文獻(xiàn)綜述-摻鉺光纖放大器（EDFA）的研究與應(yīng)用

文獻(xiàn)綜述前言：隨著信息業(yè)務(wù)量的快速增長,語音、數(shù)據(jù)和圖像等業(yè)務(wù)綜合在一起傳輸,從而對通信帶寬的容量提出了更高要求,但是無線電頻譜和電纜帶寬非常有限,其極限速率只有20Gb/s左右,使得這種綜合傳輸受到了限制,即所謂的“電子瓶頸”。光作為信息傳輸?shù)妮d體帶寬可達(dá)30THz以上,但是由于量子效應(yīng)導(dǎo)致光纖線路中各種復(fù)用/解復(fù)用和光電/電光轉(zhuǎn)換器件處理電信號時(shí)仍存在著速率“瓶頸”,限制了信息的傳輸速率。進(jìn)入20世紀(jì)90年代,以光波分復(fù)用(WDM)為基礎(chǔ)的全光通信網(wǎng)(AON)成為人們研究的熱點(diǎn)。目前全光通信的研究還處于起步階段,許多技術(shù)難點(diǎn)需要克服。雖然光纖放大器不能解決全光通信中所有的技術(shù)難點(diǎn),但是對光纖放大器的研究可以解決全光通信系統(tǒng)中許多關(guān)鍵技術(shù)。摻鉺光纖放大器的出現(xiàn)，是光纖通信發(fā)展史上的重要里程碑?？朔藗鹘y(tǒng)的光—電—光中繼方式導(dǎo)致的通信系統(tǒng)復(fù)雜化、效率低、造價(jià)高等問題，迅速成為光通信網(wǎng)絡(luò)中的重要器件，獲得了廣泛的應(yīng)用，極大地推動(dòng)了WDM/DWDM通信系統(tǒng)發(fā)展。WDM/DWDM通信系統(tǒng)的發(fā)展，又對EDFA的性能提出了更多的要求，譬如要求光纖放大器具有更大的帶寬，智能化的增益控制、功率控制等。正文：自從有了人類，就有了信息交流和傳遞的需要。我國古代的狼煙和烽火可以說是最早的利用光進(jìn)行信息傳遞的方式。隨著科技的進(jìn)步，電話、電報(bào)一直到目前連接全球的因特網(wǎng)，通信技術(shù)，特別是近代通信技術(shù)，經(jīng)歷了一個(gè)從低頻到高頻，從高頻到微波進(jìn)而到達(dá)光頻的演變過程。通信技術(shù)在人類社會(huì)起到了越來越大的作用，成為這個(gè)信息時(shí)代的支柱技術(shù)。光纖通信技術(shù)的誕生和發(fā)展是電信史上的一次重要革命，二十多年以來，在經(jīng)歷了三代進(jìn)化之后，它正以超摩爾定律的速度向前發(fā)展。目前世界上80％以上的信息是通過光纖傳送的，未來的傳送網(wǎng)必然是建立在光纖通信技術(shù)之上的。近年來，信息和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，光纖放大器的研究和發(fā)展又進(jìn)一步擴(kuò)大了增益帶寬，將光纖通信系統(tǒng)推向了高速率、大容量、長距離方向發(fā)展。由于光纖放大器的獨(dú)特性能，在DWDM傳輸系統(tǒng)、光纖CATV和光纖接入網(wǎng)中有著廣泛的應(yīng)用。密集波分復(fù)用系統(tǒng)在光纖傳輸系統(tǒng)中已成為技術(shù)主流，作為DWDM系統(tǒng)核心器件之一的光纖放大器在其應(yīng)用中將得到迅速發(fā)展，這主要是由于光纖放大器有足夠的增益帶寬，它與WDM技術(shù)相結(jié)合可迅速簡便地?cái)U(kuò)大現(xiàn)有光纜系統(tǒng)的通信容量，延長中繼距離。在光纖接入網(wǎng)中，盡管用戶系統(tǒng)的距離較短，但用戶網(wǎng)的分支太多，需要用光纖放大器來提高光信號的功率以補(bǔ)償光分配器造成的光損耗和提高用戶的數(shù)量，降低用戶網(wǎng)的建設(shè)成本。光放大器就是放大光信號。在此之前，傳送信號的放大都是要實(shí)現(xiàn)光電變換及電光變換，即O/E/O變換。有了光放大器后就可直接實(shí)現(xiàn)光信號放大。光放大器的開發(fā)成功及其產(chǎn)業(yè)化是光纖通信技術(shù)中的一個(gè)非常重要的成果，它大大地促進(jìn)了光復(fù)用技術(shù)、光孤子通信以及全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。光放大器目前主要有三類：半導(dǎo)體光放大器（SOA），摻稀土類放大器（主要是摻鉺光纖放大器EDFA，摻鐠光纖放大器PDFA，摻銩光纖放大器TDFA等），非線性效應(yīng)光纖放大器（主要是光纖拉曼放大器FRA，光纖布里淵放大器FBA等）［6］摻鐠光纖放大器工作于普通光纖的零色散波長附近的1310nm波段窗口，對現(xiàn)代光通信系統(tǒng)的升級擴(kuò)容具有重要意義，實(shí)驗(yàn)中得到的傳輸比特率可達(dá)10GB/s。由于受激發(fā)射發(fā)生在鐠的兩個(gè)激發(fā)態(tài)之間，PDFA泵浦效率很低，典型值小于0.2dB/mW。但由于使用的摻雜光纖與石英光纖熔接困難，插入損耗大；摻鐠光纖本身強(qiáng)度差、制造困難，同時(shí)PDFA溫度穩(wěn)定性不好。這些特性限制了其實(shí)際應(yīng)用［13］。摻銩光纖放大器工作于1450nm附近波段，利用低粒子反轉(zhuǎn)和使用較長的光纖產(chǎn)生增益位移，可以在整個(gè)S波段實(shí)現(xiàn)高增益的放大。有實(shí)驗(yàn)獲得了大于25dB的小信號增益。為了提高放大效率，采用了在氟化物玻璃光纖中摻入銩元素的方法，實(shí)驗(yàn)證明可獲得高于40％的轉(zhuǎn)換效率。TDFA可以得到大的飽和輸出功率，同時(shí)增益與偏振無關(guān)，噪聲指數(shù)也較低，可小于7dB。但是TDFA也具有沒有合適波長的泵浦源，與硅光纖熔接困難等缺點(diǎn)。隨著研究的深入，TDFA一定可以在WDM通信擴(kuò)容中獲得應(yīng)用［13］。摻鉺光纖放大器在光通信網(wǎng)絡(luò)中獲得了廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)槠渚哂衅渌愋偷姆糯笃魉痪哂械膬?yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的摻鉺光纖放大器一般工作在1.55um窗口的C波段（1530nm~1565nm)，光纖在該窗口有最低的損耗系數(shù)(僅O.ZdB/km)。適合于此波段的EDFA具有增益高、噪聲低、高功率輸出、偏振無關(guān)、信道串?dāng)_小，對傳輸碼率與格式及系統(tǒng)升級透明等特點(diǎn)，因此最受眾人關(guān)注，無論從理論還是實(shí)用方面都最為成熟。從1989年開始，摻餌光纖放大器就成為新一代高容量海底及陸地光通信系統(tǒng)發(fā)展的催化劑。1989年首次完成了摻餌光纖放大器的首次海底光通信實(shí)驗(yàn)，幾年以后，商品化的C波段EDFA就進(jìn)入市場，使得各大電信公司紛紛摒棄以前復(fù)雜昂貴的電中繼器，原有通信容量幾倍幾十倍的提高。隨著人們對更大通信帶寬的需求，在傳統(tǒng)C波段EDFA基礎(chǔ)上發(fā)展起來的L波段EDFA(157onm一161onm)越來越成為人們研究的熱點(diǎn)［3］。摻鉺光纖放大器,是90年代后發(fā)展起來的一種新型光纖通信用器件。眾所周知,當(dāng)光在長距離傳輸時(shí),由于受發(fā)送功率、接收機(jī)靈敏度,甚至色散等因素的影響和限制,使得光脈沖從光發(fā)射機(jī)輸出經(jīng)過光纖傳輸一定距離后,其幅度會(huì)受到衰減,波形也會(huì)出現(xiàn)失真。因此,要進(jìn)行長距離的信號傳輸,就需要在光信號傳輸一定距離后加中繼器,以放大衰減的信號,使光脈沖得到再生。摻鉺光纖放大器的研制成功,標(biāo)志著光纖通信技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的發(fā)展階段。其特點(diǎn)如下:1)摻鉺光纖放大器具有較高的飽和輸出功率(10～20)dBm,可用作發(fā)射機(jī)后的功率放大。2)摻鉺光纖放大器與光纖線路的耦合損耗小(小于1dB)。3)增益與光纖的偏振狀態(tài)無關(guān),故穩(wěn)定性好。4)尺寸很小,長度在0.1mm～1mm。5)所需的泵浦功率低(數(shù)十毫瓦)。摻鉺光纖放大器在全光通信系統(tǒng)中應(yīng)用,可以省去大量的光中繼機(jī),而且中繼距離也大為增加,這對于長途光纜干線系統(tǒng)具有重要意義。摻鉺光纖放大器主要應(yīng)用包括：1、可作光距離放大器。傳統(tǒng)的\o"電子光纖"電子光纖中繼器有許多局限性。如，數(shù)字信號和模擬信號相互轉(zhuǎn)換時(shí)，中繼器要作相應(yīng)的改變；設(shè)備由低速率改變成高速率時(shí)，中繼器要隨之更換；只有傳輸同一波長的光信號，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，等等。摻鉺光纖放大器則克服了這些缺點(diǎn)，不僅不必隨信號方式的改變而改變，而且設(shè)備擴(kuò)容或用于光波分復(fù)用時(shí)，也無需更換。2、可作不發(fā)送機(jī)的后置放大器及光接收機(jī)的前置放大器。作光發(fā)送機(jī)的后置放大器時(shí)，可將激光器的發(fā)送功率從0db提高到+10db。作光接收機(jī)的前置放大器時(shí)，其靈敏度也可大大提高。因此，只需在線路上設(shè)1-2個(gè)摻鉺放大器，其信號傳輸距離即可提高100-200km。此外，摻鉺光纖放大器待解決的問題摻鉺光纖放大器的獨(dú)特優(yōu)越性已被世人所公認(rèn)，并且得到越來越廣泛的應(yīng)用。但是，摻鉺光纖放大器也存在著一定的局限性。比如，在長距離通信中不能上下話路、各站業(yè)務(wù)聯(lián)系比較困難、不便于查找故障、\o"泵浦光源"泵浦光源壽命不長，隨著光纖通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，這些問題將會(huì)得到完滿的解決。EDFA技術(shù)于90年代初走向成熟并被迅速投入商業(yè)應(yīng)用。隨后的研究繼續(xù)更深入的展開，目標(biāo)都是使EDFA有更好的工作特性。兩個(gè)大的方面，一是對EDF材料的研究，為了獲得更平坦的增益、更大的帶寬；另一個(gè)是從系統(tǒng)的角度考慮，如何使EDFA具有更好的實(shí)用性，如采用不同的結(jié)構(gòu)、對EDFA進(jìn)行自動(dòng)增益控制等。摻鉺光纖放大器是將來很長一段時(shí)間內(nèi)光纖通信系統(tǒng)中最具實(shí)用的價(jià)值無源光器件之一,摻鉺光纖放大器的應(yīng)用將推動(dòng)高速光通信的發(fā)展,將在未來的高速全光通信系統(tǒng)中扮演重要的角色。因而研究摻鉺光纖放大器是非常有前景事情，而且有著重要的意義。參考文獻(xiàn)：［1］毛謙.我國光纖通信技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀和前景[J].人民郵電出版社，2006，22(8)2~4［2］馬曉明，劉增基.兩段級聯(lián)摻鉺光纖放大器的放大特性[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，30(3):102~114.［3］吳重慶.光通信導(dǎo)論[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.［4］董天臨.光纖通信與光纖信息網(wǎng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.［5］孫強(qiáng)，周虛.光纖通信系統(tǒng)及其應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社；北方交通大學(xué)出版社，2004.［6］孫學(xué)康，張金菊.光纖通信技術(shù)[M].北京：人民大學(xué)出版社；2004.［7］包建新.光纖通信技術(shù)基礎(chǔ)[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2008.［8］張寶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