EDFA掺铒光纤放大器的基本原理
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在回答如何把弱光信号进行放大这个问题前,我们可以来看一个这样的光学结构一个输入1550nm光信号的输入端口,然后通过WDM耦合器把980nm泵浦激光器输出的980nm的泵浦光耦合到一起,再一起注入掺杂了饵这一稀土元素的光纤中。这个光学结构内部会产生什么效果呢?
在纤芯中掺入了饵这一稀土元素,而饵离子,有3个工作能级,分别是E1、E2和E3。其中,E1能级能量最低,粒子数最多,而E3能级能量最高,粒子数最少,中间蓝色的线对应的是E2能级。这三个能级中,因为E1能级能级最低,粒子数最多,最稳定,我们也称它为基态,即最稳定的状态;而E3能级中能量最高,这个能级的粒子最不稳定,我们也称它为激发态。中间的E2能级处在基态和激发态之间,我们称它为亚稳态。它比基态活跃些,也比激发态稳定一些。亚稳态上的粒子数相对来说比较稳定,能在一段时间内保持住一个稳定状态。我们外加一个泵浦光源的目的是给物质输入能量,使得低能级E1的粒子吸收泵浦光的能量后纷纷向上跃迁到E3能级(也就是激发态),我们称这个过程为电子吸收泵浦光跃迁。
而E3能级上的粒子是处于激发态的,非常不稳定,所以在没有外界粒子激发的情况下,它就会纷纷地向下跃迁,跃迁到E2能级也就是亚稳态,我们称这个过程为无辐射跃迁(没有外界粒子激发,高能级的粒子就自动地自发地向下跃迁到低能级)。
而E2能级因为是处于亚稳态,可以在一段时间内保持住该能级上的粒子,使得在E2和E1之间实现粒子数的反转分布状态。这时候,如果有一个外来光子的激发,而这个光正好是将要被放大的光信号,此时的光信号是弱光,里面所包含的光子数比较少,而这样射入的光子,在E2和E1之间作为一个外来的激发光子,会在反转分布状态的E2和E1之间实现受激辐射的过程大于受激吸收的过程,产生新的全同光子,从而实现光的放大,那么从物质中输出来的光就是强光了。
然后通过隔离器把除了1550nm的光全部过滤掉,实现输出更大光功率的1550nm的光,以达到光放大的效果。这也就是EDFA掺铒光纤放大器的基本原理,我们通常把这一光学结构封装成一个单独的模块,应用在光路中需要对弱光信号进行放大的场景。