光放大器發(fā)展歷史

1、歷史：1954年第一臺3分子微波盆子放大器研制成功，人們發(fā)現(xiàn)，可通過原子或分子中的受激放大來獲得單色的相干電磁波，稱為脈塞(MaserMicrowaveAmplificationbyStimulatedEmissionofradiation)。1958年肖洛(Schawlow)和湯斯(Townes)將Maser原理推廣到光頻波段，1960年梅曼(Mamain)利用紅寶石介質(zhì)的受激放大原理研制成第一臺紅寶石激光器，稱為萊塞(LaseLightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)或稱激光。不管是Maser還是Laser，其產(chǎn)生相干電磁波輻射的機

2、理都是基于電滋波的受激放大。自1960年以來激光器已得到了飛躍的發(fā)展和廣泛的應用，然而作為激光器先導的光放大的發(fā)展卻比較緩慢，直到80年代，在光纖通信發(fā)展的推動下，才開始引起足夠的重視。進人90年代后光纖放大器的問世已引起了光纖通信技術(shù)的重大變革，在60年代半導體激光二極管尚未成熟，但已在77K下，首先進行了GaAs同質(zhì)結(jié)行波半導體放大器的研究，開創(chuàng)了半導體光放大器研究的先河，確立了半導體光放大器的基本理論。至1970年，雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)(DH)激光器問世后，又實現(xiàn)了TW半導體光放大器的室溫連續(xù)工作。在1973年至1975年間，開始從光纖通信應用要求出發(fā)，研究雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)TW和F-P光放大器的特性

3、并取得重要進展。80年代初，采用消除反射光的光隔離器和精確的光頻率調(diào)諧技術(shù)，深人研究了AlGaAsF-P光放大器的增益、帶寬、飽和增益與噪聲特性及其對光纖通信系統(tǒng)性能的影響。同時開始研究半導體放大器的注人鎖定現(xiàn)象、機理、設(shè)計和放大特性。隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展,80年代中期開始研究適用于1.3m和1.5m波長的InGaAsP半導體光放大器60年代初，與半導體光放大現(xiàn)象研究的同時，也對摻稀土元素的光纖的光譜特性進行了研究,Koesker發(fā)現(xiàn)了摻釹(Nd)光纖的激光輻射現(xiàn)象，Snitzerr發(fā)現(xiàn)了摻鉺光纖在1.5m處的激光輻射特性,當時這些研究都是期望研制稀土光纖激光光源而不是光纖放大器，由于稀土光

4、纖的熱悴滅效應難以解決，而半導體激光器發(fā)展迅速并日趨成熟，因此稀土光纖放大器的研究處于停步不前狀態(tài)。直至80年代初，在光纖中發(fā)現(xiàn)了受激喇受效應，人們又開始恢復了對光纖放大器研究的興趣，期望能用于光纖通信系統(tǒng)中但這種放大方案效率低，需要高功率的泵浦光源，無法在通信系統(tǒng)中應用。當時光纖通信的研究重點集中在高性能再生中繼器和咼靈敏度相干檢測技術(shù)。但是在19851986年間，英國南安普頓大學的Payne等人有效地解決了摻鉺光纖(EDF)的熱淬滅問題，首次用MCVD方法研制成纖芯摻雜的鉺光纖，并實現(xiàn)了1.55m低損耗窗口的激光輻射,1987年他們采用650nm染料激光器作為泵浦光源，獲得了28dB小信號

5、增益。同年AT&TBell實驗室的Desurvire等人，采用514nm氫離子激光器作為泵浦光源，也獲得了22.4dB的小信號增益。接著在1989年，利用1.49m半導體激光器作為泵浦源獲得了37dBE小信號增益，Laming等利用980nm,11mW泵浦功率也得到24dB小信號增益，同年日本NTT實驗室首次利用1.48m半導體激光泵浦的摻餌光纖放大器作為全光中繼器放大5Gb/s孤子脈沖，實現(xiàn)了100km的無誤碼傳輸。980nm和1480nm半導體激光泵浦的摻鉺光纖放大器具有增益咼、頻帶寬、噪聲低、效率咼，連接損耗低，偏振不靈敏等特點，在90年代初得到了飛速發(fā)展，成為當時光放大器研究發(fā)展的主要

6、方向，極大地推動了光纖通信技術(shù)的發(fā)展。自此以后，摻餌光纖放大器的研究在多方面開展，建立了多種理論分析模型，提出了增益均衡和擴大增益帶寬的方案和方法，進行了多種系統(tǒng)應用研究，同時進行了氟化玻璃餌光纖放大、分布式光纖放大器和雙向放大器的研究，使摻餌光纖放大器及其應用得到了飛速發(fā)展。此外又開展了摻錯(Pr),摻鐿(Yb)，摻欽(Ho,摻銩(Tm)等光纖放大器的研究。使光纖放大器的研究全面發(fā)展。60年代初，在激光技術(shù)發(fā)展起來后，以咼強度單色光照射光學介質(zhì)，開辟了非線性光學的研究領(lǐng)域，揭示了受激喇曼散射、受激布里淵散射、四波混頻和參量過程的物理機制。1972年Stolen等首先在光纖喇曼激光器的實驗中發(fā)

7、現(xiàn)了喇曼增益，初期的研究主要側(cè)重于制成光纖喇曼激光器，直到80年代才在光纖通信應用的推動下開始研究光纖喇曼放大器。1981年Tkeda采用1.017m。的泵浦光放大1.064m的信號光，經(jīng)1.3km單模光纖放大獲得30dB小信號增益。1983年Desurvire等用2.4km單模光纖放大1.24m的光信號，獲得45dB的小信號增益。1986年Olsson用光纖喇曼放大器作為光纖通信系統(tǒng)接收機的前里放大器。1987年Edagawa研究了光纖嗽曼放大器的寬帶多信道放大特性。1989Mallenauer采用41.7km的光纖環(huán)和1.46um的色心激光器泵浦源，利用喇曼增益放大脈寬55ps、波長1.5

8、6m的孤子脈沖穩(wěn)定傳輸6000km。受激布里淵增益特性的研究始于1979年，其增益帶寬一般小于100MHz,1986年Olsson和Atkons等研究低泵浦功率的光纖布里淵放大器，采用幾毫瓦的泵浦功率達到小信號增益(2040)dB的窄帶光放大，可作為選頻光放大器用于頻分復用光信道的解復用。利用光纖喇曼增益和布里淵增益可作成相干光放大器，是二類受激散射的有益應用。但是在光纖通信系統(tǒng)中，這兩種效應常引起光纖通信系統(tǒng)性能的退化，如引起非線性串音、非線性損耗、限制通信距離和速率等，近年來許多研究工作都是圍繞消除這些限制因家而開展的，但是，1997年Masuda等研制成鉺光纖放大與喇曼放大混合結(jié)構(gòu)的寬帶

9、放大器，3dB帶寬達67nm，1996年Stentz等研制成1.3m光纖喇曼放大器。1995年Grubb等實現(xiàn)了X10Gb/sWDM多信道放大，表明光纖喇曼放大在WDM光纖通信系統(tǒng)中亦將有重要應用。1960年美國科學家梅曼(Maiman)發(fā)明了第一個紅寶石激光器，1961年-利用摻雜稀土元素的光纖研制成的光纖放大器給光波技術(shù)領(lǐng)域帶來了革命性的變化。光纖激光器正是在摻鉺光纖放大器技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的技術(shù)。早在1961年，美國光學公司的E.Snitzer等就在光纖激光器領(lǐng)域進行了開創(chuàng)性的工作，但由于相關(guān)條件的限制，其實驗進展相對緩慢。1966年高餛(Kaoc.c.)等人首次提出光纖損耗的成因和解決

10、方法，1987年-另一方面，隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了利用光纖非線性效應的光纖拉曼放大器。但在當時都沒有得到廣泛的應用。1987年，英國南安普敦大學和美國AT&T貝爾實驗室報道了離子態(tài)的稀土元素鉺在光纖中可以提供給土域域波長處的光增益，這標志著摻鉺光纖放大器(EDFA)的研究取得突破性進展。1987年日本N竹實驗室的研究人員首次研制出了1.5娜的寬帶行波放大器(Taveling一WaveAmplifiers,TWA),為半導體光放大器(SOA)的應用和研制邁出了重要的一步,80年代末，第一個寬帶大增益的摻餌光纖放大器(EDFA)問世并在90年代得到實用化，1985年英國南安普頓大學首先研制成功

11、摻餌光纖放大器，1997年，英國Bristol大學的M.Ec.stePhens等人報道了基于SOA雙折射效應實現(xiàn)的131olun左右的波長變換47,2003年荷蘭Eindhoven大學的Y.Liu等人實現(xiàn)了基于SOA一NPR的正相和反相波長變換I34)，2007年日本電氣通信大學的研究人員使用4支SOA級聯(lián)實現(xiàn)了300nln范圍的波長變換48，同年我們也實現(xiàn)了基于SOA一NPR效應的同時的正、反相波長變換49。指標：光放大器是一個模擬器件，所以它的性能參數(shù)都是模擬參數(shù)。增益(Gain)增益是輸出光功率與輸入光功率之比，也就是：增益=POUT/PIN其中POUT和PIN分別是輸出光功率和輸入光功

12、率，功率的單位為瓦特；通常我們用分貝(dB)為單位來表示增益，也就是：增益(dB)=10lg(POUT/PIN)噪聲指數(shù)(NF)光放大器的噪聲指數(shù)(NF,NoiseFigure)的定義式為光放大器輸入輸出端口的信噪比(SNR,SignaltoNoiseRatio)的比值：增益帶寬所謂增益帶寬是指光放大器有效的頻率(或波長)范圍，通常指增益從最大值下降3dB時，對應的波長范圍，如1.3.3中、之間。增益帶寬的單位是納米(nm)。對于WDM系統(tǒng)，所有光波長通道都要得到放大，因此，光放大器必須具有足夠?qū)挼脑鲆鎺?。飽和輸出功率光放大器的輸入光功率范圍有一定的要求，當輸入光功率大于某一閾值時，就會出現(xiàn)

13、增益飽和；增益飽和是指輸出功率不再隨輸入功率增加而增加或增加很小。根據(jù)ITUT勺建議，當增益比正常情況低3dB時的輸出光功率稱為飽和輸出功率，其單位通常用dBm表示。分類：根據(jù)增益介質(zhì)的不同，目前主要有兩類光放大器，一類采用活性介質(zhì)，如半導體材料和摻稀土元素(Nd,Sm,Hv,Er,Pr,Tm和Yb)的光纖。利用受激輻射機制實現(xiàn)光的直接放大，如半導體激光放大器和摻雜光纖放大器;另一類基于光纖的非線性效應，利用受激散射機制實現(xiàn)光的直接放大，如光纖喇曼放大器和光纖布里淵放大器。光放大器主要有三類：半導體光放大器，；摻稀土元素鉺、銩、錯、銣等的光纖放大器，主要是摻鉺光纖放大器，還有摻銩光纖放大器及摻

14、錯光纖放大器等；(3)非線性光纖放大器，主要是光纖喇曼放大器(FRA,FiberRamanAmplifier)。通常*光纖放大器可以按其熒光攙雜物和光纖主體來進行分類，光放大器一般可以分為光纖放大器和半導體光放大器兩種。光放大器一般可以分為光纖放大器和半導體光放大器兩種。光纖放大器還可以分為摻鉺(Er)光纖放大器，摻錯(Pr)光纖放大器以及拉曼放大器等幾種。其中摻鉺光纖放大器工作于1550nm波長，已經(jīng)廣泛應用于光纖通信工業(yè)領(lǐng)域。摻錯的放大器可以工作于1310nm波長，但是由于轉(zhuǎn)換效率不理想，現(xiàn)在仍然處于實驗室研究階段。拉曼放大器是近幾年開始商用化的一種新型放大器，主要應用于需要分布式放大的場

15、合。半導體光放大器結(jié)構(gòu)小巧，方便集成，一直被很多人看好。但是由于偏振效應不太理想，一直沒有大規(guī)模商用化。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)，當泵浦光輸入到EDF中時，就可以將大部分處于基態(tài)的Er3+抽運到激發(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，信號光子通過摻鉺光纖，在受激輻射效應作用下產(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），并開始應用于1.55mm頻

16、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；應用廣泛的C波段EDFA通常工作在15301565nm光纖損耗最低的窗口，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)中得到了廣泛的應用。其不足是C-BandEDFA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擴大，面對傳輸容量的擴大，目前主要有三種解決途徑：（1）增加每個波長的傳輸速率；（

17、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將帶來新的色散補償問題，況且現(xiàn)在的電子系統(tǒng)還存在著所謂電子瓶頸效應問題。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，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擴展到L波段15701605nm,使EDFA的放大增益譜擴展了一倍。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，

18、大多數(shù)C波段EDFA的設(shè)計和制造技術(shù)仍可應用于L波段EDFA研制；L波段EDFA有較小的輻射和吸收以及較低的平均反轉(zhuǎn)因子，增益波動系數(shù)遠小于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。半導體光放大器半導體光放大器（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，當偏置電流低于振蕩閾值時，激光二極管就能對輸入相干光實現(xiàn)光放大作用。由于半導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)、時鐘提取、解復用中的應用受到了廣泛的

19、重視，特別是目前應變量子阱材料的半導體光放大器的研制成功，已引起人們對SOA的廣泛研究興趣。國內(nèi)武郵院與華中科技大學合作成功地研制開發(fā)了在光網(wǎng)絡中的關(guān)鍵器件-半導體光放大器，并很快實現(xiàn)了產(chǎn)品化，成為繼Alcatel公司之后能夠批量供應國際市場應用于光開關(guān)的半導體光放大器的供貨商，這標志著我國自行研制的應變量子阱器件邁出了商品化生產(chǎn)的關(guān)鍵一步。但半導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、對串擾和偏振敏感、與光纖耦合時損耗大，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。又由于半導體光放大器覆蓋了13001600nm波段，既可用于1300nm窗口的光放大器，

20、也可以用于1550nm窗口的光放大器，且在DWDM多波長光纖通信系統(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；如果一個弱信號與一強泵浦光波同時在光纖中傳輸，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，已成為研制開發(fā)的熱點，它具有許多優(yōu)點：（1）增益介質(zhì)為普通傳輸光纖，與光纖系統(tǒng)具有良好的兼容性；

21、（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，就可以放大任意波長的信號光；（3）增益高、串擾小、噪聲指數(shù)低、頻譜范圍寬溫度穩(wěn)定性好。正因為光纖拉曼放大器有這么多的優(yōu)點，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行在線放大，增加光放大的傳輸距離，應用于40Gbit/s的高速光網(wǎng)絡中，也特別適用于海底光纜通信系統(tǒng)，而且因為放大是沿著光纖分布而不是集中作用，所以輸入光纖的光功率大為減少，從而非線性效應尤

22、其是四波混頻效應大大減少，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主要的缺點就是需要特大功率的泵浦激光器，解決這個問題的主要途徑有：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；其三是將多個泵浦源激光器的波長采用列陣、單片組合的方法復用在一起，獲得一個大功率輸出的泵浦激光器，此種方法不但可提供一個寬帶的增益譜，而且還可以通過調(diào)節(jié)單個激光器的功率來調(diào)整增益斜率。光放大器的分類

23、和縮寫OA(OpticalAmplifier)光放大器OFA(OpticalFiberAmplifier)光纖放大器EDFA(ErbiumDopedFiberAmplifier)摻鉺光纖放大器EDSFA(ErbiumDopedSilicaFiberAmplifier)摻鉺硅基光纖放大器，就是通常的EDFAEDFFA(ErbiumDopedFluorideFiberAmplifier)摻鉺氟基光纖放大器EDTFA(ErbiumDopedTelluriteFiberAmplifier)摻鉺碲基光纖放大器EDYFA(ErbiumYtterbiumDopedFiberAmplifier)摻鉺鐿光纖放大

24、器EYDSFA(ErbiumYtterbiumDopedSilicaFiberAmplifier)摻鉺鐿硅基光纖放大器PDFA(PraseodymiumDopedFiberAmplifier)摻錯光纖放大器PDFFA(PraseodymiumDopedFluorideFiberAmplifier)摻錯氟基光纖放大器，就是通常的PDFATDFA(ThuliumDopedFiberAmplifier)摻銩光纖放大器TDFFA(ThuliumDopedFluorideFiberAmplifier)摻銩氟基光纖放大器，就是通常的TDFAFRA(FiberRamanAmplifier)拉曼放大器OWGA

25、(OptcialWaveGuideAmplifier)光波導放大器SOA(SemiconductorOptcialAmplifier)半導體光放大器EDWA(ErbiumDopedWaveguideAmplifier)摻鉺波導放大器(也稱POWA)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可用的增益通帶內(nèi),最大增益波長點的增益與最小增益波長點的增益之差。很明顯，在WDM系統(tǒng)中增益平坦度越小越好，否則，如果各信

26、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)

27、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)、波導馬赫-曾德型增益可調(diào)型濾波器技術(shù)、陣列波導型動態(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)展又進一步擴大了增益帶寬，將光纖通信系統(tǒng)推向了高速率、大容量、長距離方向發(fā)展。由于光纖放大器的獨特性能，在DWDM傳輸系統(tǒng)、光纖CATV和光纖接入網(wǎng)中有著廣泛的應用。密集波分復用系統(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)合可迅速簡便地擴大現(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)