光纖器體

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。

非線性O(shè)FA是利用光纖的非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)光放大的一種激光放大器。當(dāng)光纖中光功率密度達(dá)到一定閾值時(shí)，將產(chǎn)生受激拉曼散射（SRS）或受激布里淵散射（SBS），形成對(duì)信號(hào)光的相干放大。非線性O(shè)FA可相應(yīng)分為拉曼光纖放大器（SRA）和布里淵光纖放大器（BRA）。目前研制出的SRA尚未商用化。

OFA的研制始于80年代，并在90年代初取得重大突破。在現(xiàn)代光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，如何有效地提高光信號(hào)傳輸距離，減少中繼站數(shù)目，降低系統(tǒng)成本，一直是人們不斷探索的目標(biāo)。OFA是解決這一問題的關(guān)鍵器件，它的研制和改進(jìn)在全球范圍內(nèi)仍方興未艾。

隨著密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)、光纖放大技術(shù)，包括摻鉺光纖放大器（EDFA）、分布喇曼光纖放大器（DRFA）、半導(dǎo)體放大器（SOA）和光時(shí)分復(fù)用（OTDM）技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，光纖通信技術(shù)不斷向著更高速率、更大容量的通信系統(tǒng)發(fā)展，而先進(jìn)的光纖制造技術(shù)既能保持穩(wěn)定、可靠的傳輸以及足夠的富余度，又能滿足光通信對(duì)大寬帶的需求，并減少非線性損傷。

制作光纖時(shí)，采用特殊工藝，在光纖芯層沉積中摻入極小濃度的稀土元素，如鉺、鐠或銣等離子，可制作出相應(yīng)的摻鉺、摻鐠或摻銣光纖。光纖中摻雜離子在受到泵浦光激勵(lì)后躍遷到亞穩(wěn)定的高激發(fā)態(tài)，在信號(hào)光誘導(dǎo)下，產(chǎn)生受激輻射，形成對(duì)信號(hào)光的相干放大。這種OFA實(shí)質(zhì)上是一種特殊的激光器，它的工作腔是一段摻稀土粒子光纖，泵浦光源一般采用半導(dǎo)體激光器。

當(dāng)前光纖通信系統(tǒng)工作在兩個(gè)低損耗窗口：1.55μm波段和1.31μm波段。選擇不同的摻雜元素，可使放大器工作在不同窗口。

（1）摻鉺光纖放大器（EDFA）

EDFA工作在1.55μm窗口，該窗口光纖損耗系數(shù)1.31μm窗低（僅0.2dB/km）。已商用的EDFA噪聲低，增益曲線好，放大器帶寬大，與波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)兼容，泵浦效率高，工作性能穩(wěn)定，技術(shù)成熟，在現(xiàn)代長途高速光通信系統(tǒng)中備受青睞。目前，“摻鉺光纖放大器（EDFA） 密集波分復(fù)用（DWDM） 非零色散光纖（NZDF） 光子集成（PIC）”正成為國際上長途高速光纖通信線路的主要技術(shù)方向。

（2）摻鐠光纖放大器（PDFA）

PDFA工作在1.31μm波段，已敷設(shè)的光纖90%都工作在這一窗口。PDFA對(duì)現(xiàn)有光通信線路的升級(jí)和擴(kuò)容有重要的意義。目前已經(jīng)研制出低噪聲、高增益的PDFA，但是它的泵浦效率不高，工作性能不穩(wěn)定，增益對(duì)溫度敏感，離實(shí)用還有一段距離。

采用光纖的基本結(jié)構(gòu)，經(jīng)摻雜、加工處理或引入附加結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)一定功能的光電子學(xué)器件。例如光纖放大器、光纖激光器、光纖耦合器、光纖偏振器和光纖濾波器等。光纖器件還可實(shí)現(xiàn)調(diào)諧、鑒頻、波分復(fù)用以及傳感等各種功能。光纖器件的工作原理基本上是以光纖中光波傳輸、耦合及外界作用所引起的變化等物理現(xiàn)象和規(guī)律為依據(jù)的。和平面光波導(dǎo)器件相比，光纖器件具有低損耗和長相互作用距離等固有優(yōu)點(diǎn)。特別是這種器件可以用活動(dòng)連接器或直接熔接接入光纖系統(tǒng)，接續(xù)技術(shù)成熟，操作簡便，附加損耗很小，可靠性很高。這些都是平面光波導(dǎo)器件所無法比擬的。光纖器件按所采用的光纖結(jié)構(gòu)可分為單模和多模器件，其中單模光纖器件獲得廣泛的應(yīng)用。

光纖激光器（Fiber Laser）是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器，光纖激光器可在光纖放大器的基礎(chǔ)上開發(fā)出來：在泵浦光的作用下光纖內(nèi)極易形成高功率密度，造成激光工作物質(zhì)的激光能級(jí)“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”，當(dāng)適當(dāng)加入正反饋回路（構(gòu)成諧振腔）便可形成激光振蕩輸出。

光纖是以SiO2為基質(zhì)材料拉成的玻璃實(shí)體纖維，其導(dǎo)光原理是利用光的全反射原理，即當(dāng)光以大于臨界角的角度由折射率大的光密介質(zhì)入射到折射率小的光疏介質(zhì)時(shí)，將發(fā)生全反射，入射光全部反射到折射率大的光密介質(zhì)，折射率小的光疏介質(zhì)內(nèi)將沒有光透過。普通裸光纖一般由中心高折射率玻璃芯、中間低折射率硅玻璃包層和最外部的加強(qiáng)樹脂涂層組成。光纖按傳播光波模式可分為單模光纖和多模光纖。單模光纖的芯徑較小，只能傳播一種模式的光，其模間色散較小。多模光纖的芯徑較粗，可傳播多種模式的光，但其模間色散較大。按折射率分布的情況化分，可分為階躍折射率（SI）光纖和漸變折射率（GI）光纖。

以稀土摻雜光纖激光器為例，摻有稀土離子的光纖芯作為增益介質(zhì)，摻雜光纖固定在兩個(gè)反射鏡間構(gòu)成諧振腔，泵浦光從M1入射到光纖中，從M2輸出激光（參見右圖1）。

當(dāng)泵浦光通過光纖時(shí)，光纖中的稀土離子吸收泵浦光，其電子被激勵(lì)到較高的激發(fā)能級(jí)上，實(shí)現(xiàn)了離子數(shù)反轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)后的粒子以輻射形成從高能級(jí)轉(zhuǎn)移到 基態(tài)，輸出激光。

近年來,有關(guān)光通信和光纖傳感技術(shù)的研究十分活躍,其中許多部品已實(shí)用化,有不少正處于研究開發(fā)之中。隨之而來的問題是迫切需要高性能化、高可靠性、小型和全光纖化的光學(xué)部件,而光纖型光學(xué)器件正好能滿足這些要求,目前正在大力開發(fā)。如以光纖陀螺為代表的干涉式傳感器,采用了光纖禍合器、光纖偏振器和光纖隔離器等主要光學(xué)器件。在光通信領(lǐng)域,WDM型光纖藕合器和偏振束分離器等是光放大器必不可少的重要部件。光纖偏振器可分為彎曲型光纖偏振器,片式元件型光纖偏振器a[j,利用纖芯與金屬或雙折射晶體相接觸原理的接觸型光纖偏振器等三類。本文簡單介紹前兩種光纖偏振器。

光纖耦合器(Coupler)又稱分歧器(Splitter)、連接器、適配器、光纖法蘭盤，是用于實(shí)現(xiàn)光信號(hào)分路/合路，或用于延長光纖鏈路的元件，屬于光被動(dòng)元件領(lǐng)域，在電信網(wǎng)路、有線電視網(wǎng)路、用戶回路系統(tǒng)、區(qū)域網(wǎng)路中都會(huì)應(yīng)用到。

光纖耦合器(Coupler)又稱分歧器(Splitter)、連接器、適配器、法蘭盤，是用于實(shí)現(xiàn)光信號(hào)分路/合路，

或用于延長光纖鏈路的元件，屬于光被動(dòng)元件領(lǐng)域，在電信網(wǎng)路、有線電視網(wǎng)路、用戶回路系統(tǒng)、區(qū)域網(wǎng)路中都會(huì)應(yīng)用到。光纖耦合器可分標(biāo)準(zhǔn)耦合器(屬于波導(dǎo)式，雙分支，單位1×2，亦即將光訊號(hào)分成兩個(gè)功率)、直連式耦合器(連接2條相同或不同類型光纖接口的光纖,以延長光纖鏈路)、星狀/樹狀耦合器、以及波長多工器(WDM，若波長屬高密度分出，即波長間距窄，則屬于DWDM)，制作方式則有燒結(jié)(Fuse)、微光學(xué)式(Micro Optics)、光波導(dǎo)式(Wave Guide)三種，而以燒結(jié)式方法生產(chǎn)占多數(shù)(約有90%)。 燒結(jié)方式的制作法，是將兩條光纖并在一起燒融拉伸，使核芯聚合一起，以達(dá)光耦合作用，而其中最重要的生產(chǎn)設(shè)備是光纖熔接機(jī)，也是其中的重要步驟，雖然重要步驟部份可由機(jī)器代工，但燒結(jié)之后，仍須人工作檢測(cè)封裝，因此人工成本約占10～15%左右，再者采用人工檢測(cè)封裝須保品質(zhì)的一致性，這也是量產(chǎn)時(shí)所必須克服的，但技術(shù)困難度不若DWDM 模塊及光主動(dòng)元件高，因此初期想進(jìn)入光纖產(chǎn)業(yè)的廠商，大部分會(huì)從光耦合器切入，毛利則在20～30%。

我們都知道光耦合器或者光復(fù)用器是把不同波長的光復(fù)用到一根光纖中的，不同的波長傳載著不同的信息。那么在接收端，我們?cè)鯓硬拍軓墓饫w中分離出所需的波長呢？這就要用到光濾波。光濾波器是用來進(jìn)行波長選擇的儀器，它可以從眾多的波長中挑選出所需的波長，而除此波長以外的光將會(huì)被拒絕通過。它可以用于波長選擇、光放大器的噪聲濾除、增益均衡、光復(fù)用/解復(fù)用。

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(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。

光纖分束器就是將一根光纖內(nèi)的波長、能量、偏振等特性進(jìn)行重新分配到不同光纖內(nèi)的一種器件。

分能量的一般叫光纖分路器或者光纖耦合器，分波長是波分復(fù)用器，分偏振的是偏振分束器等等。

光纖分束器是對(duì)光信號(hào)實(shí)現(xiàn)分路、合路和分配的無源器件，是波分復(fù)用、光纖局域網(wǎng)、光線有線電視網(wǎng)以及某些測(cè)量儀表中不可缺少的光學(xué)器件。