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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-电-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)一般由增益介质、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,

(2)

具体分类详见图1.仅对掺铒光纤放大器(EDFA)和光纤拉曼放大器(FRA)

本文中,

作以介绍和分析。

图1光放大器的分类

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。

图2石英光纤中饵离子的能级

饵离子从能级2到能级1的跃迁产生的受激辐射光,其波长范围为

1500~1600nm,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

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