DWDM密集波分复用系统光放大器研究

一．引言

在这个信息爆炸的时代，以因特网技术为主导的数据通信业务，使人们对于带宽和服务的需求永无止境。面对市场需求的急剧扩张，如何提高通信系统的性能，增加系统带宽，以满足不断增长的业务需求成为大家关心的焦点。在众多可选择的方案中，DWDM（波分复用）系统的出现为进一步挖掘和利用光纤的巨大带宽开辟了一块全新的天地。

早在光纤通信出现伊始，人们就意识到可以利用光纤的巨大带宽进行波长复用传输，但是在20世纪90年代之前，由于TDM的迅速发展，人们很少去关注其它的技术，以致波长复用技术一直没有重大突破。直到1995年，当时人们在TDM10Gbit/s技术上遇到了挫折，众多的目光就集中在光信号的复用和处理上，此后，DWDM系统才在全球范围内有了广泛的研究和应用。

DWDM系统既可用于陆地与海底干线，也可用于市内通信网，还可用于全光通信网。但DWDM系统在带来巨大好处的同时也给系统设计、器件更新等方面带来了极大的挑战。对新型光放大器的需求更是这些挑战中最关键的一项。

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DWDM系统中不可缺少的关键技术。该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。

二．光放大器的历史

任何新技术的发展都是一个漫长的过程。光放大器的研究最早可追溯到1960年激光器的发明，但是真正实用化光放大器的研究却是在1980年以后。这期间随着半导体激光器特性的改善，首先出现了利用半导体技术的半导体光放大器SOA（Semiconductor Optical Amplifier）的法布里——泊罗型（F－P）半导体激光放大器，并开始对行波式半导体激光放大器进行研究。另一方面，随着光纤技术的发展，出现了利用光纤非线性效应的光纤拉曼放大器。但在当时都没有得到广泛的应用。1987年，英国南安普敦大学和美国AT&T 贝尔实验室报道了离子态的稀土元素铒在光纤中可以提供1.55μm波长处的光增益，这标志着掺铒光纤放大器（EDFA）的研究取得突破性进展。短短几年时间，EDFA迅速走向实用化，并且在越洋长途光通信系统中得到应用。这期间由于光纤放大器的问世，在1990年到1992年不到两年的时间里光纤系统的容量增加了整整一个数量级，而在此之前为达到相同的增长却花费了整整8年时间。这足以表明了光放大器的巨大作用，为光纤通信展现了无限广阔的发展前景。

三．光放大器的原理与应用

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， 可以作为前置放大器、线路放大器、功率放大器，是光纤通信中的关键部件之一。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。目前光放大器形式主要有三种：1) 利用激光二极管(LD)制作的半导体光放大器(SOA)；2) 利用掺稀土光纤制作的光纤放大器，其中以掺铒光纤放大器(EDFA)为主；3) 利用常规光纤非线性效应制作的分布式光放大器，典型的是光纤拉曼放大器(FRA)。下面对SOA、EDFA和FRA光放大器进行比较。

1．半导体光放大器

现代光放大器中最早出现的是半导体光放大器（SOA）。它的基本结构、原理和特性与半导体激光器非常相似。它们工作原理都是基于激光半导体介质固有的受激辐射光放大机制，所不同的在于SOA去掉了构成激光振荡的谐振腔，并且SOA是由电流直接激励驱动的。

半导体光放大器的优点是尺寸小、频带宽、增益高；但缺点是与光纤的耦合损耗太大、易受环境温度的影响、工作稳定性较差。但半导体光放大器容易集成，适宜同光集成和光电集成电路结合使用。

通常光半导体放大器分为两大类：一种是将普通半导体激光器用作光放大器，称为法布里——泊罗（F-P）半导体激光放大器（FPA），另一种是在F-P激光器的两个端面上涂上抗反射膜，以获得宽频、低噪的高输出特性。由于这种放大器是在光行进过程中对光进行放大的，故被称为行波式光放大器。

由于半导体光放大器的工作原理决定了其放大增益不是很高，因此半导体放大器在现代光通信系统中作为纯粹功率放大应用较少，它更多的是被用作高速通信网中光开关、光复用／解复用器和波长变换器等光信号处理模块。

2．掺铒光纤放大器

掺饵光纤放大器（EDFA）主要由合波器WDM、泵浦激光器(大功率LD)、光隔离器和掺铒光纤(长10～30m)构成。EDFA的研制成功，是光通信发展的一个“里程碑”。它的出现打破了光纤通信传输距离受光纤损耗的限制，使全光通信距离延长至上千公里，为光纤通信带来了革命性的变化。  

掺铒光纤放大器主要由掺铒光纤、泵浦光源、耦合器、光隔离器等组成。有同（前）向泵浦、反（后）向泵浦和双向泵浦3种泵浦方式，其区别在于信号光与泵浦光的注入方向不同。同向泵浦也称为前向泵浦，它的信号光与泵浦光以同一方向从掺铒光纤的输入端注入。反向泵浦也称为后向泵浦，它的信号光与泵浦光以两个不同方向注入进掺铒光纤。双向泵浦就是同向泵浦与反向泵浦合并的方式。三种泵浦方式的结构图如图1所示。三种泵浦方式的性能比较见表1。





泵浦效率=信号光输出功率/泵浦光功率 噪声

同向泵浦 61% 在未饱和区，同向泵浦式掺铒光纤放大器的噪声系数最小，由于输出功率加大将导致粒子反转数的下降，故在饱和区，噪声系数将增大。

反向泵浦 76%

双向泵浦 77%  

EDFA是利用掺铒光纤中掺杂的稀土离子在泵浦光源(波长980nm或1480nm)的作用下，形成粒子数反转，产生受激辐射，辐射光随入射光的变化而变化，进而对入射光信号提供光增益。其放大范围为1530～1565nm，增益谱比较平坦的部分是1540～1560nm，几乎可以覆盖整个WDM系统的1550nm工作波长范围。

EDFA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EDFA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，EDFA的输出信号会产生失真。