摻鐠光纖放大器1光纖放大器

光纖放大器是一種對(duì)光纖傳輸系統(tǒng)中的光信號(hào)進(jìn)行直接在線光放大的器件。它不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,與系統(tǒng)連接方便,而且它的耦合效率和能力轉(zhuǎn)換效率高,有很大的帶寬潛力。另外,由于光纖介質(zhì)的激光損耗閾值遠(yuǎn)大于半導(dǎo)體材料,因此光纖放大器可用來取代光纖通信系統(tǒng)中傳統(tǒng)的電子中繼器或作為接收機(jī)的前置放大器,以提高接收機(jī)的靈敏度和信噪比,增加通信距離。目前的光纖放大器主要有4種:消逝波耦合光纖放大器、晶體光纖放大器、受激散射光纖放大器、稀土摻雜光纖放大器。其中摻雜光纖放大器(RDFA)是在光纖的纖芯中摻入能產(chǎn)生光子的稀土元素,通過稀土元素的作用,將激光二極管LD泵浦發(fā)出的光能量轉(zhuǎn)化到信號(hào)光上,可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)光的直接放大,具有實(shí)時(shí)、寬帶、在線、低損耗的全光放大功能。

由于RDFA具有摻雜濃度高,互作用區(qū)大,能量轉(zhuǎn)換率高,制作較容易等顯著的優(yōu)點(diǎn),近20多年來得到了迅猛發(fā)展。同時(shí),RDFA的成熟與商用化也極大地促進(jìn)了長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)、波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)等重要技術(shù)的發(fā)展。

摻鐠光纖放大器RDFA基本結(jié)構(gòu)和工作原理

雖然早在1964年就開始研究光纖放大器,但隨著低損耗摻雜光纖工作特性和制造技術(shù)的不斷發(fā)展,直到1986年才開始實(shí)際使用。稀土元素(或鑭系元素)由原子量為58～71且性質(zhì)相近的14個(gè)原子組成。當(dāng)稀土元素?fù)诫s于石英或其他玻璃光纖中時(shí),會(huì)變成三階離子。許多不同的稀土離子,如鉺、鈥、釹、釤、銩和鐿等,都可以用于制造光纖放大器,能工作在從可見光到紅外區(qū)的不同波長(zhǎng)上。放大器的工作特性(如工作波長(zhǎng)、增益寬度和噪聲等)是由摻雜離子而不是光纖決定的,光纖起基底介質(zhì)的作用。

摻鐠光纖放大器RDFA基本結(jié)構(gòu)

RDFA有3種基本結(jié)構(gòu):前向泵浦、后向泵浦和雙向泵浦。在前向泵浦(或正向泵浦)中泵浦光與信號(hào)光以相同方向通過增益光纖,后向泵浦(或反向泵浦)兩者則以相反方向通過增益光纖,雙向泵浦結(jié)構(gòu)中泵浦光在2個(gè)方向同時(shí)通過增益光纖。不管是哪種泵浦方式的光纖放大器,基本構(gòu)件都包括增益光纖、泵浦光、波分復(fù)用器/光耦合器等。增益光纖是在石英光纖的纖芯中,摻入一些三價(jià)稀土金屬元素,如Er(鉺)、Pr(鐠)、Tm(銩)等,形成的一種特殊光纖,它是摻雜光纖放大器中核心部分;泵浦光用來向稀土元素提供能量,使稀土元素實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn),這是產(chǎn)生光放大的必要條件之一;波分復(fù)用器(或光耦合器)的作用是將信號(hào)光與泵浦光進(jìn)行復(fù)合;為了防止器件和焊點(diǎn)的反射,降低光纖放大器的噪聲指數(shù),增加穩(wěn)定性,一般還在其輸入和輸出端加入光隔離器;為了提高系統(tǒng)的信噪比,通常在輸出端加入光濾波器。實(shí)用的光纖放大器中,還包括帶自動(dòng)調(diào)整功能的泵浦源驅(qū)動(dòng)電路、自動(dòng)溫控和自動(dòng)功率控制等保護(hù)功能的輔助電路。有的輔助電路中還具有通過計(jì)算機(jī)通信協(xié)議完成人機(jī)對(duì)話和對(duì)放大器的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能。

PDFA是1300nm波長(zhǎng)工作的光纖放大器,它是一種準(zhǔn)4能級(jí)系統(tǒng)。對(duì)PDFA研究熱點(diǎn)是尋找低聲子能量材料做基質(zhì)以盡量減少由于石英玻璃材料具有大的聲子能量,不能得到鐠離子在1300nm波長(zhǎng)的發(fā)光,潛在的基質(zhì)有基于InF3的系統(tǒng),基于InF3/

GaF3系統(tǒng),基于PbF2/InF3的系統(tǒng),混合鹵化物玻璃,硫系玻璃如Ga-La-S和As-S。1994年,英國(guó)研制出第一只工程化PDFA,利用670mW的入纖功率,得到29dB的小信號(hào)增益,輸出功率達(dá)17dB。

1998年,東芝利用5.8m摻雜濃度為1000ppm數(shù)值孔徑為0.55的TDF,當(dāng)入纖功率為260mW時(shí),得到21dB的小信號(hào)增益,輸出功率達(dá)16.2dB。由于轉(zhuǎn)換效率很低,必須采用高數(shù)值孔徑、低損耗的TDF設(shè)計(jì),此時(shí)小信號(hào)增益可達(dá)30dB,3dB帶寬可達(dá)30nm,最高小信號(hào)轉(zhuǎn)換效率也可達(dá)0.22dB/mW。而M.Yamada采用1017nmLD泵浦獲得了30dB的增益。Itoh也報(bào)道了GaNaS玻璃光纖中得到了30dB增益,增益系數(shù)達(dá)到了0.81dB/mW。近幾年來,硫(鹵)系玻璃作為1330nm光纖放大器的基質(zhì)玻璃受到了極大的關(guān)注,取得了很大的進(jìn)展,在Pr3 摻雜的Ga-La-S系玻璃中,已取得了70%以上的量子效率,是Pr3 摻雜ZBLAN玻璃的近20倍。2000年CLEO會(huì)議上美國(guó)馬薩諸塞理工大學(xué)的R.S.Quimby等人對(duì)比研究了單波長(zhǎng)(1030nm)和雙波長(zhǎng)(1030nm和1270nm)下泵浦摻鐠硫系光纖放大器的放大實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)雙波長(zhǎng)泵浦條件下轉(zhuǎn)換效率為35%,而單波長(zhǎng)泵浦下只有15%。目前,用于稀土離子Pr3 摻雜的1330nm光纖放大器硫系基質(zhì)玻璃主要由As-S基、GaLaS基和Ge基硫系玻璃。雖然PDFA的放大波段在1300nm與6.652光纖的零色散點(diǎn)相吻合,在已建的1300nm光通信系統(tǒng)中有著巨大的應(yīng)用市場(chǎng),但是由于摻鐠光纖自身放大特性及機(jī)械強(qiáng)度和與普通光纖連接困難等因素,要得到廣泛的商業(yè)應(yīng)用還存在一定的困難。

Pr能級(jí)結(jié)構(gòu)在G和H間的躍遷在1300nm為中心的很寬的窗口內(nèi)提供增益?；鶓B(tài)H上的粒子可直接被泵浦激發(fā)至上能級(jí)G，泵浦帶較寬（FWHM約為50nm），中心波長(zhǎng)在1017nm處。G到H躍遷產(chǎn)生的增益以波長(zhǎng)1310nm為中心，而在G和H間仍存在很強(qiáng)的1050nmASE。另外，G到D的躍遷產(chǎn)生了一個(gè)峰值在1380nm波長(zhǎng)附近的激發(fā)態(tài)吸收帶，其短波長(zhǎng)延伸至1290nm，限制了放大器的性能；而放大器的長(zhǎng)波長(zhǎng)部分則受到峰值位于1440nm波長(zhǎng)處的基態(tài)吸收（GSA）的影響，將波長(zhǎng)大于1290nm的信號(hào)吸收。

PDFA同EDFA一樣，都是通過泵浦光源讓摻在光纖中的稀土元素吸收泵浦光的能量，使稀土元素處在高能狀態(tài)，當(dāng)光纖通過信號(hào)光時(shí)，產(chǎn)生共鳴，使信號(hào)吸收稀土元素的能量，光信號(hào)得到放大而輸出，即信號(hào)光得到放大。

PDFA用的泵浦光源是波長(zhǎng)為1017nm的激光器，而EDFA上用的泵浦光源的波長(zhǎng)是980nm和1045nm。與EDFA一樣，在PDFA的輸出、輸入端上都接有隔離器，以保證放大器的穩(wěn)定。泵浦光源通過光耦合器（具有WDM功能）同放大模塊相連。

第一次在1.3μm處放大是從基于ZrF(ZBLAN)的摻鐠光纖中得到證明。從那時(shí)起，人們對(duì)低聲子能量的基質(zhì)玻璃產(chǎn)生了極大興趣。通過減少基質(zhì)玻璃的聲子或振動(dòng)能量，使放大時(shí)可以得到更高的泵浦功率。雖然如此，在ZBLAN光纖中典型的效率僅僅為4%，因此已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，希望找出有效的用于PDFA的基質(zhì)玻璃。潛在的基質(zhì)有基于InF的系統(tǒng)，基于InF/GaF系統(tǒng)，基于PbF/InF的系統(tǒng)，混合鹵化物玻璃，硫系玻璃如Ga-La-S和As-S。在所有的材料中，要想使之成為有效率的PDFA的關(guān)鍵問題是減少光纖的損耗。

1摻鐠氟化物光纖放大器。摻鐠氟化物光纖與通信用光纖(石英)不同，通信用光纖是由二氧化硅構(gòu)成，而摻鐠氟化物光纖完全不含氧，而是由重金屬(鋯、銦)氟化物作為主要成分的玻璃所構(gòu)成。

為了提高摻鐠氟化物光纖放大器的效率，研究工作的重點(diǎn)就是找到氟化物光纖的摻雜材料，以及確定由這些材料制成的光纖包層和芯徑折射率的大小。日本NTT光網(wǎng)絡(luò)研究所經(jīng)過優(yōu)選，最終開發(fā)出了銦氟化物光纖中摻鐠的、光纖包層和芯徑折射率差為4%的低損耗光纖作為放大媒體，能使小信號(hào)輸入光信號(hào)的功率提高1.5倍。

1998年日本的研究人員采用1.01μm波段LD作為泵浦，在摻鐠In/Ga基質(zhì)氟化物光纖中實(shí)現(xiàn)了可靠的運(yùn)轉(zhuǎn)。采用四個(gè)1.01μmLD獲得了信號(hào)輸出功率為16.2dBm（42mw），對(duì)應(yīng)的增益系數(shù)為18dB，比以前報(bào)道的Zr基氟化物光纖高出2-3dB，噪聲系數(shù)低于8dB。并用此PDFA作為前置放大器在260mw泵浦功率下實(shí)現(xiàn)了距離大于100km的2.5Gb/s傳遞試驗(yàn)，整個(gè)過程沒有誤碼。采用In/Ga基質(zhì)氟化物光纖摻雜濃度為1000ppm，纖芯直徑為1.2μm數(shù)值孔徑為0.55，光纖在1.2μm處的背底損耗為0.15dB/m，光纖長(zhǎng)度為5.8m。

同年日本K.Isshiki等人報(bào)道了In-Ga基質(zhì)氟化物摻鐠光纖放大器，該放大器直接采用0.98μm波段的LD作為泵浦源，采用光柵可對(duì)LD調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為0.98～1.0μm，在1.296μm波長(zhǎng)最大信號(hào)輸出功率為13.5dBm，采用此光纖放大器作為前置放大器，進(jìn)行了O波段PDFA的傳輸試驗(yàn)，在信號(hào)波長(zhǎng)分別為1.296μm、1.301μm、1.306μm和1.311μm，每個(gè)信道信號(hào)功率為-21dBm，結(jié)果顯示，其誤碼率小于10?；谏逃肞DFA模塊放大試驗(yàn)早在1995年研究被驗(yàn)證。日本提供稀土摻雜氟化物光纖及光纖放大器。該摻鐠光纖放大器增益達(dá)到25dB以上。

O-Band工程化實(shí)用型PDFA采用高可靠性半導(dǎo)體泵浦源與高效率的PDF設(shè)計(jì)技術(shù)，并對(duì)PDFA光路結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)而制造的整機(jī)，其功率高達(dá)17dBm以上，工作帶寬為1290nm至1320nm，非常低的模擬失真，可廣泛適用于1310nmCATV系統(tǒng)，數(shù)字光通信系統(tǒng)，DWDM系統(tǒng)，及光器件性能的測(cè)試。

2摻鐠硫系玻璃光纖放大器。近幾年來，硫（鹵）系玻璃作為1.3μm光纖放大器的基質(zhì)玻璃受到了極大的關(guān)注，取得了很大的進(jìn)展，如在Pr摻雜的GeGaS系玻璃中，已取得了70%以上的量子效率，是Pr摻雜ZBLAN玻璃的近20倍。Shin等計(jì)算了Pr的G能級(jí)的多聲子馳豫速率，硫系玻璃比氟化物小大約兩個(gè)數(shù)量級(jí)。Simon等也報(bào)導(dǎo)了摻Pr的Ge-Ga-S玻璃1.3μm發(fā)光性質(zhì)；最近，Tawarayama等報(bào)道了單模Ge-Na-S光纖的信號(hào)增益，在1.332μm波長(zhǎng)處的信號(hào)增益約為30dB，該光纖的纖芯直徑為2.5μm。因此可以說，硫系、硫鹵系玻璃是目前最有希望的稀土離子摻雜的1.3μm光纖放大器基質(zhì)玻璃系統(tǒng)。2000年CLEO會(huì)議上美國(guó)馬薩諸塞理工大學(xué)的R.S.Quimby等人對(duì)比研究了單波長(zhǎng)(1030nm)和雙波長(zhǎng)(1030nm和1270nm)下泵浦摻鐠硫系光纖的放大試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)了雙波長(zhǎng)泵浦條件下轉(zhuǎn)換效率為35%，而單波長(zhǎng)泵浦下只有15%。目前，用于稀土離子Pr摻雜的1.3μm光纖放大器硫系基質(zhì)玻璃主要由AsS基、GaLaS基和Ge基硫系玻璃。

利用PDFA構(gòu)成WDM試驗(yàn)系統(tǒng)。作為WDM的信號(hào)光源是8臺(tái)分布反饋式激光器(DFB-LD)，信號(hào)光的波長(zhǎng)為1292.76～1305.38nm，通過偽隨機(jī)二進(jìn)制序列(PRBS)碼光調(diào)制器對(duì)各10Gbit/s的不歸零碼進(jìn)行調(diào)制。在試驗(yàn)系統(tǒng)中配置了功率放大器、前置放大器和2臺(tái)線路放大器，一共4個(gè)PDFA。傳輸通路用4段長(zhǎng)20km的G.652光纖連接成一個(gè)80km的中繼段（中繼段的傳輸衰減偽28dB），整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)為3個(gè)中繼段，共240km。對(duì)該試驗(yàn)系統(tǒng)的誤碼特性進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明當(dāng)接收電平為-34dBm時(shí)接收信號(hào)的誤碼率優(yōu)于10。

胡小波等人對(duì)PDFA在SDH系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)。他們?cè)谝唁佋O(shè)的光纖網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)速率為10Gb/s，系統(tǒng)長(zhǎng)度為120km。盡管試驗(yàn)采用的是直接調(diào)制DFB激光器發(fā)送光信號(hào)，而未濾除啁啾，而且傳輸速率高達(dá)10Gb/s，但傳輸性能仍很好，成功的延長(zhǎng)了傳輸距離。試驗(yàn)表明PDFA為已鋪設(shè)的1310nm波長(zhǎng)的常規(guī)數(shù)字光纖系統(tǒng)提供了一條簡(jiǎn)單的升級(jí)途徑，對(duì)光纖和發(fā)送機(jī)無須做任何改動(dòng)，就可以允許10Gb/s的高速數(shù)據(jù)傳輸100公里以上的距離。

隨著摻雜光纖放大器發(fā)展越來越成熟,功能越來越全面,同時(shí)長(zhǎng)距離光通信傳輸系統(tǒng)的要求也越來越高,摻雜光纖放大器發(fā)展的主要方面為:(1)寬帶化隨著EDM/DWDM的發(fā)展,要求光纖放大器具有更寬的帶寬,從C波段擴(kuò)展到L波段或S波段,目前已出現(xiàn)了C L波段寬帶放大器,甚至不久將出現(xiàn)C L S超寬帶光纖放大器。以滿足光纖通信傳輸?shù)男畔⑷萘坎⒀娱L(zhǎng)光纖通信的傳輸距離。(2)集成化隨著光纖放大器的功能愈來愈完善,除了增益平坦外,各個(gè)廠家還相繼推出包括自動(dòng)增益控制(AGC)、自動(dòng)功率控制(APC)、自動(dòng)泵浦電流控制(APCC)和自動(dòng)泵浦功率控制(APPC)在內(nèi)的功能集成化光纖放大器。這些光纖放大器還能自動(dòng)調(diào)節(jié)工作狀態(tài),滿足不同的需要。同時(shí),要求光纖放大器體積最小化,降低成本,使各種摻雜光纖放大器盡早投入市場(chǎng)。

光纖放大器技術(shù)就是在光纖的纖芯中摻入能產(chǎn)生激光的稀土元素，通過激光器提供的直流光激勵(lì)，使通過的光信號(hào)得到放大。傳統(tǒng)的光纖傳輸系統(tǒng)是采用光—電—光再生中繼器，這種中繼設(shè)備影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，為去掉上述轉(zhuǎn)換過程，直接在光路上對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大傳輸，就要用一個(gè)全光傳輸型中繼器來代替這種再生中繼器。適用的設(shè)備有摻鉺光纖放大器（EDFA）、摻鐠光纖放大器（PDFA）、摻鈮光纖放大器（NDFA）。目前光放大技術(shù)主要是采用EDFA。

90年代初期，摻鉺光纖放大器（EDFA）的研制成功，打破了光纖通信傳輸距離受光纖損耗的限制，使全光通信距離延長(zhǎng)至幾千公里，給光纖通信帶來了革命性的變化，被譽(yù)為光通信發(fā)展的一個(gè)“里程碑”。那么，究竟什么是光纖放大器呢？　根據(jù)放大機(jī)制不同，OFA可分為兩大類。