摻鉺光纖放大器和拉曼光纖放大器分析和比較

1、摻鉺光纖放大器和拉曼光纖放大器分析和比較摘要：光放大器技術(shù)是新一代光纖通信系統(tǒng)中一項(xiàng)必不可少的關(guān)鍵技術(shù)， 目前幾種主要的光放大器技術(shù)在工程應(yīng)用中各有所長。此文介紹了光放大器技術(shù) 的基本原理，并對現(xiàn)有主要幾種光放大器技術(shù)在性能、應(yīng)用和發(fā)展方向上進(jìn)行了 比較。關(guān)鍵詞：摻鉺光纖放大器；光纖拉曼放大器0、綜述20世紀(jì)90年代以來，Internet的普及發(fā)展和各種信息(如語音、圖像、數(shù) 據(jù)等)業(yè)務(wù)的快速增長，人們對現(xiàn)代通信系統(tǒng)提出了更高的要求。在市場需求的 大力推動(dòng)下，通信技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，其中光纖通信技術(shù)脫穎而出，以其高 速優(yōu)質(zhì)的特點(diǎn)，一躍成為當(dāng)今長距離、大容量傳輸干線的主流技術(shù)。但由于光纖 損耗

2、和非線性的影響，無中繼傳輸距離成為制約系統(tǒng)容量和速率的瓶頸，而中繼 放大技術(shù)成了光通信領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。傳輸系統(tǒng)中的光纖損耗使信號隨傳輸 距離呈指數(shù)衰減，極大地限制了通信傳輸跨距和網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，因此必須在通 信線路上設(shè)置中繼器對信號進(jìn)行再生放大。在光放大器沒有出現(xiàn)之前，光纖傳輸 系統(tǒng)普遍采用光一電一光(OEO)的混合中繼器，但這種中繼方式存在“電子瓶頸” 現(xiàn)象，在很大程度上限制了傳輸速率的提高，而且價(jià)格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。20世 紀(jì)80年代出現(xiàn)的光放大器技術(shù)具有對光信號進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線、寬帶、高增益、 低噪聲、低功耗以及波長、速率和調(diào)制方式透明的直接放大功能，是新一代光纖 通信系統(tǒng)中不可缺少的關(guān)

3、鍵技術(shù)。此技術(shù)既解決了衰減對光網(wǎng)絡(luò)傳輸距離的限 制，又開創(chuàng)了 1550nm波段的波分復(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)瘸蔀楝F(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(1)。又由于此技術(shù)與調(diào)制形式和比 特率無關(guān)，因而在光纖通信系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。1、光放大器分類及原理光放大器(OA) 一般由增益介質(zhì)、泵浦光和輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)組成，其作用就 是對復(fù)用后的光信號進(jìn)行光放大，以延長無中繼系統(tǒng)或無再生系統(tǒng)的光纜傳輸距 離。一個(gè)好的光放大器應(yīng)具有輸出功率高、放大帶寬寬、噪聲系數(shù)低、增益譜平 坦等特性。光放大器主要分為光纖型

4、放大器(FA)和半導(dǎo)體放大器(SOA)兩大 類，其中光纖型放大器(FA )還可再分為摻稀土光纖放大器和常規(guī)光纖放大器， 具體分類詳見圖1(2).本文中，僅對摻鉺光纖放大器(EDFA)和光纖拉曼放大器(FRA) 作以介紹和分析。圖1光放大器的分類1、1摻鉺光纖放大器（EDFA ）的原理摻鉺放大器的工作機(jī)理基于受激輻射，這里首先討論激活介質(zhì)摻餌石英的能 級圖，如圖2所示。摻鉺光纖中的餌離子（Er3+）所處的能量狀態(tài)是不能連續(xù)取 值的，它只能處在一系列分立的能量狀態(tài)上，這些能量狀態(tài)稱為能級，摻餌石英 的能級圖用3個(gè)能級表示。字涌琵mmPiu 11-吒 fflttxac :心七V1斐方 11 旺圖2石

5、英光纖中餌離子的能級餌離子從能級2到能級1的躍遷產(chǎn)生的受激輻射光，其波長范圍為 15001600nm，這是摻鉺光纖放大器能得到廣泛應(yīng)用的原因。當(dāng)供給激光媒體能 量使其處于激勵(lì)狀態(tài)時(shí)，即會(huì)產(chǎn)生光的受激輻射現(xiàn)象，如果能滿足使受激輻射持 續(xù)進(jìn)行的條件，并用輸入光去感應(yīng)，則能得到比其強(qiáng)的輸出光，從而起到放大作 用。為了實(shí)現(xiàn)受激輻射，需要產(chǎn)生能級2與能級1之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，既需要泵 浦源將餌離子從能級1激發(fā)到能級2。有兩種波長的泵浦源可以滿足要求，一種 是980nm波長的泵浦源。在這種情況下，餌離子受激不斷的從能級1轉(zhuǎn)移到能級 3上，在能級3上停留很短的時(shí)間（生存期），約1us，然后無輻射的落到能級 2

6、上。由于餌離子在能級2上的生存期約為10ms，所以能級2上的餌離子不斷累 積，形成了能級1、2之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。在輸入光子（信號光）的激勵(lì)下，餌 離子從能級2躍遷到能級1上，這種受激躍遷將伴隨著與輸入光子具有相同波長、 方向和相位的受激輻射，使得信號光得到了有效的放大。另一種是1480nm波長 的泵浦源，它可以直接將餌離子從能級1激發(fā)到能級2上去，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。摻餌光纖放大器（EDFA）是利用摻餌（Er3+）光纖作為增益介質(zhì)、使用激光器二極管發(fā)出的泵浦光對信號光進(jìn)行放大的器件。圖3給出了摻餌光纖放大器 的結(jié)構(gòu)。:光隔高M(jìn) 巷曲哄等 歸器警竺:I . 幃點(diǎn):I漏都I;EDJA圖3摻鉺光纖放大器

7、的典型結(jié)構(gòu)摻餌光纖是摻鉺光纖放大器（EDFA）的核心部件。它以石英光纖作為基質(zhì)， 在纖芯中摻入固體激光工作物質(zhì)一一餌離子。在幾米至幾十米的摻餌光纖內(nèi)，光 與物質(zhì)相互作用而被放大、增強(qiáng)。光耦合器的作用是將信號光和泵浦光合在一起， 一般采用波分復(fù)用器實(shí)現(xiàn)。光隔離器的作用是抑制光反射，以確保光放大器工作 穩(wěn)定，它必須是插入損耗低，與偏振無關(guān)，隔離度優(yōu)于40dB。光濾波器的作用 是降低自發(fā)輻射產(chǎn)生的噪聲對系統(tǒng)的影響。1、2拉曼光纖放大器（RFA）原理拉曼光纖放大器的工作原理是基于石英光纖中的受激拉曼散射效應(yīng)，在形式 上表現(xiàn)為處于泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)的弱信號與強(qiáng)泵浦光波同時(shí)在光纖中傳 輸,從而使弱信號

8、光即得到放大。其工作原理示意如圖4所示。泵浦光子入射到 光纖，光纖中電子受激并從基態(tài)躍遷到虛能級，然后處在虛能級的電子在信號光 的感應(yīng)下回到振動(dòng)態(tài)高能級，同時(shí)發(fā)出一種和信號光相同頻率、相同相位、相同 方向的低頻的斯托克斯光子，而剩余能量被介質(zhì)以分子振動(dòng)（光學(xué)聲子）的形式吸 收，完成振動(dòng)態(tài)之間的躍遷。斯托克斯頻移Y r=yp-ys由分子振動(dòng)能級決定，其 值決定了受激拉曼散射的頻率范圍，其中Y P是泵浦光的頻率，Y s是信號光的頻 率。對非晶態(tài)石英光纖來說,其分子振動(dòng)能級融合在一起，形成了一條能帶，因而 可在較寬頻差Y PYS范圍（40THz）內(nèi)通過SRS實(shí)現(xiàn)信號光的放大。圖4拉曼光纖放大器工作原

9、理示意圖用激光器產(chǎn)生的泵浦光經(jīng)光隔離器（工50）耦合到波分復(fù)用器，并與信號 光一起通過波分復(fù)用器（WDM）耦合到一段光纖中，在這段光纖內(nèi)利用受激拉曼散 射效應(yīng)使泵浦光能量向信號光轉(zhuǎn)移，從而信號光得到放大。如圖5所示。CD -信號穌牌外肯布弋侑號翰馱涌激龍昭 *圖5受激拉曼光纖放大器的基本結(jié)構(gòu)受激拉曼光纖放大器的泵浦方式有前向泵浦、后向泵浦及前后同時(shí)泵浦三種 方式。泵浦光可以是連續(xù)的，也可以是脈沖式的。當(dāng)泵浦功率較低時(shí)，前向泵浦 和后向泵浦方式的拉曼增益一致。在處于泵浦飽和區(qū)域時(shí)，這兩種泵浦方式總的 放大特征會(huì)有很大不同。3、光放大器的技術(shù)比較及應(yīng)用3、1摻鉺光纖放大器優(yōu)、缺點(diǎn)及應(yīng)用摻鉺光纖放大

10、器的優(yōu)點(diǎn)是：（1）通常工作在15301565nm光纖損耗最低的 窗口；（2）增益高，在較寬的波段內(nèi)提供平坦的增益，是WDM理想的光纖放大器； （3）噪聲系數(shù)低,接近量子極限，各個(gè)信道間的串?dāng)_極小,可級聯(lián)多個(gè)放大器；（4） 放大頻帶寬,可同時(shí)放大多路波長信號；（5）放大特性與系統(tǒng)比特率和數(shù)據(jù)格式無 關(guān)；（6）輸出功率大，對偏振不敏感；（7）結(jié)構(gòu)簡單，與傳輸光纖易耦合。缺點(diǎn)是： （1）在第3窗口以上的波長，光纖的彎曲損耗較大,而常規(guī)的摻鉺光纖放大器不 能提供足夠的增益,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。制約了光纖能夠容納的波長信道數(shù)；（2）不便于查找故障，泵浦源壽命不長

11、； （3）存在基于泵浦源調(diào)制和光時(shí)域反射計(jì)（OTDR）的監(jiān)測與控制技術(shù)問題,控制內(nèi) 容包括輸出功率的控制和不同波長通道的增益均衡,EDFA的增益對100kHz以上 的高頻調(diào)制不敏感,對低于1kHz的調(diào)制，摻鉺光纖放大器的輸出信號會(huì)產(chǎn)生失真（6）。在光纖通信系統(tǒng)中，摻鉺光纖放大器的應(yīng)用有線路放大、功率放大、前置放 大和局域網(wǎng)。線路放大的最重要的應(yīng)用就是作為線路放大器以提高系統(tǒng)的傳輸距 離。在長途通信線路，摻鉺光纖放大器用作中斷放大有很大的優(yōu)勢。在局域網(wǎng) （LAN）光纖通信系統(tǒng)中，需要用光放大器來補(bǔ)償光合束器、光學(xué)路由器等光學(xué)元 件的損耗。在一個(gè)采用幾個(gè)星形耦合和摻鉺光纖放大器相結(jié)合的LAN實(shí)驗(yàn)中

12、， 實(shí)現(xiàn)了幾乎無損耗的分配網(wǎng)。摻鉺光纖放大器有平坦增益譜、高飽和輸出功率、 低串音等優(yōu)點(diǎn)在有線電視系統(tǒng)（CATV）中有廣闊的用途。摻鉺光纖放大器工作 在1550nm窗口。該窗口光纖損耗系數(shù)較1310nm窗口低，噪聲低，增益曲線好、 放大帶寬大。與波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)兼容。泵浦效率高。工作性能穩(wěn)定。目前“摻 鉺光纖放大器EDFA+密集波分復(fù)用(WDM) +非零色散光纖(NIDSF)+光子集成 (PIC) ”正成為國際長途高速光纖通信系統(tǒng)的主要技術(shù)方向。3、2拉曼光纖放大器的優(yōu)、缺點(diǎn)及應(yīng)用拉曼光纖放大器的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)包括：(1)增益波長由泵浦光波長決定，理論上 可對光纖窗口內(nèi)任一波長的信號進(jìn)行放大

13、，包括光纖的整個(gè)低損耗區(qū)(1 2701 670 nm)o (2)增益頻譜比較寬，單波長泵浦可實(shí)現(xiàn)40 nm范圍的有效增益,如果采 用多個(gè)泵浦源，則可容易地實(shí)現(xiàn)寬帶放大。而EDFA由于能級躍遷機(jī)制所限，增益 帶寬最大只有100 nm左右。(3)增益介質(zhì)為傳輸光纖本身，因?yàn)榉糯笫茄毓饫w分 布而不是集中作用，光纖中各處的信號光功率都比較小，從而可降低非線性效應(yīng) 尤其是四波混頻(FWM)效應(yīng)的干擾，與EDFA相比優(yōu)勢相當(dāng)明顯。(4)拉曼光纖放大 器的噪聲指數(shù)(NF)比EDFA要低。二者配合使用，可以有效降低系統(tǒng)總噪聲，提高 系統(tǒng)的信噪比，從而延長無中繼傳輸距離及總傳輸距離。(5)拉曼光纖放大器的主 要

14、缺點(diǎn)是所需的泵浦光功率高，集總式要幾瓦到幾十瓦,分布式要幾百毫瓦;作用 距離長，分布式作用距離要幾十至上百千米，只適合于長途干線網(wǎng)的低噪聲放大。拉曼光纖放大器的應(yīng)用包括：(1)增大無中繼傳輸距離。主要是由光傳輸 系統(tǒng)信噪比決定的，分布式拉曼光纖放大器的等效噪聲指數(shù)極低，為-20 dB,比 EDFA的噪聲指數(shù)低4.5 dB,利用分布式拉曼光纖放大器作前置放大器可明顯增大 無中繼傳輸距離。康寧公司通過實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)建模發(fā)現(xiàn),2.5倍的延伸是有可能的。 在有線電視HFC網(wǎng)的建設(shè)中，特別是在城鄉(xiāng)聯(lián)網(wǎng)時(shí)，需要將前端光信號送到100 km外的分前端?？紤]到安全、維護(hù)及供電困難等因素，很多情況下，中途是不允 許

15、進(jìn)行中繼放大的。從成本考慮，采用SDH系統(tǒng)是不可能的，采用模擬1 550 nm 系統(tǒng)是最好的選擇。要保證足夠高的系統(tǒng)信噪比，普通模擬1 550 nm傳輸系統(tǒng)無 中繼傳輸距離一般不大于70 km。如果采用分布式拉曼光纖放大器作接收前置放 大器，能提高系統(tǒng)的信噪比,相應(yīng)地也就增加了無中繼傳輸距離。根據(jù)理論計(jì)算及 實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，采用DRA作前置放大能使模擬1 550 nm系統(tǒng)無中繼傳輸距離增加到 120 km左右。圖6為實(shí)現(xiàn)方案框圖。光史射EDFA竟迎大器 愕輸光域前段拘姿光放巷無摟收n k rx r圖6實(shí)現(xiàn)方案框圖(2)提升光纖的復(fù)用程度和光網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量。分布式拉曼光纖放大器的 低噪聲特性可以減小信

16、道間隔，提高光纖傳輸?shù)膹?fù)用程度和傳輸容量。從數(shù)值模 擬可以得到，原始設(shè)計(jì)為10 Gbit/s，信道間隔為100 GHz的系統(tǒng)，采用拉曼光纖 放大器可被升級到信道間隔為50 GHz而無需任何附加代價(jià)。NTT最新報(bào)道已經(jīng) 實(shí)現(xiàn)了間隔為25 GHz的超密集波分復(fù)用。(3)拓展頻譜利用率和提高傳輸系統(tǒng) 速率。普通光纖的低損耗區(qū)間是1 2701 670 nm,而普通的EDFA只能工作在1 5251 625 nm范圍內(nèi)，所以EDFA系統(tǒng)的光纖頻帶利用率是很低的。拉曼光纖放 大器的全波段放大特性使得它可以工作在光纖整個(gè)低損耗區(qū)，極大地拓展了頻譜 利用率，提高了傳輸系統(tǒng)的速率。分布式拉曼光纖放大器是將現(xiàn)有系統(tǒng)

17、的傳輸速 率升級到40 Gbit/s的關(guān)鍵器件之一。4、結(jié)束語通過本文的介紹和主要特點(diǎn)的比較，不難看出摻鉺光纖放大器由于其工作波 長恰好與光纖通信最佳窗口(1540nm)相吻合，并且，其技術(shù)開發(fā)和商品化最成 熟，因而是目前最令人滿意的光放大器。拉曼光纖放大器由于采用分布式放大， 因此可以補(bǔ)償器件、色散帶來的損耗，同時(shí)也可以避免非線性效應(yīng)；拉曼光纖放 大器能在摻鉺光纖放大器所不能放大的波段實(shí)現(xiàn)放大，既能在全波長范圍能放大 光信號，又特別適用于超長距離傳輸和海底光纜通信等不方便設(shè)立中繼器的場 合，因而很受歡迎，并隨著泵浦激光器小型化、商用化而進(jìn)入實(shí)用化，成為繼摻 鉺光纖放大器之后的一個(gè)重要的應(yīng)用。隨著城域網(wǎng)建設(shè)的興起，光放大器在低價(jià) 領(lǐng)域必然會(huì)有很大作用。總之，高增益、大輸出功率、低噪聲系數(shù)是摻鉺光纖放 大器和拉曼光纖放大器的共同發(fā)展方向。參考文獻(xiàn)【1】雷美榮.幾種主要的光放大器技術(shù)比較.信息通信,20