掺铒光纤放大器和拉曼光纤放大器分析和比较

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，具体分类详见图1（2）.本文中，仅对掺铒光纤放大器(EDFA)和光纤拉曼放大器(FRA)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放大的器件。图3给出了掺饵光纤放大器的结构。

图3 掺铒光纤放大器的典型结构

掺饵光纤是掺铒光纤放大器（EDFA）的核心部件。它以石英光纤作为基质，在纤芯中掺入固体激光工作物质——饵离子。在几米至几十米的掺饵光纤内，光与物质相互作用而被放大、增强。光耦合器的作用是将信号光和泵浦光合在一起，一般采用波分复用器实现。光隔离器的作用是抑制光反射，以确保光放大器工作稳定，它必须是插入损耗低，与偏振无关，隔离度优于40dB。光滤波器的作用是降低自发辐射产生的噪声对系统的影响（3）。

1、2拉曼光纤放大器（RFA）原理

拉曼光纤放大器的工作原理是基于石英光纤中的受激拉曼散射效应,在形式上表现为处于泵浦光的拉曼增益带宽内的弱信号与强泵浦光波同时在光纤中传输,从而使弱信号光即得到放大。其工作原理示意如图4所示。泵浦光子入射到光纤,光纤中电子受激并从基态跃迁到虚能级,然后处在虚能级的电子在信号光的感应下回到振动态高能级,同时发出一种和信号光相同频率、相同相位、相同方向的低频的斯托克斯光子,而剩余能量被介质以分子振动(光学声子)的形式吸收,完成振动态之间的跃迁。斯托克斯频移γr=γp-γs由分子振动能级决定,其值决定了受激拉曼散射的频率范围,其中γp是泵浦光的频率,γs是信号光的频率。对非晶态石英光纤来说,其分子振动能级融合在一起,形成了一条能带,因而可在较宽频差γpγs范围(40THz)内通过SRS实现信号光的放大（4）。

图4 拉曼光纤放大器工作原理示意图

用激光器产生的泵浦光经光隔离器(工50)耦合到波分复用器，并与信号光一起通过波分复用器(WDM)耦合到一段光纤中，在这段光纤内利用受激拉曼散射效应使泵浦光能量向信号光转移，从而信号光得到放大。如图5所示（5）。

图5 受激拉曼光纤放大器的基本结构

受激拉曼光纤放大器的泵浦方式有前向泵浦、后向泵浦及前后同时泵浦三种方式。泵浦光可以是连续的，也可以是脉冲式的。当泵浦功率较低时，前向泵浦和后向泵浦方式的拉曼增益一致。在处于泵浦饱和区域时，这两种泵浦方式总的放大特征会有很大不同。

3、光放大器的技术比较及应用

3、1掺铒光纤放大器优、缺点及应用

掺铒光纤放大器的优点是: （1)通常工作在1530～1565nm光纤损耗最低的窗口;（2)增益高,在较宽的波段内提供平坦的增益,是WDM理想的光纤放大器;（3)噪声系数低,接近量子极限,各个信道间的串扰极小,可级联多个放大器;（4)放大频带宽,可同时放大多路波长信号;（5)放大特性与系统比特率和数据格式无关;（6)输出功率大,对偏振不敏感;（7)结构简单,与传输光纤易耦合。缺点是:（1)在第3窗口以上的波长,光纤的弯曲损耗较大,而常规的掺铒光纤放大器不能提供足够的增益,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。制约了光纤能够容纳的波长信道数;（2)不便于查找故障,泵浦源寿命不长;（3)存在基于泵浦源调制和光时域反射计(OTDR)的监测与控制技术问题,控制内容包括输出功率的控制和不同波长通道的增益均衡,EDFA的增益对100kHz以上的高频调制不敏感,对低于1kHz的调制,掺铒光纤放大器的输出信号会产生失真（6）。

在光纤通信系统中, 掺铒光纤放大器的应用有线路放大、功率放大、前置放大和局域网。线路放大的最重要的应用就是作为线路放大器以提高系统的传输距离。在长途通信线路, 掺铒光纤放大器用作中断放大有很大的优势。在局域网(LAN) 光纤通信系统中, 需要用光放大器来补偿光合束器、光学路由器等光学元件的损耗。在一个采用几个星形耦合和掺铒光纤放大器相结合的LAN 实验中, 实现了几乎无损耗的分配网。掺铒光纤放大器有平坦增益谱、高饱和输出功率、低串音等优点在有线电视系统（CATV）中有广阔的用途。掺铒光纤放大器工作在 1550nm 窗口。该窗口光纤损耗系数较 1310nm 窗口低, 噪声低,增益曲线好、