光纤放大器的研究.docx

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光纤放大器的研究

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摘要

随着社会的不断进步，当今信息的交流正朝着高速化、复杂化、密集化方向发展，直接导致人们对信息传播的速率和质量的要求越来越高。

建立骨干全光网，全面落实推广光纤入户迫在眉睫，已成为我们在“十二五”期间的发展目标之一。

光纤通信在新时期正越发显现出他无可替代的地位，而光纤放大器因它具有易集成、高增益、低噪声和带宽广的特点，是实现全光型光纤通信的关键性部件。

目前，光纤放大器主要有三类，分别是半导体光纤放大器、掺稀土元素放大器和非线性放大器。

本文将就这三类光纤放大器逐一展开论述，特别是掺稀土光纤放大器，深入探讨有关他们的结构、工作原理、各自的特点、应用范围、实际应用情况和未来的发展方向，另外，还将就光纤放大器中的非线性光学效应作理论分析。

关键词：

光纤；光纤放大器；非线性光学效应

TheResearchofFiberAmplifier

ABSTRACT

Withtheprogressofsociety，todaytheexchangeofinformationismovinginhigh-speed，complex，intensivedirection，adirectresultoftherateandqualityofinformationdisseminationhavebecomeincreasinglydemanding.Backboneofall-opticalnetworks，thefullimplementationofthepromotionoffibertothehomeisimminent，hasbecomeinoneofthe"TwelveFive"periodofdevelopmentgoals.Opticalfibercommunicationintheneweraisincreasinglyshowinghisirreplaceableposition，thefiberamplifierbecauseofitseaseofintegration，highgain，lownoiseandwidebandwidthcharacteristicsofthecriticalcomponentsofall-opticalfibercommunication.Fiberamplifierhasthreecategories，namely，semiconductoropticalamplifier，arareearthdopedamplifiersandnon-linearamplifier.Thispaperwilleachofthethreetypesoffiberamplifiersdiscusses，inparticulartherareearth-dopedfiberamplifier，depthabouttheirstructure，workingprinciple，theirowncharacteristics，scopeofapplication，theactualapplicationandfuturedevelopmentdirection，inaddition，willalsothenonlinearopticaleffectintheopticalfiberamplifierfortheoreticalanalysis.

KeyWords：

Opticalfiber；FiberAmplifier；Nonlinearopticaleffects

第一章绪论

光纤放大器是密集波分复用（DWDM）系统中的关键部件，它取代了传统光—电—光的中继方式，实现了光信号的高增益、低噪声放大。

近年来，随着计算机网络和其它数据传输业务的飞速发展，长距离光纤传输对提高密集波分复用系统传输容量的需求日益增大，人们对光纤带宽的利用越来越多，密集波分复用和光纤放大器相结合是目前光通信发展的趋势。

1.1引言

在光纤通信技术发展的早期，为了实现光信号的中继放大，采用光—电—光的转换思想，具体说来，就是把已经衰弱的光信号进行光电转换，转化为电信号进行放大，而我们那时对电信号的放大技术已经成熟，所以容易实现，再将放大了的电信号进行电光转化，这样就重新得到光信号，从而实现了光的放大。

诚然，对光信号的放大作用的确实现了，但落实到现实中，研究人员发现问题远远没有想象的那么简单。

电中继器设备复杂，维护难、成本高，耗能多，只能实现窄带多波长放大，而且实际需要大量的光纤放大器，这样的高成本投入让光纤发展受到了致命的制约。

1989年，掺饵光纤放大器的诞生，标志着光通信史上的一次革命，因为他开创性的实现了全光放大技术，促使波分复用技术走向实用化，促进了光接入网的实用化，完全解决了过去光—电—光转换时代的众多诟病，为光纤通信的长足发展打下了坚定的基础。

光纤放大器（OpticalFiberAmpler，简写OFA）是指运用于光纤通信线路中，实现信号放大的一种新型全光放大器。

不但可对光信号进行直接放大，同时还具有实时、高增益、宽带、在线、低噪声、低损耗的全光放大功能，是新一代光纤通信系统中必不可少的关键器件。

光纤放大器一般都由增益介质、泵浦光和输入输出耦合结构组成。

目前光纤放大器主要有掺铒光纤放大器、半导体光放大器和光纤拉曼放大器三种，其中掺铒光纤放大器以其优越的性能现已广泛应用于长距离、大容量、高速率的光纤通信系统、接入网、光纤CATV网、军用系统（雷达多路数据复接、数据传输、制导等）等领域。

根据光纤放大器在光纤线路中的位置和作用，一般分为中继放大、前置放大和功率放大三种。

自80年代末至90年代初研制成掺铒光纤放大器（EDFA），并开始应用于1.55mm频段的光纤通信系统以来，推动了光纤通信向全光传输方向发展，且目前EDFA的技术开发和商品化最成熟；应用广泛的C波段EDFA通常工作在1530~1565nm光纤损耗最低的窗口，具有输出功率大、增益高、与偏振无关、噪声指数低、放大特性与系统比特率和数据格式无关，且同时放大多路波长信号等一系列的特性，在长途光通信系统中得到了广泛的应用。

掺铒光纤放大器的不足是C-BandEDFA的增益带宽只有35nm，仅覆盖石英单模光纤低损耗窗口的一部分，制约了光纤固有能够容纳的波长信道数。

非线性OFA是利用光纤的非线性效应实现对信号光放大的一种激光放大器。

当光纤中光功率密度达到一定阈值时，将产生受激拉曼散射（SRS）或受激布里渊散射（SBS），形成对信号光的相干放大。

非线性OFA可相应分为拉曼光纤放大器（SRA）和布里渊光纤放大器（BRA）。

OFA的研制始于80年代，并在90年代初取得重大突破。

在现代光通信系统设计中，如何有效地提高光信号传输距离，减少中继站数目，降低系统成本，一直是人们不断探索的目标。

OFA是解决这一问题的关键器件，它的研制和改进在全球范围内仍方兴未艾。

随着密集波分复用（DWDM）技术、光纤放大技术，包括掺铒光纤放大器（EDFA）、分布拉曼光纤放大器（DRFA）、半导体放大器（SOA）和光时分复用（OTDM）技术的发展和广泛应用，光纤通信技术不断向着更高速率、更大容量的通信系统发展，而先进的光纤制造技术既能保持稳定、可靠的传输以和足够的富余度，又能满足光通信对大宽带的需求，并减少非线性损伤。

密集波分复用系统在光纤传输系统中已成为技术主流，作为DWDM系统核心器件之一的光纤放大器在其应用中将得到迅速发展，这主要是由于光纤放大器有足够的增益带宽，它与WDM技术相结合可迅速简便地扩大现有光缆系统的通信容量，延长中继距离[1]。

在光纤接入网中，尽管用户系统的距离较短，但用户网的分支太多，需要用光纤放大器来提高光信号的功率以补偿光分配器造成的光损耗和提高用户的数量，降低用户网的建设成本。

在光纤CATV系统中，随着其规模的不断扩大，其链路的传输距离不断增长，光路的传输损耗也不断增加，将光纤放大器应用在光纤CATV系统中不但可提高光功率，补偿链路的损耗，增加光用户终端，而且简化了系统结构，降低了系统成本。

近年来，随着信息和通信技术的飞速发展，光纤放大器（无线信号放大器）的研究和发展又进一步扩大了增益带宽，将光纤通信系统推向了高速率、大容量、长距离方向发展。

由于光纤放大器的独特性能，光纤放大器在DWDM传输系统、光纤CATV和光纤接入网中的应用将越来越广泛。

1.2课题的研究意义和主要内容

随着国家的科技进步，社会对网速的要求越来越高，建立骨干全光网，落实推广光纤入户，成为“十二五”发展目标的亮点所在。

光纤通信在新时期正越发显现出他无可替代的地位，而研究开发更卓越的光纤技术成为当代人才责无旁贷的艰巨使命。

光纤通信通俗的讲就是把有价值的信息以光为载体在光纤中传输，众所周知，光在传播的过程中存在损耗，几公里后就需要对光信号进行放大，而我国地域辽阔，对光纤传输的要求当然是传输距离越远越好，所有研究光纤通信的机构都在这方面下了很大功夫，特别是在光纤放大器出现以后，这方面的记录接连不断。

光纤放大器在光纤通信领域中需求量特别大，目前的光纤网覆盖大多集中在中东部发达地区，西部等边远地区光纤网的建设还大多处于起步阶段，需要更多熟知光纤技术的人才，因此，光纤放大器这个领域的研究也就显得尤为具有现实意义。

本论文将对时下各种光纤放大器作介绍，并重点论述半导体光纤放大器、掺铒光纤放大器、拉曼光纤放大器三种主要的光纤放大器的工作原理，结构，特点、光纤放大器中的非线性效应和典型应用。

第二章光放大器概述

迄今为止，得以充分研究和广泛应用的光放大器主要三类：

半导体光放大器、掺稀土元素光纤放大器、非线性光放大器。

2.1半导体光放大器

半导体光放大器（SOA）研究较早，其结构类似于普通的半导体激光器，分为法布里－珀罗型（FPA）和行波型（TWA），两者分别实现共振放大和行波放大。

行波放大器有很高的响应带宽，可以对窄至几个ps的超窄光脉冲进行放大。

SOA的一个优点是易于同其它光器件和电路集成、适合批量生产、成本低；另一方面SOA还具有体积小、结构简单、功耗低的优点。

然而SOA与光纤放大器相比，还存在许多不足。

首先，SOA的增益具有很强的偏振态敏感性；其次，由于其载流子寿命较短（200ps），信道间的交叉串扰较大；再次，由于其不易光纤耦合，较大的耦合损耗使其噪声特性也受到很大的影响；此外，SOA的输出功率较小、工作状态易受环境条件变化的影响。

这些缺点使其在放大性能上与光纤放大器还有差距，应用也不如光纤放大器广泛。

然而利用SOA的非线性过程可以实现增益开关、全光波长变换、光交换、谱反转、时钟提取、解复用等功能，因而SOA在这些领域受到了广泛的重视，特别是目前应变量子阱材料的半导体光放大器的研制成功，又引起人们对SOA的研究兴趣。

2.2掺稀土元素光纤放大器

稀土元素即元素周期表中的镧系元素，镨（Pr）、钕（Nd）、铒（Er）、铥（Tm）都属于此系，目前通信领域对掺稀土光纤放大器的研究比较多的集中在掺镨光纤放大器（PDFA）、掺铒光纤放大器（EDFA）和掺铥光纤放大器（TDFA）上，特别是掺铒光纤放大器，由于可以应用于1.55μm窗口而成为研究的热点。

掺铒光纤放大器的研制成功，是光通信发展过程中的一个突破，为光纤通信带来了革命性的变化。

EDFA一般工作在1550nm窗口的C波段和L波段，在该窗口光纤损耗系数比1310nm窗口还要低。

自从1985年英国南安普顿大学首先成功地研究出掺铒光纤，并于1986年研制出第一台掺铒光纤放大器以来，EDFA技术得到了迅速的发展。

EDFA以其接近噪声极限的良好噪声特性、极高的增益、偏振不敏感性、线性饱和输出特性、温度稳定性以和与光纤系统良好的接入性，广泛地应用于目前的光通讯系统中。

由于其上能级寿命较长，利于泵浦能量的积累从而阈值低、效率高，同时也决定了其瞬态响应速度较缓，对信号间串扰影响不敏感。

已商用的EDFA噪声小，增益曲线好，放大器带宽大，与DWDM系统相兼容，性能稳定、技术成熟，在现代长途DWDM通信系统中备受青睐，具有优良性能的EDFA与DWDM技术的结合已经成为目前光纤通讯发展的主流。

EDFA的缺点在于其增益平坦性较差，应用在WDM系统中使用时必须对其进行恰当的增益控制，以实现宽带平坦的输出。

图2.1EDWA结构示意图

Fig.2.1EDWAstructurediagram

在EDFA研究的基础上，近年来，掺铒波导放大器（EDWA）发展较快。

这种放大器是由内嵌在掺铒玻璃基片上的光波导构成，其典型结构如图2.1所示。

在抽运光的作用下，稀土离子跃迁到高能级，而后又从高能级无辐射跃迁到寿命较长的介稳态。

在信号光光子的激发作用下，稀土离子发生从介稳态向基态的受激跃迁，放出一个与信号光频率、相位均相同的光子，实现光放大作用。

此类放大器与EDFA原理相似，都是以掺铒基质为增益介质。

EDWA的铒离子掺杂浓度较高，一般可以达到普通掺铒光纤浓度的100倍左右。

由于放大过程在波导中完成，泵浦光能量被约束在截面积非常小的区域内，有效地提高泵浦光功率密度从而使此类放大器具有较大信号增益系数，在十几厘米长度内就可实现10dB左右的增益。

EDWA不仅继承了EDFA的优点：

噪声指数低、偏振相关性小以和和无通道间串扰，同时还具有自己的优势：

结构紧凑，可以实现集成。

目前最小的EDWA模块可以在1530nm窗口中实现15dB的增益，其体积只有130×11×6mm3。

对OEM用户来说，他们可以很容易地将EDWA装入自己的产品中，形成基于EDWA的系列产品，如EDWA阵列、1×N合／分波集成放大器等。

但EDWA也有不足之处：

制造工艺和集成工艺都还存在缺点，无集成隔离器使其尺寸不能够更小，此外它对工作环境的要求较高。

掺镨光纤放大器可以实现1.3μm窗口的放大。

早在1988年就进行过NDFA（Nd3+DopedFiberAmplifier）的研制，在石英玻璃光纤中Nd3+的发光中心波长位于1.34μm，偏离光通信波长的1.31μm，同时又呈现很强的受激态吸收（ESA），因此未能得以继续发展。

1991年开发出PDFA，由于其增益波长恰与通信光波长的1.3μm一致，同时能获得高增益，便开展了PDFA的实用化研究。

由于氟化物玻璃基质比石英玻璃基质放大效率高，目前PDFA一般使用氟化物光纤，但氟化物光纤比石英光纤的环境适应性差，为此须采用真空密封型氟化物光纤。

PDFA目前主要应用在工作波长在1.31μm窗口的CATV业务中，它的实用化对采用G.652光纤的通信系统（零色散点在1.3μm）是至关重要的。

目前PDFA的泵浦源可以选用双包层大功率YDFL（掺镱光纤激光器1～1.15μm）

掺铥光纤放大器工作在损耗较低的1.45μm波段，可实现1.55μm窗口EDFA不能实现的S波段内（1450~1520nm）的放大。

它与EDFA共同使用，就几乎可覆盖整个1.55μm窗口，从而充分利用光纤1.55μm窗口的带宽资源。

对于采用色散位移光纤（DSF）的系统，1450nm波段的色散较小，在此波长进行DWDM传输就可避免1550nm波长传输的四波混频（FWM）失真的限制。

TDFA一般也是使用氟化物基质光纤，目前实验室已经能够实现1480～1509nm范围内25dB平坦增益，并不断地实现其性能的优化。

2.3非线性光放大器

非线性光纤放大器包括光纤喇曼放大器（FRA）、光纤布里渊放大器（FBA）、光纤参量放大器（FOPA）等，它们分别利用了光纤中的受激喇曼散射（SRS）、受激布里渊散射（SBS）和四波混频（FWM）三种非线性效应。

FRA增益谱很宽，增益峰值高，其应用前景广泛，近年来倍受关注，成为研制开发的热点。

它具有许多优点：

（1）增益介质为普通传输光纤，与光纤系统具有良好的兼容性；

（2）增益波长由泵浦光波长决定，不受其它因素的限制，理论上只要泵浦源的波长适当，就可以放大任意波长的信号光，目前已经有实现132nm增益带宽的报导。

（3）增益谱宽、增益大、噪声系数小、响应速度快、温度稳定性好。

由于其增益谱宽远超过EDFA，因此在EDFA不能放大的波段可以实现光放大，成为EDFA有力的补充，同时利用受激喇曼光纤放大器灵活的增益特性与掺铒光纤放大器组合使用便可以实现宽带平坦增益光纤放大系统；另外由于其增益介质即为光纤本身，因此可实现分布式放大，可以对信号光进行在线放大，延长无中继传输距离。

目前限制光纤拉曼放大器广泛应用和发展的主要问题在于其泵浦阈值较高、宽带使用时存在串扰。

随着大功率固体激光器和大功率包层激光器的发展，相信光纤喇曼放大器将会有更加广泛的应用前景。

由于受激布里渊增益谱很窄（1.55μm附近约100MHz），FBA的应用仅限于窄带信号的放大，虽然也可以实现调谐放大，但由于其泵浦阈值低（单模光纤中的典型值为10mW），输出功率小而且噪声特性差，在光通信中应用较少。

光纤参量放大器正得到广泛研究，近几年的OFC和ECOC会议上，都将FOPA作为专题进行报道。

FOPA具有增益高、宽带宽等显著优点，在DWDM系统、全光网等领域将有非常广泛而重要的应用。

上述三类光放大器各有优缺点，它们在超长DWDM系统中获得了不同的应用，表2.1中我们具体对这三种光放大器进行了多方面的比较。

SOA覆盖了1300~1600nm波段，既可用于1300nm窗口，又可用在1550nm窗口，但SOA已经失去了传统放大器领域的作用，却在全光波长变换、高速光开关、解复用、时钟提取等领域大放异彩；EDFA主要用于DWDM系统、接入网、光纤CATV网和光孤子传输系统等领域；FRA主要用于超长距离传输。

目前，光网络正向着超大容量、超长距离传输的方向发展，光放大器已经成为不可或缺的关键器件，而EDFA和FRA的混合使用已经成为一种潮流。

表2.1光放大器的类型和各自优缺点

Table2.1Thetypeoftheopticalamplifierandtherespectiveadvantagesanddisadvantages

放大器类型

工作

原理

激励

方式

工作

长度

小信号

增益

噪声

特性

常规光纤耦合

偏振

敏感度

失真和串话

集成性

非线性光纤放大器

光学非线性效应

光

数十米到数千米

＞40

好

容易

大

严重

无

半导体光放大器

粒子数反转

电

100μm到1mm

＞30

差

困难

大

严重

易

掺稀土光纤放大器

粒子数反转

光

数米到数十米

＞40

好

容易

无

可忽略

无

第三章半导体光放大器

半导体光放大器由有源区和无源区构成，其放大原理主要取决于有源层的介质特性和激光腔的特性。

半导体光放大器可用作线性放大器、波长转换器、光开关和再生器等。

3.1半导体光放大器的发展

半导体光放大器（SOA）是伴随半导体激光器的发明而提出来的。

在60年代首先进行的GaAs同质结行波半导体放大器研究，开创了半导体放大器的先河，确立了半导体放大器的基本理论。

到1970年，双异质结构激光器问世后，又实现了行波（TW）半导体光放大器的室温连续工作。

在1973年至1975年间，开始从光纤通信应用要求出发，研究双异质结构行波（TW）型和法布里－珀罗（F-P）型光放大器的特性并取得重要进展。

80年代初，采用消除反射光的光隔离器和精确的光频率调谐技术，深入研究了AlGaAsF-P光放大器的增益、带宽、饱和增益与噪声特性和其对光纤通信系统性能的影响。

同时开始研究半导体放大器的注入锁定现象、机理、设计和放大特性。

80年代中期开始研究适用于1.3μm和1.5μm波长的InGaAsP半导体光放大器。

90年代以前SOA的研究主要集中在SOA的增益、饱和增益、噪声、带宽、饱和输出功率等主要特性上。

90年代初，低噪声掺铒光纤放大器的出现使SOA在功率放大功能在光纤线路放大方面的地位受到了极大的挑战，1.55μm窗口的在线放大功能基本上由掺铒光纤放大器完全取代。

进入90年代后，由于量子阱，超晶格技术的发展，特别是应变量子阱技术的日趋成熟，半导体光放大器的研究进入了一个新的空间，半导体光放大器的性能得到全部和大幅度的提高，特别是增益的偏灵敏度、噪声指数已明显降低，已达到和EDFA相比拟的水平，饱和输出功率、小信号增益也有显著提高。

3.2半导体光放大器的基本结构与特性

半导体光放大器是一种把发光器件一一半导体激光器结构作为放大装置使用的器件，因为具有能带结构，所以其增益带宽比采用光纤放大器的宽。

另外，通过改变所使用的半导体材料的组成可以使波长使用范围超过100nm，这是半导体光放大器的一个突出特点。

半导体光放大器由有源区和无源区构成，如图3.1所示，有源区为增益区，使用InP这样的半导体材料制作，与半导体激光器的主要不同之处是SOA带抗反射涂层，以防止放大器端面的反射，排除共振器功效。

抗反射涂层就是在端面设置单层或多层介质层。

以平面波人射单层介质层时，抗反射膜的条件相对于厚度为1／4波长。

实际的放大器，传输光是数微米的点光，可以研究假想波导模严格的无反射条件。

去除端面反射影响的另一种方法，也可以采用使端面倾斜的方法和窗结构。

把光放大器作为光通信中继放大器使用，人射光的偏振方向是无规则的，最好是偏振波依赖性小的放大器。

为了消除这种偏振波依赖性，可以引人运用窄条结构使激活波导光路近似正方形断面形状的方法和施加抗张应力，以增大TM波增益的应变量子阱结构。

目前，实现偏振无关半导体光放大器的方法有很多种，如张应变量子阱结构、应变补偿结构、同时采用张应变量子阱和压应变量子阱的混合应变量子阱结构等。

图3.1半导体激光放大器的的基本结构图

Fig.3.1AsemiconductorlaseramplifierofthebasicstructureofFIG.

图3.2为采用脊型波导结构的应变量子阱光放大器基本结构图。

有源区采用4C3T混合应变量子阱结构，即4个压应变量子阱，3个张应变量子阱，压应变和张应变量子阱之间用与InP晶格匹配的12nm宽的InGaAsP垒层隔开；上下波导层分别为波长1.15拌m的hiGaAsP匹配材料；包层为p型InP，接触层为重p型掺杂InGaAs材料，材料的外延法生长过程中，n型掺杂源为硅烷（SIH4），p型掺杂源为二甲基锌（DMzn）；材料生长完成后，采用标准的光刻、反应离子刻蚀、湿法腐蚀、蒸发、溅射等工艺制作脊型波导结构。

图3.21.3μm偏振无关半导体光放大器结构示意图

Fig.3.21.3μmpolarization-independentsemiconductoropticalamplifierstructurediagram

半导体激光放大器的的基本结构其实就是一个PN结，因为无反馈或反馈量不足引起激射。

它一般采用InP／InGaAsP系的双异质结构波导结构，在正偏压和强注入电流作用下，有源激活区内生成粒子数反转分布状态，处于粒子数反转分布的激活物质有受激辐射效应，使输入光信号得到放大后输出。

SOA两端蒸镀有光抗反射层，以减小半导体材料和空气分界面上的菲涅尔反射。

SOA还包括了整个外延生长的材料层，其中最主要的是有源层，有源层内的载流子是加在半导体PN结上正向偏置电流注入的。

在以应变量子阱为代表的能带工程技术的推动下，SOA的性能大有改进。

在采