光纤放大器

时间：2023-10-18 百科知识版权反馈

【摘要】：光纤放大器的关键部件是掺稀土元素的光纤，如掺铒、掺镨等稀土元素的光纤。光纤放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要里程碑。在光纤放大器出现之前，光纤通信的中继器无一例外地采用光电光变换方式，导致通信系统复杂化，进而导致系统的效率降低、造价提高及其他一些问题的出现。掺铒光纤放大器主要由掺铒光纤、泵浦激光器、波分复用

任务一　光纤放大器

◆知识点

¤　光纤放大器的工作原理

¤　各类光放大器的特点

¤　光纤放大器的构成和泵浦方式

¤　光纤放大器的应用

¤　各类光纤放大器

◆任务目标

¤　了解光纤放大器的工作原理及各类光放大器的特点

¤　掌握光纤放大器的构成和泵浦方式

¤　掌握光纤放大器的应用

¤　了解各类光纤放大器的应用

任务导入：

我们总是希望能将光信号不失真地传送得越远越好，然而，由于光纤损耗和色散的存在，在传输过程中光信号的幅度会越来越小，光脉冲的宽度会越变越宽，从而限制了光纤通信系统特别是大容量光纤通信系统的传送距离。因此长途光纤传输系统需要每隔一定的距离就增加一个再生中继器，以保证信号的质量。传统的再生中继器的基本功能是进行光—电—光转换，并在光信号转变为电信号时进行再生、整形和定时处理，这种3R（Reshaping，Regenerating and Retiming）的处理过程显然是很复杂且成本上是很昂贵的。能否去掉上述过程直接在光路上对信号进行放大，是人们一直在探索的问题。20世纪80年代末光纤放大器尤其是掺铒光纤放大器（EDFA）的出现，使这一问题得到有效的解决。

相关知识：

1.光纤放大器的工作原理

光纤放大器的关键部件是掺稀土元素的光纤，如掺铒、掺镨等稀土元素的光纤。现在以掺铒光纤为例来说明光纤放大器的工作原理。为此，我们先介绍一下有关光的吸收和发射问题。

我们知道，原子一般状态下是处于基态或低能态E1的。当它吸收一个能量适当的光子hv后，会上升到激发态或高能态E2。E1和E₂之间的能量差正好等于所吸收的光子的能量hv。

　　　　　　　　　E₂-E₁＝hv　　　　　　　（4.1）

其中h为普朗克常数，v为被吸收的光子或光波的频率，如图4.1（a）所示。使原子从低能态上升到高能态的过程叫泵浦或抽运。这种通过吸收光子即用光来进行抽运的方法叫光泵浦。处于高能态的原子是不稳定的，它会跃迁返回低能态。返回的方式可能是无辐射跃迁，其多余的能量以热或声子的形式而不是以光的形式释放出来；也可能是辐射跃迁，其多余的能量是以光子或光波的形式向外释放的，也就是说，在跃迁返回时将外发射一个光子hv，其能量为两能态之间的能量差E2-E₁。这种辐射跃迁有两种方式，一种是自发辐射，一种是受激发射。所谓自发辐射，是指在没有任何外界因素影响的情况下，处于高能态的原子经过一段时间后会自然而然地掉下来回到低能态而发射一个光子hv，如图4.1（b）所示。原子停留在某一高能态的时间，称为原子处于该高能态的寿命。而所谓受激发射，是指处于高能态E₂的原子在受到能量正好为hv＝E₂-E1入射光子的影响或诱发时，从高能态E2跃迁返回低能态E₁，同时发射一个光子hv。该受激光发射的光和入射光同频率、同相位，而且方向相同，如图4.1（c）所示。这种辐射又称为相干辐射。利用这种受激发射输入一个入射光子，可以得到两个光子输出，于是使入射光得到了放大。光纤放大器就是利用这种受激发原理来放大光信号的。

图4.1　光的吸收和发射

如果我们能找到一种材料，该材料元素的原子或离子中存在这样两个能级E2和E1，它们之间的能量差E2-E1正好等于频率为v的信号光子的能量hv，或者说它正好等于波长为λ的信号光波的能量hc／λ，其中c为光速，那么，在适当的时机采用适当的方法将它们抽运到高能态E₂后，一旦信号光波到来，它们就会被信号光感应从高能态E₂跃迁下来返回到低能态。

①处于低能态E1的原子吸收一个能量为hv的光子上升到高能态E₂；

②处于高能态E2的原子自发发射一个光子hv回到低能态E1；

③处于高能态E2的原子在入射光hv的影响下发射一个和入射光同频率同相位同方向的光子hv返回低能态E1。

信号光感应从高能态E2跃迁下来返回到低能态E₁，从而诱发发射出一个和信号光波完全一样的光波，使信号光得到放大。铒掺杂光纤放大器EDFA中的铒（Er）离子就起这种光放大作用。EDFA是英文Erbium-Doped Fiber Amplifier（铒掺杂光纤放大器）字头的缩写。铒是一种稀土元素，将它作为激活离子掺进光纤芯中，使光纤成为能对波长λ＝1550nm的光进行放大的增益介质。图4.2是简化了的铒掺离子的能级图，它是一种三能级系统。波长λ_P＝980nm的泵浦光将处于基态（4I_15／2）的铒离子抽运到高能态（4I_11／2），然后经过无辐射跃迁到达亚稳态（4I_13／2）。亚稳态是寿命较长的能态，铒离子可以停留在亚稳态等到外部有波长λ_S＝1550nm的信号光到达时，被该信号光诱发而从亚稳态感应跃迁回到基态，其相应的能量差将以光的形式辐射出来，发射出光波。该光波和入射诱发的信号光波的波长一样（1550nm）且是同相位的，从而使入射的1550nm光信号通过铒光纤得到放大。

图4.2　铒离子的能级图

2.光纤放大器的种类和比较

光纤放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要里程碑。在光纤放大器出现之前，光纤通信的中继器无一例外地采用光电光变换方式，导致通信系统复杂化，进而导致系统的效率降低、造价提高及其他一些问题的出现。因此，长期以来人们一直致力于全光型中继器（即无需光电和电光转换的直接光放大式中继器）的研制。先后推出多种光放大器形式：

①利用光纤非线性效应制作的常规光纤光放大器，如拉曼放大器；

②利用半导体制作的半导体光放大器；

③利用稀土掺杂的光纤放大器。

表4.1列出了这几种光放大器的工作原理、激励方式及优缺点等。

表4.1　几种光放大器的比较

（1）传输光纤光放大器

所谓常规光纤光放大器就是用传输光纤制作的光放大器，这种光纤放大器是利用光纤的三阶非线性光学效应（如受激拉曼和受激布里渊散射、四波混频等）产生的增益机制而对光信号放大。因此，它的特点是传输线路和放大线路同为一体（都是光纤），或者说它是一种分布参数式的光放大器；其主要缺点是由于单位长度的增益系数很低，因此需要很高的泵浦光功率，故不利于在高速大容量光纤通信系统中使用。但是这类光纤放大器特别是拉曼光纤放大器，为1270～1670nm整个波段的放大展现了美好的前景。

（2）半导体光放大器

①特点

半导体光放大器具有和激光二极管相同的结构、相同的材料和相同的工作机理，唯一不同的是两个端面反射率的大小。显然，这种光放大器有以下特点：

a.尺寸很小，长度在100μm～1mm之间；

b.增益高，一般在15～30dB；

c.频带宽，一般在50～70nm。

因此，可对ps量级的光脉冲放大，特别适合于光子集成和光电子集成使用，但也存在一些问题。

②主要问题

a.与光纤耦合损耗大，一般为5～8dB；

b.增益与偏振态、温度等有明显依赖关系，因此稳定性差；

c.增益的恢复时间为ps量级，这对高速传输的光信号产生不利影响；

d.输出功率小；

e.噪声系数较大。

（3）稀土掺杂光纤放大器

稀土掺杂光纤光放大器是利用光纤中稀土掺杂物质引起的增益机制实现光放大的。光纤通信系统最感兴趣的稀土掺杂光纤放大器是工作波长为155nm的铒（Er）掺杂光纤光放大器（EDFA）和工作波长为1300nm的镨（Pr）掺杂光纤光放大器（PDFA）。目前，已商品化并大量应用于通信系统的是EDFA。PDFA的放大波段在1300nm并与G-652光纤的零色散点相吻合，在已建的1.3μm光通信系统中有着巨大的应用市场，但因掺镨光纤的机械强度和与普通光纤熔接困难等因素，目前尚未获得广泛的商业应用。工作在1.4μm波段的掺铥光纤放大器（TDFA）为传输开辟了新的波段资源，它和EDFA组合可以实现超带宽合波传输。

3.光纤放大器的构成及泵浦方式

我们现在以掺铒光纤作用为增益介质为例来说明光纤放大器的构成及泵浦方式。掺铒光纤放大器主要由掺铒光纤、泵浦激光器、波分复用器（WDM）、光学隔离器组成，如图4.3所示。泵浦激光二极管发出的波长λ_S＝980nm的泵浦光经波分复用器WDM（Wavelength Division Multiplexer）进入掺铒光纤中；同时，波长为λ_S＝1550PMBKnm的信号光通过光隔离器也进入掺铒光纤中。掺铒光纤是增益介质，在有泵浦光照射的情况下，能将泵浦光转换成为信号光，使输入信号光的掺铒光纤中得到放大，然后再经过波分复用器WDM和光反方向通过，利用光隔离器可以提高泵浦光的泵浦光的泵浦效率，同时防止输出光返回光纤放大器中产生不良的干扰。波分复用器（WDM）的作用是把不同波长的光输入光纤中或从光纤中按不同波长将光分离出来。

图4.3　光纤放大器的组成

光纤放大器的泵浦方式有三种：前向泵浦、后向泵浦和双向泵浦。在前向泵浦方式中，信号光和泵浦光沿同一方向传输；在后向泵浦方式中，信号光和泵浦光沿相反方向传输；在双向泵浦方式中，泵浦光沿两上方向同时进入光纤放大器，如图4.4所示。

一般来说，光纤放大器的泵浦光波长不止一个。例如，在掺铒光纤放大器中，除了前面所说的980nm波长的光可以作为泵浦光外，670nm、800nm及1480nm的光也可作为掺铒光纤放大器的泵浦光波，如图4.2所示。用1480nm的光作为掺铒光纤放大器的泵浦源的优点是这种光源的可靠性较好，因为对这种由InGaAsP材料制作的半导体激光器已积累了较丰富的经验，这种光源的量子转换效率也较高；另外，铒掺杂光纤在1480nm这一波段吸收带较宽，因此，对泵浦光源的波长稳定性的要求可以降低。铒掺杂光纤在980nm波长的吸收带虽然不如在1480nm宽，但在这一波段它对小信号输入的增益系数（每毫瓦泵浦光所获得的增益）较高且噪声因子最低，对作为980nm波长泵浦源的半导体激光器来说，每单位浦激光二极管是GaInAs／GaAs材料制作的，它比由InGaAsP材料制作的1480nm半导体激光器的可靠性略差一点。泵浦掺铒光纤放大器的高功率功光670nm二极管激光器是由Al-GaInP材料制作的，这种红光半导体激光器的优点是输出功率较高，可以大规模生产，成本较低。虽然800nm的光也可以用于泵浦掺铒光纤放大器，但这类光源由于存在下面所说的激发吸收问题，因此不适合用来作为掺铒光纤放大器中的泵浦光源。

图4.4　光纤放大器的三种泵浦方式

在光纤放大器中，掺稀土元素的光纤是光纤放大器中的关键部件。光纤放大器的性能主要取决于掺稀土元素的光纤的性能。通过同时掺入几种杂质即共掺杂的方法可以改善光纤激活有源介质的性能。例如，掺铒光纤中同时掺入锗，可以提高掺铒光纤放大器的增益；若同时掺入铝，则可以增宽它的吸收带，提高泵浦效率，降低对泵浦光源波长稳定性的要求。掺铝可以增加铒在硅酸盐中的溶解度，从而提高铒光纤的铒掺杂浓度。提高掺铒的浓度，可以在保证充分利用吸收泵浦光的条件下，使铒光纤尽可能短。但提高掺铒的浓度又使附加损耗增加。从改善光纤放大器损耗的角度来看，应当降低掺铒的浓度，但掺铒的浓度较低，又使光纤对泵浦光的吸收减少，增益降低。为了维持增益，又需要增加光纤的长度。总之，为了改善掺稀土元素的光纤的性能，需要综合考虑各种因素，以便达到性能最佳化。

4.光纤放大器的应用

如图4.5所示，光纤放大器有三种主要用途：光功率放大、光中继放大和光前置放大。

（1）作为光功率放大器（BA：Booster Amplifier）使用

将光纤放大器放在发射端光源之后，放大输入到光纤中的光功率。利用这类光纤功率放大器，可以提高光纤通信系统发射端实际进入光纤中的光功率，减轻了对光源输出功率要求高的压力，也解决了将高功率的光从光源有效地注入光纤的耦合问题。

图4.5　光纤放大器的三种主要用途

（2）作为在线（In-line）放大器或中继放大器使用

将光纤放大器放在传输线的中间，在信号传输路途上对光信号进行放大。利用这类光纤在线放大器，可以取代传统的光—电—光中继器，从而实现全光纤通信。

（3）作为光前置放大器（PA：Preamplifer）使用

将光纤放大器放在接收端光电探测器的前面，在光电探测器进行光电转换之前先对从传输光纤中来的光信号进行放大。这类光纤前置放大器，由于是将它放在光电探测器的前面，光电探测器及其后面的电子放大器的热噪声不会引入其中被放大，因此，利用这类光纤前置放大器，可以提高光纤通信系统接收端的信噪比。

5.各类光纤放大器的介绍

（1）掺铒光纤放大器

掺铒光纤放大器（EDFA）的工作波长为l550nm，与光纤的低损耗波段一致，是最具吸引力和最为成熟的光纤放大器。它具有如下优点：

（a）EDFA的信号增益谱很宽，达30nm（每nm折合125GHz）或更高，可用于宽带信号的放大，尤其适合于密集波分复用（DWDM）光纤通信系统。

（b）光纤放大器可以用来控制现有通信网络的带宽利用率。目前已有人通过级联的24dBm的光纤放大器和DWDM技术在一根光纤中传输10Gb／s×128路的数据流，使单模光纤的总数据率达到太比特以上（Tb／s）。在密集波分复用（DWDM）系统中，高饱和功率的EDFA可用来弥补每个通道的光损耗，扩展带宽载波能力。由于光纤放大器对信号光功率的放大与信号的码率无关，所以使用光纤放大器的网络可以在现存的网络基础上增加发射机，以满足未来对带宽的需要，这样可以节省昂贵的发射设备并灵活地升级现存的网络，从而降低预算成本及相应的工程造价。

（c）EDFA具有较高的饱和输出功率（10～20dBm），可用做发射机后的功率放大，提高无中继线路传输距离或分配的光节点数。网络设计者通过选用大功率的光纤放大器可以使系统具有足够的富裕度，为以后的发展预留足够弹性。

（d）EDFA与光纤线路的耦合损耗小（＜1dB）。

（e）EDFlA具有较低噪声（4～8dB）。

（f）增益与光纤的偏振状态无关，故稳定性好。

（g）弛豫的时间很大（约10ms）。

（h）所需的泵浦功率低（数十毫瓦）。

①EDFA的结构和部件

一台实用的EDFA由光路和辅助电路两大部分组成，图4.6示出EDFA的典型结构。光路结构部分由掺铒光纤、泵浦光源、光合波器、光隔离器和光滤波器组成。辅助电路主要包括电源、微处理自动控制和告警及保护电路，辅助电路的协调工作是光放大器正常工作的前提。

图4.6　单泵浦EDFA的典型结构

a.掺铒光纤

掺铒光纤是EDFA的核心元件，它以石英光纤作基质材料，并在其纤芯中掺入一定比例的稀土元素铒离子（Er^3＋）。当一定的泵浦光注入掺铒光纤中时，Er^3＋从低能级被激发到高能级上，由于Er^3＋在高能级上的寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较低能级上，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。

稀土掺杂光纤的制法有溶解法、载体容器法、熔融法、管棒法、气相轴向淀积和铸造法。掺杂浓度在百万分之几十至百万分之几百。

b.EDFA的泵浦源和泵浦方式

EDFA的另一核心是泵浦源，它为信号放大提供足够的能量，使物质达到粒子数反转分布的必要条件。由于泵浦源直接决定着EDFA的性能，所以要求泵浦工作必须稳定可靠、寿命长。所以，EDFA的泵浦源主要是半导体激光二极管，其泵浦波长有820nm、980nm和1480nm三种。在商品EDFA中，应用最多的是980nm泵浦源，因为980nm激光二极管作泵浦源具有突出优点：噪声低、泵浦效率高、驱动电流小、增益平坦性好等。最近，980nm In-GaAs泵浦光源得到长足进展，功率高达数百毫瓦。

泵浦源有三种泵浦形式：

●　同向泵浦（或称前向泵浦）型：信号光与泵浦光以同一方向进入掺铒光纤，这种泵浦方式具有好的噪声性能。

●　反向泵浦（或称后向泵浦）型：信号光与泵浦光从两个不同的方向进入掺铒光纤，这种泵浦方式具有输出信号功率高的特点。

●　双向泵浦型：使用双泵浦源，两个泵浦源从两个相反方向进入掺铒光纤。由于使用双泵浦源，其输出信号功率比单泵浦源高3dB，且放大特性与信号传输方向无关。

c.合波器

合波器是EDFA的另一组成部件，它的功用是将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。要求它在信号光和泵浦光处有小的插入损耗，而且对光的偏振不敏感。合波器有时也称为波分复用器。

d.光隔离器和光滤波器

光隔离器的功用是使光的传输具有单向性，它能以极小损耗通过正向传输光，而以很大的损耗抑制反射光。对反射光的抑制大于40dB，使光放大器不受反射光影响，保证系统的稳定工作。

光滤波器的作用是滤掉光放大器中的噪声，提高系统的信噪比（S／N）。

e.辅助电路

在EDFA的辅助电路中，系统对电源的要求是比较高的，要求电源具有高的稳定性、小的噪声和长的寿命，一般采用开关电源。以微处理机为主的控制／监测系统监测泵浦激光器的工作状态、监测输入／输出光信号的强度，并适当调节泵浦的工作状态参数，使光放大器工作处于最佳状态。除此之外，辅助电路部分还包括自动温控和自动功率控制等保护功能的电路。有的辅助电路还具有通过计算机通信协议完成人机对话和对光放大器的网络监控功能。

②EDFA的主要应用方式

EDFA主要有三种应用方式，它们分别是用做发射机末级光功率放大、用做线路（在线）放大器和用做接收机预放。

a.系统发射机的末级功率放大器

可直接接在激光二极管后，将信号放大到10dBm以上，而不恶化调制信号。

b.系统线路放大器

直接接入光传输链路线路中作为在线放大器，或光中继器取代光—电—光中继器，实现光—光放大。这种系统线路放大器是全光通信系统和全光网络的关键器件，也是长距离传输和CATV光纤网的关键器件。

c.系统接收机预放

如采用光滤波器，EDFA的低噪声将极大改善直接检测式接收机灵敏度，可改善约10dB，接近或超过相干光接收机的最好水平。

③Er：Yb共掺杂EDFA

尽管EDFA具有巨大实用价值，然而EDFA所用的光泵浦源是980nm和1480nm激光二极管，这不仅限制其他泵浦源的使用，而且也限制了EDFA的高输出功率。如果将镱（Yb）加进到Er掺杂的光纤中，则可利用Yb^3＋吸收曲线的长波长区吸收，允许使用发射波长为1053nm的钕：钇锂氟化物（Nd：YLF）固体激光器作为共掺杂光纤放大器的泵浦源。这种Nd：YLF激光器可以使用输出功率高达几瓦的大功率AlGaAs激光二极管作为它的泵浦源。这一改进，除极大提高EDFA的最大饱和输出功率外，还极大提高ED-FA使用寿命和可靠性。由于最大饱和输出功率的提高，给EDFA带来许多新的应用。

上述好处要归功于Yb^3＋，由于Yb^3＋加进到Er掺杂光纤中，改变Er^3＋光纤的吸收特性，结果允许使用98nm和1480nm以外的泵浦源。例如，使用发射波长为797nm的AIGaAs激光二极管去泵Nd：YLF固体激光器，将AlGaAs激光阵列的797nm输出波长转换为Er：Yb共掺杂光纤所需的1053nm吸收光谱。这种泵浦波长的转换虽然增加了系统的复杂性，但却使797nm激光二极管的多空间模式得到提纯，使之输出为TEM00模式，这种TEM00模式可使进入单模光纤的光耦合效率提高到85%以上。

④氟化物和碲化物基EDFA

常规的EDFA用的掺杂光纤是掺铒的Si基光纤，它的增益平坦区较窄，仅1550～1560nm之间的10nm范围，而且在1530～1542nm之间，增益起伏很大，可达8dB。然而，掺铒的氟化物光纤放大器，其增益平坦区可扩展至整个铒通带（1530～1560nm），且带内增益起伏可从8出减至2dB，信噪比起伏从传统的5dB减至1.5dB。使用这种光纤放大器的系统无需使用增益均衡器便可获得1～1.5dB的DWDM增益平坦度。此外，Er掺杂的氟化物光纤放大器还具有比常规Er掺杂的SiO₂光纤放大器更高的饱和输出功率（典型值可达18～19dBm）。掺Er的氟化物光纤的玻璃组分为ZrF₄基或InF₃基氟化物玻璃，光纤芯径仅1.8～2.0μm，Er浓度的典型值为1000ppm（wt），长度一般为20m。此外，掺镨的氟化物光纤放大器还可工作于1.3μm波段。

Er掺杂的碲化物光纤放大器具有特别诱人的超宽增益带宽的特性，其增益带宽可达到80nm（典型值），该值较Er掺杂的SiO₂光纤放大值的带宽高出一倍以上，受到1.5μm光通信系统的青睐，特别适合于DWDM系统的光放大。

⑤EDFA的泵浦光源

泵浦光源是EDFA的重要组成部分，EDFlA对泵浦有两个基本要求：一是泵浦源的发射波长应对应于掺杂光纤的峰值吸收带，二是要有较大的输出功率。

可供EDFA的泵浦源波长有0.51μm、0.66μm、0.81μm、0.98μm和1.48μm，但实际采用的泵浦源多为0.98μm和1.48μm激光二极管。

a.0.98μm泵浦源

0.98μm泵浦源的吸收区为0.975～0.985μm，可用的波长范围仅10nm。因此，对泵浦源的波长限制较为严格。然而，在EDFA中仍喜欢采用0.98μm泵浦源，这是因为在相同泵浦功率条件下，0.98μm泵浦源在非饱和区有高的增益系数，比1.48μm泵浦源的增益大一倍，而且它的噪声系数可达3dB的量子限。因此，被公认为是最有前途的泵浦源，特别适合于作为高增益的前置放大泵浦源。提高功率的途径很多，例如增大有源区面积、作成激光器阵列、叠层等。然而，大功率激光器的端面损伤是器件灾变性退化的根本原因。近年来，利用端面镀膜、端面附近作宽带隙透明层、端面附近的条型扩展等种种方法使器件功率大为提高。

b.1.48μm泵浦源

1.48μm激光器泵浦源的吸收带在1.45～1.485μm，有30nm波长范围可利用。用1.48μm长做泵浦的特点是放大器有高的功率输出，适合用于需要较大功率输出的系统或遥泵系统。1.48μm泵浦源和1.3μm、1.55μm激光二极管一样，都是采用InGaAsP／lnP材料和类似结构制作的，因此工艺比较成熟。

由于InGaAsP材料激光器的输出功率与激射波长有关，在1.3μm附近的光输出功率最大，高于或低于该波长时，输出功率都会下降。当波长高于1.3μm时，波导区吸收增加，在高于1.5μm时，内部吸收损耗急剧增大。要想在1.48μm波长处获得大的功率输出是比较困难的。此外，激光器的输出功率还与器件的腔长有关，腔长越长，输出功率越大。因此，在一般情况下，要想获得较大功率输出的l.48μm激光器，其腔长必须在700～1500μm范围内，比常规激光二极管的腔长（～300μm）要长得多，但腔长过长又使阈值电流增加，这是不希望的。所以在确定腔长时要兼顾多种因素。输出端面的反射率也是影响输出功率的重要因素，一般情况下，1.48μm，激光二极管的前后端面都分别采用增透膜和高反射膜，使其前后端面的反射率分别为3%～10%和90%～100%。

⑥EDFA的发展目标

EDFA已大量应用于系统，特别是DWDM系统，但是EDFA的发展远未停止，其发展目标可归纳为两个，一是EDFA的宽带化，二是EDFA的大功率化。

a.EDFA的宽带化

早期的EDFA产品，虽然工作波段为1530～1550nm，但随着技术的进步，特别是稀土离子技术的进步，出现一系列波段的EDFA。在DWDM系统中，对l.5μm波段传输的波段常常划分为S波段（1450～1530nm）、C波段（1540～1580nm）和L波段（1570～1650nm）。为了在L波段也能实现宽带放大，也有利用比常规EDFA还长5～6倍的掺铒光纤，使高增益波段移到L波段。此外，为了扩大可利用的波段，除石英玻璃系列EDFA外，还正在开发氟化物玻璃系列和碲化物系列EDFA。

b.EDFA的大功率化

随着DWDM的波长数量的增加，要求不断增大EDFA的光输出功率，双包层光纤是实现大功率DFA的重要技术。信号光在中心的纤芯里以单模传播，而泵浦激光则在内包层中以多模传播。

EDFA的宽带化和大功率化已开始在系统中进行实验。EDFA的宽带化和大功率化在DWDM的应用方面取得重大进展，但目前仍存在着增益的波动问题，尚需在增益平坦性方向加以改进。

（2）镨掺杂光纤放大器

镨（Pr）掺杂光纤放大器（PDFA）是1.3μm波长工作的光纤放大器。为了能在1.3μm波长的有限资源中，也能开展远距离传输和DWDM业务，业界一直注视着1.3μm的光纤放大器的开发和应用。

①PDFA的光纤和泵浦源

能否采用石英玻璃光纤制作PDFA，一直是人们关心的问题。实验证明，石英玻璃光纤不能用来制作PDFA，这是因为石英玻璃材料具有大的声子能量，不能得到镨离子在1.3μm波长的发光。于是不得不改用各种成分组合的具有离子性和声子能量小的氟化物玻璃。所以，1.3μm用的PDFA的光纤是采用氟化物玻璃为原料作成的，经实验比较又发现铟（In）系列氟化物玻璃（InF₃）比锆（Zr）系列氟化物（ZrF₄）的光特性和量子效率均更优异。因此，目前PDFA所用的光纤基本是采用铟系列氟化物光纤，纤芯是PbF₂／InR₃基的氟化物玻璃，包层里InF₃基的氟化物玻璃，纤芯中掺Pr^3＋的浓度为0.05%。但因氟化物光纤的耐气候性较差，为此必须采用真空密封型的氟化物光纤。

②PDFA在系统中的应用

就应用而言，PDFA在系统上的实验也取得较大进展，已经实现在1.3nm波长的DWDM系统上利用PDFA进行10Gb／s、8波的DWDM传输，传输距离为240km。DWDM系统有8个信道，每个信道输入信号光为6dBm。整个系统在10^-9误码率时测得功率偏差平均为1.5dB，最差为2dB，这些实验数据表明PDFA在系统中的应用已达到实用水平。

（3）铥掺杂光纤放大器

随着通信容量不断扩大，加上光网络的高功能化的迅速发展，人们对开发1.4μm波段利用的可能性寄予了很大希望。

光纤在1.4μm波段的损耗也较低，甚至在比1.45μm更短的波长中，其光纤的传输损耗也在0.25dB／km以下。所以这一波段很适合于中、长距离通信使用。尤其是与EDFA或增益位移EDFA（GS-EDFA）并用时，就可使信号的工作波段扩大2～3倍，这是一个十分诱人的资源。另外，对现已敷设的色散位移光纤（DSF）来说，在1450nm波长时的色散也只有6～9ps／nm·km，如能在此波段进行DWDM传输，就可避免1550nm波长传输的四波混合失真的限制。

鉴于上面的原因，便出现工作在1.4μm波段的掺铥光纤放大器（TDFA）。

TDFA是指在光纤的纤芯中掺入稀土离子铥（Tm，Tm在玻璃中为3价离子）并利用感应辐射原理做成的光纤放大器。为了提高泵浦效率，采用了上变换激励法和再添加其他稀土元素如钬（Ho）、铽（Tb）的同掺法，以达到防止放大效率恶化和抑制800mm波长的自发放大辐射。

掺铥光纤（TDF）是氟化物玻璃光纤，因为氟化物玻璃光纤具有较低多声子辐射率，对提高放大效率有利。

TDFA的主要应用是DWDM系统，对TDFA的主要要求是有较好的增益光谱平坦性和较大的功率输出。但在TDFA的1450～l480nm波段中，增益偏差相对于峰值竟有近27%左右。所以，要在此波段内利用TDFA，必须进行增益均衡。

由于TDFA的研制成功，TDFA和EDFA的多波段合波DWDM传输成为现实。

（4）拉曼光纤放大器

在光纤放大器中，值得注意的动向是，拉曼光纤放大器（RFA：Raman Fiber Amplifer）已开始在光纤线路上实际应用。

拉曼光纤放大器的出现，将会对光纤放大器和光纤传输产生重大的影响。人们对拉曼光纤放大器的兴趣来源于这种放大器可以提供整个波长波段的放大。通过适当改变泵浦激光光波的波长，就可达到在任意波段进行光放大的宽带放大器，甚至可在1270～l670nm整个波段内提供放大。拉曼光纤放大器已在三个波段内获得成功：第一是在1.3μm波段对CATV光纤线路提供光放大；第二是对全波（All Wve）光纤在1.40μm波段窗口的DWDM系统提供有用放大；第三是对真波（True wave）光纤在1.55μm波段窗口的光放大。此外，拉曼光纤放大器与EDFA的组合运行已在400km光纤长途线路上实现40Gb／s×40（共计1.6Tb／s）的传输实验。这充分说明，拉曼光纤放大器的强大生命力和即将全面进入实用阶段。

拉曼光纤放大器的工作原理是建立在光纤的拉曼效应的基础上，当向光纤中射入强功率的光信号时，输入光的一部分能变换成比输入光波长更长的光波信号输出，这种现象称为拉曼散射。这是由于输入光功率的一部分在光纤的晶格运动中消耗所产生的现象。如果输入光是泵浦激光，则变换波长的光又称为斯托克斯（Stokes）光或自发拉曼散射光。当把与斯托克斯光相同的光输入到光纤中，会使波长变换更加显著（即感应拉曼散射）。例如，在光纤中射入小功率1550nm光信号时，光纤输出的光是经光纤传输衰减的光，如图4.7（a）所示，此时，如果在输入端同时再射入强功率的1450nm光信号，则1550nm的光功率会明显增加，如图4.7（b）所示，这说明由于光纤拉曼散射的缘故，使1450nm光的一部分已变换成1550nm光。应用这一原理做成的光纤放大器称为拉曼光纤放大器。如果用多个波长同时泵浦拉曼光纤放大器就可获得波长位移几十纳米到100纳米左右的超宽带放大波段。

图4.7　光纤拉曼放大器示意图

知识应用：

EDFA的级联使用

长距光纤传输系统中，采用EDFA的级联方式，图4.8是一个三级EDFA级联的实验系统结构图。如图所示，光发射机为外调制方式，光源采用1550nmDFB LD，RIN＜-160dB／Hz，工作在直流偏置方式下。信号源采用50路AM-VSB电视矩阵信号发生器，CNR＞65dB。采用980nm光源泵浦EDFA，泵浦功率70mW，掺铒光纤长20m。三级EDFA参数如下：