降率为－0.19 dB／100℃。
600℃以内荧光寿命随温度呈近似线性下降，下降率为－0.23 m s／100℃。
600℃以内理论模型能够反应温度造成峰值吸收系数、荧光寿命近似线性变化的趋势。
%In scientific research and engineering application ,improving the power of fiber device is an importanttopic ,which leads to observably rise of temperature in fiber core at the same time .In this paper ,Thermal effect and its influence on absorp‐tion spectrum and lifetime of Erb ium‐doped fiber are studied with numerical modeling .Lorentz broadening of sub‐levels is used to build the mathematical relationship between temperature and absorption spectrum .The McCumber Theory is applied to de‐duce the lifetime of Erbium‐doped fiber i n different temperature .Temperature experiments of absorption and emission spectrum from 25 to 900 ℃ are carried out ,whichshow that the wavelength of absorption peak near 980nm increase at rate of 0.625 nm/100 ℃ ,the ratio of absorption peak near 1 530 nm declines at a rate of 0.001 9 dB · (m℃)-1 and the broadband of absorption spectrum near 1 530 nm increase with rising temperature .The linear variation of lifetime and peak absorption in experiment proves that the theoretical model is reasonable when th e temperature is below 600 ℃ .【期刊名称】《光谱学与光谱分析》【年(卷),期】2016(036)007【总页数】5页(P2006-2010)【关键词】掺铒光纤;温度;吸收光谱;发射光谱;荧光寿命【作者】齐翊;陈伟民;雷小华;张伟;李竞飞;许亨艺;刘显明【作者单位】重庆大学光电工程学院，光电技术及系统教育部重点实验室，重庆400044;重庆大学光电工程学院，光电技术及系统教育部重点实验室，重庆400044;重庆大学光电工程学院，光电技术及系统教育部重点实验室，重庆400044;重庆大学光电工程学院，光电技术及系统教育部重点实验室，重庆400044;重庆大学光电工程学院，光电技术及系统教育部重点实验室，重庆400044;重庆大学光电工程学院，光电技术及系统教育部重点实验室，重庆400044;重庆大学光电工程学院，光电技术及系统教育部重点实验室，重庆400044【正文语种】中文【中图分类】TN253掺铒光纤已被广泛应用在光纤放大器、光纤激光器、光纤光源等光器件上。
光纤通信技术实验报告-掺铒光纤激光器
得分：_______ 光纤通信技术实验(2) 掺铒光纤激光器的设计实验报告一、实验目的1、完成环形腔掺铒光纤激光器谐振腔的设计，通过选择环形腔中耦合器的不同耦合比，优化设计激光器的阈值特性和输出效率。
2、通过使用不同滤波特性的滤波器，完成环形腔掺铒光纤激光器输出纵模特性的设计和选择。
3、完成光纤激光器的构建，并进行相关性能参数的测试。
二、实验原理与背景知识1.掺铒光纤(EDF)与掺铒光纤放大器(EDFA)当泵浦光通过掺杂光纤中的稀土离子（Er3+、Nd3+、Tm3+、Yb3+等）时，稀土离子吸收泵浦光，使稀土原子的电子激励到较高激发态能级，从而实现通常所说的粒子数反转。
反转后的高能态粒子在外界光场的诱使下，以光辐射的形式从高能级转移到基态，完成受激光辐射。
掺铒光纤放大器主要由波分复用器、大功率泵浦激光器、光隔离器和掺铒光纤构成。
根据泵浦光和信号光传播方向的相对关系, 掺铒光纤放大器的结构可分为正向泵浦、反向泵浦和双向泵浦三种形式。
EDFA 是利用掺铒光纤中掺杂的稀土离子在泵浦光(波长980nm 或1480nm ) 的作用下, 形成粒子数反转, 产生受激辐射, 辐射光随入射光的变化而变化, 进而对入射光信号提供光增益。
其放大范围为1530～1565 nm , 增益谱比较平坦的部分是1540～1560nm , 几乎可以覆盖整个1550nm工作窗口。
2.掺铒光纤激光器(EDFL)掺铒光纤激光器是在掺铒光纤放大器技术基础上发展起来的。
目前掺稀土元素光纤激光器的研究受到了世界各国的普遍重视，成为国际激光器技术研究领域一个十分活跃的前沿研究方向。
和传统的固体、气体激光器一样，掺稀土光纤激光器基本也是由泵浦源、增益介质、谐振腔三个基本的要素组成。
泵浦源一般采用高功率半导体激光器( LD) , 增益介质为掺稀土光纤，谐振腔可以由光纤光栅等光学反馈元件构成各种直线型谐振腔，也可以用耦合器构成各种环形谐振腔。
泵浦光经适当的光学系统耦合进入增益光纤，增益光纤在吸收泵浦光后形成粒子数反转或非线性增益并产生自发辐射。
掺铒光纤放大器的增益平坦化方法综述
掺铒光纤放大器的增益平坦化方法刘俭辉1,2，葛春风1( 1 天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术科学教育部重点实验室，天津，300072；2 辽宁财政高等专科学校计算中心，辽宁丹东，118001 ) 摘要：掺铒光纤放大器是光纤通信系统中的重要器件，但其增益不平坦性影响了它在高速率WDM系统中的应用。
本文就增益均衡器和改进光纤成分两方面综述了国际上对EDFA增益平坦化处理的常用方法。
关键词：WDM，EDFA，增益平坦1 引言掺铒光纤放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier，简称EDFA）的出现引起了光纤通信技术的一场革命，它是80～90年代光电子领域的一项重大技术突破[1]，是光纤通信系统中最成功的技术之一。
随着EDFA的不断完善和发展，它的应用前景会更加广阔。
EDFA具有增益高、带宽大、插入损耗小、噪声低、增益特性与光偏振态无关、对数据率及其格式透明等特点，且有在多路系统中信道交叉串扰通常可以忽略的优点，可以用于接收机前置放大、中继放大、功率放大器和光孤子通信等。
但在通信系统中，尤其是在波分或频分复用系统中应用EDFA时，除要求EDFA 有足够高的增益，还要求EDFA有足够的带宽。
而随着WDM通信速率的提高和网络技术的发展，EDFA的性能缺陷——增益谱非均匀性和噪声等对系统特性的影响也愈加明显地暴露出来。
尽管由于掺铒玻璃中基态和亚稳态能级的斯塔克裂变效应使EDFA具有很宽的谱带，但一般的掺铒光纤放大器，其本身的增益轮廓是不平坦的，它们在1532nm和1550nm附近有两个明显的峰值，致使EDFA的平坦区域仅为10nm左右，并且，如果避开放大器的峰值增益波长，让放大器在后面平台处进行工作，又会存在增长的噪声和峰值激光效应等多种缺陷，当WDM系统包含多个EDFA时，不同波长处积累的增益差异会超过接收器的动态范围，从而造成大的传输误差，因此，必须对EDFA的增益谱进行平坦化处理，使波分复用系统（WDM）不是仅限制在一个很窄的带宽内使用，从而提高通信通道数，使通信系统的容量大大增加。
直线腔掺铒光纤激光器有源内腔吸收型气体检测灵敏度分析
乙炔 、 氨气等几种重要有害气体的吸收峰 ； 二是 因为
体 检测 技术 也迅 速发展 起来 ， 为气 体检测 技术 的研 成 究 热点 之一 Ｊ２０ 西． ０４年 ， ｈｎ Ｚ ａｇ等 ｌ报道 了基 于掺铒 ２ Ｊ
既是激光振荡谱线 ， 又是样 品吸收谱线． 一 光纤有源气 体检 测通 常利用 掺铒 光纤作 为增 益介 质 ， 是 因为 ｎ ， 包 含 １ ３ ｍ ０ ｍ） 且 ５
为人 们 争相 研 究 的 焦 点 ．
随着我 国经济社 会不断 向前发展 ，光纤传感技 术在 国家安全 、重 大工程 等多个领域具有重大的社会 需求和应 用 前景． 国家安全监控方面 ，光纤传感技术能提供大 范围、实时、非侵入式监测手段．在重大工程安全监 测方面，光 在 纤传 感技 术的抗 电磁 干扰 、电绝缘 和体积小的特性使 其具有显著优势．
报
第４ ５卷
第 ２ 期
Ｔｈ ｏ ｅ ｉａ ａ ｙ ｉ ｆ ｅ ｓｔ ｉｙｉ ｎ Ｅｒ ｉ ｍ — ｐ ｄ Ｆｉ ｅ ｓ ｒ ｅ ｒ ｔｃ ｌ Ａｎ ｌ ｓｓｏ ｎ ｉ ｖ ｔ ａ ｂ ｕ Ｄｏ ｅ ｂ ｒＬａ ｅ Ｓ ｉ ｎ Ｉ ｔ ａ Ｃａ ｉｙＡｂ ｏ ｐ ｉ ｎ Ｇａ ｅ ｓ ｒ ｎ ｒ — ｖ ｔ ｓ ｒ ｔｏ ｓＳ ｎ ｏ
中图分 类号 ：Ｔ ２ ２１ Ｐ １． ４ 文献标志码 ：Ａ 文章 编号 ：０ ９— １７ ２ １） ２０ ９ —５ ４ ３２ ３ （０ ２ ０ —０ ５０
收 稿 日期 ： ２ １－ ５２ ；修 回 日期 ：２ １－ Ｏ１ ． ０ １０ ．３ ０ １１ －７
９３ 资助项 目 （００ Ｂ ２ ８ １ ２ １Ｃ ３ ７０ ） 基 金项 目： 国家 重点 基础 研究 发展 计划 （７ 计 划 ）
掺铒光纤放大器的工作原理
掺铒光纤放大器的工作原理掺铒光纤放大器是一种将输入信号进行放大的设备，它用掺有少量的铒离子的光纤作为放大介质，在光纤中的铒离子受到激光光子的激发后，会产生放大的荧光信号，在光纤中传播并放大输入信号。
掺铒光纤放大器具有增益大、噪声小、稳定性好等特点，是光通信和光传感领域中广泛使用的重要设备。
掺铒光纤放大器的工作原理主要涉及到掺铒光纤中的铒离子、基于激光器的光源和光纤耦合器等方面。
下面将从这些方面详细介绍掺铒光纤放大器的工作原理。
一、掺铒光纤中的铒离子掺铒光纤的制备过程中，在非常纯净的二氧化硅（SiO2）玻璃内加入了少量的铒离子（Er3+），通常铒离子的摩尔分数在0.1%至1.0%之间。
这些铒离子会在光纤中形成能级结构，以便通过激光器来激发它们。
当铒离子受到一个在适当波长范围内的激励光子时（通常在980至1480纳米之间），它们会吸收这些光子并将它们的原子能级提升到一个更高的激发态能级。
接着，铒离子会从高激发态能级中产生自发辐射荧光，并向下跃迁到一个较低的能级。
这种过程中所产生的荧光光子的波长通常在1500纳米左右，这种波长范围也称为雪崩区域。
二、基于激光器的光源掺铒光纤放大器需要用到激光器作为输入信号的光源，激光器通常是基于半导体技术的光源。
通常情况下，用于掺铒光纤放大器的激光器被称为泵浦光源，这是因为它们的主要作用是激励光纤中的铒离子产生放大荧光信号。
泵浦光源通常采用激光二极管（LD）或光纤激光器（FP）、DFB（调制反馈）激光器等器件，可选择的泵浦光源范围很广，包括735、980、1480等纳米波段。
三、光纤耦合器光纤耦合器是将光源的输出光束耦合到放大器光纤中的设备，它可以使光源的输出尽可能有效地耦合到光纤中，并且降低光纤的损耗。
在掺铒光纤放大器中，光纤耦合器将泵浦光源的输出光束耦合到掺铒光纤中，并激发铒离子进行光放大。
光纤耦合器一般有径向耦合器、光栅耦合器、双光纤耦合器和光纤连接器等类型。
径向耦合器将输入和输出光纤正对光学轴，通过一定的设备使局部光场光强变化，从而实现光束的耦合；光栅耦合器利用光栅的衍射效应，使光束在光栅衍射角处尽可能高的衍射效应，使输出光束尽量向光纤的中心传输，从而实现光束的耦合；双光纤耦合器则是利用两个光纤直接接触的方式来实现耦合。
15-EDFA原理及特性
第一章 掺铒光纤放大器机理研究本章将简要讨论掺铒光纤放大器的结构、原理、及特性。
我们首先由简化二能级速率方程建立EDFA 的理论模型，然后讨论了EDFA 的泵浦特性、增益特性、噪声特性和温度特性。
第一节 掺铒光纤放大器的结构模型这一节介绍掺铒光纤放大器的结构及其主要的组成部分。
EDFA 的基本结构如Fig1.1所示：Fig 1.1 Configurion of Erbium-doped Fiber Amplifier(forward Pumped)1. 掺铒光纤(EDF)EDF 是放大器的主体，纤芯中掺有铒元素（Er ），Er 属稀土锎系元素，Er 逸出两个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：1S 22S 22P 63S 23P 63d 104S 24P 64d 105S 25P 6。
掺有Er 3+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Er 3+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：其一是导致斯塔克分裂使能级出现亚结构；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宽。
为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限制在最小的模截面内，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，提高泵浦光功率密度，降低泵浦阈值，达到高泵浦效率。
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。
EDFA实用简介
3. 增益带宽（nm）工作带宽，平坦增益带宽
4. 输出功率（mW 或 dBm） ； 饱和输出功率：最大输出功率。 5. 增益饱和: 一般情况下输入信号应该足够大， 以便能引起放大器的饱和增益。 饱和时的增益随信号功 率增加而减小。 九、EDFA 优缺点以及应用需要解决的问题 1. EDFA 的主要优点有： 工作作波长正好落在光纤通信最佳波段(1500～1600 nm)：其主体是一段光纤(EDF)，与传输光纤的耦 合损耗很小， 可达 0.1 dB。 （对掺铒光纤进行激励的泵浦功率低， 仅需几十毫瓦； 而拉曼放大器需 0.5～ 1W 的泵浦源进行激励。 ） 增益高，约为 30～40 dB; 饱和输出光功率大， 约为 10～15 dBm； 增益特性与光偏振状态无关。 噪声指数小， 一般为 4～7 dB； 用于多信道传输时， 隔离度大，无串扰，适用于波分复用系统。 频带宽，在 1550 nm 窗口，频带宽度为 20～40 nm， 可进行多信道传输，有利于增加传输容量。
因此，在 EDFA 设计中，需要在掺铒光纤结构参数的基础上，选择合适的泵浦功率和光纤长度，使放大器工 作于最佳状态。 2. 噪声系数 NF（dB） 输入信噪比与输出信噪比的比值
SNR in NF (dB) 10 log10 SNR out
光场噪声和强度/光电流噪声: 光场噪声指由光谱分析仪（OSA）测量出的光噪声谱，如光放大器中输出的 ASE(放大的自发辐射)噪声 是这种噪声的主要部分。 强度/光电流噪声:是指与光束相联系的功率或光电流的波动， 这种噪声的谱宽典型值可达几十 GHz。 常见的强度噪声类型有: ① 散粒噪声； ② 信号与自发辐射差拍噪声； ③ 自发辐射与自发辐射差拍 噪声等。
G(dB) 10 log10