DWDM系統(tǒng)中光放大器技術(shù)的原理、特點(diǎn)及應(yīng)用

一．引言

在這個(gè)信息爆炸的時(shí)代，以因特網(wǎng)技術(shù)為主導(dǎo)的數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)，使人們對于帶寬和服務(wù)的需求永無止境。面對市場需求的急劇擴(kuò)張，如何提高通信系統(tǒng)的性能，增加系統(tǒng)帶寬，以滿足不斷增長的業(yè)務(wù)需求成為大家關(guān)心的焦點(diǎn)。在眾多可選擇的方案中，DWDM（波分復(fù)用）系統(tǒng)的出現(xiàn)為進(jìn)一步挖掘和利用光纖的巨大帶寬開辟了一塊全新的天地。

早在光纖通信出現(xiàn)伊始，人們就意識到可以利用光纖的巨大帶寬進(jìn)行波長復(fù)用傳輸，但是在20世紀(jì)90年代之前，由于TDM的迅速發(fā)展，人們很少去關(guān)注其它的技術(shù)，以致波長復(fù)用技術(shù)一直沒有重大突破。直到1995年，當(dāng)時(shí)人們在TDM10Gbit/s技術(shù)上遇到了挫折，眾多的目光就集中在光信號的復(fù)用和處理上，此后，DWDM系統(tǒng)才在全球范圍內(nèi)有了廣泛的研究和應(yīng)用。

DWDM系統(tǒng)既可用于陸地與海底干線，也可用于市內(nèi)通信網(wǎng)，還可用于全光通信網(wǎng)。但DWDM系統(tǒng)在帶來巨大好處的同時(shí)也給系統(tǒng)設(shè)計(jì)、器件更新等方面帶來了極大的挑戰(zhàn)。對新型光放大器的需求更是這些挑戰(zhàn)中最關(guān)鍵的一項(xiàng)。

光放大器技術(shù)具有對光信號進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線、寬帶、高增益、低噪聲、低功耗以及波長、速率和調(diào)制方式透明的直接放大功能，是新一代DWDM系統(tǒng)中不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)既解決了衰減對光網(wǎng)絡(luò)傳輸距離的限制，又開創(chuàng)了1550nm波段的波分復(fù)用，從而將使超高速、超大容量、超長距離的波分復(fù)用（WDM）、密集波分復(fù)用（DWDM）、全光傳輸、光孤子傳輸?shù)瘸蔀楝F(xiàn)實(shí)，是光纖通信發(fā)展史上的一個(gè)劃時(shí)代的里程碑。

二．光放大器的歷史

任何新技術(shù)的發(fā)展都是一個(gè)漫長的過程。光放大器的研究最早可追溯到1960年激光器的發(fā)明，但是真正實(shí)用化光放大器的研究卻是在1980年以后。這期間隨著半導(dǎo)體激光器特性的改善，首先出現(xiàn)了利用半導(dǎo)體技術(shù)的半導(dǎo)體光放大器SOA（Semiconductor Optical Amplifier）的法布里——泊羅型（F－P）半導(dǎo)體激光放大器，并開始對行波式半導(dǎo)體激光放大器進(jìn)行研究。另一方面，隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了利用光纖非線性效應(yīng)的光纖拉曼放大器。但在當(dāng)時(shí)都沒有得到廣泛的應(yīng)用。1987年，英國南安普敦大學(xué)和美國AT&T 貝爾實(shí)驗(yàn)室報(bào)道了離子態(tài)的稀土元素鉺在光纖中可以提供1.55μm波長處的光增益，這標(biāo)志著摻鉺光纖放大器（EDFA）的研究取得突破性進(jìn)展。短短幾年時(shí)間，EDFA迅速走向?qū)嵱没⑶以谠窖箝L途光通信系統(tǒng)中得到應(yīng)用。這期間由于光纖放大器的問世，在1990年到1992年不到兩年的時(shí)間里光纖系統(tǒng)的容量增加了整整一個(gè)數(shù)量級，而在此之前為達(dá)到相同的增長卻花費(fèi)了整整8年時(shí)間。這足以表明了光放大器的巨大作用，為光纖通信展現(xiàn)了無限廣闊的發(fā)展前景。

三．光放大器的原理與應(yīng)用

光放大器（OA）一般由增益介質(zhì)、泵浦光和輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)組成， 可以作為前置放大器、線路放大器、功率放大器，是光纖通信中的關(guān)鍵部件之一。其作用就是對復(fù)用后的光信號進(jìn)行光放大，以延長無中繼系統(tǒng)或無再生系統(tǒng)的光纜傳輸距離。一個(gè)好的光放大器應(yīng)具有輸出功率高、放大帶寬寬、噪聲系數(shù)低、增益譜平坦等特性。目前光放大器形式主要有三種：1） 利用激光二極管（LD）制作的半導(dǎo)體光放大器（SOA）；2） 利用摻稀土光纖制作的光纖放大器，其中以摻鉺光纖放大器（EDFA）為主；3） 利用常規(guī)光纖非線性效應(yīng)制作的分布式光放大器，典型的是光纖拉曼放大器（FRA）。下面對SOA、EDFA和FRA光放大器進(jìn)行比較。

1．半導(dǎo)體光放大器

現(xiàn)代光放大器中最早出現(xiàn)的是半導(dǎo)體光放大器（SOA）。它的基本結(jié)構(gòu)、原理和特性與半導(dǎo)體激光器非常相似。它們工作原理都是基于激光半導(dǎo)體介質(zhì)固有的受激輻射光放大機(jī)制，所不同的在于SOA去掉了構(gòu)成激光振蕩的諧振腔，并且SOA是由電流直接激勵(lì)驅(qū)動的。

半導(dǎo)體光放大器的優(yōu)點(diǎn)是尺寸小、頻帶寬、增益高；但缺點(diǎn)是與光纖的耦合損耗太大、易受環(huán)境溫度的影響、工作穩(wěn)定性較差。但半導(dǎo)體光放大器容易集成，適宜同光集成和光電集成電路結(jié)合使用。

通常光半導(dǎo)體放大器分為兩大類：一種是將普通半導(dǎo)體激光器用作光放大器，稱為法布里——泊羅（F-P）半導(dǎo)體激光放大器（FPA），另一種是在F-P激光器的兩個(gè)端面上涂上抗反射膜，以獲得寬頻、低噪的高輸出特性。由于這種放大器是在光行進(jìn)過程中對光進(jìn)行放大的，故被稱為行波式光放大器。

由于半導(dǎo)體光放大器的工作原理決定了其放大增益不是很高，因此半導(dǎo)體放大器在現(xiàn)代光通信系統(tǒng)中作為純粹功率放大應(yīng)用較少，它更多的是被用作高速通信網(wǎng)中光開關(guān)、光復(fù)用／解復(fù)用器和波長變換器等光信號處理模塊。

2．摻鉺光纖放大器

摻餌光纖放大器（EDFA）主要由合波器WDM、泵浦激光器（大功率LD）、光隔離器和摻鉺光纖（長10～30m）構(gòu)成。EDFA的研制成功，是光通信發(fā)展的一個(gè)“里程碑”。它的出現(xiàn)打破了光纖通信傳輸距離受光纖損耗的限制，使全光通信距離延長至上千公里，為光纖通信帶來了革命性的變化。

摻鉺光纖放大器主要由摻鉺光纖、泵浦光源、耦合器、光隔離器等組成。有同（前）向泵浦、反（后）向泵浦和雙向泵浦3種泵浦方式，其區(qū)別在于信號光與泵浦光的注入方向不同。同向泵浦也稱為前向泵浦，它的信號光與泵浦光以同一方向從摻鉺光纖的輸入端注入。反向泵浦也稱為后向泵浦，它的信號光與泵浦光以兩個(gè)不同方向注入進(jìn)摻鉺光纖。雙向泵浦就是同向泵浦與反向泵浦合并的方式。三種泵浦方式的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。三種泵浦方式的性能比較見表1。

泵浦效率=信號光輸出功率/泵浦光功率 噪聲

同向泵浦 61% 在未飽和區(qū)，同向泵浦式摻鉺光纖放大器的噪聲系數(shù)最小，由于輸出功率加大將導(dǎo)致粒子反轉(zhuǎn)數(shù)的下降，故在飽和區(qū)，噪聲系數(shù)將增大。

反向泵浦 76%

雙向泵浦 77%

EDFA是利用摻鉺光纖中摻雜的稀土離子在泵浦光源（波長980nm或1480nm）的作用下，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生受激輻射，輻射光隨入射光的變化而變化，進(jìn)而對入射光信號提供光增益。其放大范圍為1530～1565nm，增益譜比較平坦的部分是1540～1560nm，幾乎可以覆蓋整個(gè)WDM系統(tǒng)的1550nm工作波長范圍。

EDFA的優(yōu)點(diǎn)是：1）通常工作在1530～1565nm光纖損耗最低的窗口；2）增益高，在較寬的波段內(nèi)提供平坦的增益，是WDM理想的光纖放大器；3）噪聲系數(shù)低，接近量子極限，各個(gè)信道間的串?dāng)_極小，可級聯(lián)多個(gè)放大器；4）放大頻帶寬，可同時(shí)放大多路波長信號；5）放大特性與系統(tǒng)比特率和數(shù)據(jù)格式無關(guān)；6）輸出功率大，對偏振不敏感；7）結(jié)構(gòu)簡單，與傳輸光纖易耦合。

缺點(diǎn)是：1）在第3窗口以上的波長，光纖的彎曲損耗較大，而常規(guī)的EDFA不能提供足夠的增益，增益帶寬只有35nm，僅覆蓋石英單模光纖低損耗窗口的一部分。制約了光纖能夠容納的波長信道數(shù)；2）不便于查找故障，泵浦源壽命不長；3）存在基于泵浦源調(diào)制和光時(shí)域反射計(jì)（OTDR）的監(jiān)測與控制技術(shù)問題，控制內(nèi)容包括輸出功率的控制和不同波長通道的增益均衡，EDFA的增益對100kHz以上的高頻調(diào)制不敏感，對低于1kHz的調(diào)制，EDFA的輸出信號會產(chǎn)生失真。

3．光纖拉曼放大器（FRA）

EDFA的出現(xiàn)確實(shí)極大的促進(jìn)了現(xiàn)代光通信系統(tǒng)的發(fā)展。但是隨著現(xiàn)代光網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步發(fā)展，一方面EDFA已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有系統(tǒng)對超大容量的要求，另一方面EDFA也會帶來光信號信噪比的不斷惡化而不能滿足超長距離傳輸?shù)囊?。為此，必須要提出一種既要滿足超寬帶寬要求，又能滿足超低噪聲要求的新型光放大器。

光纖拉曼放大器（FRA）由于其自身固有的全波段可放大、噪聲指數(shù)小等特性，成為了新一代放大器的首選。FRA是基于受激拉曼散射（SRS）機(jī)制的光放大器，此光放大技術(shù)是在近年來大功率半導(dǎo)體激光器研制成功后才真正走向?qū)嵱玫摹Ｔ谠S多非線性介質(zhì)中，SRS是非線性光學(xué)中一個(gè)很重要的非線性效應(yīng)，它將一小部分入射功率由一光束轉(zhuǎn)移到頻率比其低的斯托克斯波上；如果一個(gè)弱信號與一個(gè)強(qiáng)泵浦光波同時(shí)在光纖中傳輸，并且弱信號波長位于泵浦光波的拉曼增益譜帶寬之內(nèi)，則此弱信號可被該光纖放大。

FRA可分為分立式FRA和分布式FRA，前者所用的光纖增益介質(zhì)比較短，一般在10km以內(nèi)，對泵浦功率要求很高，一般在幾到十幾瓦，可產(chǎn)生40dB以上的高增益，用來對信號光進(jìn)行集中放大，主要用于EDFA無法放大的波段；后者所用的光纖比較長，一般為幾十公里，泵源功率可降到幾百毫瓦，主要輔助EDFA用于DWDM通信系統(tǒng)性能的提高，抑制非線性效應(yīng)，降低信號的入射功率，提高信噪比，進(jìn)行在線放大。由于FRA增益波長由泵浦光波長決定，不受其它因素限制，因此可為任何波長提供增益，這使得FRA可以在EDFA所不能放大的波段實(shí)現(xiàn)放大，并可在1292～1660nm光譜范圍內(nèi)進(jìn)行光放大，使用多個(gè)泵源還可得到比EDFA寬得多的增益帶寬（后者由于能級躍遷機(jī)制所限，增益帶寬只有80nm），這對于開發(fā)光纖的整個(gè)低損耗區(qū)1270～1670nm具有無可替代的作用。

FRA具有帶寬寬、增益高、噪聲低、串?dāng)_小、溫度穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，因此與常規(guī)EDFA混合使用時(shí)，可大大降低系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，增加傳輸距離；FRA的增益介質(zhì)為光纖，因此與光纖系統(tǒng)有良好的兼容性，可制成分立式或分布式放大器，分布式FRA具有在線放大、延長傳輸距離、實(shí)現(xiàn)長距離無中繼傳輸和遠(yuǎn)程泵浦的功能，尤其是適用于海底光纜通信等不方便設(shè)立中繼器的場合；由于放大是沿著光纖分布作用而不是集中作用，所以輸入光纖的光功率大為減少，從而非線性效應(yīng)，尤其是四波混頻效應(yīng)大大減少，因此適用于大容量DWDM系統(tǒng)。FRA不足之處在于需要特大功率的泵浦激光器，且一個(gè)泵浦的FRA增益帶寬較窄。

在拉曼放大器的實(shí)際應(yīng)用中，通常是采用拉曼放大器同EDFA混和使用的策略。這種混合放大策略在DWDM超長傳輸系統(tǒng)中獲得了廣泛的使用。EDFA作為光功率放大器和光前置放大器，而EDFA和拉曼的混合放大器作為光線路放大器。

四．光放大器的發(fā)展方向

1．SOA的發(fā)展方向

通過改變SOA的偏置電流，既可以吸收也可以放大，而且高達(dá)50ｄＢ的消光比及快速的響應(yīng)時(shí)間（ｎｓ量級），從而允許將SOA用作光開關(guān)。。作為集總式放大器，SOA可以與分布式的FRA混合使用，JDSU的工程師采用SOA+FRA和SOA+FRA實(shí)現(xiàn)40ｎｍ的放大帶寬，40信道100ｋｍ的傳輸，效果良好。

2．EDFA的發(fā)展方向

EDFA從C波段（ conventional band ）1530～1560nm（常規(guī)的ED-FA）向L波段（long wavelength band）1570～1605nm發(fā)展，可采用摻鉺氟化物光纖放大器（EDFFA），帶寬可達(dá)75nm；采用碲化物EDFA，帶寬可達(dá)76nm；采用增益位移摻鉺光纖放大器（GS-EDFA），通過控制摻鉺光纖的鉺粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度，可在1570～1600nm波段實(shí)現(xiàn)放大，它與普通的EDFA組合，可得到帶寬約80nm的寬帶放大器；采用覆蓋C波段和L波段的超寬帶光放大器（UWOA），可用帶寬80nm，能在單根光纖上放大100多路波長信道；采用常規(guī)EDFA和擴(kuò)帶光纖放大器（EBFA）組成的基于摻鉺光纖的雙帶光纖放大器（DBFA），工作波長為1528～1610nm；將局部平坦的EDFA與光纖拉曼放大器串聯(lián)使用，可獲得帶寬高于100nm的超寬帶增益平坦放大器；EDFA應(yīng)具有動態(tài)增益平坦特性的小型化、集成化方向發(fā)展。

EDFA是目前及未來一段時(shí)間放大器的主要選擇，在骨干網(wǎng)和城域網(wǎng)/接入網(wǎng)中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用。但EDFA級聯(lián)噪聲大以及帶寬受限，它與DRA混合使用，在長距離、大容量傳輸中是當(dāng)前的一種優(yōu)秀方案。FRA：寬帶、低噪聲、抑制非線性、提高傳輸距離，進(jìn)行色散補(bǔ)償?shù)?，必將成為下一代光放大器的主流。城域網(wǎng)/接入網(wǎng)中光放大器目前具有競爭力的技術(shù)為Mini EDFA、EDWA和SOA技術(shù)，這種低價(jià)放大器正在標(biāo)準(zhǔn)化。隨城域網(wǎng)建設(shè)的興起，光放大器在低價(jià)領(lǐng)域必有一番作為。

3．FRA的發(fā)展方向

FRA的發(fā)展方向是：1）寬頻譜、大功率輸出；2）將FRA與局部平坦的EDFA串聯(lián)使用，可獲得帶寬高于100nm的超寬帶增益平坦放大器；3）采用雙向拉曼泵浦，可使傳輸距離擴(kuò)大2倍，達(dá)到1040km；4）采用波長為1420nm和1450nm兩個(gè)泵源的FRA可得到很寬的帶寬（1480～1620nm）；5）智能化。

五．結(jié)束語

通過對目前DWDM光傳輸系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的三種放大器的比較，我們不難看出，SOA由于其體積小、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于集成，因而發(fā)展很快，在技術(shù)上已比較成熟。但是，迄今為止，其性能與EDFA相比仍有較大差距。SOA雖然失去了原有放大器領(lǐng)域的作用，但卻在波長變換、高速光開關(guān)、光復(fù)用／解復(fù)用領(lǐng)域大放異彩。FRA由于采用分布式放大，因此可以補(bǔ)償色散補(bǔ)償器件帶來的損耗，同時(shí)可以避免非線性效應(yīng)，F(xiàn)RA能在EDFA所不能放大的波段實(shí)現(xiàn)放大，既能在全波長范圍內(nèi)放大光信號，又特別適用于超長距離傳輸和海底光纜通信等不方便設(shè)立中繼器的場合，因而倍受歡迎，已成為研發(fā)熱點(diǎn)，并隨著瓦級的泵浦激光器小型化、商用化而進(jìn)入實(shí)用化，成為繼EDFA之后的又一顆璀璨明珠。EDFA由于其工作波長恰好與光纖通信最佳窗口（1540nm）相吻合，并且，其技術(shù)開發(fā)和商品化最成熟，因而是目前最令人滿意的光放大器?？傊咴鲆?、大輸出功率、低噪聲系數(shù)是EDFA、SOA和FRA的共同發(fā)展方向。

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