浅析光纤放大器技术

光纤拉曼放大器

受激拉曼散射（SRS）是光纤中的一种非线性现象，它将一小部分入射光功率转移到频率比其低的斯托克斯波上；如果一个弱信号与一强泵浦光波同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，弱信号光即可以得到放大，这种基于受激拉曼散射机制的光放大器即称为光纤拉曼放大器（FRA）。近年来光纤拉曼放大器倍受关注，已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；（3）增益高、串扰小、噪声指数低、频谱范围宽、温度稳定性好。  

正因为光纤拉曼放大器有这么多的优点，它可以放大掺铒光纤放大器所不能放大的波段，并可在1292"1660nm光谱范围内进行光放大，获得比EDFA宽得多的增益带宽；再次增益介质为普通光纤，可制作分立式或分布式FRA，分布式光纤拉曼放大器可以对信号光进行在线放大，增加光放大的传输距离，应用于40Gbit/s的高速光网络中，也特别适用于海底光缆通信系统，而且因为放大是沿着光纤分布而不是集中作用，所以输入光纤的光功率大为减少，从而非线性效应尤其是四波混频效应大大减少，这对于大容量DWDM系统是十分适用的。FRA是EDFA的补充，而不是代替，两者结合起来可获得大于100nm增益平坦宽带，这就是采用分布式光纤拉曼放大器的好处。  

但光纤拉曼放大器有一个主要的缺点就是需要特大功率的泵浦激光器，解决这个问题的主要途径有：一是研究降低阈值功率的泵浦激光器，使得普通的大功率半导体激光器能作为拉曼泵浦使用；其二是提高获得更大输出功率泵浦激光器的研制水平；其三是将多个泵浦源激光器的波长采用列阵、单片组合的方法复用在一起，获得一个大功率输出的泵浦激光器，此种方法不但可提供一个宽带的增益谱，而且还可以通过调节单个激光器的功率来调整增益斜率。  

WDM传输系统中光纤放大器的增益平坦控制技术

为了确保WDM系统的传输质量，WDM系统中使用的光纤放大器除具备有足够的带宽、高输出功率和低噪声系数等特性外，还对增益平坦度控制技术提出了更高的要求。光纤放大器带内的增益平坦度是指在整个可用的增益通带内，最大增益波长点的增益与最小增益波长点的增益之差。很明显，在WDM系统中增益平坦度越小越好，否则，如果各信道的增益不均，经过多级放大之后，这种增益差值会线性积累，低增益信道信号的SNR恶化，高增益信道的信号也因光纤非线性效应而使信号恶化，因此，要使各信道上的增益偏差处于允许范围内，放大器的增益就必须平坦，而使光纤放大器增益平坦技术大体有两种途径：其一是"增益均衡技术"；其二是"光纤技术"。"增益均衡技术"是利用损耗特性与放大器的增益波长特性相反的增益均衡器来抵消增益的不均匀性，这种技术的关键在于放大器的增益曲线和均衡器的损耗特性精密吻合，使综合特性平坦；现阶段实用化的固定式增益平坦控制技术主要有光纤光栅技术和介质多层薄膜滤波器技术等。但随着多通道（＞80Ch）、高速率（＞40Gbit/s）、长距离光纤传输系统的发展，对光纤放大器的增益平坦控制技术提出了更高的要求，这就需要研制动态增益可调的增益平坦滤波器，这种可调谐增益动态滤波器技术主要有：法拉第旋转体型增益可调滤波器技术、波导马赫-曾德型增益可调型滤波器技术、阵列波导型动态增益可调滤波器技术和声光型动态增益可调滤波器技术等。至于"光纤技术"现阶段主要是在进一步研究掺铒光纤特性的基础上，改变光纤材料或利用不同光纤的组合来改变EDF的特性，从而来改变EDFA的增益平坦性，主要有掺铝的EDFA、掺氟化物EDFA、掺碲化物EDFA、混合型EDFA和多纤心EDFA等技术。  

光纤放大器的主要应用和市场  

近年来，随着信息和通信技术的飞速发展，光纤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，在DWDM传输系统、光纤CATV和光纤接入网中有着广泛的应用。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。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，加快了光纤CATV的发展。最近，美国CIBC World Market 公司的相关人士对掺铒光纤放大器（EDFA）、光纤拉曼放大器（FRA）、半导体光放大器（SOA）这三类光放大器的市场状况分别进行了分析：EDFA从1994年开始商用，现已成为DWDM系统的关键器件，且市场正在快速增长，其中Corning、Lucent和JDS Uniphase等许多公司都参与了这一市场的竞争，预计全球EDFA市场将从1999年的13亿美元增长到2004年的96亿美元，销售量将以年均43%的速度递增；光纤拉曼放大器近年来备受人们关注，已成为开发的热点，尽管预计最近一两年内光纤拉曼放大器还不会在陆地光缆系统中广泛应用，但其市场规模仍将从1999年的约330万美元猛增到2004年的7.5亿美元；而半导体光放大器（SOA）自应变量子阱材料的SOA研制成功以
来，其研制速度和应用开发明显加快，且SOA市场可望于2001年开始起动，此后会迅速扩大，2004年将达到2亿美元的规模。