掺镨光纤放大器

PDFA是1300nm波长工作的光纤放大器,它是一种准4能级系统。对PDFA研究热点是寻找低声子能量材料做基质以尽量减少由于石英玻璃材料具有大的声子能量,不能得到镨离子在1300nm波长的发光,潜在的基质有基于InF3的系统,基于InF3/

GaF3系统,基于PbF2/InF3的系统,混合卤化物玻璃,硫系玻璃如Ga-La-S和As-S。1994年,英国研制出第一只工程化PDFA,利用670mW的入纤功率,得到29dB的小信号增益,输出功率达17dB。

1998年,东芝利用5.8m掺杂浓度为1000ppm数值孔径为0.55的TDF,当入纤功率为260mW时,得到21dB的小信号增益,输出功率达16.2dB。由于转换效率很低,必须采用高数值孔径、低损耗的TDF设计,此时小信号增益可达30dB,3dB带宽可达30nm,最高小信号转换效率也可达0.22dB/mW。而M.Yamada采用1017nmLD泵浦获得了30dB的增益。Itoh也报道了GaNaS玻璃光纤中得到了30dB增益,增益系数达到了0.81dB/mW。近几年来,硫(卤)系玻璃作为1330nm光纤放大器的基质玻璃受到了极大的关注,取得了很大的进展,在Pr3 掺杂的Ga-La-S系玻璃中,已取得了70%以上的量子效率,是Pr3 掺杂ZBLAN玻璃的近20倍。2000年CLEO会议上美国马萨诸塞理工大学的R.S.Quimby等人对比研究了单波长(1030nm)和双波长(1030nm和1270nm)下泵浦掺镨硫系光纤放大器的放大实验,发现双波长泵浦条件下转换效率为35%,而单波长泵浦下只有15%。目前,用于稀土离子Pr3 掺杂的1330nm光纤放大器硫系基质玻璃主要由As-S基、GaLaS基和Ge基硫系玻璃。虽然PDFA的放大波段在1300nm与6.652光纤的零色散点相吻合,在已建的1300nm光通信系统中有着巨大的应用市场,但是由于掺镨光纤自身放大特性及机械强度和与普通光纤连接困难等因素,要得到广泛的商业应用还存在一定的困难。

光纤放大器是一种对光纤传输系统中的光信号进行直接在线光放大的器件。它不仅结构简单,与系统连接方便,而且它的耦合效率和能力转换效率高,有很大的带宽潜力。另外,由于光纤介质的激光损耗阈值远大于半导体材料,因此光纤放大器可用来取代光纤通信系统中传统的电子中继器或作为接收机的前置放大器,以提高接收机的灵敏度和信噪比,增加通信距离。目前的光纤放大器主要有4种:消逝波耦合光纤放大器、晶体光纤放大器、受激散射光纤放大器、稀土掺杂光纤放大器。其中掺杂光纤放大器(RDFA)是在光纤的纤芯中掺入能产生光子的稀土元素,通过稀土元素的作用,将激光二极管LD泵浦发出的光能量转化到信号光上,可实现对信号光的直接放大,具有实时、宽带、在线、低损耗的全光放大功能。

由于RDFA具有掺杂浓度高,互作用区大,能量转换率高,制作较容易等显著的优点,近20多年来得到了迅猛发展。同时,RDFA的成熟与商用化也极大地促进了长距离光纤通信系统、波分复用(WDM)系统等重要技术的发展。

掺镨光纤放大器RDFA基本结构和工作原理

虽然早在1964年就开始研究光纤放大器,但随着低损耗掺杂光纤工作特性和制造技术的不断发展,直到1986年才开始实际使用。稀土元素(或镧系元素)由原子量为58～71且性质相近的14个原子组成。当稀土元素掺杂于石英或其他玻璃光纤中时,会变成三阶离子。许多不同的稀土离子,如铒、钬、钕、钐、铥和镱等,都可以用于制造光纤放大器,能工作在从可见光到红外区的不同波长上。放大器的工作特性(如工作波长、增益宽度和噪声等)是由掺杂离子而不是光纤决定的,光纤起基底介质的作用。

掺镨光纤放大器RDFA基本结构

RDFA有3种基本结构:前向泵浦、后向泵浦和双向泵浦。在前向泵浦(或正向泵浦)中泵浦光与信号光以相同方向通过增益光纤,后向泵浦(或反向泵浦)两者则以相反方向通过增益光纤,双向泵浦结构中泵浦光在2个方向同时通过增益光纤。不管是哪种泵浦方式的光纤放大器,基本构件都包括增益光纤、泵浦光、波分复用器/光耦合器等。增益光纤是在石英光纤的纤芯中,掺入一些三价稀土金属元素,如Er(铒)、Pr(镨)、Tm(铥)等,形成的一种特殊光纤,它是掺杂光纤放大器中核心部分;泵浦光用来向稀土元素提供能量,使稀土元素实现粒子数反转,这是产生光放大的必要条件之一;波分复用器(或光耦合器)的作用是将信号光与泵浦光进行复合;为了防止器件和焊点的反射,降低光纤放大器的噪声指数,增加稳定性,一般还在其输入和输出端加入光隔离器;为了提高系统的信噪比,通常在输出端加入光滤波器。实用的光纤放大器中,还包括带自动调整功能的泵浦源驱动电路、自动温控和自动功率控制等保护功能的辅助电路。有的辅助电路中还具有通过计算机通信协议完成人机对话和对放大器的网络监控功能。

Pr能级结构在G和H间的跃迁在1300nm为中心的很宽的窗口内提供增益。基态H上的粒子可直接被泵浦激发至上能级G，泵浦带较宽（FWHM约为50nm），中心波长在1017nm处。G到H跃迁产生的增益以波长1310nm为中心，而在G和H间仍存在很强的1050nmASE。另外，G到D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。

PDFA同EDFA一样，都是通过泵浦光源让掺在光纤中的稀土元素吸收泵浦光的能量，使稀土元素处在高能状态，当光纤通过信号光时，产生共鸣，使信号吸收稀土元素的能量，光信号得到放大而输出，即信号光得到放大。

PDFA用的泵浦光源是波长为1017nm的激光器，而EDFA上用的泵浦光源的波长是980nm和1045nm。与EDFA一样，在PDFA的输出、输入端上都接有隔离器，以保证放大器的稳定。泵浦光源通过光耦合器（具有WDM功能）同放大模块相连。

利用PDFA构成WDM试验系统。作为WDM的信号光源是8台分布反馈式激光器(DFB-LD)，信号光的波长为1292.76～1305.38nm，通过伪随机二进制序列(PRBS)码光调制器对各10Gbit/s的不归零码进行调制。在试验系统中配置了功率放大器、前置放大器和2台线路放大器，一共4个PDFA。传输通路用4段长20km的G.652光纤连接成一个80km的中继段（中继段的传输衰减伪28dB），整个试验系统为3个中继段，共240km。对该试验系统的误码特性进行测量，结果表明当接收电平为-34dBm时接收信号的误码率优于10。

胡小波等人对PDFA在SDH系统中的应用进行了相应的试验。他们在已铺设的光纤网络上进行的现场试验系统结构，系统速率为10Gb/s，系统长度为120km。尽管试验采用的是直接调制DFB激光器发送光信号，而未滤除啁啾，而且传输速率高达10Gb/s，但传输性能仍很好，成功的延长了传输距离。试验表明PDFA为已铺设的1310nm波长的常规数字光纤系统提供了一条简单的升级途径，对光纤和发送机无须做任何改动，就可以允许10Gb/s的高速数据传输100公里以上的距离。

随着掺杂光纤放大器发展越来越成熟,功能越来越全面,同时长距离光通信传输系统的要求也越来越高,掺杂光纤放大器发展的主要方面为:(1)宽带化随着EDM/DWDM的发展,要求光纤放大器具有更宽的带宽,从C波段扩展到L波段或S波段,目前已出现了C L波段宽带放大器,甚至不久将出现C L S超宽带光纤放大器。以满足光纤通信传输的信息容量并延长光纤通信的传输距离。(2)集成化随着光纤放大器的功能愈来愈完善,除了增益平坦外,各个厂家还相继推出包括自动增益控制(AGC)、自动功率控制(APC)、自动泵浦电流控制(APCC)和自动泵浦功率控制(APPC)在内的功能集成化光纤放大器。这些光纤放大器还能自动调节工作状态,满足不同的需要。同时,要求光纤放大器体积最小化,降低成本,使各种掺杂光纤放大器尽早投入市场。

第一次在1.3μm处放大是从基于ZrF(ZBLAN)的掺镨光纤中得到证明。从那时起，人们对低声子能量的基质玻璃产生了极大兴趣。通过减少基质玻璃的声子或振动能量，使放大时可以得到更高的泵浦功率。虽然如此，在ZBLAN光纤中典型的效率仅仅为4%，因此已经进行了大量的研究，希望找出有效的用于PDFA的基质玻璃。潜在的基质有基于InF的系统，基于InF/GaF系统，基于PbF/InF的系统，混合卤化物玻璃，硫系玻璃如Ga-La-S和As-S。在所有的材料中，要想使之成为有效率的PDFA的关键问题是减少光纤的损耗。

1掺镨氟化物光纤放大器。掺镨氟化物光纤与通信用光纤(石英)不同，通信用光纤是由二氧化硅构成，而掺镨氟化物光纤完全不含氧，而是由重金属(锆、铟)氟化物作为主要成分的玻璃所构成。

为了提高掺镨氟化物光纤放大器的效率，研究工作的重点就是找到氟化物光纤的掺杂材料，以及确定由这些材料制成的光纤包层和芯径折射率的大小。日本NTT光网络研究所经过优选，最终开发出了铟氟化物光纤中掺镨的、光纤包层和芯径折射率差为4%的低损耗光纤作为放大媒体，能使小信号输入光信号的功率提高1.5倍。

1998年日本的研究人员采用1.01μm波段LD作为泵浦，在掺镨In/Ga基质氟化物光纤中实现了可靠的运转。采用四个1.01μmLD获得了信号输出功率为16.2dBm（42mw），对应的增益系数为18dB，比以前报道的Zr基氟化物光纤高出2-3dB，噪声系数低于8dB。并用此PDFA作为前置放大器在260mw泵浦功率下实现了距离大于100km的2.5Gb/s传递试验，整个过程没有误码。采用In/Ga基质氟化物光纤掺杂浓度为1000ppm，纤芯直径为1.2μm数值孔径为0.55，光纤在1.2μm处的背底损耗为0.15dB/m，光纤长度为5.8m。

同年日本K.Isshiki等人报道了In-Ga基质氟化物掺镨光纤放大器，该放大器直接采用0.98μm波段的LD作为泵浦源，采用光栅可对LD调节，调节范围为0.98～1.0μm，在1.296μm波长最大信号输出功率为13.5dBm，采用此光纤放大器作为前置放大器，进行了O波段PDFA的传输试验，在信号波长分别为1.296μm、1.301μm、1.306μm和1.311μm，每个信道信号功率为-21dBm，结果显示，其误码率小于10。基于商用PDFA模块放大试验早在1995年研究被验证。日本提供稀土掺杂氟化物光纤及光纤放大器。该掺镨光纤放大器增益达到25dB以上。

O-Band工程化实用型PDFA采用高可靠性半导体泵浦源与高效率的PDF设计技术，并对PDFA光路结构进行优化设计而制造的整机，其功率高达17dBm以上，工作带宽为1290nm至1320nm，非常低的模拟失真，可广泛适用于1310nmCATV系统，数字光通信系统，DWDM系统，及光器件性能的测试。

2掺镨硫系玻璃光纤放大器。近几年来，硫（卤）系玻璃作为1.3μm光纤放大器的基质玻璃受到了极大的关注，取得了很大的进展，如在Pr掺杂的GeGaS系玻璃中，已取得了70%以上的量子效率，是Pr掺杂ZBLAN玻璃的近20倍。Shin等计算了Pr的G能级的多声子驰豫速率，硫系玻璃比氟化物小大约两个数量级。Simon等也报导了掺Pr的Ge-Ga-S玻璃1.3μm发光性质；最近，Tawarayama等报道了单模Ge-Na-S光纤的信号增益，在1.332μm波长处的信号增益约为30dB，该光纤的纤芯直径为2.5μm。因此可以说，硫系、硫卤系玻璃是目前最有希望的稀土离子掺杂的1.3μm光纤放大器基质玻璃系统。2000年CLEO会议上美国马萨诸塞理工大学的R.S.Quimby等人对比研究了单波长(1030nm)和双波长(1030nm和1270nm)下泵浦掺镨硫系光纤的放大试验。发现了双波长泵浦条件下转换效率为35%，而单波长泵浦下只有15%。目前，用于稀土离子Pr掺杂的1.3μm光纤放大器硫系基质玻璃主要由AsS基、GaLaS基和Ge基硫系玻璃。

光纤放大器技术就是在光纤的纤芯中掺入能产生激光的稀土元素，通过激光器提供的直流光激励，使通过的光信号得到放大。传统的光纤传输系统是采用光—电—光再生中继器，这种中继设备影响系统的稳定性和可靠性，为去掉上述转换过程，直接在光路上对信号进行放大传输，就要用一个全光传输型中继器来代替这种再生中继器。适用的设备有掺铒光纤放大器（EDFA）、掺镨光纤放大器（PDFA）、掺铌光纤放大器（NDFA）。目前光放大技术主要是采用EDFA。

90年代初期，掺铒光纤放大器（EDFA）的研制成功，打破了光纤通信传输距离受光纤损耗的限制，使全光通信距离延长至几千公里，给光纤通信带来了革命性的变化，被誉为光通信发展的一个“里程碑”。那么，究竟什么是光纤放大器呢？　根据放大机制不同，OFA可分为两大类。