光纤放大器技术

1、光纤放大器技术光纤放大器不但可对光信号进行直接放大，同时还具有实时、高增益、宽带、在线、低 噪声、 低损耗的全光放大功能， 是新一代光纤通信系统中必不可少的关键器件； 由于这项技 术不仅解决了衰减对光网络传输速率与距离的限制， 更重要的是它开创了 1550nm 频段的波 分复用，从而将使超高速、 超大容量、超长距离的波分复用 WDM 、密集波分复用 DWDM 、 全光传输、 光孤子传输等成为现实， 是光纤通信开展史上的一个划时代的里程碑。 在目前实 用化的光纤放大器中主要有掺铒光纤放大器EDFA 、半导体光放大器SOA和光纤拉曼放大器FRA等，其中掺铒光纤放大器以其优越的性能现已广泛应用于长距

2、离、大容量、 高速率的光纤通信系统、接入网、光纤 CATV 网、军用系统雷达多路数据复接、数据传 输、制导等等领域，作为功率放大器、中继放大器和前置放大器。光纤放大器一般都由增益介质、 泵浦光和输入输出耦合结构组成。 目前光纤放大器 主要有掺铒光纤放大器、 半导体光放大器和光纤拉曼放大器三种， 根据其在光纤网络中的应 用，光纤放大器主要有三种不同的用途：在发射机侧用作功率放大器以提高发射机的功率； 在接收机之前作光预放大器以极大地提高光接收机的灵敏度； 在光纤传输线路中作中继放大 器以补偿光纤传输损耗，延长传输距离。掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器是利用掺铒光纤这一活性介质，当泵浦光输入到EDF

3、中时，就可以将大局部处于基态的 Er3+抽运到激发态上，处于激发态的Er3+又迅速无辐射地转移到亚稳态上，由于Er3+在亚稳态上的平均停留时间为10ms,因此很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转， 此时， 信号光子通过掺铒光纤， 在受激辐射效应作用下产生大量与自身完全 相同的光子,使信号光子迅速增多,这样在输出端就可以得到被不断放大的光信号。自80年代末至90年代初研制成掺铒光纤放大器EDFA，并开始应用于1.55mm频段的光纤通信系统以来， 推动了光纤通信向全光传输方向开展， 且目前 EDFA 的技术开发和商品化最成 熟；应用广泛的 C波段EDFA通常工作在15301565nm光纤损耗最低

4、的窗口，具有输出功 率大、增益高、与偏振无关、噪声指数低、放大特性与系统比特率和数据格式无关，且同时 放大多路波长信号等一系列的特性,在长途光通信系统中得到了广泛的应用。其缺乏是C-Band EDFA的增益带宽只有 35nm，仅覆盖石英单模光纤低损耗窗口的一局部，制约了光 纤固有能够容纳的波长信道数； 然而随着因特网技术的迅速开展, 要求光纤传输系统的传输 容量要不断地扩大， 面对传输容量的扩大，目前主要有三种解决途径： 1增加每个波长的 传输速率； 2减少波长间距； 3增加总的传输带宽。对于第一种方法，如果速率提高到 10Gbit/s 将带来新的色散补偿问题， 况且现在的电子系统还存在着所谓

5、"电子瓶颈 "效应问题。第二种方法如果将信号间距从 100GHz 降低到 50GHz 或 25GHz 将给系统带来四波混频 FWM 等非线性效应，且要求系统采用波长稳定技术。从而研究新的光纤放大器如L 波段的EDFA是增加总的传输带宽的一种，它将EDFA工作波长由C波段15301560nm扩展到L波段15701605nm，使EDFA的放大增益谱扩展了一倍。尽管L波段EDFA的波长覆盖了 EDF 增益谱的尾部，但仍可与性能先进的 C 波段 EDFA 产品相媲美：例如两者的根本 结构相类似，大多数 C 波段 EDFA 的设计和制造技术仍可应用于 L 波段 EDFA 研制； L

6、波 段EDFA有较小的辐射和吸收以及较低的平均反转因子，增益波动系数远小于 C波段EDFA，所存在的是 L 波段 EDFA 的 EDF 较长带来无源光纤损耗较大，放大噪声稍大等缺乏。半导体光放大器半导体光放大器 SOA 是采用通信用激光器相类似的工艺制作而成的一种行波放 大器， 当偏置电流低于振荡阈值时， 激光二极管就能对输入相干光实现光放大作用。 由于半 导体放大器具有体积小、结构较为简单、功耗低、寿命长、易于同其它光器件和电路集成、 适合批量生产、 本钱低，可实现增益兼开关功能等特性， 在全光波长变换、 光交换、 谱反转、 时钟提取、 解复用中的应用受到了广泛的重视， 特别是目前应变量子阱

7、材料的半导体光放大 器的研制成功，已引起人们对 SOA 的广泛研究兴趣。国内武邮院与华中科技大学合作成功 地研制开发了在光网络中的关键器件-半导体光放大器，并很快实现了产品化，成为继Alcatel 公司之后能够批量供给国际市场应用于光开关的半导体光放大器的供货商，这标志 着我国自行研制的应变量子阱器件迈出了商品化生产的关键一步。 但半导体光放大器与掺铒 光纤放大器相比存在着噪声大、 功率较小、对串扰和偏振敏感、与光纤耦合时损耗大， 工作 稳定性较差等缺陷， 迄今为止， 其性能与掺铒光纤放大器仍有较大的差距。 又由于半导体光 放大器覆盖了 13001600nm 波段，既可用于 1300nm 窗口

8、的光放大器，也可以用于 1550nm 窗口的光放大器，且在 DWDM 多波长光纤通信系统中，无需增益锁定，那么它不仅可作为 光放大器一种有益的选择方案，而且还可以促成 1310nm 窗口 DWDM 系统的实现。光纤拉曼放大器受激拉曼散射SRS是光纤中的一种非线性现象，它将一小局部入射光功率转移 到频率比其低的斯托克斯波上； 如果一个弱信号与一强泵浦光波同时在光纤中传输， 并使弱 信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内， 弱信号光即可以得到放大， 这种基于受激拉曼散射 机制的光放大器即称为光纤拉曼放大器FRA 。近年来光纤拉曼放大器倍受关注，已成为研制开发的热点，它具有许多优点： 1增益介质为普通传

9、输光纤，与光纤系统具有良好的 兼容性； 2增益波长由泵浦光波长决定，不受其它因素的限制，理论上只要泵浦源的波长适当，就可以放大任意波长的信号光； 3增益高、串扰小、噪声指数低、频谱范围宽、温 度稳定性好。正因为光纤拉曼放大器有这么多的优点， 它可以放大掺铒光纤放大器所不能放大的 波段，并可在 12921660nm 光谱范围内进行光放大，获得比 EDFA 宽得多的增益带宽；再 次增益介质为普通光纤，可制作分立式或分布式FRA，分布式光纤拉曼放大器可以对信号光进行在线放大， 增加光放大的传输距离， 应用于 40Gbit/s 的高速光网络中， 也特别适用于 海底光缆通信系统， 而且因为放大是沿着光纤

10、分布而不是集中作用， 所以输入光纤的光功率 大为减少， 从而非线性效应尤其是四波混频效应大大减少，这对于大容量 DWDM 系统是十 分适用的。 FRA 是 EDFA 的补充，而不是代替，两者结合起来可获得大于 100nm 增益平坦 宽带，这就是采用分布式光纤拉曼放大器的好处。但光纤拉曼放大器有一个主要的缺点就是需要特大功率的泵浦激光器，解决这个问题的主要途径有： 一是研究降低阈值功率的泵浦激光器， 使得普通的大功率半导体激光器能 作为拉曼泵浦使用； 其二是提高获得更大输出功率泵浦激光器的研制水平； 其三是将多个泵 浦源激光器的波长采用列阵、 单片组合的方法复用在一起， 获得一个大功率输出的泵浦

11、激光 器，此种方法不但可提供一个宽带的增益谱， 而且还可以通过调节单个激光器的功率来调整 增益斜率。WDM 传输系统中光纤放大器的增益平坦控制技术为了确保 WDM 系统的传输质量， WDM 系统中使用的光纤放大器除具备有足够的 带宽、 高输出功率和低噪声系数等特性外， 还对增益平坦度控制技术提出了更高的要求。 光 纤放大器带内的增益平坦度是指在整个可用的增益通带内， 最大增益波长点的增益与最小增 益波长点的增益之差。很明显，在 WDM 系统中增益平坦度越小越好，否那么，如果各信道 的增益不均， 经过多级放大之后， 这种增益差值会线性积累， 低增益信道信号的 SNR 恶化， 高增益信道的信号也因

12、光纤非线性效应而使信号恶化，因此， 要使各信道上的增益偏差处于允许范围内， 放大器的增益就必须平坦， 而使光纤放大器增益平坦技术大体有两种途径： 其 一是 "增益均衡技术 "；其二是 "光纤技术 "。"增益均衡技术 "是利用损耗特性与放大器的增益 波长特性相反的增益均衡器来抵消增益的不均匀性， 这种技术的关键在于放大器的增益曲线 和均衡器的损耗特性精密吻合， 使综合特性平坦； 现阶段实用化的固定式增益平坦控制技术 主要有光纤光栅技术和介质多层薄膜滤波器技术等。但随着多通道( >80Ch )、高速率 (>40Gbit/s )

13、、长距离光纤传输系统的开展，对光纤放大器的增益平坦控制技术提出了更高 的要求， 这就需要研制动态增益可调的增益平坦滤波器， 这种可调谐增益动态滤波器技术主 要有：法拉第旋转体型增益可调滤波器技术、波导马赫-曾德型增益可调型滤波器技术、阵列波导型动态增益可调滤波器技术和声光型动态增益可调滤波器技术等。至于" 光纤技术 "现阶段主要是在进一步研究掺铒光纤特性的根底上， 改变光纤材料或利用不同光纤的组合来 改变 EDF 的特性， 从而来改变 EDFA 的增益平坦性， 主要有掺铝的 EDFA 、掺氟化物 EDFA、 掺碲化物 EDFA 、混合型 EDFA 和多纤心 EDFA 等技术。光纤放大器的主要应用和市场近年来， 随着信息和通信技术的飞速开展， 光纤放大器的研究和开展又进一步扩大 了增益带宽，将光纤通信系统推向了高速率、 大容量、长距离方向开展。由于光纤放大器的 独特性能， 在 DWDM 传输系统、 光纤 CATV 和光纤接入网中有着广泛的应用。密集波分复 用系统在光纤传输系统中已成为技术主流， 作为 DWDM 系统核心器件之一的光纤放大器在 其应用中将得到迅速开展，这主要是由于光纤放大器有足够的增益带宽，它与 WDM 技术 相结合可迅速简便地扩大现有光缆系统的