核心论文发表—光纤通信中的掺杂光纤放大器

摘要：本文主要介绍了光纤放大器的产生背景，重点介绍了五种当前研究较多的掺杂光纤放大器，对每种放大器的工作波长和工作原理进行了介绍，以及当前国内外的研究状况。最后总结了光纤放大器的发展方向。
关键词：光纤放大器（Optical Fiber Amplifier，OFA） 掺杂 增益
1. 引言
光纤通信（Optical Fiber Communication）是以激光为光源，以光导纤维为传输介质进行的通信。具有传输容量大、抗电磁干扰能力强等突出优点，现在已经成为高速通信网的主要干线。
传统的光纤传输系统中，需要每隔一定的传输距离放置再生中继器，以补偿色散与损耗对光信号的劣化作用。然而，利用“光一电一光”，转换方式的再生中继器存在设备昂贵复杂、稳定性差及传输容量小等缺点，光放大器(Optical Amplifier，OA)的出现和实用化解决了上述问题，而且克服了传统通信的“电子瓶颈”效应，对传输信号的格式和速率均具有高度的透明性，而且解决了衰减对光网络传输速率与传输距离的限制，使得整个光纤通信传输系统更加简单和灵活。因此，光放人器的出现对光纤通信的发展起到了举足轻重的推动作用，被誉为光纤通信发展的“里程碑”。
光纤放大器（Optical Fiber Amplifier，OFA）是运用于光纤通信线路中，实现信号放大的一种全光放大器，可以实现高增益、宽带宽、低噪声、低损耗的全光放大功能，而且它具有传输线路耦合损耗低、与光偏振状态无关、对传输信号的格式和比特率透明性强等优点，是新一代光纤通信系统中必不可少的关键器件。
光纤放大器可分为基于受激辐射的掺杂光纤放大器和基于非线性效应的光纤拉曼放大器、光纤布里渊放大器和光纤参量放大器。掺杂光纤放大器，就是利用稀土金属离子作为激光工作物质的一种放大器。将激光工作物质掺与光纤芯子即成为掺杂光纤。
2. 掺杂光纤放大器
早在20世纪60年代时，研究者们就提出了掺稀土元素光纤激光器与放大器的研究思想【1】，直到20世纪80年代中期，英国南安普顿大学在掺铒（Er3+）光纤中取得重大突破使得稀土掺杂光纤放大器更具有实用性，显示出诱人的应用前景。随后，其他掺稀土元素的光纤放大器也取得了很大的发展。掺稀土元素的光纤放大器，具有增益高、掺杂浓度高、长度短的特点；与庞大的光纤通信系统和其他光纤系统相比，其所使用的光纤较短，故而也称为集总式光纤放大器。
图1 光纤的损耗谱和各种掺杂光纤放大器的放大谱范围
光纤放大器采用的是行波放大的原理。纤芯中的掺稀土离子在抽运光作用下，处于粒子数反转状态，当信号光通过纤芯时，激发态上的粒子在外来信号光的作用下产生受激辐射，这种辐射叠加到外来信号光上而得到放大。
目前研究较多的主要是掺铒（Er3+）、镨（Pr3+）、铥(Tm3+)、钕(Nd3+)和镱(Yb3+)的光纤放大器及激光器，图1给出了光纤的损耗谱和各种掺杂光纤放大器的放大谱范围【2】。
2.1 掺铒光纤放大器
掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA)是光纤放大器中的一个重要分支，它的工作波长位于光纤的低损耗窗口1550nm波段。
图2 石英光纤中Er3+的能级示意图
EDFA工作机制是铒离子(Er3+)的受激发射，图2是石英光纤中Er3的能级示意图。Er3的吸收过程：从基态 → （对应800nm）， → （对应980nm）， → （对应1480nm）；荧光发射过程是从激发态 → 。
早期，是以石英为基质掺杂形成放大器，为了提高的增益，转向氟基玻璃、磷酸盐玻璃、碲基玻璃等基质的研究。目前，铋酸盐玻璃基质掺铒光纤放大器称为当前宽带掺铒光纤放大器的研究热点【3】。除此之外，研究表明在掺铒光纤中同时掺杂铝离子、镱离子等也能提高增益。
自从1989年掺铒光纤放大器(EDFA)用于光通信的试验成功后，十几年来光通信与EDFA相互推动，均得到快速发展。EDFA与其它放大器比较，具有输出功率大、增益高、上作带宽宽、与偏振无关、噪声系数低、放大特性与系统比特率及数据格式无关、无串扰等优点，己成为大容量、高速率光纤通信系统中可缺少的关键器件之一。EDFA在光纤通信系统中可以作为前置放大器、功率放大器、线路放大器和在本地网络LAN中得到应用。在常规光纤数字通信系统中应用，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。
光纤放大器和光纤激光器都是利用掺稀土元素光纤中的光放大效应，它们的发展密不可分。在此领域的研究机构中，美国光学公司AT&T、英国南安普顿大学的电子工程程系和物理系、英国通信研究实验室（BTRL）等都扮演了相当重要的角色，其它在这个领域内发表过研究成果的研究机构还有惠普、德国汉堡的技术大学、日本NTT、Hoya、住友、三菱，Poaroid Coupration、斯坦福大学和GTE、法国Alcatel等。国内从20世纪80年代末和90年代初。上海硅酸盐研究所、北京建材研究所、天津46所及武汉邮电研究院等都先后开展了掺铒光纤的研制。同时在清华大学、北京邮电大学、武汉邮电科学研究院、南开大学及上海科技大学、华南师范大学等也开始了光纤放大器和光纤激光器的研究，并取得了一些阶段性的成果。
2.2 掺镨光纤放大器
掺镨光纤放大器(Praseodymium Doped Fiber Amplifier，PDFA)工作波长为1300nm，用的泵浦光源是波长为1017nm的激光器。
图3 Pr3+的简化能及结构与能级间的跃迁
Pr3+能级结构在 和 间的跃迁在1300nm为中心的很宽的窗口内提供增益。基态 上的粒子可直接被泵浦激发至上能级 ，泵浦带较宽（FWHM约为50nm），中心波长在1017nm处。 → 跃迁产生的增益以波长1310nm为中心，而在 → 间仍存在很强的1050nmASE。另外， 到 的跃迁产生了一个峰值在1380nm波长附近的激发态吸收带，其短波长延伸至1290nm，限制了放大器的性能；而放大器的长波长部分则受到峰值位于1440nm波长处的基态吸收（GSA）的影响，将波长大于1290nm的信号吸收。
早期主要研究的是掺镨氟化物光纤放大器，1997年，Vincent Morin and Edouard Taufflieb用波长1030nm的掺镱光纤激光器做泵浦源，在掺镨氟化物光纤放大器中获得大于+20dBm的输出功率【4】。1998年日本三菱电气在掺镨的In/Ga基质氟化物光纤中，用1010nmLD获得输出功率为42mW的信号，噪声系数低于8dB。近年来重点关注硫（卤）系玻璃作为基质的掺镨光纤放大器，在1.332um附近获得了30dB的信号增益。国内的光库通讯（珠海）有限公司也进行了相关的研究，并应用于数字光通信系统、DWDM系统2000年之后荷兰埃因霍温大学的R.C.Schimmel, R.J.W. Jonker, and H. de Waardt等人对掺镨光纤放大器进行了相关研究，模拟和实验测试了光纤的长度、泵浦功率、泵浦方式等都对信号增益的影响，在10 Gbit/s的情况下实验得到了偏振极化小于0.2dB等结果【5-7】。
基于铟的氟化物玻璃的量子效率是基于锆的氟化物玻璃的两倍，热稳定性、耐潮性与ZrF4氟化物玻璃相同。在一个单模光纤8通路WDM传输实验(总长240km)中用两个PDFFA作线路放大，功率损耗不到2dB，PDFFA是1.3 m系统最有希望实用化的光放大器。
2.3 掺铥光纤放大器
掺铥光纤放大器(Thulium Doped Fiber Amplifier，TDFA)主要工作波长在1420-1520nm间，是光通信领域的热点。
图4（a）Tr3+能级及上转换泵浦的泵浦机理（b）Tr3+交叉弛豫过程
其中， 到 的受激跃迁所辐射的激光波长范围为1450nm~1485nm左右，正好可覆盖S波段(1450nm~1500nm)的光信号，中心波长由基质、掺杂浓度和光纤长度等因素决定。因此可以利用泵浦光将处于基态 的铥离子Tm3+抽运到激发态 实现粒子数反转，再经S波段信号光诱发后使处于激发态 的Tm3+受激跃迁到 同时辐射出与信号光一样的激光，实现S波段信号光的放大。在掺杂浓度较高时会出现交叉弛豫现象。
国外早在1993年，T. Komukai, T. Yamamoto等人就利用1064nm的钛蓝宝石激光器单波长泵浦氟基掺铥光纤，在1.47um波段实现小信号增益大于25dB，其泵浦总功率为450mW，泵浦效率达到0.06dB/mW。国内，杜戈果、戴世勋等人也对掺铥的光纤放大器进行了相关研究，单波长和双波长的不同泵浦方式都可以获得一定的增益。
2.4 掺镱光纤放大器
掺镱光纤具有从975~1200nm的发射谱，而且具有宽的吸收谱，从而降低了对泵浦源线宽的要求，掺镱光纤放大器(Ytterbium Doped Fiber Amplifier，YDFA)的工作波长在970~1200nm，泵浦源波长为940nm。
图5 Yb3+的能级结构
在室温下并非所有Yb3+的能级都参与跃迁，从子能级e到能级 可发生两种不同类型的激光跃迁：一种是三能级跃迁，波长为975nm(图5中的A跃迁)；另一种是四能级跃迁，波长从1000nm到1200nm(对应于图5中的B跃迁)。通常，高功率掺光纤激Yb3+激光器与放大器工作在三能级系统还是四能级系统与激光波长、泵浦波长及光纤长度有关。大致可以认为工作波长在1um以下时，掺Yb3+光纤激光器与放大器以三能级工作，当工作波长在1um以上时，掺Yb3+光纤激光器与放大器以四能级工作。
由于Yb3+具独特的优点，掺Yb3+光纤放大器从20世纪80年代以来就取得了很大的研究进展，特别是近年来在军事和工业生产中都有极大的需求，所以目前国内外很多研究者们都在致力于这方面研究。
最初，掺Yb3+光纤放大器的研制主要是利用单模掺杂光纤作为增益光纤，但是这种光纤纤芯直径只有4~6um，容易产生非线性效应和损伤，限制了光纤放大器作为高功率器件的发展趋势。1988年Sinter等人提出了双包层光纤和包层泵浦的思想,，从而大大的提高了掺Yb3+光纤激光器和放大器的输出功率。近年来，研究者们除了把掺Yb3+双包层光纤作为主要增益光纤外，为了提高光束质量和激光信噪比，利用大模场光纤和掺Yb3+光子晶体光纤作为增益介质来研究高功率光纤放大器也是重要的研究趋势之一。目前关于掺Yb3+光纤放大器的研究主要集中的高峰值功率、mJ级脉冲能量输出的实验研究和在高能量光纤放大器中非线性理论研究。
2.5 掺钕光纤放大器
掺钕光纤放大器(Neodymium Doped Fiber Amplifier，NDFA)主要工作波长在1064nm左右，是最早制成的掺稀土元素的光纤放大器。
图6钕离子的能级简图
图6是钕离子的能级简图。 的吸收过程：从基态 → (对应于800nm波长)； → (对应于980nm波长)等。荧光过程： → (对应于920nm波长)； → (对应于1060nm波长)； → (对应于1350nm波长)。
在未受到任何光激励的情况下，处在最低能级 (基态)上，当泵浦光(800nm波长的光)入射时，钕离子吸收泵浦光能量向高能级跃迁，随即以无辐射跃迁的形式快速驰豫到亚稳态能级 上；由于粒子在亚稳态能级 上的寿命远远大于激发态能级 上的寿命，于是与其他能态中的原子数相比， 能级上的粒子数可忽略不计。
1992年，Thomas Rasmussen, Anders Bjarklev等人对Nd-ZBLANP的光纤放大器泵浦，在输入功率10dB，泵浦功率100mW的条件下获得80%的助推量子转换效率。1996年Tetsuya MIYAZAKI等人对硅基的掺钕单模光纤放大器进行了特性研究，在1.06um获得60nm的增益带宽，大于20dB的信号增益，3dB的噪声。2004年，Seongwoo Yoo, Daniel B.S. Soh等人对掺钕光纤激光器在940nm泵浦在1060nm处获得单模输出功率为705mW。
国内上海光机所、天津理工大学对掺钕光纤放大器/激光器进行了深入的理论研究。福建师范大学的研究了掺钕聚合物光纤，长春理工大学、西安光机所研究了掺钕激光玻璃。
3 不同掺杂光纤放大器的对比
每种掺杂光纤放大器有各自的工作波长，所需泵浦源波长也有所不同，同时输出功率、信号光增益、损耗等也不同。随着不断地深入研究，为了尽量降低损耗，增大带宽、提高增益，国内外研究者设计提供了很多的解决方法以满足需求。主要有以下几方面：
1、两种稀土元素同时掺杂，形成共掺光纤放大器。较为成熟的有Er3+-Yb3+共掺来实现大功率放大，吸收谱加宽，具有优良的噪声特性和增益平坦特性。Er3+-Tm3+共掺碲基质可以扩展带宽，获得较高的平坦增益。Tm3+-Ho3+共掺的镓铋酸盐玻璃能够提高1.47um发光效率，是S波段光纤放大器的潜在基质材料。
2、双包层光纤设计，提高泵浦光对纤芯中掺杂激光介质的泵浦效率，提高光纤放大器的耦合效率，进而提高输出光功率。
3、在不同基质材料上掺杂。最开始是以石英、硅、氟化物等为主，近年来对碲基、铋基、碲酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、光子晶体等基质也有一定的研究。
4、传统EDFA与光纤拉曼放大器级联构成的混合光纤放大器，
5、高功率光纤放大器，普遍采用主振荡级+放大级(MOPA)的结构实现高功率。研究较多的是掺Yb3+和Er3+-Yb3+共掺的双包层光纤放大器。
4. 结论
随着DWDM、光纤CATV等技术的产生，光纤通信网络对光纤放大器的性能指标、功能、成本等方面要求，使得光纤放大器朝着更高的增益带宽，更高的饱和输出功率，动态增益平坦及控制能力等方面发展。
5. 参考文献
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