( P / s ) PP ,in G 1
例题： 一个在 980nm 泵浦的 EDFA ，其泵浦
功率为40mW，如果在1550nm处的增益是
22dB ，求 EDFA 的最大输入、输出光信号
功率。
体激光器已完全商用化，并且泵浦效率 高于其他波长，故得到了最广泛的应用。
在泵浦光的激励下，4I11/2能级上的粒 很快跃迁到亚稳态 4I13/2能级，从而实现了 粒子数反转。
子数不断增加，又由于其上的粒子不稳定，
当有 1.55μm 信号光通过已被激活的掺铒 光纤时，在信号光的感应下，亚稳态上的
粒子以受激辐射的方式跃迁到基态。对应
种结构具有较高的输出信号功率，但噪声特性较
差。
后向（反向）泵浦掺铒光纤放大器
掺铒光纤 光耦合器
光信号输入
光隔离器
光隔离器
光信号输出
泵浦LD
3、双向泵浦掺铒光纤放大器
双向泵浦掺铒光纤放大器，表示两个泵
浦光从两个相反方向进入掺铒光纤。这种结
构具有的输出信号功率最高，噪声特性也不
差。
双向泵浦掺铒光纤放大器
7.2.1 掺铒光纤 掺铒光纤是 EDFA 的核心元件，它以
石英光纤作基质材料，并在其纤芯中掺入
一定比例的稀土元素铒离子（Er），便形 成了掺铒光纤（EDF）。
掺入铒元素的目的是，促成被动的传 输光纤转变为具有放大能力的主动光纤。
掺杂浓度在百万分之几十至百万分之
几百。
除了所掺的铒以外，这种光纤的构
掺铒光纤 光耦合器 光耦合器
光信号输入 光隔离器
光隔离器
光信号输出
泵浦LD
泵浦LD
7.4 EDFA的最大输入、输出光信号功率 根据能量守恒原理，EDFA的输入、输 出光信号功率可以表示为：
Ps ,out
p Ps ,in PP,in s
Ps ,out
p Ps ,in PP,in s
泵浦波长：λp，泵浦效率：Wp 在λp=0.532μm处， Wp =1.35 dB/mW； 在λp=0.800μm处， Wp =0.80 dB/mW；
在λp=0.980μm处， Wp =4.90 dB/mW；
在λp=1.480μm处， Wp =3.90 dB/mW。
（2）要求无激发态吸收 在理想的系统中，处于激发态的电 子，在受到外来的光子作用时，向低能 级跃迁而发出光子，但是还有一种可能 就是它可以吸收外来的光子继续向更高
于每一次跃迁，都将产生一个与感应光子
完全一样的光子，从而实现了信号光在掺
铒光纤的传播过程中不断放大。
3、选用泵浦波长的原则： （1）要求泵浦效率高; （2）要求无激发态吸收。
（1）要求泵浦效率高
泵浦效率Wp 为：
Wp= 放大器增益（dB）/泵浦功率（mW）
不同吸收频率处的泵浦效率相差很大，
实验测得的一组数据是：
的能级跃迁，这就是激发态吸收。
由实验得知：
0.98 μm 和 1.48μm 泵浦对应着无激发
态吸收的能带，因而是倍受重视的两个波
长。这两个波长的泵浦源都可以用半导体
激光器来实现。
0.98μm与1.48μm相比，增益高、泵浦 效率高、噪声小，具有很大的吸引力，
0.98μm是目前掺铒光纤放大器的首选波长。
造与通信中单模光纤的构造一样，铒离 子位于 EDF 的纤芯中央地带，将铒离子
放在这里有利于其最大地吸收泵浦和信
号能量，从而产生好的放大效果。
7.2.2 铒离子的电子能级图
铒( Er )是一种稀土元素，原子序数是68，原
子量为167.3。
按常规电子能级的光谱命名方法，铒离子的
电子能级如图所示。由下能级向上能级的跃迁则
4 4
基态
I15/2
基态
I15/2
铒离子的电子能级图
7.2.3 掺铒光纤的光放大原理 铒的能级图如图所示。其发光原理可
用三能级系统来解释：
基态为4I15/2；亚稳态为4I13/2，在亚稳 态上粒子的平均寿命时间达到10ms；泵浦
态为4I11/2，粒子在泵浦态上的平均寿命为
1μ s 。
由于980 nm 和1480 nm 大功率半导
掺铒光纤放大器工作原理
7.3 掺铒光纤放大器的结构
掺铒光纤放大器是由一段掺铒光纤、泵浦
光源、光耦合器以及光隔离器等组成。
掺铒光纤放大器的结构因泵浦方式不同而 不同，目前应用的泵浦方式主要有： （1）同向（前向）泵浦掺铒光纤放大器； （2）反向（后向）泵浦掺铒光纤放大器；
（3）双向泵浦掺铒光纤放大器 。
式中，Ps,in是输入光信号功率，PP,in是输入泵浦
P 和 功率，
s 分别是泵浦波长和信号波长。
假设没有自发辐射，掺铒光纤放大器增益G为G源自Ps ,out Ps ,in
p PP,in 1 s Ps ,in
因此，为了达到一个给定的最大增益G，输
入光信号功率必须满足下式：
Ps ,in
1、前向（同向）泵浦掺铒光纤放大器
前向（同向）泵浦掺铒光纤放大器，表 示信号光和泵浦光同向进入掺铒光纤，光隔 离器用于隔离反馈光信号，提高稳定性。这 种结构噪声特性较好。
前向（同向）泵浦掺铒光纤放大器
掺铒光纤 光耦合器 光带通滤波器
光信号输入 光隔离器 光隔离器
光信号输出
泵浦LD
2、后向（反向）泵浦掺铒光纤放大器 后向（反向）泵浦掺铒光纤放大器，表示信 号光和泵浦光从两个不同方向进入掺铒光纤。这
第 7 章 掺铒光纤放大器
教学重点 1、光放大器的类型及其特点； 2、理解掺铒光纤的激光特性和掺铒光纤放
大器的工作原理；
3、掌握EDFA的光路结构原理、特点及应
用。
7.1 光放大器概述
光放大器的应用 光纤的中继距离受限于光纤的的损耗和色 散。 就损耗来说，目前光纤损耗的典型值在 1.31μm波段为0.35 dB/km左右，在1.55μm波段 为0.25 dB/km左右。由于光纤损耗的限制，因 此，每隔一定距离（50-70 km），就要设置一 个中继器 。
统中必不可少的重要器件。
7.2 掺铒光纤放大器 EDFA 20世纪80年代末期，波长为1.55 μm的
掺 铒 (Er) 光 纤 放 大 器 ( EDFA ： Erbium
Doped Fiber Amplifier ) 研制成功并投入实
用，把光纤通信技术水平推向一个新高度，
成为光纤通信发展史上一个重要的里程碑。
在光放大器研制成功之前，传统的 中继器主要采用光 - 电 - 光转换方式，首
先将光纤中送来的光信号转换为电信号，
然后对电信号进行放大，最后再将放大
了的电信号转换为光信号送到光纤中去，
如图所示。
光纤
光电变换 (O/E)
放大器
电光变换 (E/O)
光纤
光的范围
电的范围
光的范围
传统的中继器原理框图
以1989年诞生的掺铒光纤放大器代表 的光放大技术可以说是光纤通信技术上的 一次革命。它为未来的全光通信网奠定了 扎实的基础，成为现代和未来光纤通信系
对应于光的吸收过程，而由上能级向下能级的跃
迁则对应于光的发射过程。如图
2
0.514 μ m 0.650μ m 0.800μ m
H11/2 F9/2
泵浦态 980 nm
4
4
4 4
I9/2 I11/2
泵浦态
I11/2
0.980μ m
4
亚稳态
1.480μ m
I13/2
亚稳态
4
I13/2
1530 nm
1.530μ m