光纖放大器的應(yīng)用及其市場(chǎng)前景

光纖放大器不但可對(duì)光信號(hào)進(jìn)行直接放大，同時(shí)還具有實(shí)時(shí)、高增益、寬帶、在線(xiàn)、低噪聲、低損耗的全光放大功能，是新一代光纖通信系統(tǒng)中必不可少的關(guān)鍵器件。光纖放大器一般都由增益介質(zhì)、泵浦光和輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)組成。目前光纖放大器主要有摻鉺光纖放大器、半導(dǎo)體光放大器和光纖拉曼放大器三種，根據(jù)光纖放大器在光纖線(xiàn)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。

光纖放大器(Optical Fiber Ampler，簡(jiǎn)寫(xiě)OFA)是指運(yùn)用于光纖通信線(xiàn)路中，實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大的一種新型全光放大器。在目前實(shí)用化的光纖放大器中主要有摻鉺光纖放大器(EDFA)、半導(dǎo)體光放大器(SOA)和光纖拉曼放大器(FRA)等，其中摻鉺光纖放大器以其優(yōu)越的性能現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)距離、大容量、高速率的光纖通信系統(tǒng)、接入網(wǎng)、光纖CATV網(wǎng)、軍用系統(tǒng)(雷達(dá)多路數(shù)據(jù)復(fù)接、數(shù)據(jù)傳輸、制導(dǎo)等)等領(lǐng)域，作為功率放大器、中繼放大器和前置放大器。

摻鉺光纖放大器工作原理

摻鉺光纖放大器是利用摻鉺光纖這一活性介質(zhì)，當(dāng)泵浦光輸入到EDF中時(shí)，就可以將大部分處于基態(tài)的Er3+抽運(yùn)到激發(fā)態(tài)上，處于激發(fā)態(tài)的Er3+又迅速無(wú)輻射地轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)上，由于Er3+在亞穩(wěn)態(tài)上的平均停留時(shí)間為10ms，因此很容易在亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，此時(shí)，信號(hào)光子通過(guò)摻鉺光纖，在受激輻射效應(yīng)作用下產(chǎn)生大量與自身完全相同的光子，使信號(hào)光子迅速增多，這樣在輸出端就可以得到被不斷放大的光信號(hào)。

摻鉺光纖放大器應(yīng)用

自80年代末至90年代初研制成摻鉺光纖放大器(EDFA)，并開(kāi)始應(yīng)用于1.55mm頻段的光纖通信系統(tǒng)以來(lái)，推動(dòng)了光纖通信向全光傳輸方向發(fā)展，且目前EDFA的技術(shù)開(kāi)發(fā)和商品化最成熟;應(yīng)用廣泛的C波段EDFA通常工作在1530~1565nm光纖損耗最低的窗口，具有輸出功率大、增益高、與偏振無(wú)關(guān)、噪聲指數(shù)低、放大特性與系統(tǒng)比特率和數(shù)據(jù)格式無(wú)關(guān)，且同時(shí)放大多路波長(zhǎng)信號(hào)等一系列的特性，在長(zhǎng)途光通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

摻鉺光纖放大器的不足是C-Band EDFA的增益帶寬只有35nm，僅覆蓋石英單模光纖低損耗窗口的一部分，制約了光纖固有能夠容納的波長(zhǎng)信道數(shù);然而隨著因特網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，要求光纖傳輸系統(tǒng)的傳輸容量要不斷地?cái)U(kuò)大，面對(duì)傳輸容量的擴(kuò)大，目前主要有三種解決途徑：(1)增加每個(gè)波長(zhǎng)的傳輸速率;(2)減少波長(zhǎng)間距;(3)增加總的傳輸帶寬。

對(duì)于第一種辦法，如果速率提高到10Gbit/s將帶來(lái)新的色散補(bǔ)償問(wèn)題，況且現(xiàn)在的電子系統(tǒng)還存在著所謂"電子瓶頸"效應(yīng)問(wèn)題。

第二種辦法如果將信號(hào)間距從100GHz降低到50GHz或25GHz將給系統(tǒng)帶來(lái)四波混頻(FWM)等非線(xiàn)性效應(yīng)，且要求系統(tǒng)采用波長(zhǎng)穩(wěn)定技術(shù)。

新的光纖放大器如L波段的EDFA是增加總的傳輸帶寬的一種，它將EDFA工作波長(zhǎng)由C波段1530~1560nm擴(kuò)展到L波段1570~1605nm，使EDFA的放大增益譜擴(kuò)展了一倍。盡管L波段EDFA的波長(zhǎng)覆蓋了EDF增益譜的尾部，但仍可與性能先進(jìn)的C波段EDFA產(chǎn)品相媲美：例如兩者的基本結(jié)構(gòu)相類(lèi)似，大多數(shù)C波段EDFA的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)仍可應(yīng)用于L波段EDFA研制;L波段EDFA有較小的輻射和吸收以及較低的平均反轉(zhuǎn)因子，增益波動(dòng)系數(shù)遠(yuǎn)小于C波段EDFA，所存在的是L波段EDFA的EDF較長(zhǎng)帶來(lái)無(wú)源光纖損耗較大，放大噪聲稍大等不足。

非線(xiàn)性光纖放大器(OFA)

非線(xiàn)性O(shè)FA是利用光纖的非線(xiàn)性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)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(shí)，將產(chǎn)生受激拉曼散射(SRS)或受激布里淵散射(SBS)，形成對(duì)信號(hào)光的相干放大。非線(xiàn)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(hào)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(wèn)題的關(guān)鍵器件，它的研制和改進(jìn)在全球范圍內(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(shí)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(mǎn)足光通信對(duì)大寬帶的需求，并減少非線(xiàn)性損傷。

光纖放大器的主要應(yīng)用和市場(chǎng)

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(jiǎn)便地?cái)U(kuò)大現(xiàn)有光纜系統(tǒng)的通信容量，延長(zhǎng)中繼距離。在光纖接入網(wǎng)中，盡管用戶(hù)系統(tǒng)的距離較短，但用戶(hù)網(wǎng)的分支太多，需要用光纖放大器來(lái)提高光信號(hào)的功率以補(bǔ)償光分配器造成的光損耗和提高用戶(hù)的數(shù)量，降低用戶(hù)網(wǎng)的建設(shè)成本。

在光纖CATV系統(tǒng)中，隨著其規(guī)模的不斷擴(kuò)大，其鏈路的傳輸距離不斷增長(zhǎng)，光路的傳輸損耗也不斷增加，將光纖放大器應(yīng)用在光纖CATV系統(tǒng)中不但可提高光功率，補(bǔ)償鏈路的損耗，增加光用戶(hù)終端，而且簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)成本。

近年來(lái)，隨著信息和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，光纖放大器（無(wú)線(xiàn)信號(hào)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(zhǎng)距離方向發(fā)展。由于光纖放大器的獨(dú)特性能，光纖放大器在DWDM傳輸系統(tǒng)、光纖CATV和光纖接入網(wǎng)中的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛