文献综述-掺铒光纤放大器（EDFA）的研究与应用

文献综述前言：随着信息业务量的快速增长,语音、数据和图像等业务综合在一起传输,从而对通信带宽的容量提出了更高要求,但是无线电频谱和电缆带宽非常有限,其极限速率只有20Gb/s左右,使得这种综合传输受到了限制,即所谓的“电子瓶颈”。光作为信息传输的载体带宽可达30THz以上,但是由于量子效应导致光纤线路中各种复用/解复用和光电/电光转换器件处理电信号时仍存在着速率“瓶颈”,限制了信息的传输速率。进入20世纪90年代,以光波分复用(WDM)为基础的全光通信网(AON)成为人们研究的热点。目前全光通信的研究还处于起步阶段,许多技术难点需要克服。虽然光纤放大器不能解决全光通信中所有的技术难点,但是对光纤放大器的研究可以解决全光通信系统中许多关键技术。掺铒光纤放大器的出现，是光纤通信发展史上的重要里程碑。克服了传统的光—电—光中继方式导致的通信系统复杂化、效率低、造价高等问题，迅速成为光通信网络中的重要器件，获得了广泛的应用，极大地推动了WDM/DWDM通信系统发展。WDM/DWDM通信系统的发展，又对EDFA的性能提出了更多的要求，譬如要求光纤放大器具有更大的带宽，智能化的增益控制、功率控制等。正文：自从有了人类，就有了信息交流和传递的需要。我国古代的狼烟和烽火可以说是最早的利用光进行信息传递的方式。随着科技的进步，电话、电报一直到目前连接全球的因特网，通信技术，特别是近代通信技术，经历了一个从低频到高频，从高频到微波进而到达光频的演变过程。通信技术在人类社会起到了越来越大的作用，成为这个信息时代的支柱技术。光纤通信技术的诞生和发展是电信史上的一次重要革命，二十多年以来，在经历了三代进化之后，它正以超摩尔定律的速度向前发展。目前世界上80％以上的信息是通过光纤传送的，未来的传送网必然是建立在光纤通信技术之上的。近年来，信息和通信技术的飞速发展，光纤放大器的研究和发展又进一步扩大了增益带宽，将光纤通信系统推向了高速率、大容量、长距离方向发展。由于光纤放大器的独特性能，在DWDM传输系统、光纤CATV和光纤接入网中有着广泛的应用。密集波分复用系统在光纤传输系统中已成为技术主流，作为DWDM系统核心器件之一的光纤放大器在其应用中将得到迅速发展，这主要是由于光纤放大器有足够的增益带宽，它与WDM技术相结合可迅速简便地扩大现有光缆系统的通信容量，延长中继距离。在光纤接入网中，尽管用户系统的距离较短，但用户网的分支太多，需要用光纤放大器来提高光信号的功率以补偿光分配器造成的光损耗和提高用户的数量，降低用户网的建设成本。光放大器就是放大光信号。在此之前，传送信号的放大都是要实现光电变换及电光变换，即O/E/O变换。有了光放大器后就可直接实现光信号放大。光放大器的开发成功及其产业化是光纤通信技术中的一个非常重要的成果，它大大地促进了光复用技术、光孤子通信以及全光网络的发展。光放大器目前主要有三类：半导体光放大器（SOA），掺稀土类放大器（主要是掺铒光纤放大器EDFA，掺镨光纤放大器PDFA，掺铥光纤放大器TDFA等），非线性效应光纤放大器（主要是光纤拉曼放大器FRA，光纤布里渊放大器FBA等）［6］掺镨光纤放大器工作于普通光纤的零色散波长附近的1310nm波段窗口，对现代光通信系统的升级扩容具有重要意义，实验中得到的传输比特率可达10GB/s。由于受激发射发生在镨的两个激发态之间，PDFA泵浦效率很低，典型值小于0.2dB/mW。但由于使用的掺杂光纤与石英光纤熔接困难，插入损耗大；掺镨光纤本身强度差、制造困难，同时PDFA温度稳定性不好。这些特性限制了其实际应用［13］。掺铥光纤放大器工作于1450nm附近波段，利用低粒子反转和使用较长的光纤产生增益位移，可以在整个S波段实现高增益的放大。有实验获得了大于25dB的小信号增益。为了提高放大效率，采用了在氟化物玻璃光纤中掺入铥元素的方法，实验证明可获得高于40％的转换效率。TDFA可以得到大的饱和输出功率，同时增益与偏振无关，噪声指数也较低，可小于7dB。但是TDFA也具有没有合适波长的泵浦源，与硅光纤熔接困难等缺点。随着研究的深入，TDFA一定可以在WDM通信扩容中获得应用［13］。掺铒光纤放大器在光通信网络中获得了广泛的应用，是因为其具有其他类型的放大器所不具有的优点。传统的掺铒光纤放大器一般工作在1.55um窗口的C波段（1530nm~1565nm)，光纤在该窗口有最低的损耗系数(仅O.ZdB/km)。适合于此波段的EDFA具有增益高、噪声低、高功率输出、偏振无关、信道串扰小，对传输码率与格式及系统升级透明等特点，因此最受众人关注，无论从理论还是实用方面都最为成熟。从1989年开始，掺饵光纤放大器就成为新一代高容量海底及陆地光通信系统发展的催化剂。1989年首次完成了掺饵光纤放大器的首次海底光通信实验，几年以后，商品化的C波段EDFA就进入市场，使得各大电信公司纷纷摒弃以前复杂昂贵的电中继器，原有通信容量几倍几十倍的提高。随着人们对更大通信带宽的需求，在传统C波段EDFA基础上发展起来的L波段EDFA(157onm一161onm)越来越成为人们研究的热点［3］。掺铒光纤放大器,是90年代后发展起来的一种新型光纤通信用器件。众所周知,当光在长距离传输时,由于受发送功率、接收机灵敏度,甚至色散等因素的影响和限制,使得光脉冲从光发射机输出经过光纤传输一定距离后,其幅度会受到衰减,波形也会出现失真。因此,要进行长距离的信号传输,就需要在光信号传输一定距离后加中继器,以放大衰减的信号,使光脉冲得到再生。掺铒光纤放大器的研制成功,标志着光纤通信技术进入了一个崭新的发展阶段。其特点如下:1)掺铒光纤放大器具有较高的饱和输出功率(10～20)dBm,可用作发射机后的功率放大。2)掺铒光纤放大器与光纤线路的耦合损耗小(小于1dB)。3)增益与光纤的偏振状态无关,故稳定性好。4)尺寸很小,长度在0.1mm～1mm。5)所需的泵浦功率低(数十毫瓦)。掺铒光纤放大器在全光通信系统中应用,可以省去大量的光中继机,而且中继距离也大为增加,这对于长途光缆干线系统具有重要意义。掺铒光纤放大器主要应用包括：1、可作光距离放大器。传统的\o"电子光纤"电子光纤中继器有许多局限性。如，数字信号和模拟信号相互转换时，中继器要作相应的改变；设备由低速率改变成高速率时，中继器要随之更换；只有传输同一波长的光信号，且结构复杂、价格昂贵，等等。掺铒光纤放大器则克服了这些缺点，不仅不必随信号方式的改变而改变，而且设备扩容或用于光波分复用时，也无需更换。2、可作不发送机的后置放大器及光接收机的前置放大器。作光发送机的后置放大器时，可将激光器的发送功率从0db提高到+10db。作光接收机的前置放大器时，其灵敏度也可大大提高。因此，只需在线路上设1-2个掺铒放大器，其信号传输距离即可提高100-200km。此外，掺铒光纤放大器待解决的问题掺铒光纤放大器的独特优越性已被世人所公认，并且得到越来越广泛的应用。但是，掺铒光纤放大器也存在着一定的局限性。比如，在长距离通信中不能上下话路、各站业务联系比较困难、不便于查找故障、\o"泵浦光源"泵浦光源寿命不长，随着光纤通信技术的不断进步，这些问题将会得到完满的解决。EDFA技术于90年代初走向成熟并被迅速投入商业应用。随后的研究继续更深入的展开，目标都是使EDFA有更好的工作特性。两个大的方面，一是对EDF材料的研究，为了获得更平坦的增益、更大的带宽；另一个是从系统的角度考虑，如何使EDFA具有更好的实用性，如采用不同的结构、对EDFA进行自动增益控制等。掺铒光纤放大器是将来很长一段时间内光纤通信系统中最具实用的价值无源光器件之一,掺铒光纤放大器的应用将推动高速光通信的发展,将在未来的高速全光通信系统中扮演重要的角色。因而研究掺铒光纤放大器是非常有前景事情，而且有着重要的意义。参考文献：［1］毛谦.我国光纤通信技术发展的现状和前景[J].人民邮电出版社，2006，22(8)2~4［2］马晓明，刘增基.两段级联掺铒光纤放大器的放大特性[J].西安电子科技大学学报，2003，30(3):102~114.［3］吴重庆.光通信导论[M].北京：清华大学出版社，2008.［4］董天临.光纤通信与光纤信息网[M].北京：清华大学出版社，2005.［5］孙强，周虚.光纤通信系统及其应用[M].北京：清华大学出版社；北方交通大学出版社，2004.［6］孙学康，张金菊.光纤通信技术[M].北京：人民大学出版社；2004.［7］包建新.光纤通信技术基础[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2008.［8］张宝富.光纤通信[M].西安：西安电子科技大学