Physics 版 (精华区)

发信人: zjliu (fly), 信区: Physics
标  题: 光纤放大器发展现状
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年04月29日18:14:03 星期一), 站内信件

光纤放大器是在光纤的纤芯中掺入能产生光子的稀土元素,如铒、镨、铥、铌、钕

等,通过稀土元素的作用,将激光二极管LD泵浦发出的光能量转化到信号光上,可实

现对信号光的直接放大,具有实时、宽带、在线、低损耗的全光放大功能。这是光

通信发展史上的一个重要里程稗,解决了衰减对光网络传输速率与距离的限制,完全

摒弃了基于光－电－光转换的昂贵的中继增强器,现已广泛应用于长距离、大容量

、高速率的通信系统、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)领域,作中继放大、功率放大、前置放大用。


    在国内,光纤放大器的研制及其规模化生产技术研究均取得很大进展,产品开始

实用化。国外高速发展的光通信系统促进了对新一代光纤放大器的研发,国际上知

名的康宁、朗讯、JDS Uniphase、北电网络、阿尔卡特、皮雷利、SDL、NTT等公司

,在快速增长的EDFA市场上的竞争十分激烈,据专家估计,到2004年,整个EDFA市场将

从1999年13亿美元增长到96亿美元,销售量将以年均43%的速度递增。

掺铒光纤放大器

    掺铒光纤放大器EDFA利用掺铒石英光纤EDF非线性效应,当泵浦光输入到EDF中

,使其铒原子能级升高,高能级电子向低能级跃迁时,向外辐射出光子,有光信号输入

时,辐射光相位和波长会自发与信号光保持一致,这样在输出端可得到不断被放大的

光信号。自英国南安普顿大学的物理学家S.B普尔发现EDF可制作全光放大器,美国

贝尔实验室证实全光放大器比电子放大器在性能上提高100倍,1994年在系统配置中

实用化以来,其发展突飞猛进,目前的技术开发和商品化最成熟,常用的C波长EDFA工

作在1530　1565nm的光纤损耗最低的窗口,具备超过40dB的高增益,高输出,对偏振

不敏感,无串扰,低噪声,可同时放大多路波长信号,每路波长输出功率24.5dBm等一

系列特性,在一对EDFA之间,光信号传输距离已超过100km。其不足是平均增益特性

的带宽只有35nm,仅覆盖石英单模光纤低损耗窗口的一部分,制约了光纤固有能够容

纳的波长信道数。因此,研制转向L波长EDFA,增加现有EDFA放大带宽是其研发的主

要方向。


    L波长EDFA可有效增加信号放大带宽,传输大约在1570　1605nm,这个波长覆盖

了EDF增益曲线的末端,尽管和C波长EDFA所覆盖增益波峰有差异,但仍可与很多性能

先进的C波长产品媲美,例如,有较小的辐射和吸收以及较低的平均反转效率,增益波

动系数远小于C。两者基本结构相似,大多数C波长EDFA的设计和制造技术仍可用于

L波长的研制,估计其发展将非常快,所存在的EDF较长带来无源衰减较大,放大杂散

辐射功率急剧累积等不足,通过提高其内部器件性能,正在改进之中。有些色散位移

光纤DSF网络制造商已先于C而开发L波长产品,L波长可能成为DSF的主要工作窗口。

康宁公司L波长EDFA增益波动为1.4%,每25dB增益波动0.35dB,比典型C波长的4　
6%
小,噪声系数比C的大1dB,泵浦转换效率PCE低2dB。


    据报道,L波长EDFA在若干密集波分复用DWDM系统中开始使用,批量生产后,两者

价格将相差不大。多数情况下,L波长放大器可通过波长分割与复用技术,一个模块

一个模块地加到现有C波长EDFA上,两者相结合开发双向光纤放大器拓朴结构,网络

供应商能将DWDM传输窗口的波宽提高约1倍,即从35nm增加到64nm以上,每一波长提

供40　80信道,速率为2.5Gb/s或10Gb/s,潜在总容量可达1000Gb/s。这种设计允许

用户根据需要逐渐升级扩容,尽量避免铺设新的光缆而增加投入。


    目前,一个大功率EDFA一般都有三个或更多的泵浦级,到2004年时,估计这个数

目还要翻一番。由于超过8个泵浦级时EDFA会变得十分复杂,期待高能功率芯片在提

高光放大功率方面起到更重要的作用。采用多纤芯开发多芯EDFA,各个纤芯内的光

信号均以小信号进行放大,从而在较宽的波长范围内获得接近平坦的增益。开发掺

铒氟化物光纤放大器EDFFA,放大带宽75nm,增益18dB,在较宽的频带内获得平坦增益

,增益偏差??.8dB。在EDF中掺铝,改变铒的放大能级分布,扩展可放大的频带。利用

光纤光栅,介质多层薄膜滤波器,平面光波导作为光纤放大器的内部增益均衡器,对

放大光谱的增益偏差进行补偿,保持平坦的增益谱特性,期待低成本的EDFA在网络中

发挥更重要作用。

光纤喇曼放大器

    光纤喇曼放大器FRA进入实用化研究,喇曼效应是所有石英光纤中都有的非线性

现象,利用此特性,光纤可制作宽带放大器,但受激喇曼效应的泵浦阈值较高,其研制

关键是开发1.5　2W的高功率、低成本泵浦。朗讯公司展示出一种FRA系统。SDL公

司公布出几个喇曼泵浦的版本,正准备将其应用在一个客户的海底网络之中,并在为

其他10个客户进行试验,开发集成了10个功率800mW的大面积模块,获得2W左右功率

输出。FRA只要能得到所需的泵浦波长,可在1292　1660nm光谱范围进行光放大。增

益介质是光纤,可从制作分立式或分布式FRA,分布式能增加光放大之间传输距离,用

于40Gb/s高速光网络中。噪声低,应用FRA的波分复用WDM放大中的串音影响会降到

最低。FRA是EDFA的补充,而不是代替,两者组合起来,可获得大于100nm的带宽,一些

公司正致力FRA的商用化,估计会取得商业成功,在今后5年内,其市场将发展到2亿美

元。

掺铒碲化物光纤放大器

     掺铒碲化物光纤放大器EDTFA的研制取得很大进展,利用掺铒碲化物玻璃光纤

制作,可提供大约90nm(1530　1620nm)的放大带宽,增益特性平坦,频带向长波长一

侧移动,同时覆盖1.55　m和1.58　m放大区域,增益为20dB以上,增益偏差??dB,并可

将上限波长扩大至1634nm。NTT公司进行EDTFA实验中,基于碲化物的EDF采用套加热

拉纤方式生产,通过一种倾斜V形槽连接技术,将碲化光纤与石英光纤接合,获得0.
3dB低插损和小于-50dB的低反射光纤连接点,研制EDTFA的带宽达80nm。

掺镨氟化物光纤放大器

    掺镨氟化物光纤放大器PDFFA可用于1310nm窗口的光放大,受氟化物光纤制作困

难与量子效率低的限制,开发进展比较缓慢。最近,采用镓钠硫化物光纤在1.34　
m
处获得很高的增益系数,但其效率和可靠性还是个未知数。基于铟的氟化物玻璃的

量子效率是基于锆的氟化物玻璃的两倍,热稳定性、耐潮性与ZrF4氟化物玻璃相同

。
在一个单模光纤8通路WDM传输实验(总长240km)中用两个PDFFA作线路放大,功率损

耗不到2dB,PDFFA是1.3　m系统最有希望实用化的光放大器。

掺铥氟化物光纤放大器

    掺铥氟化物光纤放大器TDFFA具有较大的放大带宽,在波长1.47　m和1.65　m处

各有一个峰值增益,1450　1485nm宽波长范围增益高,噪声低,而且效率高达10%,在

该波长范围内光纤损耗低于0.25dB/km。TDFFA与放大带宽位于1580nm处的EDTFA配

合使作,可将单根光纤的传输能力提高两至三倍。TDFFA的放大能力来源于Tm3+离子

从3H4态到3F4态的四级跃迁,高能级3H4的生存时间比低能级3F4的生存时间长,限制

了其放大能力,不能实现反转分布,研究采用泵浦和掺杂其他离子的方法解决。


    此外,国外还在研究宽带掺钕、掺铌的光纤放大器,但距实用化尚有相当大的距

离,估计要在2010年左右商业化。
    目前,许多网络每年通信量增长达30　150%,而且光纤的潜在带宽也较大,如果

以衰减小于0.25dB/km的部分计算,可用光纤带宽在200nm左右,而以衰减小于0.
35dB/km计算,适用带宽几乎可达400nm。新一代宽带化,组合化光纤放大器的研制,

有助于最终完全利用上光纤的全部带宽,开发更大的光纤固有传输能力成为可能,推

动光通信蓬勃发展。

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