一些宽带光纤放大器的原理和结构

第27卷第3期 2005年9月湘潭师范学院学报(自然科学版) JournalofXiangtanNormalUniversity(NaturalScienceEdition) Vol.27No.3

Sep.2005

一些宽带光纤放大器的原理和结构

罗韩君,吴伶锡

(湖南科技大学物理与信息科学学院,湖南湘潭411201)y

摘 要:介绍了宽带光纤放大器的两种基本类型:现已应用于工程实践的宽带拉曼光纤放大器和前景看好的超宽带光纤放大器。并分析了若干具体的宽带光纤放大器的结构和性能。指出了宽带光纤放大器的研究重点是分波段光纤放大器和宽带混合光纤放大器。

关键词:宽带光纤放大器;拉曼光纤放大器;SRS;超宽带;分波段;混合光纤放大器

中图分类号:O43 文献标识码:A 文章编号:1671-0231(2005)03-0058-03

随着计算机网络及其它新的数据传输业务的飞速发展,光纤通信系统对带宽的需求越来越大,作为系统中关键器件之一的光纤放大器,宽带宽、高增益、低噪声系数、平坦的增益特性、高输出功率和智能化成为其基本要求。

宽带光纤放大器可简单地分为两种:(1)稀土掺杂光纤放大器(RDFA)及多波段级连宽带光纤放大器,包括掺铒光纤放大器(EDFA)、掺铥光纤放大器(TDFA)和掺镨光纤放大器(PDFA);(2)Raman(拉曼)光纤放大器(RFA)[1],拉曼光纤放大器和其它RDFA级连可以构成超宽带光纤放大器。

在稀土掺杂光纤放大器中,最早实现实用化的是工作在1550nm波段的EDFA;掺镨光纤放大器(PDFA,工作在1300nm波段)因机械强度小,与普通光纤熔接困难,使得其难以实用化;在1300nm波段最有希望实现实用化的是掺镨氟化物光纤放大器(PDFFA);掺铥光纤放大器(TDFA)在1450~1480nm波段具有高增益和低噪声系数,而且增益漂移掺铥光纤放大器(GS-TDFA)可用于放大1480-1510nm波段,掺铥光纤放大器是S-波段(1450-1530nm)最有实用化前途的光纤放大器之一[2]。

Raman光纤放大器(RFA)工作机理完全不同于稀土掺杂光纤放大器,在理论上选用不同的泵浦波长,Raman光纤放大器可用于不同波段的光放大,是目前唯一能实现1292~1660nm光谱放大的器件。1 宽带拉曼(Raman)光纤放大器

1.1

拉曼光纤放大器的工作原理

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

(SRS)效应,光纤中的受激拉曼散射效应源于光纤中的三阶非线性效

应,即泵浦光子、斯托克斯(stokes)光子与光学支声子之间的相互作用:

频率为 p的泵浦光子被吸收,与此同时自发或受激发射一频率为 s

= p- 的stokes光子,由能量守恒,同时产生一能量为 的光声

子,光声子的能量被介质所吸收;这一过程如图1所示[3]。

1.2 拉曼光纤放大器的分类和结构特点

拉曼光纤放大器是高速、大容量光纤通信系统的关键技术之一,它主要分为分立式拉曼光纤放大器和分布式拉曼光纤放大器。分立式拉曼光纤放大器所用光纤增益介质短,常用拉曼增益系数高的特种光纤(如掺锗光纤),其长度一般在10km以内,对泵浦功率要求高,常用几到十几瓦的泵浦功率,可产生40dB图1 拉曼光纤放大器工作原理SRSy收稿日期:2005-04-20

作者简介:罗韩君(1975-),男,湖南邵阳人,助教,国防科技大学硕士生,研究方向:光电子技术和DDS技术在光信息技术中的应用。

以上的高增益,常用于EDFA无法放大的波段的信号光的放大。分立式拉曼光纤放大器可以像EDFA那样做成模块的放大器件,给实际应用带来了相当的方便,图2是一种分

立式环型拉曼光纤放大器的原理性结构图[4]。

这是一个内置光隔离器和谐振腔,由两部分组成的环行放大器。1

060nm泵浦光由WDM耦合进由一对光纤光栅组成的内腔中,腔内产生

的斯托克斯光波长为1240nm,此即为放大1310nm信号的泵浦源,再

经一WDM耦合到环的放大段。这种环型分立式拉曼光纤放大器的增益

系数较高,其净增益可达40dB,而噪声系数不大于4.4dB。图2 环型分立式宽带接曼光纤放大器分布式拉曼光纤放大器所用增益光纤较长,一般为几十公里,泵浦

功率可降低至几百毫瓦。在分布式拉曼光纤放大器中,传输光纤本身就是增益介质,信号光在光纤中传输的同时得到了放大,这使得其等效噪声系数为负;但是,分布式拉

曼光纤放大器在实际应用中增益较低,而掺铒光纤放大器(ED

FA)的小信号增益可超过30dB,因此将分布式拉曼光纤放大器与

EDFA结合起来的混合放大器是一种理想的应用形式。此时,拉图3 分布式拉曼光纤放大器与EDFA的典

型组成曼光纤放大器主要用于辅助EDFA用于DWDM通信系统性能的

提高,可以有效地抑制附加的光纤非线性效应和提高系统信噪比,二者的典型配制如图3所示[5]。

拉曼光纤放大器的泵浦方式有前向泵浦、后向泵浦和双向泵浦三种,实用中常采用后两种,如采用前向泵浦,泵浦噪声将对信道产生严重的影响,当拉曼泵浦功率有轻微的波动,个别的数据位放大将出现异常,导致整个放大过程的波动。

拉曼光纤放大器有如下一些特点:

(1)增益波长由泵浦光波长决定,只要泵浦源波长选择适当,理论

上可放大任意波长信号光。可用于DWDM系统中同时放大多个信道。

(2)传输光纤本身可以是增益介质,如分布式拉曼光纤放大器。

(3)具有很宽的增益谱和较低的噪声指数,如图4所示[6]。

(4)可以通过调整各个泵浦源的功率来动态调整信号的增益平坦度。

(5)增益高,输出功率高。

2 超宽带光纤放大器

2.1 宽带分波段光纤放大器

超宽带光纤放大技术结合DWDM技术使得一根光纤中可同

时传送上百个通信信道,其中技术简单、性能优越的分波段放大技

术就是实现超宽带放大的一条有效途径。普通的EDFA工作在C

-波段(1530~1565nm),而增益移位掺铒光纤放大器(GS-ED

FA)可实现L-波段(1570~1610nm)的光纤放大,增益高于25

dB,1dB偏离带宽达30nm[7]。增益移位掺铒光纤放大器与C-波

段EDFA组合,应用于WDM系统可提供常规掺铒光纤放大器两倍

带宽的增益,它们的组合有并联和串联两种形式,图5所示为二者

的并联结构,其性能指标如下:总的增益带宽达54nm,(C-波段1图4 泵浦波长为1000nm时测得的熔融石英光纤的拉曼增益谱图5 单通道并联宽带EDFA530~1560nm,L-波段1576~1600nm),增益高于30dB,增益起伏小于17dB[7]。

在二者的串联结构中,C-波段信号光不可避免要经过增益移位掺铒光纤放大器的掺铒光纤,从而导致能量吸收和转换,所以实际的传输系统很少应用。在并联结构中,L-波段的光放大转换效率不高[8],为解决这个问题,近期提出了一种双通道宽带掺铒光纤放大器(Double-passEDFA),其结构如图6所示[9]。

在这种结构中,第一级同时放大C-波段和L-波段信号光,第二级只放大L-波段信号光,L-波段信号光第一次经过95m长的掺铒光纤(EDF)放大,在光纤反射器处被反射回来,再进行一次放大,经环型器,再与C-波段信号光在1550/1590nm合波器处耦合输出,从而改善了L-波段光放大效率。这种双

通道宽带EDFA在C-波段和L-波段均能获得高增益(>24dB)和低噪声系数(

。

图6 双通道宽带

EDFA图7 双通道宽带EDFA

的增益特性和噪声系数

一般分波段宽带光纤放大器为达到L-波段的高增益,都采用几

个泵浦源同时泵浦,这就增加了系统应用的成本,近期一种仅用一个

泵浦源的宽带双向C-波段和L-波段放大EDFA被开发出来,其结

构图8所示[10]。

2.2 宽带混合光纤放大器

为了获得对C+L波段,C+S波段甚至C+S+L波段的放大,开

发了结合掺杂光纤放大器和拉曼光纤放大器优良特性的混合光纤放

大器,特别是EDFA/Raman混合型光纤放大器;混合光纤放大器利用

了RDFA与RFA的级联结构,

更有效地扩大了放大带宽和使增益特

性平坦化,图8所示为一典型的宽带混合光纤放大器。

信息时代需要大容量的光纤通信系统,宽带光纤放大

器的研制、发展具有其必然性,随着Raman光纤放大器的研

制成功,并且在国内应用于工程实践,宽带光纤放大器已向

人们展示了其美好前景。宽带光纤放大器以后的研究重点

是向分波段宽带光纤放大器和结构简单的混合型宽带光纤

放大器,同时开发新基质材料的EDFA和增益均衡器,加快

对掺镨氟化物光纤放大器的研究,这些都对光纤放大器拓

展新带宽有着实际的意义。

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[10]甄胜来.宽带宽与新波段光纤放大器研究进展[J].光电子技术与信息,2002,15(4):6-8.图9 掺铒氟化物光纤放大器与RFA组成的混合光纤放大器图8 单泵浦同时双向C-波段和L-波段宽带掺铒光纤放大器