原创《掺杂光纤放大器与其应用》
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【摘 要】 介绍了国际上掺杂光纤放大器的发展动向及其应用,主要包括掺铒光纤放大器、掺铒碲基光纤放大器、掺铥光纤放大器及掺镨氟化物光纤放大器,并指出相关光放大器的发展趋势.【关键词】 掺铒光纤放大器 掺铒碲基光纤放大器 掺铥光纤放大器
目前,光纤放大器有半导体制作的半导体光放大器
（SOA）、非线性效应制成的光大器,如光纤喇曼放大器（FRA）、掺杂光纤放大器.掺杂光纤放大器是利用稀土金属离子作为激光工作物质,在光纤的纤芯中掺入能产生光子的稀土元素,如铒（Er）、镨（Pr）、铥（Tm）等制成的放大器 ,如掺铒光纤放大器（EDFA）、掺铒碲基光纤放大器（EDTFA）、掺铥光纤放大器（TDFA）等.
一、掺铒光纤放大器（EDFA）
EDFA中的 Er＋3利用吸收泵浦光为 980nm和 1480nm的能量,由基态 4I15/2跃迁至处于高能级的泵浦态,实现粒子数反转分布,信号光入射使亚稳态 Er＋3粒子受激辐射,产生信号放大.EDFA主要由掺饵光纤（EDF）、泵浦光源、波分复用器（WDM）、隔离器（Isolator）等组成, EDFA的内部按泵浦方式分为三种最基本的结构,即同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦 [1].
同向泵浦,信号光与泵浦光以同一方向从掺铒光纤的输入端注入；反向泵浦,信号光与泵浦光从两个不同方向注入进掺铒光纤；双向泵浦.双向泵浦,它是同向泵浦和反向泵浦同时泵浦的一种结构；
采用同向泵浦,可获得较好的噪声性能；采用反向泵浦可获得较高的输出功率；采用双向泵浦可使 EDFA的增益和噪声性能优于单向泵浦,但增加一个泵浦源,成本也增加了.
目前,EDFA是放大器的主要选择,在骨干网和城域网/接入网中发挥着关键性作用,其发展趋势应是具有大功率化、宽带化、动态增益平坦特性的小型化、集成化方向发展.
二、掺铒碲基光纤放大器（EDTFA）
EDTFA的工作原理和 EDFA的工作原理一样,泵浦源可采用波长为 980nm或者 1480nm 的 LD(激光二极管),不同的是前者是光纤材料为碲酸盐玻璃基质,后者是石英基
[2].前者最大的优点一是 Er 3+的受激发射截面大,增益带宽宽；二是与氟化物玻璃相比,它具有较好的化学稳定性.
目前,EDFA在 C+L波段中间大约有 5nm的带宽间隙不能被利用.而 EDTFA可以工作在整个 C+L波段.EDTFA实用化的前提：一是解决增益平坦问题.2000年 A．Mori首次报道了在 L波段 (1581～ 1616 nm)EDTFA的增益和噪声特性.该实验装置如图 4所示,它将一个的 Fabry—Perot型滤波器构成的增益均衡器置于两级 EDTFA中间,获得了比较理想的增益平坦度.实验中前后两级 EDTF的长度均为9rn,掺 Er3+浓度为 10～,所有泵浦源均为 1480 nm波长的LD.该 EDTFA在 1581～ 1616nm的 L波段 35nm范围内获得了大于 28dB的增益和小于 6 dB的噪声系数,其增益不平坦度小于 1dB,总的输出功率为 205dBm,功率转换效率为25 .其不平坦度明显低于无增益均衡器的情况.二是考虑抑制非线性的问题.由于碲基光纤的折射率远高于石英,相应的非线性系数也相对较高,这样会导致信号在 EDTFA易产生四波混频（FWM）和交叉相位调制 (XPM)非线性效应.总体而言,实验结果是符合通信要求的.
三、掺铥光纤放大器（TDFA）
EDFA和 L波段的 EDFA只覆盖了从 1530～ 1610nm的范围,已不能满足未来宽带网络的需求.而在 S波段,石英单模光纤色散和损耗小,光纤弯曲所引起的损耗也低于 C波段和 L波段,因此开发适用于 S波段放大的 TDFA成为目前光通信领域研究的热点之一.
TDFA是在氟化物光纤的纤芯中掺入稀土元素铥（Tm3+）,利用感应辐射原理作成的,可采用单波长泵浦和双波长泵浦.采用单波长泵浦可在 1450nm～ 1480nm和 1480～ 1510nm实现增益放大,优点是光源单一,结构简单,缺点是功率转换效率低.采用双波长泵浦方式,一是提高了功率转换率,二是获得增益谱线迁移,但其结构复杂、成本较高.为了实现增益光谱的平坦性和大功率输出,
TDFA目前研究的主要问题是如何实现增益迁移,提高放大器的功率转换率.相信,随着 TDFA的持续发展,这种作为宽带重要组成部分的放大器会有更为广阔的应用前景.
四、结束语
现阶段,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.EDFA是掺杂光纤放大器中被应用最广泛的,也是放大器的主要选择.EDFA主要从C-Band向 L-Band发展；将局部平坦的 EDFA与光纤拉曼放大器进行串联使用,获得超宽带的平坦增益放大器.对于EDTFA、TDFA、PDFFA等其他掺杂光纤放大器的放大技术方面还有甚多课题有待开发,同时在应用方面的潜能也很大,仍需要开拓.
参 考 文 献
[1]孙学康,张金菊 .光纤通信技术 [M].北京：北京邮电大学出版社,2001.68～ 70.
[2]戴世勋,张军杰,杨建虎等 掺铒碲基光纤放大器最新研究进展 [J]光纤与电缆及其应用技术,2004,(1):1~4.
放大器论文参考资料：
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