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一．引言 在這個(gè)信息爆炸的時(shí)代，以因特網(wǎng)技術(shù)為主導的數據通信業(yè)務(wù)，使人們對于帶寬和服務(wù)的需求永無(wú)止境。面對市場(chǎng)需求的急劇擴張，如何提高通信系統的性能，增加系統帶寬，以滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的業(yè)務(wù)需求成為大家關(guān)心的焦點(diǎn)。在眾多可選擇的方案中，DWDM（波分復用）系統的出現為進(jìn)一步挖掘和利用光纖的巨大帶寬開(kāi)辟了一塊全新的天地。 早在光纖通信出現伊始，人們就意識到可以利用光纖的巨大帶寬進(jìn)行波長(cháng)復用傳輸，但是在20世紀90年代之前，由于TDM的迅速發(fā)展，人們很少去關(guān)注其它的技術(shù)，以致波長(cháng)復用技術(shù)一直沒(méi)有重大突破。直到1995年，當時(shí)人們在TDM10Gbit/s技術(shù)上遇到了挫折，眾多的目光就集中在光信號的復用和處理上，此后，DWDM系統才在全球范圍內有了廣泛的研究和應用。 DWDM系統既可用于陸地與海底干線(xiàn)，也可用于市內通信網(wǎng)，還可用于全光通信網(wǎng)。但DWDM系統在帶來(lái)巨大好處的同時(shí)也給系統設計、器件更新等方面帶來(lái)了極大的挑戰。對新型光放大器的需求更是這些挑戰中最關(guān)鍵的一項。 光放大器技術(shù)具有對光信號進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線(xiàn)、寬帶、高增益、低噪聲、低功耗以及波長(cháng)、速率和調制方式透明的直接放大功能，是新一代DWDM系統中不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)既解決了衰減對光網(wǎng)絡(luò )傳輸距離的限制，又開(kāi)創(chuàng )了1550nm波段的波分復用，從而將使超高速、超大容量、超長(cháng)距離的波分復用(WDM)、密集波分復用(DWDM)、全光傳輸、光孤子傳輸等成為現實(shí)，是光纖通信發(fā)展史上的一個(gè)劃時(shí)代的里程碑。 二．光放大器的歷史 任何新技術(shù)的發(fā)展都是一個(gè)漫長(cháng)的過(guò)程。光放大器的研究最早可追溯到1960年激光器的發(fā)明，但是真正實(shí)用化光放大器的研究卻是在1980年以后。這期間隨著(zhù)半導體激光器特性的改善，首先出現了利用半導體技術(shù)的半導體光放大器SOA（Semiconductor Optical Amplifier）的法布里——泊羅型（F－P）半導體激光放大器，并開(kāi)始對行波式半導體激光放大器進(jìn)行研究。另一方面，隨著(zhù)光纖技術(shù)的發(fā)展，出現了利用光纖非線(xiàn)性效應的光纖拉曼放大器。但在當時(shí)都沒(méi)有得到廣泛的應用。1987年，英國南安普敦大學(xué)和美國AT&T 貝爾實(shí)驗室報道了離子態(tài)的稀土元素鉺在光纖中可以提供1.55μm波長(cháng)處的光增益，這標志著(zhù)摻鉺光纖放大器（EDFA）的研究取得突破性進(jìn)展。短短幾年時(shí)間，EDFA迅速走向實(shí)用化，并且在越洋長(cháng)途光通信系統中得到應用。這期間由于光纖放大器的問(wèn)世，在1990年到1992年不到兩年的時(shí)間里光纖系統的容量增加了整整一個(gè)數量級，而在此之前為達到相同的增長(cháng)卻花費了整整8年時(shí)間。這足以表明了光放大器的巨大作用，為光纖通信展現了無(wú)限廣闊的發(fā)展前景。 三．光放大器的原理與應用 光放大器(OA)一般由增益介質(zhì)、泵浦光和輸入輸出耦合結構組成， 可以作為前置放大器、線(xiàn)路放大器、功率放大器，是光纖通信中的關(guān)鍵部件之一。其作用就是對復用后的光信號進(jìn)行光放大，以延長(cháng)無(wú)中繼系統或無(wú)再生系統的光纜傳輸距離。一個(gè)好的光放大器應具有輸出功率高、放大帶寬寬、噪聲系數低、增益譜平坦等特性。目前光放大器形式主要有三種：1) 利用激光二極管(LD)制作的半導體光放大器(SOA)；2) 利用摻稀土光纖制作的光纖放大器，其中以摻鉺光纖放大器(EDFA)為主；3) 利用常規光纖非線(xiàn)性效應制作的分布式光放大器，典型的是光纖拉曼放大器(FRA)。下面對SOA、EDFA和FRA光放大器進(jìn)行比較。 1．半導體光放大器 現代光放大器中最早出現的是半導體光放大器（SOA）。它的基本結構、原理和特性與半導體激光器非常相似。它們工作原理都是基于激光半導體介質(zhì)固有的受激輻射光放大機制，所不同的在于SOA去掉了構成激光振蕩的諧振腔，并且SOA是由電流直接激勵驅動(dòng)的。 半導體光放大器的優(yōu)點(diǎn)是尺寸小、頻帶寬、增益高；但缺點(diǎn)是與光纖的耦合損耗太大、易受環(huán)境溫度的影響、工作穩定性較差。但半導體光放大器容易集成，適宜同光集成和光電集成電路結合使用。 通常光半導體放大器分為兩大類(lèi)：一種是將普通半導體激光器用作光放大器，稱(chēng)為法布里——泊羅（F-P）半導體激光放大器（FPA），另一種是在F-P激光器的兩個(gè)端面上涂上抗反射膜，以獲得寬頻、低噪的高輸出特性。由于這種放大器是在光行進(jìn)過(guò)程中對光進(jìn)行放大的，故被稱(chēng)為行波式光放大器。 由于半導體光放大器的工作原理決定了其放大增益不是很高，因此半導體放大器在現代光通信系統中作為純粹功率放大應用較少，它更多的是被用作高速通信網(wǎng)中光開(kāi)關(guān)、光復用／解復用器和波長(cháng)變換器等光信號處理模塊。 2．摻鉺光纖放大器 摻餌光纖放大器（EDFA）主要由合波器WDM、泵浦激光器(大功率LD)、光隔離器和摻鉺光纖(長(cháng)10～30m)構成。EDFA的研制成功，是光通信發(fā)展的一個(gè)“里程碑”。它的出現打破了光纖通信傳輸距離受光纖損耗的限制，使全光通信距離延長(cháng)至上千公里，為光纖通信帶來(lái)了革命性的變化。 摻鉺光纖放大器主要由摻鉺光纖、泵浦光源、耦合器、光隔離器等組成。有同（前）向泵浦、反（后）向泵浦和雙向泵浦3種泵浦方式，其區別在于信號光與泵浦光的注入方向不同。同向泵浦也稱(chēng)為前向泵浦，它的信號光與泵浦光以同一方向從摻鉺光纖的輸入端注入。反向泵浦也稱(chēng)為后向泵浦，它的信號光與泵浦光以?xún)蓚�(gè)不同方向注入進(jìn)摻鉺光纖。雙向泵浦就是同向泵浦與反向泵浦合并的方式。三種泵浦方式的結構圖如圖1所示。三種泵浦方式的性能比較見(jiàn)表1。 泵浦效率=信號光輸出功率/泵浦光功率 噪聲 同向泵浦 61% 在未飽和區，同向泵浦式摻鉺光纖放大器的噪聲系數最小，由于輸出功率加大將導致粒子反轉數的下降，故在飽和區，噪聲系數將增大。 反向泵浦 76% 雙向泵浦 77% EDFA是利用摻鉺光纖中摻雜的稀土離子在泵浦光源(波長(cháng)980nm或1480nm)的作用下，形成粒子數反轉，產(chǎn)生受激輻射，輻射光隨入射光的變化而變化，進(jìn)而對入射光信號提供光增益。其放大范圍為1530～1565nm，增益譜比較平坦的部分是1540～1560nm，幾乎可以覆蓋整個(gè)WDM系統的1550nm工作波長(cháng)范圍。 EDFA的優(yōu)點(diǎn)是:1)通常工作在1530～1565nm光纖損耗最低的窗口；2)增益高，在較寬的波段內提供平坦的增益，是WDM理想的光纖放大器；3)噪聲系數低，接近量子極限，各個(gè)信道間的串擾極小，可級聯(lián)多個(gè)放大器；4)放大頻帶寬，可同時(shí)放大多路波長(cháng)信號；5)放大特性與系統比特率和數據格式無(wú)關(guān)；6)輸出功率大，對偏振不敏感；7)結構簡(jiǎn)單，與傳輸光纖易耦合。 缺點(diǎn)是:1)在第3窗口以上的波長(cháng)，光纖的彎曲損耗較大，而常規的EDFA不能提供足夠的增益，增益帶寬只有35nm，僅覆蓋石英單模光纖低損耗窗口的一部分。制約了光纖能夠容納的波長(cháng)信道數；2)不便于查找故障，泵浦源壽命不長(cháng)；3)存在基于泵浦源調制和光時(shí)域反射計(OTDR)的監測與控制技術(shù)問(wèn)題，控制內容包括輸出功率的控制和不同波長(cháng)通道的增益均衡，EDFA的增益對100kHz以上的高頻調制不敏感，對低于1kHz的調制，EDFA的輸出信號會(huì )產(chǎn)生失真。 3．光纖拉曼放大器（FRA） EDFA的出現確實(shí)極大的促進(jìn)了現代光通信系統的發(fā)展。但是隨著(zhù)現代光網(wǎng)絡(luò )進(jìn)一步發(fā)展，一方面EDFA已經(jīng)不能滿(mǎn)足現有系統對超大容量的要求，另一方面EDFA也會(huì )帶來(lái)光信號信噪比的不斷惡化而不能滿(mǎn)足超長(cháng)距離傳輸的要求。為此，必須要提出一種既要滿(mǎn)足超寬帶寬要求，又能滿(mǎn)足超低噪聲要求的新型光放大器。 光纖拉曼放大器（FRA）由于其自身固有的全波段可放大、噪聲指數小等特性，成為了新一代放大器的首選。FRA是基于受激拉曼散射(SRS)機制的光放大器，此光放大技術(shù)是在近年來(lái)大功率半導體激光器研制成功后才真正走向實(shí)用的。在許多非線(xiàn)性介質(zhì)中，SRS是非線(xiàn)性光學(xué)中一個(gè)很重要的非線(xiàn)性效應，它將一小部分入射功率由一光束轉移到頻率比其低的斯托克斯波上；如果一個(gè)弱信號與一個(gè)強泵浦光波同時(shí)在光纖中傳輸，并且弱信號波長(cháng)位于泵浦光波的拉曼增益譜帶寬之內，則此弱信號可被該光纖放大。 FRA可分為分立式FRA和分布式FRA，前者所用的光纖增益介質(zhì)比較短，一般在10km以?xún)�，對泵浦功率要求很高，一般在幾到十幾瓦，可產(chǎn)生40dB以上的高增益，用來(lái)對信號光進(jìn)行集中放大，主要用于EDFA無(wú)法放大的波段；后者所用的光纖比較長(cháng)，一般為幾十公里，泵源功率可降到幾百毫瓦，主要輔助EDFA用于DWDM通信系統性能的提高，抑制非線(xiàn)性效應，降低信號的入射功率，提高信噪比，進(jìn)行在線(xiàn)放大。由于FRA增益波長(cháng)由泵浦光波長(cháng)決定，不受其它因素限制，因此可為任何波長(cháng)提供增益，這使得FRA可以在EDFA所不能放大的波段實(shí)現放大，并可在1292～1660nm光譜范圍內進(jìn)行光放大，使用多個(gè)泵源還可得到比EDFA寬得多的增益帶寬(后者由于能級躍遷機制所限，增益帶寬只有80nm)，這對于開(kāi)發(fā)光纖的整個(gè)低損耗區1270～1670nm具有無(wú)可替代的作用。 FRA具有帶寬寬、增益高、噪聲低、串擾小、溫度穩定性好等特點(diǎn)，因此與常規EDFA混合使用時(shí)，可大大降低系統的噪聲系數，增加傳輸距離；FRA的增益介質(zhì)為光纖，因此與光纖系統有良好的兼容性，可制成分立式或分布式放大器，分布式FRA具有在線(xiàn)放大、延長(cháng)傳輸距離、實(shí)現長(cháng)距離無(wú)中繼傳輸和遠程泵浦的功能，尤其是適用于海底光纜通信等不方便設立中繼器的場(chǎng)合；由于放大是沿著(zhù)光纖分布作用而不是集中作用，所以輸入光纖的光功率大為減少，從而非線(xiàn)性效應，尤其是四波混頻效應大大減少，因此適用于大容量DWDM系統。FRA不足之處在于需要特大功率的泵浦激光器，且一個(gè)泵浦的FRA增益帶寬較窄。 在拉曼放大器的實(shí)際應用中，通常是采用拉曼放大器同EDFA混和使用的策略。這種混合放大策略在DWDM超長(cháng)傳輸系統中獲得了廣泛的使用。EDFA作為光功率放大器和光前置放大器，而EDFA和拉曼的混合放大器作為光線(xiàn)路放大器。 四．光放大器的發(fā)展方向 1．SOA的發(fā)展方向 通過(guò)改變SOA的偏置電流，既可以吸收也可以放大，而且高達50ｄＢ的消光比及快速的響應時(shí)間(ｎｓ量級)，從而允許將SOA用作光開(kāi)關(guān)。。作為集總式放大器，SOA可以與分布式的FRA混合使用，JDSU的工程師采用SOA+FRA和SOA+FRA實(shí)現40ｎｍ的放大帶寬，40信道100ｋｍ的傳輸，效果良好。 2．EDFA的發(fā)展方向 EDFA從C波段( conventional band )1530～1560nm(常規的ED-FA)向L波段(long wavelength band)1570～1605nm發(fā)展，可采用摻鉺氟化物光纖放大器(EDFFA)，帶寬可達75nm；采用碲化物EDFA，帶寬可達76nm；采用增益位移摻鉺光纖放大器(GS-EDFA)，通過(guò)控制摻鉺光纖的鉺粒子數反轉程度，可在1570～1600nm波段實(shí)現放大，它與普通的EDFA組合，可得到帶寬約80nm的寬帶放大器；采用覆蓋C波段和L波段的超寬帶光放大器(UWOA)，可用帶寬80nm，能在單根光纖上放大100多路波長(cháng)信道；采用常規EDFA和擴帶光纖放大器(EBFA)組成的基于摻鉺光纖的雙帶光纖放大器(DBFA)，工作波長(cháng)為1528～1610nm；將局部平坦的EDFA與光纖拉曼放大器串聯(lián)使用，可獲得帶寬高于100nm的超寬帶增益平坦放大器；EDFA應具有動(dòng)態(tài)增益平坦特性的小型化、集成化方向發(fā)展。 EDFA是目前及未來(lái)一段時(shí)間放大器的主要選擇，在骨干網(wǎng)和城域網(wǎng)/接入網(wǎng)中發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵性作用。但EDFA級聯(lián)噪聲大以及帶寬受限，它與DRA混合使用，在長(cháng)距離、大容量傳輸中是當前的一種優(yōu)秀方案。FRA:寬帶、低噪聲、抑制非線(xiàn)性、提高傳輸距離，進(jìn)行色散補償等，必將成為下一代光放大器的主流。城域網(wǎng)/接入網(wǎng)中光放大器目前具有競爭力的技術(shù)為Mini EDFA、EDWA和SOA技術(shù)，這種低價(jià)放大器正在標準化。隨城域網(wǎng)建設的興起，光放大器在低價(jià)領(lǐng)域必有一番作為。 3．FRA的發(fā)展方向 FRA的發(fā)展方向是:1)寬頻譜、大功率輸出；2)將FRA與局部平坦的EDFA串聯(lián)使用，可獲得帶寬高于100nm的超寬帶增益平坦放大器；3)采用雙向拉曼泵浦，可使傳輸距離擴大2倍，達到1040km；4)采用波長(cháng)為1420nm和1450nm兩個(gè)泵源的FRA可得到很寬的帶寬(1480～1620nm)；5)智能化。 五．結束語(yǔ) 通過(guò)對目前DWDM光傳輸系統中廣泛應用的三種放大器的比較，我們不難看出，SOA由于其體積小、結構簡(jiǎn)單、成本低、易于集成，因而發(fā)展很快，在技術(shù)上已比較成熟。但是，迄今為止，其性能與EDFA相比仍有較大差距。SOA雖然失去了原有放大器領(lǐng)域的作用，但卻在波長(cháng)變換、高速光開(kāi)關(guān)、光復用／解復用領(lǐng)域大放異彩。FRA由于采用分布式放大，因此可以補償色散補償器件帶來(lái)的損耗，同時(shí)可以避免非線(xiàn)性效應，FRA能在EDFA所不能放大的波段實(shí)現放大，既能在全波長(cháng)范圍內放大光信號，又特別適用于超長(cháng)距離傳輸和海底光纜通信等不方便設立中繼器的場(chǎng)合，因而倍受歡迎，已成為研發(fā)熱點(diǎn)，并隨著(zhù)瓦級的泵浦激光器小型化、商用化而進(jìn)入實(shí)用化，成為繼EDFA之后的又一顆璀璨明珠。EDFA由于其工作波長(cháng)恰好與光纖通信最佳窗口(1540nm)相吻合，并且，其技術(shù)開(kāi)發(fā)和商品化最成熟，因而是目前最令人滿(mǎn)意的光放大器�？傊�，高增益、大輸出功率、低噪聲系數是EDFA、SOA和FRA的共同發(fā)展方向。 |
