摻鐠光纖放大器

PDFA是1300nm波長工作的光纖放大器,它是一種準4能級系統。

基本介紹

• 中文名：摻鐠光纖放大器
• 外文名：Pr-doped fiber amplifier (PDFA)

1光纖放大器

光纖放大器是一種對光纖傳輸系統中的光信號進行直接線上光放大的器件。它不僅結構簡單,與系統連線方便,而且它的耦合效率和能力轉換效率高,有很大的頻寬潛力。另外,由於光纖介質的雷射損耗閾值遠大於半導體材料,因此光纖放大器可用來取代光纖通信系統中傳統的電子中繼器或作為接收機的前置放大器,以提高接收機的靈敏度和信噪比,增加通信距離。目前的光纖放大器主要有4種:消逝波耦合光纖放大器、晶體光纖放大器、受激散射光纖放大器、稀土摻雜光纖放大器。其中摻雜光纖放大器(RDFA)是在光纖的纖芯中摻入能產生光子的稀土元素,通過稀土元素的作用,將雷射二極體LD泵浦發出的光能量轉化到信號光上,可實現對信號光的直接放大,具有實時、寬頻、線上、低損耗的全光放大功能。

由於RDFA具有摻雜濃度高,互作用區大,能量轉換率高,製作較容易等顯著的優點,近20多年來得到了迅猛發展。同時,RDFA的成熟與商用化也極大地促進了長距離光纖通信系統、波分復用(WDM)系統等重要技術的發展。

RDFA基本結構和工作原理

雖然早在1964年就開始研究光纖放大器,但隨著低損耗摻雜光纖工作特性和製造技術的不斷發展,直到1986年才開始實際使用。稀土元素(或鑭系元素)由原子量為58～71且性質相近的14個原子組成。當稀土元素摻雜於石英或其他玻璃光纖中時,會變成三階離子。許多不同的稀土離子,如鉺、鈥、釹、釤、銩和鐿等,都可以用於製造光纖放大器,能工作在從可見光到紅外區的不同波長上。放大器的工作特性(如工作波長、增益寬度和噪聲等)是由摻雜離子而不是光纖決定的,光纖起基底介質的作用。

RDFA基本結構

RDFA有3種基本結構:前向泵浦、後向泵浦和雙向泵浦。在前向泵浦(或正向泵浦)中泵浦光與信號光以相同方向通過增益光纖,後向泵浦(或反向泵浦)兩者則以相反方向通過增益光纖,雙向泵浦結構中泵浦光在2個方向同時通過增益光纖。不管是哪種泵浦方式的光纖放大器,基本構件都包括增益光纖、泵浦光、波分復用器/光耦合器等。增益光纖是在石英光纖的纖芯中,摻入一些三價稀土金屬元素,如Er(鉺)、Pr(鐠)、Tm(銩)等,形成的一種特殊光纖,它是摻雜光纖放大器中核心部分;泵浦光用來向稀土元素提供能量,使稀土元素實現粒子數反轉,這是產生光放大的必要條件之一;波分復用器(或光耦合器)的作用是將信號光與泵浦光進行複合;為了防止器件和焊點的反射,降低光纖放大器的噪聲指數,增加穩定性,一般還在其輸入和輸出端加入光隔離器;為了提高系統的信噪比,通常在輸出端加入光濾波器。實用的光纖放大器中,還包括帶自動調整功能的泵浦源驅動電路、自動溫控和自動功率控制等保護功能的輔助電路。有的輔助電路中還具有通過計算機通信協定完成人機對話和對放大器的網路監控功能。

2摻鐠光纖放大器(PDFA)

PDFA是1300nm波長工作的光纖放大器,它是一種準4能級系統。對PDFA研究熱點是尋找低聲子能量材料做基質以儘量減少由於石英玻璃材料具有大的聲子能量,不能得到鐠離子在1300nm波長的發光,潛在的基質有基於InF3的系統,基於InF3/

GaF3系統,基於PbF2/InF3的系統,混合鹵化物玻璃,硫系玻璃如Ga-La-S和As-S。1994年,英國研製出第一隻工程化PDFA,利用670mW的入纖功率,得到29dB的小信號增益,輸出功率達17dB。

1998年,東芝利用5.8m摻雜濃度為1000ppm數值孔徑為0.55的TDF,當入纖功率為260mW時,得到21dB的小信號增益,輸出功率達16.2dB。由於轉換效率很低,必須採用高數值孔徑、低損耗的TDF設計,此時小信號增益可達30dB,3dB頻寬可達30nm,最高小信號轉換效率也可達0.22dB/mW。而M.Yamada採用1017nmLD泵浦獲得了30dB的增益。Itoh也報導了GaNaS玻璃光纖中得到了30dB增益,增益係數達到了0.81dB/mW。近幾年來,硫(鹵)系玻璃作為1330nm光纖放大器的基質玻璃受到了極大的關注,取得了很大的進展,在Pr3+摻雜的Ga-La-S系玻璃中,已取得了70%以上的量子效率,是Pr3+摻雜ZBLAN玻璃的近20倍。2000年CLEO會議上美國麻薩諸塞理工大學的R.S.Quimby等人對比研究了單波長(1030nm)和雙波長(1030nm和1270nm)下泵浦摻鐠硫系光纖放大器的放大實驗,發現雙波長泵浦條件下轉換效率為35%,而單波長泵浦下只有15%。目前,用於稀土離子Pr3+摻雜的1330nm光纖放大器硫系基質玻璃主要由As-S基、GaLaS基和Ge基硫系玻璃。雖然PDFA的放大波段在1300nm與6.652光纖的零色散點相吻合,在已建的1300nm光通信系統中有著巨大的套用市場,但是由於摻鐠光纖自身放大特性及機械強度和與普通光纖連線困難等因素,要得到廣泛的商業套用還存在一定的困難。

3 PDFA原理

Pr能級結構在G和H間的躍遷在1300nm為中心的很寬的視窗內提供增益。基態H上的粒子可直接被泵浦激發至上能級G，泵浦帶較寬（FWHM約為50nm），中心波長在1017nm處。G到H躍遷產生的增益以波長1310nm為中心，而在G和H間仍存在很強的1050nmASE。另外，G到D的躍遷產生了一個峰值在1380nm波長附近的激發態吸收帶，其短波長延伸至1290nm，限制了放大器的性能；而放大器的長波長部分則受到峰值位於1440nm波長處的基態吸收（GSA）的影響，將波長大於1290nm的信號吸收。

PDFA同EDFA一樣，都是通過泵浦光源讓摻在光纖中的稀土元素吸收泵浦光的能量，使稀土元素處在高能狀態，當光纖通過信號光時，產生共鳴，使信號吸收稀土元素的能量，光信號得到放大而輸出，即信號光得到放大。

PDFA用的泵浦光源是波長為1017nm的雷射器，而EDFA上用的泵浦光源的波長是980nm和1045nm。與EDFA一樣，在PDFA的輸出、輸入端上都接有隔離器，以保證放大器的穩定。泵浦光源通過光耦合器（具有WDM功能）同放大模組相連。

4 PDFA研究歷程

第一次在1.3μm處放大是從基於ZrF(ZBLAN)的摻鐠光纖中得到證明。從那時起，人們對低聲子能量的基質玻璃產生了極大興趣。通過減少基質玻璃的聲子或振動能量，使放大時可以得到更高的泵浦功率。雖然如此，在ZBLAN光纖中典型的效率僅僅為4%，因此已經進行了大量的研究，希望找出有效的用於PDFA的基質玻璃。潛在的基質有基於InF的系統，基於InF/GaF系統，基於PbF/InF的系統，混合鹵化物玻璃，硫系玻璃如Ga-La-S和As-S。在所有的材料中，要想使之成為有效率的PDFA的關鍵問題是減少光纖的損耗。

1摻鐠氟化物光纖放大器。摻鐠氟化物光纖與通信用光纖(石英)不同，通信用光纖是由二氧化矽構成，而摻鐠氟化物光纖完全不含氧，而是由重金屬(鋯、銦)氟化物作為主要成分的玻璃所構成。

為了提高摻鐠氟化物光纖放大器的效率，研究工作的重點就是找到氟化物光纖的摻雜材料，以及確定由這些材料製成的光纖包層和芯徑折射率的大小。日本NTT光網路研究所經過優選，最終開發出了銦氟化物光纖中摻鐠的、光纖包層和芯徑折射率差為4%的低損耗光纖作為放大媒體，能使小信號輸入光信號的功率提高1.5倍。

1998年日本的研究人員採用1.01μm波段LD作為泵浦，在摻鐠In/Ga基質氟化物光纖中實現了可靠的運轉。採用四個1.01μmLD獲得了信號輸出功率為16.2dBm（42mw），對應的增益係數為18dB，比以前報導的Zr基氟化物光纖高出2-3dB，噪聲係數低於8dB。並用此PDFA作為前置放大器在260mw泵浦功率下實現了距離大於100km的2.5Gb/s傳遞試驗，整個過程沒有誤碼。採用In/Ga基質氟化物光纖摻雜濃度為1000ppm，纖芯直徑為1.2μm數值孔徑為0.55，光纖在1.2μm處的背底損耗為0.15dB/m，光纖長度為5.8m。

同年日本K.Isshiki等人報導了In-Ga基質氟化物摻鐠光纖放大器，該放大器直接採用0.98μm波段的LD作為泵浦源，採用光柵可對LD調節，調節範圍為0.98～1.0μm，在1.296μm波長最大信號輸出功率為13.5dBm，採用此光纖放大器作為前置放大器，進行了O波段PDFA的傳輸試驗，在信號波長分別為1.296μm、1.301μm、1.306μm和1.311μm，每個信道信號功率為-21dBm，結果顯示，其誤碼率小於10。基於商用PDFA模組放大試驗早在1995年研究被驗證。日本提供稀土摻雜氟化物光纖及光纖放大器。該摻鐠光纖放大器增益達到25dB以上。

O-Band工程化實用型PDFA採用高可靠性半導體泵浦源與高效率的PDF設計技術，並對PDFA光路結構進行最佳化設計而製造的整機，其功率高達17dBm以上，工作頻寬為1290nm至1320nm，非常低的模擬失真，可廣泛適用於1310nmCATV系統，數字光通信系統，DWDM系統，及光器件性能的測試。

2摻鐠硫系玻璃光纖放大器。近幾年來，硫（鹵）系玻璃作為1.3μm光纖放大器的基質玻璃受到了極大的關注，取得了很大的進展，如在Pr摻雜的GeGaS系玻璃中，已取得了70%以上的量子效率，是Pr摻雜ZBLAN玻璃的近20倍。Shin等計算了Pr的G能級的多聲子馳豫速率，硫系玻璃比氟化物小大約兩個數量級。Simon等也報導了摻Pr的Ge-Ga-S玻璃1.3μm發光性質；最近，Tawarayama等報導了單模Ge-Na-S光纖的信號增益，在1.332μm波長處的信號增益約為30dB，該光纖的纖芯直徑為2.5μm。因此可以說，硫系、硫鹵系玻璃是目前最有希望的稀土離子摻雜的1.3μm光纖放大器基質玻璃系統。2000年CLEO會議上美國麻薩諸塞理工大學的R.S.Quimby等人對比研究了單波長(1030nm)和雙波長(1030nm和1270nm)下泵浦摻鐠硫系光纖的放大試驗。發現了雙波長泵浦條件下轉換效率為35%，而單波長泵浦下只有15%。目前，用於稀土離子Pr摻雜的1.3μm光纖放大器硫系基質玻璃主要由AsS基、GaLaS基和Ge基硫系玻璃。

5 PDFA的套用

利用PDFA構成WDM試驗系統。作為WDM的信號光源是8台分布反饋式雷射器(DFB-LD)，信號光的波長為1292.76～1305.38nm，通過偽隨機二進制序列(PRBS)碼光調製器對各10Gbit/s的不歸零碼進行調製。在試驗系統中配置了功率放大器、前置放大器和2台線路放大器，一共4個PDFA。傳輸通路用4段長20km的G.652光纖連線成一個80km的中繼段（中繼段的傳輸衰減偽28dB），整個試驗系統為3箇中繼段，共240km。對該試驗系統的誤碼特性進行測量，結果表明當接收電平為-34dBm時接收信號的誤碼率優於10。

胡小波等人對PDFA在SDH系統中的套用進行了相應的試驗。他們在已鋪設的光纖網路上進行的現場試驗系統結構，系統速率為10Gb/s，系統長度為120km。儘管試驗採用的是直接調製DFB雷射器傳送光信號，而未濾除啁啾，而且傳輸速率高達10Gb/s，但傳輸性能仍很好，成功的延長了傳輸距離。試驗表明PDFA為已鋪設的1310nm波長的常規數字光纖系統提供了一條簡單的升級途徑，對光纖和傳送機無須做任何改動，就可以允許10Gb/s的高速數據傳輸100公里以上的距離。

6 摻雜光纖放大器發展展望

隨著摻雜光纖放大器發展越來越成熟,功能越來越全面,同時長距離光通信傳輸系統的要求也越來越高,摻雜光纖放大器發展的主要方面為:(1)寬頻化隨著EDM/DWDM的發展,要求光纖放大器具有更寬的頻寬,從C波段擴展到L波段或S波段,目前已出現了C+L波段寬頻放大器,甚至不久將出現C+L+S超寬頻光纖放大器。以滿足光纖通信傳輸的信息容量並延長光纖通信的傳輸距離。(2)集成化隨著光纖放大器的功能愈來愈完善,除了增益平坦外,各個廠家還相繼推出包括自動增益控制(AGC)、自動功率控制(APC)、自動泵浦電流控制(APCC)和自動泵浦功率控制(APPC)在內的功能集成化光纖放大器。這些光纖放大器還能自動調節工作狀態,滿足不同的需要。同時,要求光纖放大器體積最小化,降低成本,使各種摻雜光纖放大器儘早投入市場。