铒掺杂光纤放大器（EDFA）是长距离光纤通信中最重要的光纤放大器类型。它们能够高效放大1.5微米波长区域的光信号，该区域是基于硅的电信光纤损耗最小的区域。光纤放大器的核心元件是一段稀土掺杂的光纤，在其他光注入光纤时，可以通过受激发射提供激光放大。

目录

1. 设置与操作原理
2. 增益谱
3. 铒掺杂放大器在电信系统中的应用
4. 进一步的技术细节
5. 铒掺杂光纤放大器的变体与其他应用

设置与操作原理

一个典型的简单铒掺杂光纤放大器（EDFA）的设置如图1所示。其核心组件是铒掺杂的光纤，通常是单模光纤（或有时是少模光纤）。

在所示示例中，活性光纤通过两个激光二极管（双向泵浦）进行“泵浦”，尽管单向泵浦（同向和反向泵浦）也非常常见。泵浦光通常具有980纳米左右的波长，或有时大约1450纳米，它激发铒离子（Er3+）进入⁴I_13/2状态（在980纳米泵浦的情况下通过⁴I_11/2），从那里它们可以通过受激发射回到基态流形⁴I_15/2以放大1.5微米波长区域的光。

所示设置还包含两个“带尾纤”的（光纤耦合）法拉第隔离器。输入端的隔离器防止由放大自发发射引起的光扰乱之前的阶段，而输出端的隔离器抑制激光（或可能是破坏），如果输出光被反射回放大器。在没有光学隔离器的情况下使用时，光纤放大器可能对背向反射非常敏感。

增益谱

铒增益谱的形状取决于吸收和发射截面，这在很大程度上取决于光纤芯材料的主机玻璃。此外，增益的光谱形状不仅仅是其大小，还受到铒离子平均激发程度的显著影响，因为这些具有准三级跃迁。图2显示了常见玻璃类型的数据，这是硅的某种变体，添加了额外的掺杂物，例如为了避免铒离子聚集。其他玻璃组成可以导致截然不同的增益谱。

铒掺杂放大器在电信系统中的应用

自从1987年首次演示了铒掺杂光纤放大器以来，仅用了五年的时间，商业放大器产品就已经可用。这是因为它们对光纤通信的好处很容易被认识到是实质性的。在多年的进一步研究和开发中，尚未找到可以广泛取代铒掺杂光纤放大器的可行替代品。

进一步的技术细节

EDFA最常见的泵浦波长在980纳米左右。这个波长的光将铒离子从它们的基态流形⁴I_15/2泵送到⁴I_11/2流形，从那里有一个快速的非辐射转移到上层激光级别⁴I_13/2。由于这种快速转移，几乎没有通过泵浦光的受激发射去激发，因此可以达到非常高的激发水平。因此，这种方法可以实现最高的增益效率（大约10 dB/mW）和最低的噪声指数，尽管功率效率并不理想，因为存在显著的量子缺陷。

铒掺杂光纤放大器的变体与其他应用

使用掺杂了铒和镱的光纤可以在更短的长度内实现高增益。这些也被称为Er:Yb:玻璃光纤或镱共掺光纤。它们的Yb3+离子浓度比Er3+高一个数量级。镱离子可以用975纳米泵浦光（甚至更长波长，如1064纳米）激发，并将它们的能量转移给铒离子。对于光纤芯材料的适当选择（通常含有大量的磷），能量转移可以相当高效。然而，在电信领域中，使用纯铒掺杂光纤更为常见，因为镱敏化在这里没有本质优势，并且可能由于化学组成的改变而导致增益带宽降低。