摻鐠光纖放大器2摻鐠光纖放大器(PDFA)

PDFA是1300nm波長工作的光纖放大器,它是一種準(zhǔn)4能級系統(tǒng)。對PDFA研究熱點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的小信號增益,輸出功率達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,得到21dB的小信號增益,輸出功率達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,此時小信號增益可達30dB,3dB帶寬可達30nm,最高小信號轉(zhuǎn)換效率也可達0.22dB/mW。而M.Yamada采用1017nmLD泵浦獲得了30dB的增益。Itoh也報道了GaNaS玻璃光纖中得到了30dB增益,增益系數(shù)達到了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會議上美國馬薩諸塞理工大學(xué)的R.S.Quimby等人對比研究了單波長(1030nm)和雙波長(1030nm和1270nm)下泵浦摻鐠硫系光纖放大器的放大實驗,發(fā)現(xiàn)雙波長泵浦條件下轉(zhuǎn)換效率為35%,而單波長泵浦下只有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,但是由于摻鐠光纖自身放大特性及機械強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。

光纖放大器是一種對光纖傳輸系統(tǒng)中的光信號進行直接在線光放大的器件。它不僅結(jié)構(gòu)簡單,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的前置放大器,以提高接收機的靈敏度和信噪比,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)化到信號光上,可實現(xiàn)對信號光的直接放大,具有實時、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,近20多年來得到了迅猛發(fā)展。同時,RDFA的成熟與商用化也極大地促進了長距離光纖通信系統(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個原子組成。當(dāng)稀土元素摻雜于石英或其他玻璃光纖中時,會變成三階離子。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)的不同波長上。放大器的工作特性(如工作波長、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個方向同時通過增益光纖。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)的作用是將信號光與泵浦光進行復(fù)合;為了防止器件和焊點的反射,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。實用的光纖放大器中,還包括帶自動調(diào)整功能的泵浦源驅(qū)動電路、自動溫控和自動功率控制等保護功能的輔助電路。有的輔助電路中還具有通過計算機通信協(xié)議完成人機對話和對放大器的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能。

Pr能級結(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。基態(tài)H上的粒子可直接被泵浦激發(fā)至上能級G，泵浦帶較寬（FWHM約為50nm），中心波長在1017nm處。G到H躍遷產(chǎn)生的增益以波長1310nm為中心，而在G和H間仍存在很強的1050nmASE。另外，G到D的躍遷產(chǎn)生了一個峰值在1380nm波長附近的激發(fā)態(tài)吸收帶，其短波長延伸至1290nm，限制了放大器的性能；而放大器的長波長部分則受到峰值位于1440nm波長處的基態(tài)吸收（GSA）的影響，將波長大于1290nm的信號吸收。

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)光纖通過信號光時，產(chǎn)生共鳴，使信號吸收稀土元素的能量，光信號得到放大而輸出，即信號光得到放大。

PDFA用的泵浦光源是波長為1017nm的激光器，而EDFA上用的泵浦光源的波長是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。從那時起，人們對低聲子能量的基質(zhì)玻璃產(chǎn)生了極大興趣。通過減少基質(zhì)玻璃的聲子或振動能量，使放大時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，能使小信號輸入光信號的功率提高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)氟化物光纖中實現(xiàn)了可靠的運轉(zhuǎn)。采用四個1.01μmLD獲得了信號輸出功率為16.2dBm（42mw），對應(yīng)的增益系數(shù)為18dB，比以前報道的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泵浦功率下實現(xiàn)了距離大于100km的2.5Gb/s傳遞試驗，整個過程沒有誤碼。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，光纖長度為5.8m。

同年日本K.Isshiki等人報道了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LD調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為0.98～1.0μm，在1.296μm波長最大信號輸出功率為13.5dBm，采用此光纖放大器作為前置放大器，進行了O波段PDFA的傳輸試驗，在信號波長分別為1.296μm、1.301μm、1.306μm和1.311μm，每個信道信號功率為-21dBm，結(jié)果顯示，其誤碼率小于10。基于商用PDFA模塊放大試驗早在1995年研究被驗證。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到25dB以上。

O-Band工程化實用型PDFA采用高可靠性半導(dǎo)體泵浦源與高效率的PDF設(shè)計技術(shù)，并對PDFA光路結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計而制造的整機，其功率高達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等計算了Pr的G能級的多聲子馳豫速率，硫系玻璃比氟化物小大約兩個數(shù)量級。Simon等也報導(dǎo)了摻Pr的Ge-Ga-S玻璃1.3μm發(fā)光性質(zhì)；最近，Tawarayama等報道了單模Ge-Na-S光纖的信號增益，在1.332μm波長處的信號增益約為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會議上美國馬薩諸塞理工大學(xué)的R.S.Quimby等人對比研究了單波長(1030nm)和雙波長(1030nm和1270nm)下泵浦摻鐠硫系光纖的放大試驗。發(fā)現(xiàn)了雙波長泵浦條件下轉(zhuǎn)換效率為35%，而單波長泵浦下只有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試驗系統(tǒng)。作為WDM的信號光源是8臺分布反饋式激光器(DFB-LD)，信號光的波長為1292.76～1305.38nm，通過偽隨機二進制序列(PRBS)碼光調(diào)制器對各10Gbit/s的不歸零碼進行調(diào)制。在試驗系統(tǒng)中配置了功率放大器、前置放大器和2臺線路放大器，一共4個PDFA。傳輸通路用4段長20km的G.652光纖連接成一個80km的中繼段（中繼段的傳輸衰減偽28dB），整個試驗系統(tǒng)為3個中繼段，共240km。對該試驗系統(tǒng)的誤碼特性進行測量，結(jié)果表明當(dāng)接收電平為-34dBm時接收信號的誤碼率優(yōu)于10。

胡小波等人對PDFA在SDH系統(tǒng)中的應(yīng)用進行了相應(yīng)的試驗。他們在已鋪設(shè)的光纖網(wǎng)絡(luò)上進行的現(xiàn)場試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)速率為10Gb/s，系統(tǒng)長度為120km。盡管試驗采用的是直接調(diào)制DFB激光器發(fā)送光信號，而未濾除啁啾，而且傳輸速率高達10Gb/s，但傳輸性能仍很好，成功的延長了傳輸距離。試驗表明PDFA為已鋪設(shè)的1310nm波長的常規(guī)數(shù)字光纖系統(tǒng)提供了一條簡單的升級途徑，對光纖和發(fā)送機無須做任何改動，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,同時長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,各個廠家還相繼推出包括自動增益控制(AGC)、自動功率控制(APC)、自動泵浦電流控制(APCC)和自動泵浦功率控制(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調(diào)節(jié)工作狀態(tài),滿足不同的需要。同時,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。

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，使通過的光信號得到放大。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，直接在光路上對信號進行放大傳輸，就要用一個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至幾千公里，給光纖通信帶來了革命性的變化，被譽為光通信發(fā)展的一個“里程碑”。那么，究竟什么是光纖放大器呢？　根據(jù)放大機制不同，OFA可分為兩大類。