简介

光纤放大器

光纤放大器技术就是在光纤的纤芯中掺入能产生激光的稀土元素，通过激光器提供的直流光激励，使通过的光信号得到放大。传统的光纤传输系统是采用光—电—光再生中继器，这种中继设备影响系统的稳定性和可靠性，为去掉上述转换过程，直接在光路上对信号进行放大传输，就要用一个全光传输型中继器来代替这种再生中继器。适用的设备有掺铒光纤放大器（EDFA）、掺镨光纤放大器（PDFA）、掺铌光纤放大器（NDFA）。目前光放大技术主要是采用EDFA。

分类

90年代初期，掺铒光纤放大器（EDFA）的研制成功，打破了光纤通信传输距离受光纤损耗的限制，使全光通信距离延长至几千公里，给光纤通信带来了革命性的变化，被誉为光通信发展的一个“里程碑”。那么，究竟什么是光纤放大器呢？　根据放大机制不同，OFA可分为两大类。

掺稀土OFA

制作光纤时，采用特殊工艺，在光纤芯层沉积中掺入极小浓度的稀土元素，如铒、镨或铷等离子，可制作出相应的掺铒、掺镨或掺铷光纤。光纤中掺杂离子在受到泵浦光激励后跃迁到亚稳定的高激发态，在信号光诱导下，产生受激辐射，形成对信号光的相干放大。这种OFA实质上是一种特殊的激光器，它的工作腔是一段掺稀土粒子光纤，泵浦光源一般采用半导体激光器。

当前光纤通信系统工作在两个低损耗窗口：1.55μm波段和1.31μm波段。选择不同的掺杂元素，可使放大器工作在不同窗口。

（1）掺铒光纤放大器（EDFA）

掺铒光纤放大器由一段掺铒光纤和泵浦光源组成，如图1所示。掺铒光纤是在石英光纤的纤芯中掺入适量浓度的铒离子（Er3+），泵浦源的作用是给铒离子提供能量，将它从低能级“抽运”到高能级，使其具有光学

增益功能。没有泵浦光作用时，Er3+离子的能量状态称为基态；吸收泵浦光能量后，Er3+便处于较高能量状态，即由基态跃迁到激发态。由于处于该高能态的寿命很短，将迅速过渡到较低的激发态，Er3+处于激发态的寿命长得多，被称为亚稳态。当Er3+从亚稳激发态跃迁回到基态时，多出来的能量转变为荧光辐射，辐射光的波长由亚稳态与基态的能级差决定。在1550nm波段上，在泵浦源不断作用下，处于亚稳激发态的Er3+不断累积，其数量可超过仍处于基态的离子数。当高能态上的粒子数超过低能态上的粒子数时，达到了粒子数反转状态。只有在这种状态下才可能有光放大作用。如入射光信号的光子能量相当于基态和亚稳态之间的能量差，即其光波长与上述辐射光的波长相同，它将同时引发由基态→亚稳态的吸收跃迁和由亚稳态→基态的发射跃迁，吸收跃迁吸收光能，发射跃迁发射光能，吸收和发射光能的大小各与基态和亚稳态的粒子密度成正比。由于粒子数反转的缘故，总的效果是发射的光能超过吸收的光能，这就使入射光增强，而得到了光放大。

掺杂光纤放大器的一个重要问题是选择合适的泵浦源。掺Er3+石英光纤在550、650、810、980和1480nm等处存在吸收光谱带，原则上都可选为泵浦光波长。但由于980nm和l 480mn光波长的光泵浦效率最高，故多采用。980nm泵浦源选用InGaAs/AlGaAs半导体激光器，1 480nm泵浦源选用GalnAsP/Inp半导体激光器，它们的光功率一般为数十至上百亳瓦。采用980nm的泵浦源还有噪声低的优点，而1 480mn泵浦源由于与信号光波长相近，耦合方便。

光纤通信的另一重要的低损耗窗口是1 300nm波段。掺钕离子（Nd3+）的氯化物玻璃光纤可构成工作于这一波段的掺钕光纤放大器。

光纤放大器要求增益高，工作频带宽、噪声低。掺铒光纤放大器已实用化，其典型值：小信号增益30dB，带宽32nm，噪声系数5dB。

掺铒光纤放大器是光纤通信技术的一项重大突破，它可免除常规光纤通信技术在中继站进行光一电一光变换而延长中继距离，使常规的光纤通信提高到一个新的水平。对推动密集波分复用、频分复用、光孤子光纤通信、光纤本地网和光纤宽带综合业务数据网的发展起着举足轻重的作用。

（2）掺镨光纤放大器（PDFA）

PDFA工作在1.31μm波段，已敷设的光纤90%都工作在这一窗口。PDFA对现有光通信线路的升级和扩容有重要的意义。目前已经研制出低噪声、高增益的PDFA，但是它的泵浦效率不高，工作性能不稳定，增益对温度敏感，离实用还有一段距离。

非线性OFA

非线性OFA是利用光纤的非线性效应实现对信号光放大的一种激光放大器。当光纤中光功率密度达到一定阈值时，将产生受激拉曼散射（SRS）或受激布里渊散射（SBS），形成对信号光的相干放大。非线性OFA可相应分为拉曼光纤放大器（SRA）和布里渊光纤放大器（BRA）。目前研制出的SRA尚未商用化。