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S波段光纤放大器的研究

龙浩;孙军强

【摘要】文章介绍了掺铥光纤放大器(TDFA)和增益位移掺铥光纤放大器(GS-

TDFA)的基本工作原理.分析了不同的泵浦波长选择.随后,作者提出了一种使用半导

体激光器泵浦两级高掺杂掺铥光纤的增益位移放大器方案.采用此方案的光纤放大

器在30nm工作带宽上光增益大于20dB,饱和输出功率大于17dBm,噪声指数为

5.9～6.2dB.

【期刊名称】《光通信研究》

【年(卷),期】2007(000)002

【总页数】3页(P61-62,70)

【关键词】掺铥光纤放大器;增益位移掺铥光纤放大器;S波段

【作者】龙浩;孙军强

【作者单位】华中科技大学,光电子工程系,湖北,武汉,430074;华中科技大学,光电子

工程系,湖北,武汉,430074

【正文语种】中文

【中图分类】TN722

提高光通信传输系统的容量有3个途径：(1)提高单信道传输速率；(2)运用更加密

集的复用技术，减小信道间隔；(3)更宽的带宽。目前商用系统的单通道速率可以

达到40Gbit/s，信道间隔可以做到50GHz。要想进一步改进，以目前的技术，

会造成成本的大幅度上升。这3个途径中目前最有效的是增加带宽。传输光纤的

低损耗区为1450～1650nm。由于掺铒光纤放大器(EDFA)的带宽限制，目前商

用系统使用比较多的是C波段和L波段,即从1530到1620nm的波长范围。传

统EDFA在S波段是不能对信号提供有效放大的。通过设计光学结构很复杂的

EDFA，可以在S波段获得一定的光放大性能。在实验中，用商用的掺铒光纤(EDF)

并使用特殊的光学结构在1485nm波长获得了13dB的小信号增益和7.2dB的

噪声指数。但是，要达到C波段和L波段光放大器的性能，则需要使用掺铥光纤

放大器(TDFA)技术。TDFA有两种：一种是普通的TDFA，放大区域是1450～1

485nm；另一种是增益位移掺铥光纤放大器(GS-TDFA)，放大区域为1480～1

510nm。

1TDFA原理

铥离子(Tm3+)的能级如图1所示。掺铥光纤(TDF)在1450～1500nm范围内有

一个发射带，即从3H4到3F4的跃迁[1]。但是3H4的能级寿命约为1.7ms，而

3F4的能级寿命有11ms，由于上能级的寿命比下能级的寿命短很多，因此很难

实现粒子数反转[2]。

图1铥离子能级图

TDFA用上转换泵浦方式解决粒子数反转的问题。在第1级泵浦的作用下，基态

3H6上的Tm3+通过基态吸收被激发到3F4上，然后在第2级泵浦的作用下，激

发态3F4通过激发态吸收被激发到更高的3H4上，这样随着处于低能级长寿命的

粒子数减少，而处于高能级短寿命的粒子数增加，形成粒子数反转。上转换泵浦可

以是单波长泵浦[3](如图2所示)，也可以是双波长泵浦[4](如图3所示)。单波长

泵浦使用1050nm左右的泵浦波长。双波长泵浦通常使用1200或1550nm

作为第1级泵浦，使用1050或1400nm作为第2级泵浦。单波长泵浦的优点

是光学结构简单。双波长泵浦虽然光学结构比较复杂，但是效率优于单波长泵浦，

而且1550和1400nm的两个泵浦波长可以使用现有商用的半导体激光器技术。

使用双向泵浦结构，在1450～1485nm的放大区域可以获得超过20dB的小信

号增益和低于6dB的噪声指数。单波长泵浦的能量转换效率是10%～12%，使

用双波长技术以后，可以将能量转换效率提高到15%[5]以上。

图2TDFA单波长泵浦图

图3TDFA双波长泵浦图

TDFA可以通过3H4和3F4之间较低的粒子数反转实现增益区的位移，将增益区

移到波长更长一些的1480～1510nm。这就是GS-TDFA。这个过程和L波段掺

铒光纤的增益位移类似。在1050nm单波长泵浦的结构中，激发到3F4的离子

会迅速被激发到更高的3H4能级，因而无法实现低粒子反转率。增益位移所需要

的低粒子反转率可以通过两种技术来实现：双波长泵浦[6]和高掺杂光纤[7]。通过

增加一个1550或是1200nm波长的泵浦将处于3H6能级