光纖放大器技術(shù)

1、光纖放大器技術(shù)光纖放大器不但可對光信號進(jìn)行直接放大，同時(shí)還具有實(shí) 時(shí)、高增益、寬帶、在線、低噪聲、低損耗的全光放大功能，是新一 代光纖通信系統(tǒng)中必不可少的關(guān)鍵器件；由于這項(xiàng)技術(shù)不僅解決了衰 減對光網(wǎng)絡(luò)傳輸速率與距離的限制，更重要的是它開創(chuàng)了155 Onm頻段的波分復(fù)用，從而將使超高速、超大容量、超長距離的波分復(fù)用（WDM ）、密集波分復(fù)用（DWDM ）、全光傳輸、光孤子傳輸?shù)瘸蔀?現(xiàn)實(shí)，是光纖通信發(fā)展史上的一個(gè)劃時(shí)代的里程碑。 在目前實(shí)用化的 光纖放大器中主要有摻鉺光纖放大器（ EDFA ）、半導(dǎo)體光放大器（SOA）和光纖拉曼放大器（FRA ）等，其中摻鉺光纖放大器以其優(yōu) 越的性能現(xiàn)已廣泛應(yīng)用

2、于長距離、大容量、高速率的光纖通信系統(tǒng)、 接入網(wǎng)、光纖CATV網(wǎng)、軍用系統(tǒng)（雷達(dá)多路數(shù)據(jù)復(fù)接、數(shù)據(jù)傳輸、 制導(dǎo)等）等領(lǐng)域，作為功率放大器、中繼放大器和前置放大器。光纖放大器一般都由增益介質(zhì)、泵浦光和輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)組成。目前光纖放大器主要有摻鉺光纖放大器、 半導(dǎo)體光放大器和 光纖拉曼放大器三種，根據(jù)其在光纖網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，光纖放大器主要 有三種不同的用途：在發(fā)射機(jī)側(cè)用作功率放大器以提高發(fā)射機(jī)的功 率；在接收機(jī)之前作光預(yù)放大器以極大地提高光接收機(jī)的靈敏度；在光纖傳輸線路中作中繼放大器以補(bǔ)償光纖傳輸損耗，延長傳輸距離。摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器是利用摻鉺光纖這一活性介質(zhì)，當(dāng)泵浦光 輸入到EDF中時(shí)

3、，就可以將大部分處于基態(tài)的 Er3+抽運(yùn)到激發(fā)態(tài)上， 處于激發(fā)態(tài)的Er3+又迅速無輻射地轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)上，由于 Er3+在亞 穩(wěn)態(tài)上的平均停留時(shí)間為 10ms,因此很容易在亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)之間形 成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，此時(shí)，信號光子通過摻鉺光纖，在受激輻射效應(yīng)作用 下產(chǎn)生大量與自身完全相同的光子， 使信號光子迅速增多，這樣在輸 出端就可以得到被不斷放大的光信號。自80年代末至90年代初研制 成摻鉺光纖放大器（EDFA），并開始應(yīng)用于1.55mm頻段的光纖通信 系統(tǒng)以來，推動了光纖通信向全光傳輸方向發(fā)展， 且目前EDFA的技 術(shù)開發(fā)和商品化最成熟；應(yīng)用廣泛的C波段EDFA通常工作在15301565nm光纖損耗

4、最低的窗口，具有輸出功率大、增益高、與偏 振無關(guān)、噪聲指數(shù)低、放大特性與系統(tǒng)比特率和數(shù)據(jù)格式無關(guān)，且同 時(shí)放大多路波長信號等一系列的特性，在長途光通信系統(tǒng)中得到了廣 泛的應(yīng)用。其不足是C-Band EDFA的增益帶寬只有35nm,僅覆蓋石 英單模光纖低損耗窗口的一部分，制約了光纖固有能夠容納的波長信 道數(shù)；然而隨著因特網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，要求光纖傳輸系統(tǒng)的傳輸容 量要不斷地?cái)U(kuò)大，面對傳輸容量的擴(kuò)大，目前主要有三種解決途徑：（1）增加每個(gè)波長的傳輸速率；（2）減少波長間距；（3）增加總的 傳輸帶寬。對于第一種辦法，如果速率提高到10Gbit/s將帶來新的色散補(bǔ)償問題，況且現(xiàn)在的電子系統(tǒng)還存在著所謂

5、"電子瓶頸"效應(yīng)問題。第二種辦法如果將信號間距從 100GHz降低到50GHz或25GHz 將給系統(tǒng)帶來四波混頻（FWM ）等非線性效應(yīng)，且要求系統(tǒng)采用波 長穩(wěn)定技術(shù)。從而研究新的光纖放大器如L波段的EDFA是增加總的 傳輸帶寬的一種，它將EDFA工作波長由C波段15301560nm擴(kuò)展 到L波段15701605nm,使EDFA的放大增益譜擴(kuò)展了一倍。盡管L 波段EDFA的波長覆蓋了 EDF增益譜的尾部，但仍可與性能先進(jìn)的 C波段EDFA產(chǎn)品相媲美：例如兩者的基本結(jié)構(gòu)相類似，大多數(shù)C波 段EDFA的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)仍可應(yīng)用于 L波段EDFA研制；L波段 EDFA有較小的輻射和

6、吸收以及較低的平均反轉(zhuǎn)因子，增益波動系數(shù)遠(yuǎn)小于C波段EDFA，所存在的是L波段EDFA的EDF較長帶來無 源光纖損耗較大，放大噪聲稍大等不足。半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體光放大器（SOA）是采用通信用激光器相類似的工 藝制作而成的一種行波放大器，當(dāng)偏置電流低于振蕩閾值時(shí)，激光二 極管就能對輸入相干光實(shí)現(xiàn)光放大作用。由于半導(dǎo)體放大器具有體積 小、結(jié)構(gòu)較為簡單、功耗低、壽命長、易于同其它光器件和電路集成、 適合批量生產(chǎn)、成本低，可實(shí)現(xiàn)增益兼開關(guān)功能等特性，在全光波長 變換、光交換、譜反轉(zhuǎn)、時(shí)鐘提取、解復(fù)用中的應(yīng)用受到了廣泛的重 視，特別是目前應(yīng)變量子阱材料的半導(dǎo)體光放大器的研制成功，已引 起人們對SOA的

7、廣泛研究興趣。國內(nèi)武郵院與華中科技大學(xué)合作成功地研制開發(fā)了在光網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵器件-半導(dǎo)體光放大器，并很快實(shí) 現(xiàn)了產(chǎn)品化，成為繼Alcatel公司之后能夠批量供應(yīng)國際市場應(yīng)用于 光開關(guān)的半導(dǎo)體光放大器的供貨商，這標(biāo)志著我國自行研制的應(yīng)變量 子阱器件邁出了商品化生產(chǎn)的關(guān)鍵一步。 但半導(dǎo)體光放大器與摻鉺光 纖放大器相比存在著噪聲大、功率較小、對串?dāng)_和偏振敏感、與光纖 耦合時(shí)損耗大，工作穩(wěn)定性較差等缺陷，迄今為止，其性能與摻鉺光 纖放大器仍有較大的差距。又由于半導(dǎo)體光放大器覆蓋了 13001600nm波段，既可用于1300nm窗口的光放大器，也可以用于 1550nm窗口的光放大器，且在 DWDM多波長光

8、纖通信系統(tǒng)中，無 需增益鎖定，那么它不僅可作為光放大器一種有益的選擇方案，而且還可以促成1310nm窗口 DWDM系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。光纖拉曼放大器受激拉曼散射（SRS）是光纖中的一種非線性現(xiàn)象，它將 一小部分入射光功率轉(zhuǎn)移到頻率比其低的斯托克斯波上；如果一個(gè)弱 信號與一強(qiáng)泵浦光波同時(shí)在光纖中傳輸， 并使弱信號波長置于泵浦光 的拉曼增益帶寬內(nèi)，弱信號光即可以得到放大，這種基于受激拉曼散 射機(jī)制的光放大器即稱為光纖拉曼放大器（FRA ）。近年來光纖拉曼 放大器倍受關(guān)注，綜合布線中的光纖熔接，8路視頻光端機(jī)和4路視 頻光端機(jī)好用。已成為研制開發(fā)的熱點(diǎn)，它具有許多優(yōu)點(diǎn)：（1）增益 介質(zhì)為普通傳輸光纖，與光纖

9、系統(tǒng)具有良好的兼容性；（2）增益波長 由泵浦光波長決定，不受其它因素的限制，理論上只要泵浦源的波長 適當(dāng)，就可以放大任意波長的信號光；（3）增益高、串?dāng)_小、噪聲指 數(shù)低、頻譜范圍寬、溫度穩(wěn)定性好。正因?yàn)楣饫w拉曼放大器有這么多的優(yōu)點(diǎn)，它可以放大摻鉺 光纖放大器所不能放大的波段，并可在 12921660nm光譜范圍內(nèi)進(jìn) 行光放大，獲得比EDFA寬得多的增益帶寬；再次增益介質(zhì)為普通光 纖，可制作分立式或分布式 FRA，分布式光纖拉曼放大器可以對信 號光進(jìn)行在線放大，增加光放大的傳輸距離，應(yīng)用于40Gbit/s的高速 光網(wǎng)絡(luò)中，也特別適用于海底光纜通信系統(tǒng)，而且因?yàn)榉糯笫茄刂?纖分布而不是集中作用，

10、所以輸入光纖的光功率大為減少，從而非線 性效應(yīng)尤其是四波混頻效應(yīng)大大減少，這對于大容量DWDM系統(tǒng)是十分適用的。FRA是EDFA的補(bǔ)充，而不是代替，兩者結(jié)合起來可 獲得大于100nm增益平坦寬帶，這就是采用分布式光纖拉曼放大器 的好處。但光纖拉曼放大器有一個(gè)主要的缺點(diǎn)就是需要特大功率的 泵浦激光器，解決這個(gè)問題的主要途徑有：一是研究降低閾值功率的 泵浦激光器，使得普通的大功率半導(dǎo)體激光器能作為拉曼泵浦使用； 其二是提高獲得更大輸出功率泵浦激光器的研制水平；其三是將多個(gè)泵浦源激光器的波長采用列陣、單片組合的方法復(fù)用在一起，獲得一 個(gè)大功率輸出的泵浦激光器，此種方法不但可提供一個(gè)寬帶的增益 譜，而

11、且還可以通過調(diào)節(jié)單個(gè)激光器的功率來調(diào)整增益斜率。WDM傳輸系統(tǒng)中光纖放大器的增益平坦控制技術(shù)為了確保WDM系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量，WDM系統(tǒng)中使用的光 纖放大器除具備有足夠的帶寬、高輸出功率和低噪聲系數(shù)等特性外， 還對增益平坦度控制技術(shù)提出了更高的要求。光纖放大器帶內(nèi)的增益 平坦度是指在整個(gè)可用的增益通帶內(nèi)，最大增益波長點(diǎn)的增益與最小 增益波長點(diǎn)的增益之差。很明顯，在WDM系統(tǒng)中增益平坦度越小越 好，否則，如果各信道的增益不均，經(jīng)過多級放大之后，這種增益差 值會線性積累，低增益信道信號的 SNR惡化，高增益信道的信號也 因光纖非線性效應(yīng)而使信號惡化，因此，要使各信道上的增益偏差處 于允許范圍內(nèi)，放大器

12、的增益就必須平坦，而使光纖放大器增益平坦 技術(shù)大體有兩種途徑：其一是"增益均衡技術(shù)"；其二是"光纖技術(shù)"。 增益均衡技術(shù)"是利用損耗特性與放大器的增益波長特性相反的增益 均衡器來抵消增益的不均勻性，這種技術(shù)的關(guān)鍵在于放大器的增益曲 線和均衡器的損耗特性精密吻合，使綜合特性平坦；現(xiàn)階段實(shí)用化的 固定式增益平坦控制技術(shù)主要有光纖光柵技術(shù)和介質(zhì)多層薄膜濾波 器技術(shù)等。但隨著多通道(>80Ch)、高速率(>40Gbit/s)、長距離光 纖傳輸系統(tǒng)的發(fā)展，對光纖放大器的增益平坦控制技術(shù)提出了更高的 要求，這就需要研制動態(tài)增益可調(diào)的增益平坦濾波

13、器，這種可調(diào)諧增益動態(tài)濾波器技術(shù)主要有：法拉第旋轉(zhuǎn)體型增益可調(diào)濾波器技術(shù)、波 導(dǎo)馬赫-曾德型增益可調(diào)型濾波器技術(shù)、陣列波導(dǎo)型動態(tài)增益可調(diào)濾 波器技術(shù)和聲光型動態(tài)增益可調(diào)濾波器技術(shù)等。 至于"光纖技術(shù)"現(xiàn)階 段主要是在進(jìn)一步研究摻鉺光纖特性的基礎(chǔ)上，改變光纖材料或利用 不同光纖的組合來改變EDF的特性，從而來改變EDFA的增益平坦 性，主要有摻鋁的EDFA、摻氟化物EDFA、摻碲化物EDFA、混合 型EDFA和多纖心EDFA等技術(shù)。光纖放大器的主要應(yīng)用和市場近年來，隨著信息和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，光纖放大器的 研究和發(fā)展又進(jìn)一步擴(kuò)大了增益帶寬，將光纖通信系統(tǒng)推向了高速 率、大容

14、量、長距離方向發(fā)展。由于光纖放大器的獨(dú)特性能，在DWDM 傳輸系統(tǒng)、光纖CATV和光纖接入網(wǎng)中有著廣泛的應(yīng)用。密集波分復(fù) 用系統(tǒng)在光纖傳輸系統(tǒng)中已成為技術(shù)主流，作為 DWDM系統(tǒng)核心器 件之一的光纖放大器在其應(yīng)用中將得到迅速發(fā)展， 這主要是由于光纖 放大器有足夠的增益帶寬，它與WDM技術(shù)相結(jié)合可迅速簡便地?cái)U(kuò)大 現(xiàn)有光纜系統(tǒng)的通信容量，延長中繼距離。在光纖接入網(wǎng)中，盡管用 戶系統(tǒng)的距離較短，但用戶網(wǎng)的分支太多，需要用光纖放大器來提高 光信號的功率以補(bǔ)償光分配器造成的光損耗和提高用戶的數(shù)量，降低用戶網(wǎng)的建設(shè)成本。在光纖 CATV系統(tǒng)中，隨著其規(guī)模的不斷擴(kuò)大， 其鏈路的傳輸距離不斷增長，光路的傳輸損

15、耗也不斷增加，將光纖放大器應(yīng)用在光纖CATV系統(tǒng)中不但可提高光功率，補(bǔ)償鏈路的損耗， 增加光用戶終端，而且簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)成本，加快了光 纖CATV的發(fā)展。最近，美國CIBC World Market公司的相關(guān)人士對 摻鉺光纖放大器（EDFA）、光纖拉曼放大器（FRA ）、半導(dǎo)體光放大 器（SOA）這三類光放大器的市場狀況分別進(jìn)行了分析：EDFA從1994 年開始商用，現(xiàn)已成為DWDM系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，且市場正在快速增 長，其中Corni ng、Luce nt和JDS Un iphase等許多公司都參與了這一 市場的競爭，預(yù)計(jì)全球 EDFA市場將從1999年的13億美元增長到 2004

16、年的96億美元，銷售量將以年均43%的速度遞增；光纖拉曼放 大器近年來備受人們關(guān)注，已成為開發(fā)的熱點(diǎn)，盡管預(yù)計(jì)最近一兩年 內(nèi)光纖拉曼放大器還不會在陸地光纜系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，但其市場規(guī)模仍將從1999年的約330萬美元猛增到2004年的7.5億美元；而半導(dǎo) 體光放大器（SOA）自應(yīng)變量子阱材料的SOA研制成功以來，其研 制速度和應(yīng)用開發(fā)明顯加快，且 SOA市場可望于2001年開始起動， 此后會迅速擴(kuò)大，2004年將達(dá)到2億美元的規(guī)模。光纖放大器的發(fā)展方向由于超高速率、大容量、長距離光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展，對作為光纖通信領(lǐng)域的關(guān)鍵器件一一光纖放大器在功率、帶寬和增益平 坦方面提出了新的要求，因此，在未來的光纖通信網(wǎng)絡(luò)中，光纖放大器的發(fā)展方向主要有以下幾