关于光放大器的最新发展及应用

2004年6月第19卷第2期山东师范大学学报(自然科学版)Journal of Shandong Normal Universi ty(Natural Science)Jun.2004Vol.19No.2关于光放大器的最新发展及应用辛化梅1)薛林2)(1)山东师范大学物理与电子科学学院,250014,济南;2)海军工程大学信息与电气学院,433033,湖北武汉M第一作者32岁,女,讲师)摘要介绍了国际上光放大器的最新发展及应用,主要包括掺铒光纤放大器、Er3+:Yb3+共掺玻璃波导放大器、掺铥光纤放大器、光纤拉曼放大器及半导体光放大器,并指出相关光放大器的发展趋势.在光纤通信系统中,随着传输速率的增加,传统的O P E P O中继方式的成本迅速增加,于是,人们寻找用光放大的方法来代替传统的中继方式,并延长传输距离.光放大器能直接放大光信号,对信号的格式和速率具有高度的透明性,使得整个系统更加简单灵活,它的出现和实用化在光纤通信发展史上具有里程碑意义,使超高速、超大容量、超常距离的波分、密集波分、全光传输、光孤子传输等成为现实.光放大器大致可分三种:¹稀土掺杂光放大器,如掺铒光纤放大器(EDFA)、掺铥光纤放大器(TDFA)、掺镨光纤放大器(PDFA),Er3+:Yb3+共掺玻璃波导放大器(EDW A)等;º非线性效应光放大器,如光纤拉曼放大器(FRA)等;»半导体光放大器(SOA).目前,光纤通信的发展从电信光纤低损耗波长1550nm的C波段(1528~1565nm)向邻近波段L波段(1570~1610nm)、S波段(1450~1520nm)发展.可以说,随着光纤大容量、高速率传输技术的发展,对光放大器也提出了新的技术要求与挑战,促使其向高性能、宽带、多功能、智能化、标准化、低功耗、低价位发展.1掺铒光纤放大器(EDFA)EDFA是密集波分复用(DWDM)光纤传输系统的核心器件之一,是DWD M系统的传输链路的重要组成部分,其性能直接影响到系统的传输特性.EDFA以掺铒光纤为增益介质,利用980nm和1480nm泵浦作为泵浦光源,使铒离子Er3+粒子数反转,信号光入射使亚稳态Er3+粒子受激辐射,产生信号放大.EDFA的结构如图1所示[1]图1EDFA结构由图1可见,EDFA主要由掺铒光纤、泵浦光源、光耦合器、光隔离器以及光滤波器组成,而其主体部件是泵浦光源和掺铒光纤.按照泵浦光源的泵浦方式不同,EDFA又有三种不同的结构方式,即同向泵浦结构、反向泵浦结构及双向泵浦结构.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,使EDFA的增益和噪声性能都优于单向泵浦,但增加一个泵浦源,成本也增加很多.目前,对于常规通信段,多采用EDFA对光信号进行放大.EDFA具有饱和输出光功率高、信号增益大、工作带宽宽等特点,且在1520~1610nm都存在放大的可能性;缺点是带宽还不够大,在1530nm~1560nm波段才有较大且平坦的增益,这对WDM宽带宽传输系统放大有很大的限制,并且EDFA中光纤非线性限制入射功率,同时也限制信噪比的提高.在EDFA增益谱上还有潜在L波段的平坦增益谱,其波长范围为1570~1610nm,由于该波段远离铒离子的发射谱中心,增益明显低于C波段,因此其带宽资源一直没有被利用.目前,有以下几种光纤放大器来提高有用带宽[2]:碲化物EDFA、增益漂移碲化物EDFA、1580nm带宽EDFA、掺铥光纤放大器、Raman放大器,而对L波段的放大主要为以宽带放大特性见称的碲化物EDFA,碲化物EDFA是相干光放大器.在掺铒光纤放大器中,激励光和信号光的同向分量与正交分量受到同样程度的放收稿日期:2003-02-15大,影响了放大倍数的提高;而相干光放大器则让激励光与信号光的正交分量的相位不一致,使正交分量变弱,从而得到超低杂音的光放大器.碲化物EDFA 有50nm 增益带宽,增益光谱覆盖1550nm 和1580nm 两个增益波段区,能实现20dB 以上的均匀放大.目前,已用于C+L 波段的太比特传输实验系统放大.EDFA 是目前及未来一段时间放大器的主要选择,在骨干网和城域网/接入网中发挥着关键性作用,其发展趋势应是宽带宽、高功率、高增益、增益平坦、低噪声、多功能、EDFA+FRA 混合放大以及小型化.2 Er 3+:Yb 3+共掺玻璃波导放大器(EDWA)与现在光通信系统中应用较多的E DFA 和其他集成放大器技术(如SOA)相比,EDW A 有其独特的优势:与EDFA 比,它有更好的性能价格比;而相对于SOA 来说,EDWA 有很小的极化相关性,且不存在通道间串扰.总之,EDWA 既集中了EDFA 与SOA 的优点,又弥补了二者的缺陷,其结构如图2示[3].图2 EDWA 结构示意图基于光波导结构制作的EDW A 可成倍提高泵浦光功率密度和有效作用长度,在大大降低放大器阈值的同时提高单位长度的信号增益.EDWA 可非常容易的与分插复用器、光开关、光交叉连接器等损耗器件集成在同一基片上,从而制成多种光通信用集成有源器件,且提高了器件的可靠性.相信,随着EDW A 的持续发展,这种定位在城域网使用的光放大器会有更多的应用.3 掺铥光纤放大器(TDFA)随着计算机网络及其它新的数据传输服务的飞速发展,长距离光纤传输系统对通信容量和系统扩展的需求日益增长,原有的C 波段和L 波段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,S 波段是潜在的通信资源带宽,开发适合于S 波段放大的掺铥光纤放大器成为目前光通信领域研究的热点之一.TDFA 是通过在氟化物光纤的纤芯中掺铥(Tm 3+)制成的,可采用单波长泵浦和双波长泵浦.采用单波长泵浦可在1450~1480nm 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.OFC .2001中报导的TDFA [2],在1400nm 单泵浦下实现了对8@10Gb P s 的光信息流量中继放大,并使放大的光信号传输了120km;8个信道波段范围为1480~1510nm,增益大于26dB,能量转换效率为42%.采用双波长泵浦方式,一方面提高了功率转换效率,另一方面可获得增益谱线迁移,目前有四种双泵浦方式[4],即1.047L m P 1.55L m 、1.064L m P 1.117L m 、1.4L m P 1.56L m 、1.24L m P 1.4L m.Alcatel 公司报道采用1.24L m 和1.4L m 双泵浦方式[5],信号光采用8信道,波长范围1470~1500nm,在总的泵浦功率为410mW 下,功率转换效率高达48%,但其结构复杂,成本较高.目前,TDFA 的研究的主要问题是如何提高放大器的功率转换效率,实现增益迁移.相信随着信息技术和光通信技术的发展,作为宽带放大器重要组成部分的TDFA 必将有更为广阔的应用前景.4 光纤拉曼放大器(FRA)随着IP 业务的爆炸式发展,对光纤通信系统的容量需求不断提高,10Gb P s 系统已成为主流,40Gb P s 系统正加速开发,光纤拉曼放大器由于可在任意波长上提供宽带、低噪声的光放大,在高速、长距离波分复用光通信系统中扮演着越来越重要的角色.与EDFA 利用掺铒光纤作为其增益介质不同,FRA 利用系统中的传输光纤作为它的增益介质.FRA 的工作原理基于非线性光学效应的原理,利用强泵浦光束通过光纤传输时产生受激拉曼散射(SRS).光纤中的拉曼效应很早就引起了人们的注意,但由于没有合适的高功率泵浦源,一直未能实用化,随着大功率激光器的出现,使在光纤中利用拉曼效应成为可能.FRA 的增益波长由泵浦波102山东师范大学学报(自然科学版) 第19卷长决定,只要选择合适的泵浦波长,理论上可对任意波长的信号进行放大.FRA 主要分为两大类:分立式FRA 和分布式FRA.分立式FRA 所用的增益介质较短,通常在10km 以内,泵浦功率要求很高,一般要几w 甚至十几W,可产生40dB 以上的高增益,对信号光进行集总式放大,主要用于实现EDFA 无法实现的波段的放大;分布式FRA 所用光纤较长,一般为几十km,泵浦功率只需几百mW,与EDFA 结合使用,可提高DWD M 系统的性能,抑制非线性效应,提高信噪比,达到较理想的效果.分布式光纤拉曼放大器的结构如图3所示[6]. FRA 既可采用前向泵浦,也可采用后向泵浦,而后向泵浦噪声低、增益高、偏振依赖性小,所以一般采用后向泵浦.FRA 是目前唯一能实现1290~1660nm 光谱放大的器件,使现有的光纤线路提升到40G b P s 的关键器件,它不但能工作在EDFA 常使用到的C 波段,而且也能工作图3 分布式拉曼放大器的构成在S 波段和L 波段,完全满足全波光纤对工作窗口的要求,可以说,FRA 具有广泛的应用前景,必将成为下一代光放大器的主流.5 半导体光放大器(SOA)半导体光放大器的结构基本上是具有减反涂层界面的波导设计的半导体激光器,波导设计是为了产生于偏振无关的增益.低价格是SOA 的主要潜在优点,由于它本质上是一个带有增透涂层的半导体激光器,所以从原理上讲,SOA 的价格应大大低于EDFA 的价格;另外,新开发成功的磷化铟半导体光放大器不是放大一个窄带宽上的信号[7],而是能放大一组波长,即放大一个波段上的信号,并可以通过注入电流来改变放大增益,从而可均衡在网络不同节点上的增益.SOA 在非线性区有增益串扰问题,若SOA 工作在非线性区,则快速的增益动态变化将会引起多信道之间的串扰,解决的办法是让SOA 工作在线性区,提高饱和输出功率,使用一个内置的激光器结构作增益箝制.通过改变SOA 的偏置电流,既可以吸收也可以放大,而且具有高达50dB 的消光比及ns 量级的快速响应时间,这使SOA 用作光开关成为可能.多年以来,SOA 被EDFA 的成功所淹没,随着全光网络的发展,相信成熟的半导体光放大器技术会有更多的应用.6 结束语光放大器技术极大地推动了光纤通信的发展,而光传输网络的发展也为光放大器技术的发展提出更高要求.实验表明,由三个波段(S 波段、C 波段、L 波段)联合运用的大容量10Tb P s 的光纤传输系统是可行的,其中C 波段和L 波段使用E DFA,S 波段用TDFA,此外,还加用光纤拉曼放大器,相信随着信息技术和光通信技术的发展,宽带多波长光纤网络将成为信息网络的主流,而相应光放大方式必将由单一的放大模式向混合放大模式发展.7 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[2] 刘颂豪,陈伟成,罗爱平,等.从OFC2001看世界光纤通信的新发展[J].激光与红外,2001,31(6):323~327[3] 田贺斌,杨天心,王永强,等.光通信用Er 3+:Yb 3+共掺玻璃波导放大器[J].光通信研究,2002,113(5):58~62[4] 戴世勋,杨建虎,柳祝平,等.TDFA 最新研究进展[J]光线与电缆及其应用技术,2002,(3):12~16[5] ROY F,LEPLINGARD F.48%power conversion efficiency in single pump gai n -shi fted thuliumdoped fiber amplifier [J ].Electronics Letters,2001,37(15):943~945[6] 原 荣.光线分布式拉曼放大技术及其系统设计[J].光通信研究,2002,110(2):33~37[7] 张臣雄.全光网络的演进和发展[J].现代通信,2002,(4):3~6103第2期辛化梅等:关于光放大器的最新发展及应用。