首頁 > 技術(shù)文章
智能光纖放大器歐姆龍OMRON的主要分類
光纖放大器（Optical Fiber Amplifier，簡寫OFA）是指運(yùn)用于光纖通信線路中，實(shí)現(xiàn)信號放大的一種新型全光放大器。屬于傳感器類元件。根據(jù)它在光纖線路中的位置和作用，一般分為中繼放大、前置放大和功率放大三種。同傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光放大器（SOA）相比較，OFA不需要經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換、電光轉(zhuǎn)換和信號再生等復(fù)雜過程，可直接對信號進(jìn)行全光放大，具有很好的“透明性”，特別適用于長途光通信的中繼放大?？梢哉f，OFA為實(shí)現(xiàn)全光通信奠定了一項(xiàng)技術(shù)基礎(chǔ)。
90年代初期，摻鉺光纖放大器（EDFA）的研制成功，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幾千公里，給光纖通信帶來了革命性的變化，被譽(yù)為光通信發(fā)展的一個“里程碑”。那么，究竟什么是光纖放大器呢？ 根據(jù)放大機(jī)制不同，OFA可分為兩大類。
摻稀土OFA
制作光纖時，采用特殊工藝，在光纖芯層沉積中摻入極小濃度的稀土元素，如鉺、鐠或銣等離子，可制作出相應(yīng)的摻鉺、摻鐠或摻銣光纖。光纖中摻雜離子在受到泵浦光激勵后躍遷到亞穩(wěn)定的高激發(fā)態(tài)，在信號光誘導(dǎo)下，產(chǎn)生受激輻射，形成對信號光的相干放大。這種OFA實(shí)質(zhì)上是一種特殊的激光器，它的工作腔是一段摻稀土粒子光纖，泵浦光源一般采用半導(dǎo)體激光器。
當(dāng)前光纖通信系統(tǒng)工作在兩個低損耗窗口：1.55μm波段和1.31μm波段。選擇不同的摻雜元素，可使放大器工作在不同窗口。
（1）摻鉺光纖放大器（EDFA）
摻鉺光纖放大器由一段摻鉺光纖和泵浦光源組成，如圖1所示。摻鉺光纖是在石英光纖的纖芯中摻入適量濃度的鉺離子（Er3+），泵浦源的作用是給鉺離子提供能量，將它從低能級“抽運(yùn)”到高能級，使其具有光學(xué)
增益功能。沒有泵浦光作用時，Er3+離子的能量狀態(tài)稱為基態(tài)；吸收泵浦光能量后，Er3+便處于較高能量狀態(tài)，即由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。由于處于該高能態(tài)的壽命很短，將迅速過渡到較低的激發(fā)態(tài)，Er3+處于激發(fā)態(tài)的壽命長得多，被稱為亞穩(wěn)態(tài)。當(dāng)Er3+從亞穩(wěn)激發(fā)態(tài)躍遷回到基態(tài)時，多出來的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊晒廨椛?，輻射光的波長由亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)的能級差決定。在1550nm波段上，在泵浦源不斷作用下，處于亞穩(wěn)激發(fā)態(tài)的Er3+不斷累積，其數(shù)量可超過仍處于基態(tài)的離子數(shù)。當(dāng)高能態(tài)上的粒子數(shù)超過低能態(tài)上的粒子數(shù)時，達(dá)到了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)。只有在這種狀態(tài)下才可能有光放大作用。如入射光信號的光子能量相當(dāng)于基態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)之間的能量差，即其光波長與上述輻射光的波長相同，它將同時引發(fā)由基態(tài)→亞穩(wěn)態(tài)的吸收躍遷和由亞穩(wěn)態(tài)→基態(tài)的發(fā)射躍遷，吸收躍遷吸收光能，發(fā)射躍遷發(fā)射光能，吸收和發(fā)射光能的大小各與基態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)的粒子密度成正比。由于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的緣故，總的效果是發(fā)射的光能超過吸收的光能，這就使入射光增強(qiáng)，而得到了光放大。
摻雜光纖放大器的一個重要問題是選擇合適的泵浦源。摻Er3+石英光纖在550、650、810、980和1480nm等處存在吸收光譜帶，原則上都可選為泵浦光波長。但由于980nm和l 480mn光波長的光泵浦效率 zui高，故多采用。980nm泵浦源選用InGaAs/AlGaAs半導(dǎo)體激光器，1 480nm泵浦源選用GalnAsP/Inp半導(dǎo)體激光器，它們的光功率一般為數(shù)十至上百亳瓦。采用980nm的泵浦源還有噪聲低的優(yōu)點(diǎn)，而1 480mn泵浦源由于與信號光波長相近，耦合方便。
光纖通信的另一重要的低損耗窗口是1 300nm波段。摻釹離子（Nd3+）的氯化物玻璃光纖可構(gòu)成工作于這一波段的摻釹光纖放大器。
光纖放大器要求增益高，工作頻帶寬、噪聲低。摻鉺光纖放大器已實(shí)用化，其典型值：小信號增益30dB，帶寬32nm，噪聲系數(shù)5dB。
摻鉺光纖放大器是光纖通信技術(shù)的一項(xiàng)重大突破，它可免除常規(guī)光纖通信技術(shù)在中繼站進(jìn)行光一電一光變換而延長中繼距離，使常規(guī)的光纖通信提高到一個新的水平。對推動密集波分復(fù)用、頻分復(fù)用、光孤子光纖通信、光纖本地網(wǎng)和光纖寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)的發(fā)展起著舉足輕重的作用。
（2）摻鐠光纖放大器（PDFA）
PDFA工作在1.31μm波段，已敷設(shè)的光纖90%都工作在這一窗口。PDFA對現(xiàn)有光通信線路的升級和擴(kuò)容有重要的意義。目前已經(jīng)研制出低噪聲、高增益的PDFA，但是它的泵浦效率不高，工作性能不穩(wěn)定，增益對溫度敏感，離實(shí)用還有一段距離。
非線性O(shè)FA
非線性O(shè)FA是利用光纖的非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對信號光放大的一種激光放大器。當(dāng)光纖中光功率密度達(dá)到一定閾值時，將產(chǎn)生受激拉曼散射（SRS）或受激布里淵散射（SBS），形成對信號光的相干放大。非線性O(shè)FA可相應(yīng)分為拉曼光纖放大器（SRA）和布里淵光纖放大器（BRA）。目前研制出的SRA尚未商用化。
OFA的研制始于80年代，并在90年代初取得重大突破。在現(xiàn)代光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，如何有效地提高光信號傳輸距離，減少中繼站數(shù)目，降低系統(tǒng)成本，一直是人們不斷探索的目標(biāo)。OFA是解決這一問題的關(guān)鍵器件，它的研制和改進(jìn)在范圍內(nèi)仍方興未艾。
隨著密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)、光纖放大技術(shù)，包括摻鉺光纖放大器（EDFA）、分布喇曼光纖放大器（DRFA）、半導(dǎo)體放大器（SOA）和光時分復(fù)用（OTDM）技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，光纖通信技術(shù)不斷向著更高速率、更大容量的通信系統(tǒng)發(fā)展，而先進(jìn)的光纖制造技術(shù)既能保持穩(wěn)定、可靠的傳輸以及足夠的富余度，又能滿足光通信對大寬帶的需求，并減少非線性損傷。
