文档介绍：光纤通信中的掺杂光纤放大器
杨青丽
(电子科技大学成都学院电子信息工程系成都 611731)
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
引言
光纤通信(Optical munication)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。
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】。
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。
800nm
9800nm
1480nm
1530nm
图2 石英光纤中Er