光纤放大器技术在光纤传输中的应用

丁达华

【摘要】 光纤传输已成为当今网络传输的主要手段。其利用光的全反射原理，将信息流加载于调制光之上，实现快速远距离的信息传输。其频带宽、损耗低、稳定可靠等优点使其在网络传输技术的竞争中取得了主导地位。在光纤技术发展的过程中，光纤放大器技术有力地推动了光纤通信的发展，在光通信领域具有重要的意义。

【关键词】 光纤放大器 掺铒光纤 喇曼光纤

一、光纤放大器

光纤放大器是一种可以直接在光域对信号实施放大的器件。除了稳定可靠的工作性能外，它能够很好地与光纤传输中的密集波分复用系统互相兼容，极大地降低了中继系统的维护成本，有力地推动了光纤传输的广泛应用。目前的光放大器主要分为两大类：掺铒光纤放大器和喇曼光纤放大器。

二、掺铒光纤放大器

2.1 掺铒光纤放大器工作原理

掺铒光纤放大器的工作原理与激光类似，都是基于原子的受激辐射实现光放大。掺铒光纤是在石英光纤中掺杂适量的铒离子（Er3+）。光纤中铒离子在泵浦光激励下吸收能量，由基态能带4I15/2跃迁至较高能带4I11/2，成为泵浦态或激发态。铒离子在激发态上处于非稳定状态，寿命较短，很快通过非辐射跃迁的方式转变为亚稳态，其能带为4I13/2。亚稳态上的铒例子具有较长寿命，从而铒例子在泵浦光作用下能够在亚稳态上逐渐积累，形成对基态的离子数反转。当光信号通过光纤时，亚稳态的铒离子发生受激辐射，产生一个与信号光子完全相同的光子，从而实现了信号光的放大。

一般的掺铒光纤放大器工作于1550nm波段，该波段为光纤的低损耗窗口。泵浦光波长为980nm或1480nm。

2.2 掺铒光纤放大器的结构

掺铒光纤放大器主要由五部分组成：掺铒光纤、泵浦源、波分复用器、光隔离器和光滤波器。掺铒光纤实现信号光的放大；泵浦源为掺铒光纤提供光放大所需的泵浦能量；波分复用器将信号光与泵浦光进行合成，注入到掺铒光纤中；光隔离器使光纤中的光实现单向传输，防止在光纤中产生光震荡影响正常的工作状态；光滤波器的作用是消除因激发态铒例子自发辐射所产生的光噪声，提高放大器信噪比。此外还有若干辅助电路对放大器的工作状态进行监测，以及工作温度和功率的控制。

根据放大器的泵浦光传输形式，可以分为三种结构：同向泵浦结构、反向泵浦结构、双向泵浦结构。

2.3 掺铒光纤放大器的应用

1、基本应用形式。掺铒光纤放大器主要有三种基本应用形式：（1）线路放大：将放大器直接插入至光纤传输线路中作为中继器使用，多出现于长距离的光纤传输中。（2）功率放大：将放大器置于光发射机之后，以弥补光发射机功率的不足。（3）前置放大：将放大器置于光接收机前端，以提高接收机灵敏度。

2、波分复用系统中的应用。由于电信号放大设备在带宽上的限制，需要将光信号解复用后对各个频率成分分别进行信号放大。故一个波分复用系统的中继设备包含多个电信号放大装置。掺铒光纤在波分复用系统中具有明显的优势，其最大的优势在于：使用一个掺铒光纤放大器即可一次性对复用系统中各频率成分光信号实现放大。这种工作方式使得中继设备的维护成本大幅下降，且系统可靠性上升，便于维护，见图1。

3、有线电视传输系统中的应用。有线电视传输系统中各节点不仅要求较高的信噪比，还要求较大的最小光接收功率。这种特性使得该网络的中继距离较低，往往只能传输十几公里。同时网络特性要求一个光发射机能够驱动多个光节点进行工作。这两种特性对光发射设备的功率输出提出了较高的要求。将掺铒光纤放大器以功率放大方式安置于光发射机后端，提高了光接收机的功率，使得可负载光节点数增加，传输距离也随之上升。

三、喇曼光纤放大器

3.1 喇曼光纤放大器工作原理

喇曼光纤放大器的原理基于喇曼散射。喇曼散射过程先由泵浦光引发光纤中的非线性散射，产生低频的斯托克斯光子，剩余能量以分子振动形式吸收，整个过程称为受激喇曼散射。受激拉曼散射中，斯托克斯频移的数值由分子振动能级决定，其数值决定了频率散射范围。信号光与泵浦光同时在光纤中传输，当信号光处于泵浦光产生的增益范围内时，通过喇曼散射产生光子数量的增加，从而实现了光信号的放大，见图2。

喇曼光纤放大器相比较于掺铒光纤放大器，其主要优势在于可提供放大的频率范围极大，可通过调节泵浦光的波长对任意波段进行宽带的放大，放大范围可达到1270nm至1670nm。

3.2 喇嘛光纤放大器的结构

目前喇曼光纤放大器主要有分布式与分立式两种类型。

分立式喇曼光纤放大器中放大器独立于传输线路而成为单独器件。这种形式要求放大器具有较高的增益，因此多由掺杂锗含量较高的光纤作为增益介质。相比较于同种形式的掺铒光纤放大器，这种形式的喇曼光纤放大器需要很长的工作长度，且增益倍数有限，多用于掺铒光纤放大器所无法工作的波长信号放大，见图3。

分布式喇曼光纤放大器直接以增益介质作为传输光纤本身，其应用前景已逐渐超过分立式喇曼光纤放大器。

3.3 喇曼光纤放大器的应用

1、长距离通信线路。对于穿越恶劣自然环境或其他不便于采用掺铒光纤放大器的传输线路，使用分布式喇曼光纤放大器是较好的选择。它可以提高两次中继之间所允许的线路传输损耗，从而扩大传输距离。目前常用于海底光缆及无人地带光缆等。

2、混合式光纤放大器。虽然喇曼光纤放大器具有很大的工作带宽，但是带宽中多个频率成分的光信号同时实现放大则需要多路泵浦光，这就需要使用泵浦复用技术。而泵浦复用所带来的复杂结构和高成本阻碍了其在实际网络传输中的应用。为此，将掺铒光纤放大器与喇曼光纤放大器混用可以在减少泵浦光源数量的前提下实现较大的工作带宽，并且实现较好的增益均衡。

四、总结与展望

由于超高速率、大容量、长距离光纤通信系统的发展，对作为光纤通信领域的关键器件——光纤放大器在功率、带宽和增益平坦方面提出了新的要求，因此，在未来的光纤通信网络中，光纤放大器的发展方向主要有以下几个方面：（1）EDFA从C-Band向L-Band发展；（2）宽频谱、大功率的光纤拉曼放大器；（3）将局部平坦的EDFA和光纤拉曼放大器进行串联使用，获得超宽带的平坦增益放大器；（4）发展应变补偿的无偏振、单片集成、光横向连接的半导体光放大器光开关；（5）研发具有动态增益平坦技术的光纤放大器。

【摘要】 光纤传输已成为当今网络传输的主要手段。其利用光的全反射原理，将信息流加载于调制光之上，实现快速远距离的信息传输。其频带宽、损耗低、稳定可靠等优点使其在网络传输技术的竞争中取得了主导地位。在光纤技术发展的过程中，光纤放大器技术有力地推动了光纤通信的发展，在光通信领域具有重要的意义。

【关键词】 光纤放大器 掺铒光纤 喇曼光纤

一、光纤放大器

光纤放大器是一种可以直接在光域对信号实施放大的器件。除了稳定可靠的工作性能外，它能够很好地与光纤传输中的密集波分复用系统互相兼容，极大地降低了中继系统的维护成本，有力地推动了光纤传输的广泛应用。目前的光放大器主要分为两大类：掺铒光纤放大器和喇曼光纤放大器。

二、掺铒光纤放大器

2.1 掺铒光纤放大器工作原理

掺铒光纤放大器的工作原理与激光类似，都是基于原子的受激辐射实现光放大。掺铒光纤是在石英光纤中掺杂适量的铒离子（Er3+）。光纤中铒离子在泵浦光激励下吸收能量，由基态能带4I15/2跃迁至较高能带4I11/2，成为泵浦态或激发态。铒离子在激发态上处于非稳定状态，寿命较短，很快通过非辐射跃迁的方式转变为亚稳态，其能带为4I13/2。亚稳态上的铒例子具有较长寿命，从而铒例子在泵浦光作用下能够在亚稳态上逐渐积累，形成对基态的离子数反转。当光信号通过光纤时，亚稳态的铒离子发生受激辐射，产生一个与信号光子完全相同的光子，从而实现了信号光的放大。

一般的掺铒光纤放大器工作于1550nm波段，该波段为光纤的低损耗窗口。泵浦光波长为980nm或1480nm。

2.2 掺铒光纤放大器的结构

掺铒光纤放大器主要由五部分组成：掺铒光纤、泵浦源、波分复用器、光隔离器和光滤波器。掺铒光纤实现信号光的放大；泵浦源为掺铒光纤提供光放大所需的泵浦能量；波分复用器将信号光与泵浦光进行合成，注入到掺铒光纤中；光隔离器使光纤中的光实现单向传输，防止在光纤中产生光震荡影响正常的工作状态；光滤波器的作用是消除因激发态铒例子自发辐射所产生的光噪声，提高放大器信噪比。此外还有若干辅助电路对放大器的工作状态进行监测，以及工作温度和功率的控制。

根据放大器的泵浦光传输形式，可以分为三种结构：同向泵浦结构、反向泵浦结构、双向泵浦结构。

2.3 掺铒光纤放大器的应用

1、基本应用形式。掺铒光纤放大器主要有三种基本应用形式：（1）线路放大：将放大器直接插入至光纤传输线路中作为中继器使用，多出现于长距离的光纤传输中。（2）功率放大：将放大器置于光发射机之后，以弥补光发射机功率的不足。（3）前置放大：将放大器置于光接收机前端，以提高接收机灵敏度。

2、波分复用系统中的应用。由于电信号放大设备在带宽上的限制，需要将光信号解复用后对各个频率成分分别进行信号放大。故一个波分复用系统的中继设备包含多个电信号放大装置。掺铒光纤在波分复用系统中具有明显的优势，其最大的优势在于：使用一个掺铒光纤放大器即可一次性对复用系统中各频率成分光信号实现放大。这种工作方式使得中继设备的维护成本大幅下降，且系统可靠性上升，便于维护，见图1。

3、有线电视传输系统中的应用。有线电视传输系统中各节点不仅要求较高的信噪比，还要求较大的最小光接收功率。这种特性使得该网络的中继距离较低，往往只能传输十几公里。同时网络特性要求一个光发射机能够驱动多个光节点进行工作。这两种特性对光发射设备的功率输出提出了较高的要求。将掺铒光纤放大器以功率放大方式安置于光发射机后端，提高了光接收机的功率，使得可负载光节点数增加，传输距离也随之上升。

三、喇曼光纤放大器

3.1 喇曼光纤放大器工作原理

喇曼光纤放大器的原理基于喇曼散射。喇曼散射过程先由泵浦光引发光纤中的非线性散射，产生低频的斯托克斯光子，剩余能量以分子振动形式吸收，整个过程称为受激喇曼散射。受激拉曼散射中，斯托克斯频移的数值由分子振动能级决定，其数值决定了频率散射范围。信号光与泵浦光同时在光纤中传输，当信号光处于泵浦光产生的增益范围内时，通过喇曼散射产生光子数量的增加，从而实现了光信号的放大，见图2。

喇曼光纤放大器相比较于掺铒光纤放大器，其主要优势在于可提供放大的频率范围极大，可通过调节泵浦光的波长对任意波段进行宽带的放大，放大范围可达到1270nm至1670nm。

3.2 喇嘛光纤放大器的结构

目前喇曼光纤放大器主要有分布式与分立式两种类型。

分立式喇曼光纤放大器中放大器独立于传输线路而成为单独器件。这种形式要求放大器具有较高的增益，因此多由掺杂锗含量较高的光纤作为增益介质。相比较于同种形式的掺铒光纤放大器，这种形式的喇曼光纤放大器需要很长的工作长度，且增益倍数有限，多用于掺铒光纤放大器所无法工作的波长信号放大，见图3。

分布式喇曼光纤放大器直接以增益介质作为传输光纤本身，其应用前景已逐渐超过分立式喇曼光纤放大器。

3.3 喇曼光纤放大器的应用

1、长距离通信线路。对于穿越恶劣自然环境或其他不便于采用掺铒光纤放大器的传输线路，使用分布式喇曼光纤放大器是较好的选择。它可以提高两次中继之间所允许的线路传输损耗，从而扩大传输距离。目前常用于海底光缆及无人地带光缆等。

2、混合式光纤放大器。虽然喇曼光纤放大器具有很大的工作带宽，但是带宽中多个频率成分的光信号同时实现放大则需要多路泵浦光，这就需要使用泵浦复用技术。而泵浦复用所带来的复杂结构和高成本阻碍了其在实际网络传输中的应用。为此，将掺铒光纤放大器与喇曼光纤放大器混用可以在减少泵浦光源数量的前提下实现较大的工作带宽，并且实现较好的增益均衡。

四、总结与展望

由于超高速率、大容量、长距离光纤通信系统的发展，对作为光纤通信领域的关键器件——光纤放大器在功率、带宽和增益平坦方面提出了新的要求，因此，在未来的光纤通信网络中，光纤放大器的发展方向主要有以下几个方面：（1）EDFA从C-Band向L-Band发展；（2）宽频谱、大功率的光纤拉曼放大器；（3）将局部平坦的EDFA和光纤拉曼放大器进行串联使用，获得超宽带的平坦增益放大器；（4）发展应变补偿的无偏振、单片集成、光横向连接的半导体光放大器光开关；（5）研发具有动态增益平坦技术的光纤放大器。

【摘要】 光纤传输已成为当今网络传输的主要手段。其利用光的全反射原理，将信息流加载于调制光之上，实现快速远距离的信息传输。其频带宽、损耗低、稳定可靠等优点使其在网络传输技术的竞争中取得了主导地位。在光纤技术发展的过程中，光纤放大器技术有力地推动了光纤通信的发展，在光通信领域具有重要的意义。

【关键词】 光纤放大器 掺铒光纤 喇曼光纤

一、光纤放大器

光纤放大器是一种可以直接在光域对信号实施放大的器件。除了稳定可靠的工作性能外，它能够很好地与光纤传输中的密集波分复用系统互相兼容，极大地降低了中继系统的维护成本，有力地推动了光纤传输的广泛应用。目前的光放大器主要分为两大类：掺铒光纤放大器和喇曼光纤放大器。

二、掺铒光纤放大器

2.1 掺铒光纤放大器工作原理

掺铒光纤放大器的工作原理与激光类似，都是基于原子的受激辐射实现光放大。掺铒光纤是在石英光纤中掺杂适量的铒离子（Er3+）。光纤中铒离子在泵浦光激励下吸收能量，由基态能带4I15/2跃迁至较高能带4I11/2，成为泵浦态或激发态。铒离子在激发态上处于非稳定状态，寿命较短，很快通过非辐射跃迁的方式转变为亚稳态，其能带为4I13/2。亚稳态上的铒例子具有较长寿命，从而铒例子在泵浦光作用下能够在亚稳态上逐渐积累，形成对基态的离子数反转。当光信号通过光纤时，亚稳态的铒离子发生受激辐射，产生一个与信号光子完全相同的光子，从而实现了信号光的放大。

一般的掺铒光纤放大器工作于1550nm波段，该波段为光纤的低损耗窗口。泵浦光波长为980nm或1480nm。

2.2 掺铒光纤放大器的结构

掺铒光纤放大器主要由五部分组成：掺铒光纤、泵浦源、波分复用器、光隔离器和光滤波器。掺铒光纤实现信号光的放大；泵浦源为掺铒光纤提供光放大所需的泵浦能量；波分复用器将信号光与泵浦光进行合成，注入到掺铒光纤中；光隔离器使光纤中的光实现单向传输，防止在光纤中产生光震荡影响正常的工作状态；光滤波器的作用是消除因激发态铒例子自发辐射所产生的光噪声，提高放大器信噪比。此外还有若干辅助电路对放大器的工作状态进行监测，以及工作温度和功率的控制。

根据放大器的泵浦光传输形式，可以分为三种结构：同向泵浦结构、反向泵浦结构、双向泵浦结构。

2.3 掺铒光纤放大器的应用

1、基本应用形式。掺铒光纤放大器主要有三种基本应用形式：（1）线路放大：将放大器直接插入至光纤传输线路中作为中继器使用，多出现于长距离的光纤传输中。（2）功率放大：将放大器置于光发射机之后，以弥补光发射机功率的不足。（3）前置放大：将放大器置于光接收机前端，以提高接收机灵敏度。

2、波分复用系统中的应用。由于电信号放大设备在带宽上的限制，需要将光信号解复用后对各个频率成分分别进行信号放大。故一个波分复用系统的中继设备包含多个电信号放大装置。掺铒光纤在波分复用系统中具有明显的优势，其最大的优势在于：使用一个掺铒光纤放大器即可一次性对复用系统中各频率成分光信号实现放大。这种工作方式使得中继设备的维护成本大幅下降，且系统可靠性上升，便于维护，见图1。

3、有线电视传输系统中的应用。有线电视传输系统中各节点不仅要求较高的信噪比，还要求较大的最小光接收功率。这种特性使得该网络的中继距离较低，往往只能传输十几公里。同时网络特性要求一个光发射机能够驱动多个光节点进行工作。这两种特性对光发射设备的功率输出提出了较高的要求。将掺铒光纤放大器以功率放大方式安置于光发射机后端，提高了光接收机的功率，使得可负载光节点数增加，传输距离也随之上升。

三、喇曼光纤放大器

3.1 喇曼光纤放大器工作原理

喇曼光纤放大器的原理基于喇曼散射。喇曼散射过程先由泵浦光引发光纤中的非线性散射，产生低频的斯托克斯光子，剩余能量以分子振动形式吸收，整个过程称为受激喇曼散射。受激拉曼散射中，斯托克斯频移的数值由分子振动能级决定，其数值决定了频率散射范围。信号光与泵浦光同时在光纤中传输，当信号光处于泵浦光产生的增益范围内时，通过喇曼散射产生光子数量的增加，从而实现了光信号的放大，见图2。

喇曼光纤放大器相比较于掺铒光纤放大器，其主要优势在于可提供放大的频率范围极大，可通过调节泵浦光的波长对任意波段进行宽带的放大，放大范围可达到1270nm至1670nm。

3.2 喇嘛光纤放大器的结构

目前喇曼光纤放大器主要有分布式与分立式两种类型。

分立式喇曼光纤放大器中放大器独立于传输线路而成为单独器件。这种形式要求放大器具有较高的增益，因此多由掺杂锗含量较高的光纤作为增益介质。相比较于同种形式的掺铒光纤放大器，这种形式的喇曼光纤放大器需要很长的工作长度，且增益倍数有限，多用于掺铒光纤放大器所无法工作的波长信号放大，见图3。

分布式喇曼光纤放大器直接以增益介质作为传输光纤本身，其应用前景已逐渐超过分立式喇曼光纤放大器。

3.3 喇曼光纤放大器的应用

1、长距离通信线路。对于穿越恶劣自然环境或其他不便于采用掺铒光纤放大器的传输线路，使用分布式喇曼光纤放大器是较好的选择。它可以提高两次中继之间所允许的线路传输损耗，从而扩大传输距离。目前常用于海底光缆及无人地带光缆等。

2、混合式光纤放大器。虽然喇曼光纤放大器具有很大的工作带宽，但是带宽中多个频率成分的光信号同时实现放大则需要多路泵浦光，这就需要使用泵浦复用技术。而泵浦复用所带来的复杂结构和高成本阻碍了其在实际网络传输中的应用。为此，将掺铒光纤放大器与喇曼光纤放大器混用可以在减少泵浦光源数量的前提下实现较大的工作带宽，并且实现较好的增益均衡。

四、总结与展望

由于超高速率、大容量、长距离光纤通信系统的发展，对作为光纤通信领域的关键器件——光纤放大器在功率、带宽和增益平坦方面提出了新的要求，因此，在未来的光纤通信网络中，光纤放大器的发展方向主要有以下几个方面：（1）EDFA从C-Band向L-Band发展；（2）宽频谱、大功率的光纤拉曼放大器；（3）将局部平坦的EDFA和光纤拉曼放大器进行串联使用，获得超宽带的平坦增益放大器；（4）发展应变补偿的无偏振、单片集成、光横向连接的半导体光放大器光开关；（5）研发具有动态增益平坦技术的光纤放大器。