掺铒光纤放大器和拉曼光纤放大器分析和比较

掺铒光纤放大器和拉曼光纤放大器分析和比较摘 要：光放大器技术是新一代光纤通信系统中一项必不可少的关键技术， 目前几种主要的光放大器技术在工程应用中各有所长。此文介绍了光放大器技术 的基本原理，并对现有主要几种光放大器技术在性能、应用和发展方向上进行了 比较。关键词：掺铒光纤放大器；光纤拉曼放大器0、综述20世纪90年代以来，Internet的普及发展和各种信息(如语音、图像、数 据等)业务的快速增长，人们对现代通信系统提出了更高的要求。在市场需求的 大力推动下，通信技术取得了长足的进步，其中光纤通信技术脱颖而出，以其高 速优质的特点，一跃成为当今长距离、大容量传输干线的主流技术。但由于光纤 损耗和非线性的影响，无中继传输距离成为制约系统容量和速率的瓶颈，而中继 放大技术成了光通信领域的关键技术之一。传输系统中的光纤损耗使信号随传输 距离呈指数衰减，极大地限制了通信传输跨距和网络的可扩展性，因此必须在通 信线路上设置中继器对信号进行再生放大。在光放大器没有出现之前，光纤传输 系统普遍采用光一电一光(OEO)的混合中继器，但这种中继方式存在“电子瓶颈” 现象，在很大程度上限制了传输速率的提高，而且价格昂贵、结构复杂。20 世 纪 80 年代出现的光放大器技术具有对光信号进行实时、在线、宽带、高增益、 低噪声、低功耗以及波长、速率和调制方式透明的直接放大功能，是新一代光纤 通信系统中不可缺少的关键技术。此技术既解决了衰减对光网络传输距离的限 制，又开创了 1550nm 波段的波分复用，从而将使超高速、超大容量、超长距离 的波分复用(WDM)、密集波分复用(DWDM)、全光传输、光孤子传输等成为现实， 是光纤通信发展史上的一个划时代的里程碑(1)。又由于此技术与调制形式和比 特率无关，因而在光纤通信系统中得到了广泛应用。1、光放大器分类及原理光放大器(OA) 般由增益介质、泵浦光和输入输出耦合结构组成，其作用就 是对复用后的光信号进行光放大，以延长无中继系统或无再生系统的光缆传输距 离。一个好的光放大器应具有输出功率高、放大带宽宽、噪声系数低、增益谱平 坦等特性。光放大器主要分为光纤型放大器(FA)和半导体放大器(SOA)两大 类，其中光纤型放大器(FA )还可再分为掺稀土光纤放大器和常规光纤放大器， 具体分类详见图1(2).本文中，仅对掺铒光纤放大器(EDFA)和光纤拉曼放大器(FRA) 作以介绍和分析。1、1掺铒光纤放大器（EDFA ）的原理掺铒放大器的工作机理基于受激辐射，这里首先讨论激活介质掺饵石英的能 级图，如图2所示。掺铒光纤中的饵离子（Er3+）所处的能量状态是不能连续取 值的，它只能处在一系列分立的能量状态上，这些能量状态称为能级，掺饵石英 的能级图用3 个能级表示。丢，甫光MHa crVA*iA-；3SDu屮 I I石英光纤中饵离子的能级1 的跃迁产生的受激辐射光，其波长范围为“几心*労甜输时匸号充I】閒1宀 咆皿! 心YV严目sstwr先:My me皿站皿图2 饵离子从能级 2 到能级15001600nm，这是掺铒光纤放大器能得到广泛应用的原因。当供给激光媒体能 量使其处于激励状态时，即会产生光的受激辐射现象，如果能满足使受激辐射持 续进行的条件，并用输入光去感应，则能得到比其强的输出光，从而起到放大作 用。为了实现受激辐射，需要产生能级 2 与能级 1 之间的粒子数反转，既需要泵 浦源将饵离子从能级 1 激发到能级 2。有两种波长的泵浦源可以满足要求，一种 是980nm波长的泵浦源。在这种情况下，饵离子受激不断的从能级1转移到能级 3上，在能级3上停留很短的时间（生存期），约1us，然后无辐射的落到能级 2上。由于饵离子在能级2上的生存期约为10ms,所以能级2上的饵离子不断累 积，形成了能级 1、 2 之间的粒子数反转。在输入光子（信号光）的激励下，饵 离子从能级2跃迁到能级1上，这种受激跃迁将伴随着与输入光子具有相同波长、 方向和相位的受激辐射，使得信号光得到了有效的放大。另一种是 1480nm 波长 的泵浦源，它可以直接将饵离子从能级 1 激发到能级 2 上去，实现粒子数反转。掺饵光纤放大器（EDFA）是利用掺饵（Er3+ ）光纤作为增益介质、使用激光 器二极管发出的泵浦光对信号光进行放大的器件。图3 给出了掺饵光纤放大器的 结构。EDFA；输出光信号光辐會誓Lr；儿隔离筋精入光信号I 匕二二J裱牺光纤埔样点咗馬离器光沸皱箱；/一曰图 3 掺铒光纤放大器的典型结构掺饵光纤是掺铒光纤放大器（EDFA ）的核心部件。它以石英光纤作为基质， 在纤芯中掺入固体激光工作物质饵离子。在几米至几十米的掺饵光纤内，光 与物质相互作用而被放大、增强。光耦合器的作用是将信号光和泵浦光合在一起， 一般采用波分复用器实现。光隔离器的作用是抑制光反射，以确保光放大器工作 稳定，它必须是插入损耗低，与偏振无关，隔离度优于40dB。光滤波器的作用 是降低自发辐射产生的噪声对系统的影响（3）。1、2拉曼光纤放大器（RFA）原理 拉曼光纤放大器的工作原理是基于石英光纤中的受激拉曼散射效应,在形式 上表现为处于泵浦光的拉曼增益带宽内的弱信号与强泵浦光波同时在光纤中传 输,从而使弱信号光即得到放大。其工作原理示意如图 4 所示。泵浦光子入射到 光纤,光纤中电子受激并从基态跃迁到虚能级 ,然后处在虚能级的电子在信号光 的感应下回到振动态高能级,同时发出一种和信号光相同频率、相同相位、相同 方向的低频的斯托克斯光子,而剩余能量被介质以分子振动（光学声子）的形式吸 收，完成振动态之间的跃迁。斯托克斯频移Y r=Y p-Y s由分子振动能级决定，其 值决定了受激拉曼散射的频率范围，其中Y P是泵浦光的频率,Y s是信号光的频 率。对非晶态石英光纤来说， 其分子振动能级融合在一起， 形成了一条能带， 因而 可在较宽频差Y PY s范围（40THz）内通过SRS实现信号光的放大。图 4 拉曼光纤放大器工作原理示意图用激光器产生的泵浦光经光隔离器（工 50）耦合到波分复用器，并与信号光起通过波分复用器（WDM）耦合到一段光纤中，在这段光纤内利用受激拉曼散射 效应使泵浦光能量向信号光转移，从而信号光得到放大。如图 5 所示（5）。(0图 5 受激拉曼光纤放大器的基本结构 受激拉曼光纤放大器的泵浦方式有前向泵浦、后向泵浦及前后同时泵浦三种 方式。泵浦光可以是连续的，也可以是脉冲式的。当泵浦功率较低时，前向泵浦 和后向泵浦方式的拉曼增益一致。在处于泵浦饱和区域时，这两种泵浦方式总的 放大特征会有很大不同。3、光放大器的技术比较及应用3、1 掺铒光纤放大器优、缺点及应用掺铒光纤放大器的优点是：（1）通常工作在15301565nm光纤损耗最低的 窗口;（2）增益高,在较宽的波段内提供平坦的增益,是 WDM 理想的光纤放大器;（3）噪声系数低,接近量子极限,各个信道间的串扰极小,可级联多个放大器;（4） 放大频带宽,可同时放大多路波长信号;（5）放大特性与系统比特率和数据格式无 关;（6） 输出功率大,对偏振不敏感;（7） 结构简单,与传输光纤易耦合。缺点是：（1）在第 3 窗口以上的波长,光纤的弯曲损耗较大,而常规的掺铒光纤放大器不 能提供足够的增益,增益带宽只有35nm,仅覆盖石英单模光纤低损耗窗口的一部 分。制约了光纤能够容纳的波长信道数;（2）不便于查找故障,泵浦源寿命不长;（3）存在基于泵浦源调制和光时域反射计（0TDR）的监测与控制技术问题,控制内 容包括输出功率的控制和不同波长通道的增益均衡,EDFA的增益对100kHz以上 的高频调制不敏感,对低于1kHz的调制，掺铒光纤放大器的输出信号会产生失真 （6）。在光纤通信系统中, 掺铒光纤放大器的应用有线路放大、功率放大、前置放 大和局域网。线路放大的最重要的应用就是作为线路放大器以提高系统的传输距 离。在长途通信线路, 掺铒光纤放大器用作中断放大有很大的优势。在局域网 （LAN） 光纤通信系统中, 需要用光放大器来补偿光合束器、光学路由器等光学元 件的损耗。在一个采用几个星形耦合和掺铒光纤放大器相结合的 LAN 实验中, 实现了几乎无损耗的分配网。掺铒光纤放大器有平坦增益谱、高饱和输出功率、 低串音等优点在有线电视系统（CATV）中有广阔的用途。掺铒光纤放大器工作 在 1550nm 窗口。该窗口光纤损耗系数较 1310nm 窗口低, 噪声低,增益曲线好、 放大带宽大。与波分复用(WDM)系统兼容。泵浦效率高。工作性能稳定。目前“掺 铒光纤放大器EDFA+密集波分复用(WDM) +非零色散光纤(NIDSF)+光子集成 (PIC)”正成为国际长途高速光纤通信系统的主要技术方向。3、2 拉曼光纤放大器的优、缺点及应用拉曼光纤放大器的优点及缺点包括:(1)增益波长由泵浦光波长决定,理论上 可对光纤窗口内任一波长的信号进行放大 ,包括光纤的整个低损耗区 (1 2701 670 nm) 。 (2)增益频谱比较宽,单波长泵浦可实现 40nm 范围的有效增益,如果采 用多个泵浦源,则可容易地实现宽带放大。而 EDFA 由于能级跃迁机制所限,增益 带宽最大只有 100 nm 左右。 (3)增益介质为传输光纤本身,因为放大是沿光纤分 布而不是集中作用 ,光纤中各处的信号光功率都比较小 ,从而可降低非线性效应 尤其是四波混频(FWM)效应的干扰，与EDFA相比优势相当明显。(4)拉曼光纤放大 器的噪声指数(NF)比EDFA要低。二者配合使用，可以有效降低系统总噪声，提高 系统的信噪比， 从而延长无中继传输距离及总传输距离。 (5)拉曼光纤放大器的主 要缺点是所需的泵浦光功率高， 集总式要几瓦到几十瓦， 分布式要几百毫瓦;作用 距离长， 分布式作用距离要几十至上百千米， 只适合于长途干线网的低噪声放大。拉曼光纤放大器的应用包括：(1)增大无中继传输距离。主要是由光传输 系统信噪比决定的 ， 分布式拉曼光纤放大器的等效噪声指数极低 ， 为-20 dB， 比 EDFA的噪声指数低4.5 dB,利用分布式拉曼光纤放大器作前置放大器可明显增大 无中继传输距离。康宁公司通过实验和系统建模发现，2.5 倍的延伸是有可能的。 在有线电视 HFC 网的建设中， 特别是在城乡联网时， 需要将前端光信号送到 100 km 外的分前端。考虑到安全、维护及供电困难等因素， 很多情况下， 中途是不允 许进行中继放大的。从成本考虑， 采用 SDH 系统是不可能的， 采用模拟 1 550 nm 系统是最好的选择。要保证足够高的系统信噪比， 普通模拟 1550nm 传输系统无 中继传输距离一般不大于70 km。如果采用分布式拉曼光纤放大器作接收前置放 大器， 能提高系统的信噪比， 相应地也就增加了无中继传输距离。根据理论计算及 实际经验， 采用 DRA 作前置放大能使模拟 1 550 nm 系统无中继传输距离增加到 120 km 左右。图 6 为实现方案框图。光址射FDE询光址大器佛输光做前豐械更尤欣丸空光接收n 5 cmn图 6 实现方案框图(2)提升光纤的复用程度和光网络的传输容量。分布式拉曼光纤放大器的 低噪声特性可以减小信道间隔， 提高光纤传输的复用程度和传输容量。从数值模 拟可以得到， 原始设计为 10 Gbit/s， 信道间隔为 100 GHz 的系统， 采用拉曼光纤 放大器可被升级到信道间隔为50 GHz而无需任何附加代价。NTT最新报道已经 实现了间隔为25 GHz的超密集波分复用。(3)拓展频谱利用率和提高传输系统 速率。普通光纤的低损耗区间是1 2701 670 nm,而普通的EDFA只能工作在1 5251 625 nm 范围内, 所以 EDFA 系统的光纤频带利用率是很低的。拉曼光纤放 大器的全波段放大特性使得它可以工作在光纤整个低损耗区,极大地拓展了频谱 利用率,提高了传输系统的速率。分布式拉曼光纤放大器是将现有系统的传输速 率升级到 40 Gbit/s 的关键器件之一(8)。4、结束语 通过本文的介绍和主要特点的比较，不难看出掺铒光纤放大器由于其工作波 长恰好与光纤通信最佳窗口(1540nm)相吻合，并且，其技术开发和商品化最成 熟，因而是目前最令人满意的光放大器。拉曼光纤放大器由于采用分布式放大， 因此可以补偿器件、色散带来的损耗，同时也可以避免非线性效应；拉曼光纤放 大器能在掺铒光纤放大器所不能放大的波段实现放大，既能在全波长范围能放大 光信号，又特别适用于超长距离传输和海底光缆通信等不方便设立中继器的场 合，因而很受欢迎，并随着泵浦激光器小型化、商用化而进入实用化，成为继掺 铒光纤放大器之后的一个重要的应用。随着城域网建设的兴起，光放大器在低价 领域必然会有很大作用。总之，高增益、大输出功率、低噪声系数是掺铒光纤放 大器和拉曼光纤放大器的共同发展方向。参考文献【1】雷美荣.几种主要的光放大器技术比较信息通信,2007(04)【 2 】魏澎. 光放大器的原理及应用分析. 邮电设计技术, 2003(04)【3】查兵.掺饵光纤放大器(EDFA)的特性和应用浅析.科技广场,2007(11)【4】熊伦. 拉曼光纤放大器的应用与研究进展. 现代电子技术, 2007(02)【5】张国昌. 典型拉曼光纤放大器及其特点. 飞通光电子技术, 2001(09)【6】魏景芝. 光放大器技术的比较. 光纤与电缆及其应用技术,2002(05)【7】林凤华.掺铒光纤放大器(EDFA)特性与技术介绍.科技创业月刊,2007(07)【8】莫敏杰.拉曼光纤放大器及其应用.中国有线电视,2004(Z1)