稀土掺杂光纤放大器及其发展研究

摘 要: 随着光通信容量的不断扩大和光网络高功能化的迅速发展,处于C波段的稀土掺杂光纤放大器(RDFA)已不能满足发展需要。为了了解稀土掺杂光纤放大器的性能及其发展,从RDFA的基本结构出发,运用能级理论,研究掺Er3+、Pr3+、Tm3+三种典型光纤放大器。结果表明在L,S波段的稀土掺杂光纤放大器能满足大容量、宽谱带、高增益、低噪声等性能要求,同时也极大地促进了密集波分复用(DWDM)系统的发展,在未来光通信领域中将具有十分广阔的应用前景。关键词:稀土掺杂; 光纤放大器; 带宽; 增益

中图分类号:TN722-34文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)22-0159-04

Rare Earth Doped Fiber Amplifier and Its Study

HOU Lin-li,ZHOU Xiao-hong,GAO Xiao-rong,WANG Li,WANG Ze-yong

(College of Physical Science and Technology, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Abstract: With the growing capacity of optical communication and rapid development of high function of optical network, the rare earth doped fiber amplifier (RDFA) with C-band can not meet the development requirement. In order to find out the properties and development of RDFA, the RDFA with L-band and S-band can meet requirements, such as high capacity, wide band, high gain, low noise and so on, and greatly contribute to the development of dense wavelength division multiplexing (DWDM) system by introducing the construction of the RDFA, adopting the theories of energy level and working over three typical doped fiber amplifiers It has broad application prospect in the field of optical communication.Keywords: rare-earth doped; fiber amplifier; broadband; gain

收稿日期:2010-05-13

0 引 言

光纤放大器是一种对光纤传输系统中的光信号进行直接在线光放大的器件。它不仅结构简单,与系统连接方便,而且它的耦合效率和能力转换效率高,有很大的带宽潜力。另外,由于光纤介质的激光损耗阈值远大于半导体材料,因此光纤放大器可用来取代光纤通信系统中传统的电子中继器或作为接收机的前置放大器,以提高接收机的灵敏度和信噪比,增加通信距离。目前的光纤放大器主要有4种:消逝波耦合光纤放大器、晶体光纤放大器、受激散射光纤放大器、稀土掺杂光纤放大器。其中掺杂光纤放大器(RDFA)是在光纤的纤芯中掺入能产生光子的稀土元素,通过稀土元素的作用,将激光二极管LD泵浦发出的光能量转化到信号光上,可实现对信号光的直接放大,具有实时、宽带、在线、低损耗的全光放大功能[1]。

由于RDFA具有掺杂浓度高,互作用区大,能量转换率高,制作较容易等显著的优点,近20多年来得到了迅猛发展。同时,RDFA的成熟与商用化也极大地促进了长距离光纤通信系统、波分复用(WDM)系统等重要技术的发展。

1 RDFA基本结构和工作原理

虽然早在1964年就开始研究光纤放大器[2],但随着低损耗掺杂光纤工作特性和制造技术的不断发展,直到1986年才开始实际使用[3]。稀土元素(或镧系元素)由原子量为58~71且性质相近的14个原子组成。当稀土元素掺杂于石英或其他玻璃光纤中时,会变成三阶离子。许多不同的稀土离子,如铒、钬、钕、钐、铥和镱等,都可以用于制造光纤放大器,能工作在从可见光到红外区的不同波长上。放大器的工作特性(如工作波长、增益宽度和噪声等)是由掺杂离子而不是光纤决定的,光纤起基底介质的作用。

1.1 RDFA基本结构

RDFA有3种基本结构:前向泵浦、后向泵浦和双向泵浦,如图1所示。在前向泵浦(或正向泵浦)中泵浦光与信号光以相同方向通过增益光纤,后向泵浦(或反向泵浦)两者则以相反方向通过增益光纤,双向泵浦结构中泵浦光在2个方向同时通过增益光纤。

从图1中看出,不管是哪种泵浦方式的光纤放大器,基本构件都包括增益光纤、泵浦光、波分复用器/光耦合器等。增益光纤是在石英光纤的纤芯中,掺入一些三价稀土金属元素,如Er(铒)、Pr(镨)、Tm(铥)等,形成的一种特殊光纤,它是掺杂光纤放大器中核心部分;泵浦光用来向稀土元素提供能量,使稀土元素实现粒子数反转,这是产生光放大的必要条件之一;波分复用器(或光耦合器)的作用是将信号光与泵浦光进行复合;为了防止器件和焊点的反射,降低光纤放大器的噪声指数,增加稳定性,一般还在其输入和输出端加入光隔离器;为了提高系统的信噪比,通常在输出端加入光滤波器。实用的光纤放大器中,还包括带自动调整功能的泵浦源驱动电路、自动温控和自动功率控制等保护功能的辅助电路。有的辅助电路中还具有通过计算机通信协议完成人机对话和对放大器的网络监控功能。

图1 掺杂光纤放大器的基本结构

1.2 RDFA工作原理

RDFA是利用光纤中稀土掺杂物质引起的增益机制实现光放大。实现光放大的条件是有源光纤中的稀土离子的粒子数反转。在热平衡状态时,稀土离子各能级的粒子数服从玻耳兹曼统计分布,即在热平衡条件下,高能级的粒子数恒小于低能级的粒子数。当频率ν=ΔE/h(ΔE为2个能级间的能量差,h为普朗克常数)的光通过该掺稀土光纤时,受激吸收光子数恒大于受激辐射的光子数,因此处于热平衡状态下的光纤只能吸收光子。只有当外界向掺稀土光纤供给能量(称为激励或泵浦过程)使光纤中的稀土离子处于非热平衡状态时,才能实现粒子数反转,因此泵浦过程是光放大的必要条件。

总体来说,光放大器的原理与激光器的原理类似,当供给激光媒体能量使其处于激励状态时,即会产生光的受激辐射。如果满足使受激辐射持续进行的条件,并用泵浦光(波长、相位、偏振态、传播方向均与发送光一致)感应,则能得到比其更强的输出光,从而起到放大作用。下面用图2来解释光放大过程。

对于三能级工作系统,以掺铒光纤放大器(EDFA)为例。如图2(a)所示,其中E1′能级代表基态,能量最低,E2′能级代表亚稳态,E3′能级代表激发态,能量最高。Er3+离子在未受到任何光激励的情况下,处在最低能级(基态),当泵浦光射入,铒离子吸收泵的能量,向高能级跃迁。泵浦光的波长不同,粒子所跃迁到的高能级也不同,铒离子迅速以非辐射跃迁的形式由泵浦态变至能级E2′,粒子在亚稳态有较长的存活的时间,由于源源不断地进行泵浦,粒子数不断的增加,从而实现粒子数反转。若信号光的光子能量等于能级E2′和能级E1′之差,则当处于E2′能级的铒离子返回基态时就产生信号光子,这就是受激辐射,结果使信号光得到放大。因此,能级E2′和能级E1′之差必须是相当于需要放大信号光的光子能量,而泵浦光的光子能量也必须保证使铒离子从基态E1′跃迁到激发态E3′。这就是掺铒光纤放大器工作原理。

图2 能级图

对于四能级工作系统,如图2(b)所示,跃迁能级为E3→E2,光放大过程通而能级工作原理相似,泵浦光通过WDM藕合器进入增益光纤,增益光纤在泵浦光的作用下实现粒子数反转,当输入信号光时,由于受激辐射作用,输入信号将可以得到放大。但是,由于四能级系统出现了E2→E1,E4→E3两级非辐射跃迁,因此对信号光放大存在着不可忽视的影响。如:掺镨光纤放大器(PDFA)中,能级1G4 →3P0 及1G4 →1D2 间仍存在很强的ASE,降低了泵浦功率,限制了放大器的性能。同时,在1G4 能级的Pr3+离子会因为多声子迟豫而非常容易跃迁到3F4能级,导致它的量子效率很低,在ZBLAN基质的光纤中典型效率仅仅为4%。而在掺铥光纤放大器(TDFA)中,由于3F4 的寿命(1.5 ms)比3H4 (6.8 ms)短得多,所以很难依靠直接泵浦方式实现粒子数反转,通常TDFA可采用1 050 nm左右的单波长光泵浦或双波长两级泵浦来实现,以提高TDFA的功率转换效率。

2 掺杂光纤放大器的发展状况

掺杂光纤放大器经过20多年的发展,家族成员很多,其中应用最广泛的主要有:掺铒光纤放大器(EDFA)、掺镨光纤放大器(PDFA)和掺铥光纤放大器(TDFA)。下面就分别介绍这三掺杂光纤放大器的发展状况。

2.1 掺铒光纤放大器(EDFA)

放大波长为1 550 nm的掺铒光纤放大器是国际上20世纪80~90年代光电子技术的一项突破性成就,其发射谱覆盖了C波段和L波段。由于它具有许多别的放大器所无法比拟的优越性能,如:工作波长在光纤通信的最佳波长区(1 300~1 600 nm)、与线路光纤的耦合损耗小、噪声指数低、增益高、频带宽等诸多优点,使之成为光纤通信、光缆电视、信息网络等系统的关键设备。

早在1987年Mears等研制了EDFA(掺铒光纤放大器),可以在1 550 nm波长上实现光增益,这正是通信系统的低损耗窗口,这也是掺铒光纤得到广泛研究以至商业化生产的原因。随后,基于EDFA的结构特点和工作特性,其发展主要集中在C波段和L波段。

由于C波段EDFA已商用化,对其研究集中在缩小器件体积、改善增益平坦性方面。1997年,J.X.Cai等[4]提出了利用色散位移光纤构成光纤环形镜进行增益平坦,由于构成FLM的DSF长10.5 km,该方案受偏振的影响较大;为了减小偏振的影响,蒙红云等人[5]使用保偏光纤构成的反射式FLM,实现了1 531 nm和1 550 nm波长之间接近10 dB差异的增益平坦,而且在1 527~ 1 562 nm范围内取得了ASE谱的增益波动ΔG<1 dB,但整个方案成本较高;2009年,韩秋静等人[6]利用级联结构光纤环形镜(FLM)实现掺铒光纤放大器(EDFA)增益平坦滤波,其1 535~1 557 nm波长范围内的增益不平坦度由±5 dB减小到±1 dB。

在L波段方面,1990年,Massicott等人[7]研究发现,通过控制EDF的长度,使铒离子的粒子数分布反转稳定在较低的程度,高增益波段能够转移到L波段(1 570~1 610 nm ),实现L波段的光放大,即L-EDFA。由于L波段远离硅基掺铒光纤的主发射峰,要得到较高的增益,必须使用较长掺铒光纤,从而降低了放大器的功率转换效率,增大了噪声指数。因此,为了改善LEDFA的这两大性能,M. A. Mahdi等人利用两级泵浦方式中前级泵浦的后向自发辐射作为掺铒光纤的二次泵浦源,使得放大器的增益得到了大大的提高,噪声指数也保持在5 dB以下;Yanbin Zhang等人用插入C波段激光的方法,当插入1 550 nm的激光时,即使输入大信号(强度为-2.6 dBm),放大器的增益仍然提高了2.5 dB;Qinghe Mao等人利用反射式结构,放大器的增益比同条件下前向泵浦方式的增益提高了7 dB,饱和输入功率提高了2.5~3.2 dB,而噪声指数仅仅恶化了1.2 dB。

另一方面,经过20多年的实用化发展,光网络对EDFA的功率和可靠性的要求越来越高,自从Jean-Marc Delavaux等人[8]采用多模泵浦激光器和双包层铒/镱共掺光纤的方案制造出输出功率为27 dBm以上的EDFA。双包层光纤的出现是光纤领域的一大突破,可获得很高的转换效率,已实现了20 W输出的高功率光纤放大器,并已成为研究热点。2007年,Bookham[9]也推出电信级可靠的4 W和6 W多模泵浦激光器,采用1~2个多模泵浦就可制造输出功率达33 dBm的EDFA。刘伟等人[10]提出一种改进的智能化掺铒光纤放大器(EDFA)结构,在16波长、每信道-30 dBmW小信号输入时,平坦增益37 dB、最大噪声指数小于3.5 dB;大信号输入时,平坦增益18 dB,最大噪声指数小于5 dB。使用该结构的EDFA具有很大的输入动态范围和稳定、平坦的输出特性,能自适应地工作于前置放大、功率放大和线路放大状态,有利于在密集波分复用(DWDM)光网络中的应用。同时,朱军等人[11]对一种全保偏掺铒光纤放大器结构和光纤参数进行优化,使该放大器的输出功率可达105 mW,输出信噪比达到40 dB以上,具有较佳的输出特性。

因此,为了满足对通信容量需求的增长,将密集波分复用系统(DWDM)由传统C波段扩展到L波段已经是大势所趋。目前,国际上EDFA技术已非常成熟,广泛应用于长距离、大容量、高速率的光通信系统和接入网、光纤CATV网等领域,成为现阶段光放大器的主流。

2.2 掺镨光纤放大器(PDFA)

PDFA是1 300 nm波长工作的光纤放大器,它是一种准4能级系统。目前,对PDFA研究热点是寻找低声子能量材料做基质以尽量减少由于石英玻璃材料具有大的声子能量,不能得到镨离子在1 300 nm波长的发光,潜在的基质有基于InF3的系统,基于InF3/GaF3系统,基于PbF2/InF3 的系统,混合卤化物玻璃,硫系玻璃如Ga-La-S和As-S。1994年,英国BT公司研制出第一只工程化PDFA,利用670 mW的入纤功率,得到29 dB的小信号增益,输出功率达17 dB。1998年,东芝电气公司利用5.8 m掺杂浓度为1 000 ppm数值孔径为0.55的TDF,当入纤功率为260 mW时,得到21 dB的小信号增益,输出功率达16.2 dB。由于转换效率很低,必须采用高数值孔径、低损耗的TDF设计,此时小信号增益可达30 dB,3 dB带宽可达30 nm,最高小信号转换效率也可达0.22 dB/mW。而M.Yamada采用1 017 nm LD泵浦获得了30 dB的增益。Itoh也报道了GaNaS玻璃光纤中得到了30 dB增益,增益系数达到了0.81 dB/mW。近几年来,硫(卤)系玻璃作为1 330 nm光纤放大器的基质玻璃受到了极大的关注,取得了很大的进展,在Pr3+掺杂的Ga-La-S系玻璃中,已取得了70%以上的量子效率,是Pr3+掺杂ZBLAN玻璃的近20倍。2000年CLEO会议上美国马萨诸塞理工大学的R.S.Quim by等人[12]对比研究了单波长(1 030 nm)和双波长(1 030 nm和1 270 nm)下泵浦掺镨硫系光纤放大器的放大实验,发现双波长泵浦条件下转换效率为35%,而单波长泵浦下只有15%。目前,用于稀土离子Pr3+掺杂的1 330 nm光纤放大器硫系基质玻璃主要由As-S基、GaLaS基和Ge基硫系玻璃[13]。虽然PDFA的放大波段在1 300 nm与6.652光纤的零色散点相吻合,在已建的1 300 nm光通信系统中有着巨大的应用市场,但是由于掺镨光纤自身放大特性及机械强度和与普通光纤连接困难等因素,要得到广泛的商业应用还存在一定的困难。

2.3 掺铥光纤放大器(TDFA)

TDFA主要应用在1 450 nm波段,能级系统属于四能级目前,对于TDFA,能有效实现低粒子数反转态的技术主要有2种:双波长泵浦方式;高掺杂浓度技术。双波长泵浦方式是利用附加1 200 nm(或1 550 nm)的激光作为基态泵浦,1 050(或1 400 nm)的激光作为第一激发泵浦的泵浦方式。由于TDF对1 200 nm(或1 550 nm)激光的吸收很强,附加的1 200 nm(或1 550 nm)泵浦激光极大地提高了第一激发态能级上的粒子数,使低粒子数反转态得以形成。Alcatel公司在1 064 nm的泵浦基础上采用15%的1 117 nm辅助泵源使带宽增加了5 nm。为了进一步提高PCE,Alcatel公司采用1 240 nm和1 400 nm泵浦。波长1 117 nm的Yb双包层光纤激光器泵浦由Bragg光栅级联组成的拉曼谐振腔,将最终输出波长移到1 400 nm附近,在输出端将1 400 nm和1 238 nm混合泵浦光一分为二,对TDF进行前向和后向泵浦,信号光功率为-1 dBm/ch,波长范围为1 470~1 500 nm,PCE达到了48%,是目前报道的做大PCE值[14]。2005年,Scott S.H. Yam, Youichi Akasaka等人[15]仅用42 mW的690 nm和80 mW的1 050 nm双波长的泵浦方式,在输入信号功率35 dBm的情况下轻松获得了20 dB的信号增益。另外,S.Aozasa等人利用掺杂浓度为6 000 ppm,长度为13.3 m的掺铥光纤,采用双向泵浦方式,在1 480~1 510 nm波长范围内,实现增益大于18 dB,噪声指数小于7 dB,输出功率为14.1 dBm。S.Aozasa等人采用两级放大的泵浦方式,在1 400 nm单波长激光的作用下,当泵浦总功率和输入信号总功率分别为580 mW和-7 dBm时,在1 480~1 510 nm波波长范围内,实现增益大于18 dB,噪声指数小于7 dB,输出功率为14.1 dBm。

随着光通信容量的不断扩大,加上光网络的高功能化的迅速发展,人们对于开发1 450 nm波段的利用寄予厚望。目前,在光通信领域开发适合于S波段的掺铥光纤放大器和增益位移掺铥光纤放大器(GS-TDFA)成为了研究的热点。

3 掺杂光纤放大器发展展望

随着掺杂光纤放大器发展越来越成熟,功能越来越全面,同时长距离光通信传输系统的要求也越来越高,目前掺杂光纤放大器发展的主要方面为:

(1) 宽带化 随着EDM/DWDM的发展,要求光纤放大器具有更宽的带宽,从C波段扩展到L波段或S波段,目前已出现了C+L波段宽带放大器,甚至不久将出现C+L+S超宽带光纤放大器。以满足光纤通信传输的信息容量并延长光纤通信的传输距离。

(2) 集成化 随着光纤放大器的功能愈来愈完善,除了增益平坦外,各个厂家还相继推出包括自动增益控制(AGC)、自动功率控制(APC)、自动泵浦电流控制(APCC)和自动泵浦功率控制(APPC )在内的功能集成化光纤放大器。这些光纤放大器还能自动调节工作状态,满足不同的需要。同时,要求光纤放大器体积最小化,降低成本,使各种掺杂光纤放大器尽早投入市场。

4 结 语

目前,我国已经建设成覆盖全国的光缆传输网络,公共电信光缆网络总长度超过430万千米,光纤总长度超过8 000万千米。光纤放大器是光纤通信系统的关键技术之一,而掺铒光纤放大器声低、增益曲线好、放大器带宽大,与波分复用(WDM)系统兼容、技术成熟,在现代长途高速光通信系统中备受青睐;掺镨光纤放大器的放大波段在1 300 nm并与6.652光纤的零色散点相吻合,在已建的1300 nm光通信系统中有着巨大的应用市场;掺铥光纤放大器和EDFA组合可以使信号的工作波段扩大2~3倍,实现超宽带传输。掺杂光纤放大器在未来光通信领域中将有广阔的应用前景。

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