基本介紹
背景簡介,工作原理,優點,套用,
背景簡介
自從英籍華裔學者高錕在1966年指出了利用光導纖維進行信息傳輸的可能性，光纖的製作及套用至今仍然是相關領域研究的熱點。1970年，美國製作出全球第一條損耗低於20dB/km的光纖，這成為了光纖能夠真正套用於信息傳輸的里程碑。1987年，英國南安普頓大學在多次研製摻鉺光纖（EDF: Erbium Doped Fiber）的基礎上，首先製造出了工作在1.54mn的摻鉺光纖放大器（EDFA: Erbium Doped Fiber Ainplifier），EDFA的發明使得長距離、大容量、高速率的光纖通信成為可能。
除了光纖損耗以外，光纖中的非線性以及光纖色散等效應也嚴重製約了光纖通信向更高速率、更大容量和更長距離方向的發展。現在的商用光纖的損耗已經降到很低的水平，並且各種光放大器也解決了長距離傳輸中信號中繼的問題。對於光纖色散，傳統的光纖色散分段補償技術，在數據傳輸率超100Gb/s時，對整個系統的色散補償難以精確實現。而光正交頻分復用（O-OFDM: Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing）具有優良的抗色散能力，近些年成為了光通信研究的熱點。從1996年開始，有少量的工作將OFDM套用到光通信領域。但直到2001年，研究人員才認識到OFDM在光通信中抗色散的價值。隨後的O-OFDM技術發展迅猛：2008年，澳大利亞墨爾本大學實現了在1000km長度的普通單模光纖中傳輸107Gb/s的高速信號；2009年，墨爾本大學實現了1Tb/s相干的光OFDM（CO-OFDM: Coherent Optical OFDM）系統，在單模光纖上傳輸了600在2012年的最新報導中，NEC美國實驗室結合密接波分復用技術（DWDM: Dense Wavelength Division Multiplexing），實現了單模光纖傳輸距離為165km 的101.7Tb/sOFDM系統，在實驗中採用了偏振復用以及128正交幅度調製。儘管如此，O-OFDM系統也有其亟需解決的問題。對於超100Gb/s的高速光通信系統，常採用更密集的光載波和較高階的高階光調製來獲得更高的系統容量。由於更密集的光載波意味著需要的光功率越大，從而帶來更大的非線性損傷，並且超100Gb/s系統的非線性損傷對系統性能的影響較低速系統更為嚴重。如為減小非線性損傷而降低每個載波的光功率，那么對於同樣的光纖鏈路超100Gb/s系統所能達到光信噪比（OSNR: Optical Signal Noise Ratio）會降低，無電中繼傳輸距離會被縮短，從而不能滿足超長距離傳輸的套用要求。在保證輸入光功率不變的前提下，為了減小光纖中非線性效應的影響，必須增大光纖的有效模場面積。使用具有大芯徑的多模光纖可以達到增大模場面積的效果，但是多模光纖存在模間色散，其衰減也比單模光纖大，不利於實現長距離的光傳輸。近期基於多模或少模光纖的O-OFDM的文獻報導，給出的傳輸距離從幾百米到幾公里不等都不足以實現長距離傳輸。因此必須通過合理的設計，降低整個芯區的有效折射率來獲得大的有效模場面積，同時保證光纖在工作波長為單模運轉，這在介紹大模場面積摻銀光纖時將詳細說明。
特種光纖不僅在光通信領域發揮著巨大的作用，在其他相關領域，稀土摻雜特種光纖也扮演了重要的角色。隨著工藝的進步，稀土摻雜光纖在近些年得到了很大的發展。
工作原理
利用光纖中稀土摻雜物質引起的增益機制實現光放大。實現光放大的條件是有源光纖中的稀土離子的粒子數反轉。在熱平衡狀態時，稀土離子各能級的粒子數服從玻耳茲曼統計分布，即在熱平衡條件下，高能級的粒子數恆小於低能級的粒子數。當頻率ν=ΔE/h（ΔE為2個能級間的能量差，h為普朗克常數）的光通過該摻稀土光纖時，受激吸收光子數恆大於受激輻射的光子數，因此處於熱平衡狀態下的光纖只能吸收光子。只有當外界向摻稀土光纖供給能量（稱為激勵或泵浦過程）使光纖中的稀土離子處於非熱平衡狀態時，才能實現粒子數反轉，因此泵浦過程是光放大的必要條件。
優點
稀土摻雜光纖對於光纖雷射器、放大器和感測器等各種套用具有很大的吸引力。它的特點是具有圓柱形波導結構，芯徑小，很容易實現高密度泵浦，使激射閾值低，散熱性能好，其芯徑大小與通信光纖很匹配，禍合容量及效率高，可形成傳輸光纖與有源光纖的一體化，是實現全光通信的基礎。隨著集成光學和光纖通信的發展，需要有微型的雷射器和放大器。而稀土摻雜光纖放大器能直接放大光信號，有利於大容量、長距離通信，使光纖通信取得更大的發展。
套用
稀土摻雜光纖放大器，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。
