增益平坦型铒镱共掺双包层光纤放大器及其指导应用
掺饵光纤放大器
掺饵光纤放大器物电学院08电子一班侯进：200840620110概论光纤通信中采用光纤来传输光信号，一般它受到两方面的限制:损耗和色散。
就损耗而言，目前光纤损耗的典型值在1.3μm波段为0.35dB/km，在1.55μm波段为0.20dB/km。
由光纤损耗限制的光纤无中继传输距离为50-100km. 90年代初期EDFA的研制成功，打破了光纤通信传输距离受光纤损耗的限制，使全光通信距离延长至几千公里，给光纤通信带来了深刻的变化。
一般，光放大器都由增益介质、泵源、输入输出耦合结构组成。
根据增益介质的不同，目前主要有两类放大器，一类采用活性介质，如半导体材料和掺稀土元素的光纤。
掺稀土光放大器，是在光纤芯层中掺入极小浓度的稀土元素，如饵、谱或铥等离子制作出相应的掺饵、掺镨或掺铥光纤。
光纤中掺杂离子在受到泵浦光激励后跃迁到亚稳定的高激发态，在信号光诱导下，产生受激辐射，形成对信号光的相干放大。
主要有: 掺铒光纤放大器（EDFA－Erbium Doped Fiber Amplifier）、掺镨光纤放大器 (PDFA- Praseodymium Doped Fiber Amplifier) 和掺铥光纤放大器 (TDFA- Thulium Doped Fiber Amplifier) 等；另一类基于光纤的非线性效应，利用光纤的非线性实现对信号光放大的一种激光放大器。
当光纤中光功率密度达到一定阈值时，将产生受激喇曼散射(SRS- Stimulated Raman Scattering)或受激布里渊散射(SBS-Stimulated Brillouin Scattering)，形成对信号光的相干放大，如光纤喇曼放大器(FRA－Fiber Raman Amplifier)和光纤布里渊放大器(FBA- Fiber Brillouin Amplifier)。
本文仅对EDFA作相应的讨论。
一、铒离子的电子能级图----铒(E r)是一种稀土元素(属于镧系元素),原子序数是68,原子量为167.3。
铒镱共掺光纤放大器的共掺杂特性研究
ED FA � 的输出 功率很 大程度 上取决 于泵 浦光 功 射光子射入4 I 13/2 受激态的 E 离子中时， 由于受激 率， 然而， 掺铒光纤的芯径的范围一般在几个微米 辐射过程， E 离子以特定的几率辐射一个光子并 到 10 � 之间， 这就限 制了同泵 浦光的 耦合 面 积。为了增加掺杂浓度、 扩展放大波长， 采用铒离
［3 ］ 的溶解度 。在掺铒光纤中加入其他稀土离子也 可以降低 的影响， 还可以改 善其光谱 性能。
度为 2.5 。结果表明， 在厘米长度量级上可获得 近 10 的净增益， 镱铒共掺硅酸盐玻璃丝的净增益 随抽运功率增长未出现饱和趋势。 掺铒质量浓度的硅酸盐玻璃丝， 抽运功率较弱 时， 净增益随抽运功率近似线性增长； 抽运功率较 强时， 由于铒离子间的合作上转换、 激发态吸收等 效应影响， 净增益有饱和趋势。但镱铒共掺硅酸盐 玻璃丝的净增益随抽运功率近似线性增长， 未出现 饱和趋势。这说明敏化剂镱高浓度的掺入， 改善了
收稿日期： 2006- 05 -15 . 作者简介： 柯湘萍 （ 1981 - ） ， 女， 湖北咸宁人， 武汉理工大学信息工程学院硕士研究生 . 基金项目： 武汉市重点科技攻关资助项目 （ 20041 0011） .
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武汉理工大学学 报
信息与管理工程版
20 0 6 年 7 月来自质中， 铒离子则形成离子簇， � � 离子簇的形成缩短了 益为 1.96 / ， 阈值功率为 3 6 ， 最佳长度为 离子间的距离， � � � 导致铒离子间容易相互作用， 产生 4.5 ； 掺镱质量浓度为 1.1 / 3， 掺铒质量浓度 离子上转换， 引起浓度 淬灭， 即双致淬灭 （ ） 。 为 0 .12 / 3的镱铒共掺硅酸盐玻璃丝， 单位长度 � 最近有报道说， 改变纤芯玻璃基质也可以提高 � � 净增益为 3.0 7 / ， 阈值功率为 28 ， 最佳长
双包层铒镱共掺光纤纤芯吸收系数、内包层直径试、包层泵浦吸收系数试验方法
附录A（规范性附录）内包层直径试验方法A.1 概述本方法适用于双包层铒镱共掺光纤内包层直径的测试。
双包层铒镱共掺光纤内包层形状涉及多种多边形，应根据被测光纤内包层实际情况对其内包层直径进行测试。
当双包层铒镱共掺光纤内包层为N（N＞3）边形时，取任意连续不同的三条边进行切线圆拟合，共取3次，取3次拟合圆直径平均值作为内包层直径。
并取中间值拟合圆圆心作为内包层中心与纤芯计算纤芯/内包层同心度误差。
例如，六边形内包层光纤6条边依次为L1、L2、L3、L4、L5、L6，则可取L1、L2、L3三边，取L2、L3、L4三边，取L3、L4、L5三边分别作切线圆。
如图B.1所示。
图A.1 六边形内包层切线圆示意图图A.2是典型的八边形内包层双包层铒镱共掺光纤结构示意图图A.2 典型的八边形内包层双包层铒镱共掺光纤结构示意图A.2 测量设备A.2.1 光学显微镜采用具备配套几何尺寸拟合软件的光学显微镜。
A.3 试样制备A.3.1 端面处理剥去光纤一端的涂覆层，清洗干净，用专用光纤切割刀处理端面。
A.3.2 光纤放置将光纤放置在光学显微镜下通过程序拟合多边形切线圆。
A.4 测试条件在测量期间，温度15℃~35℃，湿度45%~60%。
A.5 测试步骤A.5.1 接通测量系统相关仪器的电源，按规定进行预热。
A.5.2 把制备好端面的被测光纤放置在光纤显微镜中。
A.5.3 调整焦距及位置，保证被测光纤端面处于显微镜正中。
A.5.4 用拟合软件连续3次对不同三边进行切线圆拟合，并计算对应切线圆直径分别为D1、D2、D3。
A.5.5 取三个切线圆直径均值作为内包层直径D。
A.6 计算内包层直径计算见公式（B.1）：()………………………………………………(A.1)式中：D—内包层直径；D1—（L1、L2、L3）三边切线圆直径，单位为微米（μm）；D2—（L2、L3、L4）三边切线圆直径，单位为微米（μm）；D3—（L3、L4、L5）三边切线圆直径，单位为微米（μm）。
光电技术实验-掺铒光纤放大器
光电技术实验-掺铒光纤放⼤器掺铒光纤放⼤器(EDFA)特性参数测量⼀、实验⽬的1.了解掺铒光纤放⼤器的⼯作原理及相关特性；2.掌握掺铒光纤放⼤器性能参数的测量⽅法；⼆、实验原理掺铒光纤放⼤器(Er Droped Fiber Amplifier,EDFA)的出现是光纤通信发展史上⼀个重要⾥程碑。
1986年英国南安普敦⼤学制作出了最初的掺铒光纤放⼤器。
在此之前，由于不能直接放⼤光信号，所有的光纤通信系统都只能采⽤光-电-光中继⽅式。
光纤放⼤器可直接放⼤光信号，这就可使光-电-光中继变为全光中继。
这是⼀次极为重要的飞跃，把光通信推向了⼀个新的阶段，其意义可与当年⽤晶体管代替电⼦管相提并论。
当作为掺铒光纤放⼤器泵浦源的0.98um和1.48um的⼤功率半导体激光器研制成功后，掺铒光纤放⼤器趋于成熟，进⼊了实⽤化阶段。
掺铒光纤放⼤器的意义不仅在于可进⾏全光中继，它还在多⽅⾯推动了光纤通信的发展，引起了光纤通信的⾰命性变⾰。
其中最突出的是在波分复⽤(WDM)光纤通信系统中的应⽤。
波分复⽤是在⼀根光纤上传输多个光信道，从⽽充分利⽤光纤带宽，有效扩展通信容量的光纤通信⽅式。
由于掺铒光纤放⼤器具有约40nm的极宽带宽，可覆盖整个波分复⽤信号的频带，因⽽⽤⼀只掺铒光纤放⼤器就可取代与信道数相应的光⼀电⼀光中继器，实现全光中继。
这极⼤地降低了设备成本，提⾼了传输质量。
这⼀优越性推动了波分复⽤技术的发展。
现在EDFA+WDM已成为⾼速光纤通信⽹发展的主流，代表新⼀代的光纤通信技术。
（1）EDFA的⼯作原理铒(Er)是⼀种稀⼟元素(属于镧系元素)，原⼦序数是68，原⼦量为167．3。
EDFA利⽤了镧系元素的4f能级，图1是Er+3的能级图。
在掺铒光纤中．由于⽯英基质的作⽤，4f的每⼀个能级分裂成⼀个能带。
图中4I15/2能带称为基态；4I能带称为亚稳态，在亚稳态上粒⼦的平均寿命时间达到10ms。
4I11/2能带为13/2泵浦态，粒⼦在泵浦态上的平均寿命为1us。
一种小型铒／镱双掺光纤放大器增益特性研究
第３ ６卷 第 ４期
２０ ０ ６年 ４月
激 光 与 红 外
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双包层Er 3+-Yb 3+共掺磷酸盐光纤放大器的研究
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双包层掺铒光纤放大器。比较硅光纤 ， 磷酸盐玻璃 更适合做饵 的衬底 ， 因为其内部 的饵含量可以比硅 光纤 中高两 个数 量 级 。 因此 ， 种 双 包 层光 纤 放 大 这
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双 包 层 Ｅ ” 一 ３ 共 掺磷 酸 盐 光 纤 放 大器 的研 究 ｒ ｙｂ ＋
黄小莉 夏 凌 林 红举２ ， ，
（． １ 西华 大学 电气信息学院 ， 四川 成都 ６ ０ ３ ； ． １０ ９ ２ 河北科技师范学院机械电子系 ， 河北 秦皇岛 ０ ６ ０ ） ６ ０ ４
吸收 与 ７ 的受 激 辐 射 ； 的 】２ 亚 稳 态 能 Ｆ／ ２ Ｅ０ Ｉ／到 】 级 １２ Ｉ／的非辐 射 衰 减 及 其 两 相 邻 离 子 间 的 合作 上 ３
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内包层传输泵浦光和限制信号光 ， 外包层限制泵浦
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浦技术 ， 便于 Ｌ Ｄ泵浦光与光纤之间的耦合 ， 具有 比 普通 单 模 光 纤 大 得 多 的 耦 合 效 率 及 光 电 转 换 效 率【， 。到 目前 为 止 ， 包 层 光 纤 放 大 器 的制 作 都 ３ ５ Ｊ 双
光纤长度优化的高功率铒镱共掺光纤放大器
光纤长度优化的高功率铒镱共掺光纤放大器李楠;王蓟;彭以新;王国政;张云琦;刘亮【摘要】为了研究不同增益光纤长度下1555nm高功率光纤放大器的输出功率,采用两级混合结构的方法,用掺铒光纤放大器和双包层铒镱共掺光纤放大器分别作为1级预放大器和2级主放大器.掺铒光纤放大器对信号光进行预放大,并提高放大器的信噪比;双包层铒镱共掺光纤放大器为主放大器,其双包层结构可以把更多的多模抽运光耦合进系统.对铒镱共掺光纤的最佳长度做了理论分析和实验验证,在信号光功率为10mW、掺铒光纤放大器的抽运功率为318.58mW、双包层铒镱共掺光纤放大器的抽运功率为11.71W、增益光纤长度为14m时,输出功率取得了2.11W 的实验数据.在分析输出信号光谱时发现,L波段附近有放大自发辐射谱出现,这是选择的增益光纤过长导致的.结果表明,在光功率和信号光功率一定时,光纤放大器有一个最佳的光纤长度.这一结果对研究光纤放大器的高功率输出是有帮助的.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2010(034)006【总页数】4页(P757-760)【关键词】光电子学;高功率光纤放大器;级联放大;掺珥光纤放大器;双包层铒镱共掺光纤放大器【作者】李楠;王蓟;彭以新;王国政;张云琦;刘亮【作者单位】长春理工大学,理学院,长春,130022;长春理工大学,理学院,长春,130022;长春理工大学,理学院,长春,130022;长春理工大学,理学院,长春,130022;长春理工大学,理学院,长春,130022;长春理工大学,理学院,长春,130022【正文语种】中文【中图分类】TN722引言20世纪80年代掺铒光纤放大器(erbium-doped fiber amplifier,EDFA)的研制成功极大地推动了全光通信网络的发展。
掺铒光纤放大器以其高增益、低噪声、传输速度快等优良特质一度成为通信系统的核心部件，特别是其1550nm附近的工作波段刚好和光通信的第3窗口相吻合而受到了很大的关注。
掺铒光纤增益谱
掺铒光纤是一种利用铒离子掺杂的光纤，用于增强光信号的强度。
铒离子在可见光和近红外光范围内具有较宽的吸收和发射带宽，因此可以用作光纤放大器和激光器的掺杂材料。
掺铒光纤的增益谱是指在不同波长范围内的增益特性。
铒离子的跃迁能级结构决定了其增益谱的特征。
在掺铒光纤中，当外界输入的光信号与铒离子能级之间的能量差匹配时，铒离子会吸收光信号并被激发到高能级，形成激发态铒离子。
随后，激发态铒离子会通过自发辐射或受到外界刺激的辐射来退激并发射出光信号。
掺铒光纤的增益谱通常具有多个峰值，对应着铒离子在不同能级之间的跃迁。
其中，常见的峰值包括在1.5微米附近的主要增益峰。
这个波长范围是光纤通信中最常用的波段，因为在这个范围内光纤有较低的传输损耗。
铒离子的增益谱可以通过不同的方法进行测量和分析。
一种常见的方法是使用光纤光谱仪测量掺铒光纤的吸收谱和发射谱，然后根据吸收和发射的特征确定增益谱。
通过了解增益谱，可以更好地了解掺铒光纤的性能，以便在光纤通信和光纤激光器等应用中进行优化和设计。
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增益平坦型铒镱共掺双包层光纤放大器及其应用
摘要：波分复用是光纤CATV系统进一步升级的主要方向。本文对增益平坦
型铒镱共掺双包层光纤放大器（GF-EYDCFA）进行了理论和实验研究，相关数据
表明，** 科技开发GF-EYDCFA能实现1543-1565nm围多波长光信号的增益均衡
放大，其输出功率在1W以上，增益平坦度。
关键字：EDFA，WDM，铒镱共掺，双包层光纤，CATV
1 引言
光纤，因其近乎无限的带宽，成为信息爆炸时代无可替代的信息传输媒质，
而波分复用（WDM）方式则是利用光纤带宽的最有效方法。目前主干网的光传输
都利用了WDM技术，而光纤CATV系统还是以单波长应用为主，因此光纤的带宽
利用率很低。今后，随着CATV网络容量的增加以及业务管理灵活性的提高，应
用WDM技术的光纤CATV系统会越来越受到重视。
掺铒光纤放大器（EDFA），因其补偿了光纤线路中C（L）波段光信号的衰
减，极延长了中继距离，是光纤通信蓬勃发展的关键因素。对于光纤CATV网，
其光功率分配数目一般都比较大，因此对光放大器的输出功率要求都比较高。
而由于EDFA的单模泵浦机理限制了泵浦功率（980nm/1480nm）水平，传统的E
DFA很难实现高功率输出或者单位功率的成本非常昂贵，据了解，目前商用ED
FA的最大饱和输出功率为500mW左右，这显然很难满足光纤CATV系统的应用
要求。为了获得高功率输出，铒镱共掺双包层光纤放大器（EYDCFA）越来越受
到关注。EYDCFA采用了多模泵浦激光器和铒镱共掺双包层光纤（EYDCF），突
破了传统EDFA的功率限制。目前，可用的多模泵浦激光器功率可达6W（915—
975nm），而EYDCF的双包层结构和纤芯铒镱共掺技术则很好地解决了多模泵吸
收和单模1550nm（C-Band）信号放大的问题，此外，两者利用光纤合波器连接，
可实现多个泵浦激光器同时同向泵浦单根EYDCF。目前** 公司开发的单波长E
YDCFA产品的最大输出功率可达4W，在光纤CATV网和三网合一系统中已有较多
应用[1]。本文主要研究了增益平坦型EYDCFA（GF-EYDCFA）的基本原理及其在
光纤CATV网的可能应用，这对今后光纤CATV网的WDM升级具有积极的指导意
义。
2 增益平坦型铒镱共掺双包层光纤放大器
增益平坦型EDFA（GF-EDFA）通常采用增益平坦滤波器（GFF）实现多波长
放大时的增益均衡[2,3]，即通过滤波器在不同波长的差异化衰减来补偿掺杂光
纤各波长间的增益不均衡，因此GFF的衰减谱通常是光放大器未加GFF时的增
益谱。目前，制作GFF普遍采用薄膜滤波器技术和啁啾光栅技术。这两种技术
都可以获得WDM 系统要求的GFF。薄膜滤波器技术是一种低成本的生产技术，
一次镀膜生产数百甚至上千片GFF，适合大规模生产，单位成本较低。而啁啾
光栅则刚好相反，小批量生产时，单位成本低于薄膜滤波器，但由于是逐只生
产，批量生产成本就相对较高。现阶段光纤通信发展迅速，EDFA的需求量非常
大，因此采用薄膜滤波器技术生产的GFF应用最为广泛，下文所指的GFF也均
属这一类。
本质上，EYDCFA仍是一种EDFA，它通过镱离子吸收915-975nm的泵浦光，
然后利用铒-镱离子间的交叉弛豫过程将能量转给铒离子，实现对铒离子的泵
浦，接下来的信号放大过程与EDFA类似[4,5]。有文献曾报道采用GFF的增益
平坦型铒镱共掺光纤放大器[6]，不过该工作针对的是单模泵浦放大器，其输出
功率仅为24.6dBm。而将EYDCFA与EDFA的增益均衡技术相结合，就可实现高
功率GF-EYDCFA。GF-EYDCFA的典型光路如图1所示，主要由低噪声EDFA前级、
高功率EYDCFA后级和两级间的GFF&ISOLATOR组合器件构成。这种结构既能保
证放大器较低的噪声指数（NF），又不至于GFF的插入而明显降低泵浦-信号转
换效率（PCE）。对于给定输入/输出功率的光放大器，设计时要综合考虑PCE、
NF和未加GFF时光放大器的增益平坦度（GF定义为工作波长围的最大增益与最
小增益之差）。根据级联EDFA的NF理论[2]，
（1）式中均为波长相关的参量（线性单位），前级和后级的增益、噪声指
数分别为、和、，GFF的衰减为。由式(1)可以看出，越大、越低，整个放大器
的NF就越低，而且在较大时，对整个放大器的NF起决定性作用。同时，较大
的也有利于提高后级的PCE和抑制1060nm波段的ASE激射。此外，还必须考虑
GFF的设计，通常整个放大器未加GFF时的GF越小，GFF的加工难度越低，应
用效果也越好。依据以上原则设计的GFF的衰减谱如图2所示，并用该GFF制
成GF-EYDCFA，其额定输入和输出总功率分别为6dBm和31dBm。图3为Aglien
t 86142B光谱分析仪的插减元法测得的GF-EYDCFA的增益谱和NF谱。由测试
数据可以看出，在1543-1565nm的工作波长围，放大器的GF
图1 GF-EYDCFA光路示意图
考虑批量生产中的个体差异和产品可靠性所需的指标余量，**科技的
GF-EYDCFA产品的关键指标如表1所示。可以看出，GF-EYDCFA的各项性能指标
均达到了GF-EDFA同类产品的水平，而其2W的高输出功率水平则是GF-EDFA
望尘莫及的。此外，通过调节GF-EYDCFA的相关设计，其工作波长可进一步拓
宽至1535-1565nm，总输出功率也可在0.5W到2W围任意选择。
表1 **科技GF-EYDCFA产品的关键指标
3 GF-EYDCFA在WDM-CATV系统中的应用
应用WDM技术是光纤CATV系统升级的一个重要方向，它能在光域进行节目
的上/下，避免“光-RF-光”的转换，同时增加网络的可扩展性和灵活性，也能
有效降低运行、维护和升级成本[7]。关于WDM-CATV方案已有不少研究[7,8]
和应用案例，采用1550nm激光器发射机组和EDFA的多波长视频传输网络的典
型应用[8]如图4所示。主前端通过卫星接收等方式获得节目源，将节目源按需
求分配、组合和编码后调制到波长为的C波段光波上，并由波分复用器（WDM）
合波后通过一级自愈环传送至一级集线器（PH）；PH取用一级自愈环上部分波
长的光信号，再经二级自愈环送至二级集线器（SH）；SH对光信号进行处理并
通过功率分配器分配至各光节点，用于广播或窄波。光纤线路中，EDFA是为了
补偿光纤传输损耗和光功率分配损耗，在多波长光信号传输的光路中则必须使
用GF-EDFA，而GF-EYDCFA应用于用户密集和波长数较多的网络，能解决GF-E
DFA功率水平不够和常规EYDCFA增益不均衡的问题。此外，高功率GF-EYDCFA
还能减小系统终端各波长信号的功率差异。由于采用薄膜滤波器技术制造的同
一批GFF具有相同的衰减谱偏差，因此实际网络中同类光放大器（OA）的增益
谱是相似的，所以如果多个OA级联即光信号经OA放大后传输或分波，当光功
率降至一定水平时再经另一个OA放大，然后接着传输，如此重复，直至到达光
节点虽然能有效克服较大的传输或分波损耗，但级联OA的GF必定会劣化，而
且级联个数越多，最终的GF越差，从而影响系统性能。所以，使用高功率的G
F-EYDCFA以相对减少系统中OA的使用个数，能有效降低因OA级联而造成的G
F劣化。
图4 采用1550nm激光器发射机组和EDFA的多波长视频传输网络
图5 利用WDM方式提供差异化服务的CATV系统示意图
图5是利用WDM方式提供差异化服务的CATV系统实例，其中不同波长承载
不同服务质量的CATV信号，每一波长对应同一类型需求的用户群，其中增益平
坦光放大器（GF-OA）是为了克服各波长光信号的传输损耗和分波损耗。当网络
的差异化服务程度较高且用户数较多时，使用GF-EYDCFA能够有效降低OA的单
位功率成本。**科技1W和0.5W输出的GF-EYDCFA产品已成功应用于类似的CATV
系统。
4 总结
本文介绍了增益平坦型铒镱共掺双包层光纤放大器（GF-EYDCFA）的基
本原理：铒镱共掺双包层光纤放大技术和增益均衡技术相结合，能实现多波长
信号光高功率且增益均衡地放大。**科技现有GF-EYDCFA产品的主要性能指标，
如增益平坦度<0.25dB和噪声指数<5.5dB，与同类掺铒光纤放大器（EDFA）产
品相当，但其输出功率大于1W，远高于目前EDFA的最高水平。此外，结合**
科技相关产品的应用实例，本文还介绍了GF-EYDCFA在WDM-CATV系统中的应用。
GF-EYDCFA能有效补偿多波长信号光的传输损耗和功率分配损耗，弥补了EDFA
在输出功率水平方面的不足；同时GF-EYDCFA能大大减少光放大器的使用数量，
节约成本，也能明显减小由于光放大器级联造成的增益平坦度劣化。