光纖放大器技術在光纖傳輸中的應用

丁達華

【摘要】 光纖傳輸已成為當今網絡傳輸?shù)闹饕侄?。其利用光的全反射原理，將信息流加載于調制光之上，實現(xiàn)快速遠距離的信息傳輸。其頻帶寬、損耗低、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點使其在網絡傳輸技術的競爭中取得了主導地位。在光纖技術發(fā)展的過程中，光纖放大器技術有力地推動了光纖通信的發(fā)展，在光通信領域具有重要的意義。

【關鍵詞】 光纖放大器 摻鉺光纖 喇曼光纖

一、光纖放大器

光纖放大器是一種可以直接在光域對信號實施放大的器件。除了穩(wěn)定可靠的工作性能外，它能夠很好地與光纖傳輸中的密集波分復用系統(tǒng)互相兼容，極大地降低了中繼系統(tǒng)的維護成本，有力地推動了光纖傳輸?shù)膹V泛應用。目前的光放大器主要分為兩大類：摻鉺光纖放大器和喇曼光纖放大器。

二、摻鉺光纖放大器

2.1 摻鉺光纖放大器工作原理

摻鉺光纖放大器的工作原理與激光類似，都是基于原子的受激輻射實現(xiàn)光放大。摻鉺光纖是在石英光纖中摻雜適量的鉺離子（Er3+）。光纖中鉺離子在泵浦光激勵下吸收能量，由基態(tài)能帶4I15/2躍遷至較高能帶4I11/2，成為泵浦態(tài)或激發(fā)態(tài)。鉺離子在激發(fā)態(tài)上處于非穩(wěn)定狀態(tài)，壽命較短，很快通過非輻射躍遷的方式轉變?yōu)閬喎€(wěn)態(tài)，其能帶為4I13/2。亞穩(wěn)態(tài)上的鉺例子具有較長壽命，從而鉺例子在泵浦光作用下能夠在亞穩(wěn)態(tài)上逐漸積累，形成對基態(tài)的離子數(shù)反轉。當光信號通過光纖時，亞穩(wěn)態(tài)的鉺離子發(fā)生受激輻射，產生一個與信號光子完全相同的光子，從而實現(xiàn)了信號光的放大。

一般的摻鉺光纖放大器工作于1550nm波段，該波段為光纖的低損耗窗口。泵浦光波長為980nm或1480nm。

2.2 摻鉺光纖放大器的結構

摻鉺光纖放大器主要由五部分組成：摻鉺光纖、泵浦源、波分復用器、光隔離器和光濾波器。摻鉺光纖實現(xiàn)信號光的放大；泵浦源為摻鉺光纖提供光放大所需的泵浦能量；波分復用器將信號光與泵浦光進行合成，注入到摻鉺光纖中；光隔離器使光纖中的光實現(xiàn)單向傳輸，防止在光纖中產生光震蕩影響正常的工作狀態(tài)；光濾波器的作用是消除因激發(fā)態(tài)鉺例子自發(fā)輻射所產生的光噪聲，提高放大器信噪比。此外還有若干輔助電路對放大器的工作狀態(tài)進行監(jiān)測，以及工作溫度和功率的控制。

根據(jù)放大器的泵浦光傳輸形式，可以分為三種結構：同向泵浦結構、反向泵浦結構、雙向泵浦結構。

2.3 摻鉺光纖放大器的應用

1、基本應用形式。摻鉺光纖放大器主要有三種基本應用形式：（1）線路放大：將放大器直接插入至光纖傳輸線路中作為中繼器使用，多出現(xiàn)于長距離的光纖傳輸中。（2）功率放大：將放大器置于光發(fā)射機之后，以彌補光發(fā)射機功率的不足。（3）前置放大：將放大器置于光接收機前端，以提高接收機靈敏度。

2、波分復用系統(tǒng)中的應用。由于電信號放大設備在帶寬上的限制，需要將光信號解復用后對各個頻率成分分別進行信號放大。故一個波分復用系統(tǒng)的中繼設備包含多個電信號放大裝置。摻鉺光纖在波分復用系統(tǒng)中具有明顯的優(yōu)勢，其最大的優(yōu)勢在于：使用一個摻鉺光纖放大器即可一次性對復用系統(tǒng)中各頻率成分光信號實現(xiàn)放大。這種工作方式使得中繼設備的維護成本大幅下降，且系統(tǒng)可靠性上升，便于維護，見圖1。

3、有線電視傳輸系統(tǒng)中的應用。有線電視傳輸系統(tǒng)中各節(jié)點不僅要求較高的信噪比，還要求較大的最小光接收功率。這種特性使得該網絡的中繼距離較低，往往只能傳輸十幾公里。同時網絡特性要求一個光發(fā)射機能夠驅動多個光節(jié)點進行工作。這兩種特性對光發(fā)射設備的功率輸出提出了較高的要求。將摻鉺光纖放大器以功率放大方式安置于光發(fā)射機后端，提高了光接收機的功率，使得可負載光節(jié)點數(shù)增加，傳輸距離也隨之上升。

三、喇曼光纖放大器

3.1 喇曼光纖放大器工作原理

喇曼光纖放大器的原理基于喇曼散射。喇曼散射過程先由泵浦光引發(fā)光纖中的非線性散射，產生低頻的斯托克斯光子，剩余能量以分子振動形式吸收，整個過程稱為受激喇曼散射。受激拉曼散射中，斯托克斯頻移的數(shù)值由分子振動能級決定，其數(shù)值決定了頻率散射范圍。信號光與泵浦光同時在光纖中傳輸，當信號光處于泵浦光產生的增益范圍內時，通過喇曼散射產生光子數(shù)量的增加，從而實現(xiàn)了光信號的放大，見圖2。

喇曼光纖放大器相比較于摻鉺光纖放大器，其主要優(yōu)勢在于可提供放大的頻率范圍極大，可通過調節(jié)泵浦光的波長對任意波段進行寬帶的放大，放大范圍可達到1270nm至1670nm。

3.2 喇嘛光纖放大器的結構

目前喇曼光纖放大器主要有分布式與分立式兩種類型。

分立式喇曼光纖放大器中放大器獨立于傳輸線路而成為單獨器件。這種形式要求放大器具有較高的增益，因此多由摻雜鍺含量較高的光纖作為增益介質。相比較于同種形式的摻鉺光纖放大器，這種形式的喇曼光纖放大器需要很長的工作長度，且增益倍數(shù)有限，多用于摻鉺光纖放大器所無法工作的波長信號放大，見圖3。

分布式喇曼光纖放大器直接以增益介質作為傳輸光纖本身，其應用前景已逐漸超過分立式喇曼光纖放大器。

3.3 喇曼光纖放大器的應用

1、長距離通信線路。對于穿越惡劣自然環(huán)境或其他不便于采用摻鉺光纖放大器的傳輸線路，使用分布式喇曼光纖放大器是較好的選擇。它可以提高兩次中繼之間所允許的線路傳輸損耗，從而擴大傳輸距離。目前常用于海底光纜及無人地帶光纜等。

2、混合式光纖放大器。雖然喇曼光纖放大器具有很大的工作帶寬，但是帶寬中多個頻率成分的光信號同時實現(xiàn)放大則需要多路泵浦光，這就需要使用泵浦復用技術。而泵浦復用所帶來的復雜結構和高成本阻礙了其在實際網絡傳輸中的應用。為此，將摻鉺光纖放大器與喇曼光纖放大器混用可以在減少泵浦光源數(shù)量的前提下實現(xiàn)較大的工作帶寬，并且實現(xiàn)較好的增益均衡。

四、總結與展望

由于超高速率、大容量、長距離光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展，對作為光纖通信領域的關鍵器件——光纖放大器在功率、帶寬和增益平坦方面提出了新的要求，因此，在未來的光纖通信網絡中，光纖放大器的發(fā)展方向主要有以下幾個方面：（1）EDFA從C-Band向L-Band發(fā)展；（2）寬頻譜、大功率的光纖拉曼放大器；（3）將局部平坦的EDFA和光纖拉曼放大器進行串聯(lián)使用，獲得超寬帶的平坦增益放大器；（4）發(fā)展應變補償?shù)臒o偏振、單片集成、光橫向連接的半導體光放大器光開關；（5）研發(fā)具有動態(tài)增益平坦技術的光纖放大器。

【摘要】 光纖傳輸已成為當今網絡傳輸?shù)闹饕侄?。其利用光的全反射原理，將信息流加載于調制光之上，實現(xiàn)快速遠距離的信息傳輸。其頻帶寬、損耗低、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點使其在網絡傳輸技術的競爭中取得了主導地位。在光纖技術發(fā)展的過程中，光纖放大器技術有力地推動了光纖通信的發(fā)展，在光通信領域具有重要的意義。

【關鍵詞】 光纖放大器 摻鉺光纖 喇曼光纖

一、光纖放大器

光纖放大器是一種可以直接在光域對信號實施放大的器件。除了穩(wěn)定可靠的工作性能外，它能夠很好地與光纖傳輸中的密集波分復用系統(tǒng)互相兼容，極大地降低了中繼系統(tǒng)的維護成本，有力地推動了光纖傳輸?shù)膹V泛應用。目前的光放大器主要分為兩大類：摻鉺光纖放大器和喇曼光纖放大器。

二、摻鉺光纖放大器

2.1 摻鉺光纖放大器工作原理

摻鉺光纖放大器的工作原理與激光類似，都是基于原子的受激輻射實現(xiàn)光放大。摻鉺光纖是在石英光纖中摻雜適量的鉺離子（Er3+）。光纖中鉺離子在泵浦光激勵下吸收能量，由基態(tài)能帶4I15/2躍遷至較高能帶4I11/2，成為泵浦態(tài)或激發(fā)態(tài)。鉺離子在激發(fā)態(tài)上處于非穩(wěn)定狀態(tài)，壽命較短，很快通過非輻射躍遷的方式轉變?yōu)閬喎€(wěn)態(tài)，其能帶為4I13/2。亞穩(wěn)態(tài)上的鉺例子具有較長壽命，從而鉺例子在泵浦光作用下能夠在亞穩(wěn)態(tài)上逐漸積累，形成對基態(tài)的離子數(shù)反轉。當光信號通過光纖時，亞穩(wěn)態(tài)的鉺離子發(fā)生受激輻射，產生一個與信號光子完全相同的光子，從而實現(xiàn)了信號光的放大。

一般的摻鉺光纖放大器工作于1550nm波段，該波段為光纖的低損耗窗口。泵浦光波長為980nm或1480nm。

2.2 摻鉺光纖放大器的結構

摻鉺光纖放大器主要由五部分組成：摻鉺光纖、泵浦源、波分復用器、光隔離器和光濾波器。摻鉺光纖實現(xiàn)信號光的放大；泵浦源為摻鉺光纖提供光放大所需的泵浦能量；波分復用器將信號光與泵浦光進行合成，注入到摻鉺光纖中；光隔離器使光纖中的光實現(xiàn)單向傳輸，防止在光纖中產生光震蕩影響正常的工作狀態(tài)；光濾波器的作用是消除因激發(fā)態(tài)鉺例子自發(fā)輻射所產生的光噪聲，提高放大器信噪比。此外還有若干輔助電路對放大器的工作狀態(tài)進行監(jiān)測，以及工作溫度和功率的控制。

根據(jù)放大器的泵浦光傳輸形式，可以分為三種結構：同向泵浦結構、反向泵浦結構、雙向泵浦結構。

2.3 摻鉺光纖放大器的應用

1、基本應用形式。摻鉺光纖放大器主要有三種基本應用形式：（1）線路放大：將放大器直接插入至光纖傳輸線路中作為中繼器使用，多出現(xiàn)于長距離的光纖傳輸中。（2）功率放大：將放大器置于光發(fā)射機之后，以彌補光發(fā)射機功率的不足。（3）前置放大：將放大器置于光接收機前端，以提高接收機靈敏度。

2、波分復用系統(tǒng)中的應用。由于電信號放大設備在帶寬上的限制，需要將光信號解復用后對各個頻率成分分別進行信號放大。故一個波分復用系統(tǒng)的中繼設備包含多個電信號放大裝置。摻鉺光纖在波分復用系統(tǒng)中具有明顯的優(yōu)勢，其最大的優(yōu)勢在于：使用一個摻鉺光纖放大器即可一次性對復用系統(tǒng)中各頻率成分光信號實現(xiàn)放大。這種工作方式使得中繼設備的維護成本大幅下降，且系統(tǒng)可靠性上升，便于維護，見圖1。

3、有線電視傳輸系統(tǒng)中的應用。有線電視傳輸系統(tǒng)中各節(jié)點不僅要求較高的信噪比，還要求較大的最小光接收功率。這種特性使得該網絡的中繼距離較低，往往只能傳輸十幾公里。同時網絡特性要求一個光發(fā)射機能夠驅動多個光節(jié)點進行工作。這兩種特性對光發(fā)射設備的功率輸出提出了較高的要求。將摻鉺光纖放大器以功率放大方式安置于光發(fā)射機后端，提高了光接收機的功率，使得可負載光節(jié)點數(shù)增加，傳輸距離也隨之上升。

三、喇曼光纖放大器

3.1 喇曼光纖放大器工作原理

喇曼光纖放大器的原理基于喇曼散射。喇曼散射過程先由泵浦光引發(fā)光纖中的非線性散射，產生低頻的斯托克斯光子，剩余能量以分子振動形式吸收，整個過程稱為受激喇曼散射。受激拉曼散射中，斯托克斯頻移的數(shù)值由分子振動能級決定，其數(shù)值決定了頻率散射范圍。信號光與泵浦光同時在光纖中傳輸，當信號光處于泵浦光產生的增益范圍內時，通過喇曼散射產生光子數(shù)量的增加，從而實現(xiàn)了光信號的放大，見圖2。

喇曼光纖放大器相比較于摻鉺光纖放大器，其主要優(yōu)勢在于可提供放大的頻率范圍極大，可通過調節(jié)泵浦光的波長對任意波段進行寬帶的放大，放大范圍可達到1270nm至1670nm。

3.2 喇嘛光纖放大器的結構

目前喇曼光纖放大器主要有分布式與分立式兩種類型。

分立式喇曼光纖放大器中放大器獨立于傳輸線路而成為單獨器件。這種形式要求放大器具有較高的增益，因此多由摻雜鍺含量較高的光纖作為增益介質。相比較于同種形式的摻鉺光纖放大器，這種形式的喇曼光纖放大器需要很長的工作長度，且增益倍數(shù)有限，多用于摻鉺光纖放大器所無法工作的波長信號放大，見圖3。

分布式喇曼光纖放大器直接以增益介質作為傳輸光纖本身，其應用前景已逐漸超過分立式喇曼光纖放大器。

3.3 喇曼光纖放大器的應用

1、長距離通信線路。對于穿越惡劣自然環(huán)境或其他不便于采用摻鉺光纖放大器的傳輸線路，使用分布式喇曼光纖放大器是較好的選擇。它可以提高兩次中繼之間所允許的線路傳輸損耗，從而擴大傳輸距離。目前常用于海底光纜及無人地帶光纜等。

2、混合式光纖放大器。雖然喇曼光纖放大器具有很大的工作帶寬，但是帶寬中多個頻率成分的光信號同時實現(xiàn)放大則需要多路泵浦光，這就需要使用泵浦復用技術。而泵浦復用所帶來的復雜結構和高成本阻礙了其在實際網絡傳輸中的應用。為此，將摻鉺光纖放大器與喇曼光纖放大器混用可以在減少泵浦光源數(shù)量的前提下實現(xiàn)較大的工作帶寬，并且實現(xiàn)較好的增益均衡。

四、總結與展望

由于超高速率、大容量、長距離光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展，對作為光纖通信領域的關鍵器件——光纖放大器在功率、帶寬和增益平坦方面提出了新的要求，因此，在未來的光纖通信網絡中，光纖放大器的發(fā)展方向主要有以下幾個方面：（1）EDFA從C-Band向L-Band發(fā)展；（2）寬頻譜、大功率的光纖拉曼放大器；（3）將局部平坦的EDFA和光纖拉曼放大器進行串聯(lián)使用，獲得超寬帶的平坦增益放大器；（4）發(fā)展應變補償?shù)臒o偏振、單片集成、光橫向連接的半導體光放大器光開關；（5）研發(fā)具有動態(tài)增益平坦技術的光纖放大器。

【摘要】 光纖傳輸已成為當今網絡傳輸?shù)闹饕侄?。其利用光的全反射原理，將信息流加載于調制光之上，實現(xiàn)快速遠距離的信息傳輸。其頻帶寬、損耗低、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點使其在網絡傳輸技術的競爭中取得了主導地位。在光纖技術發(fā)展的過程中，光纖放大器技術有力地推動了光纖通信的發(fā)展，在光通信領域具有重要的意義。

【關鍵詞】 光纖放大器 摻鉺光纖 喇曼光纖

一、光纖放大器

光纖放大器是一種可以直接在光域對信號實施放大的器件。除了穩(wěn)定可靠的工作性能外，它能夠很好地與光纖傳輸中的密集波分復用系統(tǒng)互相兼容，極大地降低了中繼系統(tǒng)的維護成本，有力地推動了光纖傳輸?shù)膹V泛應用。目前的光放大器主要分為兩大類：摻鉺光纖放大器和喇曼光纖放大器。

二、摻鉺光纖放大器

2.1 摻鉺光纖放大器工作原理

摻鉺光纖放大器的工作原理與激光類似，都是基于原子的受激輻射實現(xiàn)光放大。摻鉺光纖是在石英光纖中摻雜適量的鉺離子（Er3+）。光纖中鉺離子在泵浦光激勵下吸收能量，由基態(tài)能帶4I15/2躍遷至較高能帶4I11/2，成為泵浦態(tài)或激發(fā)態(tài)。鉺離子在激發(fā)態(tài)上處于非穩(wěn)定狀態(tài)，壽命較短，很快通過非輻射躍遷的方式轉變?yōu)閬喎€(wěn)態(tài)，其能帶為4I13/2。亞穩(wěn)態(tài)上的鉺例子具有較長壽命，從而鉺例子在泵浦光作用下能夠在亞穩(wěn)態(tài)上逐漸積累，形成對基態(tài)的離子數(shù)反轉。當光信號通過光纖時，亞穩(wěn)態(tài)的鉺離子發(fā)生受激輻射，產生一個與信號光子完全相同的光子，從而實現(xiàn)了信號光的放大。

一般的摻鉺光纖放大器工作于1550nm波段，該波段為光纖的低損耗窗口。泵浦光波長為980nm或1480nm。

2.2 摻鉺光纖放大器的結構

摻鉺光纖放大器主要由五部分組成：摻鉺光纖、泵浦源、波分復用器、光隔離器和光濾波器。摻鉺光纖實現(xiàn)信號光的放大；泵浦源為摻鉺光纖提供光放大所需的泵浦能量；波分復用器將信號光與泵浦光進行合成，注入到摻鉺光纖中；光隔離器使光纖中的光實現(xiàn)單向傳輸，防止在光纖中產生光震蕩影響正常的工作狀態(tài)；光濾波器的作用是消除因激發(fā)態(tài)鉺例子自發(fā)輻射所產生的光噪聲，提高放大器信噪比。此外還有若干輔助電路對放大器的工作狀態(tài)進行監(jiān)測，以及工作溫度和功率的控制。

根據(jù)放大器的泵浦光傳輸形式，可以分為三種結構：同向泵浦結構、反向泵浦結構、雙向泵浦結構。

2.3 摻鉺光纖放大器的應用

1、基本應用形式。摻鉺光纖放大器主要有三種基本應用形式：（1）線路放大：將放大器直接插入至光纖傳輸線路中作為中繼器使用，多出現(xiàn)于長距離的光纖傳輸中。（2）功率放大：將放大器置于光發(fā)射機之后，以彌補光發(fā)射機功率的不足。（3）前置放大：將放大器置于光接收機前端，以提高接收機靈敏度。

2、波分復用系統(tǒng)中的應用。由于電信號放大設備在帶寬上的限制，需要將光信號解復用后對各個頻率成分分別進行信號放大。故一個波分復用系統(tǒng)的中繼設備包含多個電信號放大裝置。摻鉺光纖在波分復用系統(tǒng)中具有明顯的優(yōu)勢，其最大的優(yōu)勢在于：使用一個摻鉺光纖放大器即可一次性對復用系統(tǒng)中各頻率成分光信號實現(xiàn)放大。這種工作方式使得中繼設備的維護成本大幅下降，且系統(tǒng)可靠性上升，便于維護，見圖1。

3、有線電視傳輸系統(tǒng)中的應用。有線電視傳輸系統(tǒng)中各節(jié)點不僅要求較高的信噪比，還要求較大的最小光接收功率。這種特性使得該網絡的中繼距離較低，往往只能傳輸十幾公里。同時網絡特性要求一個光發(fā)射機能夠驅動多個光節(jié)點進行工作。這兩種特性對光發(fā)射設備的功率輸出提出了較高的要求。將摻鉺光纖放大器以功率放大方式安置于光發(fā)射機后端，提高了光接收機的功率，使得可負載光節(jié)點數(shù)增加，傳輸距離也隨之上升。

三、喇曼光纖放大器

3.1 喇曼光纖放大器工作原理

喇曼光纖放大器的原理基于喇曼散射。喇曼散射過程先由泵浦光引發(fā)光纖中的非線性散射，產生低頻的斯托克斯光子，剩余能量以分子振動形式吸收，整個過程稱為受激喇曼散射。受激拉曼散射中，斯托克斯頻移的數(shù)值由分子振動能級決定，其數(shù)值決定了頻率散射范圍。信號光與泵浦光同時在光纖中傳輸，當信號光處于泵浦光產生的增益范圍內時，通過喇曼散射產生光子數(shù)量的增加，從而實現(xiàn)了光信號的放大，見圖2。

喇曼光纖放大器相比較于摻鉺光纖放大器，其主要優(yōu)勢在于可提供放大的頻率范圍極大，可通過調節(jié)泵浦光的波長對任意波段進行寬帶的放大，放大范圍可達到1270nm至1670nm。

3.2 喇嘛光纖放大器的結構

目前喇曼光纖放大器主要有分布式與分立式兩種類型。

分立式喇曼光纖放大器中放大器獨立于傳輸線路而成為單獨器件。這種形式要求放大器具有較高的增益，因此多由摻雜鍺含量較高的光纖作為增益介質。相比較于同種形式的摻鉺光纖放大器，這種形式的喇曼光纖放大器需要很長的工作長度，且增益倍數(shù)有限，多用于摻鉺光纖放大器所無法工作的波長信號放大，見圖3。

分布式喇曼光纖放大器直接以增益介質作為傳輸光纖本身，其應用前景已逐漸超過分立式喇曼光纖放大器。

3.3 喇曼光纖放大器的應用

1、長距離通信線路。對于穿越惡劣自然環(huán)境或其他不便于采用摻鉺光纖放大器的傳輸線路，使用分布式喇曼光纖放大器是較好的選擇。它可以提高兩次中繼之間所允許的線路傳輸損耗，從而擴大傳輸距離。目前常用于海底光纜及無人地帶光纜等。

2、混合式光纖放大器。雖然喇曼光纖放大器具有很大的工作帶寬，但是帶寬中多個頻率成分的光信號同時實現(xiàn)放大則需要多路泵浦光，這就需要使用泵浦復用技術。而泵浦復用所帶來的復雜結構和高成本阻礙了其在實際網絡傳輸中的應用。為此，將摻鉺光纖放大器與喇曼光纖放大器混用可以在減少泵浦光源數(shù)量的前提下實現(xiàn)較大的工作帶寬，并且實現(xiàn)較好的增益均衡。

四、總結與展望

由于超高速率、大容量、長距離光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展，對作為光纖通信領域的關鍵器件——光纖放大器在功率、帶寬和增益平坦方面提出了新的要求，因此，在未來的光纖通信網絡中，光纖放大器的發(fā)展方向主要有以下幾個方面：（1）EDFA從C-Band向L-Band發(fā)展；（2）寬頻譜、大功率的光纖拉曼放大器；（3）將局部平坦的EDFA和光纖拉曼放大器進行串聯(lián)使用，獲得超寬帶的平坦增益放大器；（4）發(fā)展應變補償?shù)臒o偏振、單片集成、光橫向連接的半導體光放大器光開關；（5）研發(fā)具有動態(tài)增益平坦技術的光纖放大器。