光纤放大器与全光通信技术

第 �� 卷 � 期 ��� � 年 � 月 电 子 器 件 ��� 功目 �� � �沁切翻 �场讨。场 � � 三� � � � � � 翻琳确加� , �� � � 光纤放大器与全光通信技术 子 厂 杨样林 〔组共〕本丈评途充玻大尽和全充通佑技术的珑状和未来发展 , � 先介绍析翔充纤搜大 尽的滋拜、鱿拍谁计和性能特点 , 然后 粉� 网途钾光纤雄大尽在充通食摘城的各种应用 , 班 后给 出全充通佑 东统的各种实倒 。 一 、 引官 经过二十五年的研究发展 , 光纤通信已走出了 “谜区” , 成为当前信息科学和通信工业 的重点学科和主干产业 � 目前除了大� 载波电级通信已由常拢的光级通信代替外 , 无线电 外差通信正向光外差通信发展 , 通信设备技术正由徽电子集成向光电子集成发展 , 单翔单波 长单通道通信正向徽波付载波密集光通信发展 � 近年来 , 通信科学技术又出现了新的突破 � 长途通信的中继转发开始由光电光棍合中继向比特穿透式直接光中继发展 , 通信机制由线性向非线性通信发燕⋯� 这是一类全新的全光通信方案 , 具有一系列的优越性 � 这种通信方 案的出现 , 将引起通信科学技术的重大变革 , 本文将对全光通信的光放大器及其应用作简 要介绍 。 二 、 光放大器 全光通信的关健部件是光放大器 。 目前主要有两类光放大器 � 半导体橄光放大器和光 纤放大器 。 冲 电吮 � , 翻 电班 困 � 丰导体激光放大簇 电 子 器 � 件 第 �� 卷 半导体激光放大器 �包括多最子阱激光放大器 � 有许多优点 , 其尺寸小 、 功耗低 , 并 可与集成光路和光电子集成电路做成一体 � 半导体光放大器是根据 � � �弓年丁�� 璐提出的感 应发射原理制成的 , �� ,年代后取得了孟大进思协有三种结构方案 � �一� 半导体光放大器 、 。�� 半导体光放大器和行波半导体光放大器 , 气�其典勿结构与增益特性如图 �所示 。 光纤放大器的研究始于 �� 年代中期 , � 。昭姗 首先对接粉土 �� 的光纤放大特性进行过 研究 。 长波长单模光纤放大器的研究始于 劝 年代未期 , 至今先后研究过受激喇曼 、 受激布 里渊 、 受徽四光子棍孩和消逝波等四种光纤放大方案 , 前三种是利用光纤材料的非线性效 应实现放大的 。 �� 年代中期后开始研究接公 光纤放大器 , 一举成功 , 并成为当今世界光放 大器和全光邀信研究主流方向 � �� 光纤放大器的结构原理和能级如图 � 所示 , 当信号光 �、� �二 ��叫‘》在盛到由泉浦光弋如人 杯‘ � 、 � �二� 擞发到高能态的几反 原子时 , 僧号光在 传物的同时也得到了放大 , 放大� 可达几十分贝 � 一 户、‘ ’ 东 寿一 以 一 布二 扭饮申 月 � 砚抽招 生� ‘肠闷 碑先片 丫丫 磷磷奢奢脚脚礴 � �’‘加 ,, 产,, 、、、 �,二二 ,, 舀 ���巴巴 任� 赶 困玄 一 仓 充纤放大界 三 、 �� 光纤放大器的特性及典型结构 接仓 单模光纤放大器 �� �� 年开始研究 , � � � � 年报导初步研究成果 , 至今已有商咨产 品 , 发展非常迅速 � 推动研究工作迅猛发展的主要原因是 , 放大器具有非常优蚕的性能 , 其 增益禽、 几 转换效率禽� 嗓声低李橄带觉之多通遭选用事请水�极化术炙么 而且结构简单 , 与系统光纤连接方便 , 非常适合各种高速长距离光纤通信系统和宽带光纤用户网中应用 。器 件固有的特点和应用的要求 , 显示出 �� 光纤放大器在未来全光通信中具有的强大生命力 。 表 � 给出一些石光纤放大器的基本特性、由表可知 , 。光纤放大舒 但力�� � 炳性袖与许多因素有关 , 大体有两类 � � 、 光纤结构, 橄 � 包括光纤中接曰十 的浓度叽 及浓度的径向分布�� �� � , 基质材料 ��‘� 、 川�� � 、 刀扛� � � , 数值孔径 � � , 截止彼长 凡 , 光纤长度 �等 � ‘ 釜� 运用今橄 � 包括恤像茹效 �、、 ‘� 、 。 泵裸参数 �林, �� � 和复用条件等 � 理论和实脸证明 , 泵浦很的波长对增益特性和转换效率的影响是至关重要的 , � � �� 和 �� � �脚矛是最佳泵浦彼长 , 在此波长的泵浦作用下 , 其量子效率已达 �� 绍 , 泵浦 �信号绝对 转换效承已达 �� � , 增益�泵功率转换率已分别达 作像一近理想光子变换器 � 这惫珠君 , �� �� 州�帜 长 �如 � · 一 �� · 。�� � � � 和 卜。姆 � � � , 放大器工 的激光功率 , 约可夜光信号传抽距离延 图 � 给出小型实用化 � � �� 组件结构 , 它由 �� � �脚 泵浦激光器 、 低损耗掺 乓单模光 纤 、 单棋光纤辐合器和光福器等元件组成 。 表 � 和表 � 给出了放大器组件各部件的技术要 第 � 期 光纤放大器与全光通信技术 求和组件特性参数 。 孟孟笋气离⋯⋯ 饭饭 � 血口 拱呀橄光� 曰辛 笼好好 图 � �� 尤纤放大界件结构 农 � 公光奸故大目姐件各部件技术要求 名名称称 要 求求 泵泵浦徽光二极管管 � , � � ”� 山� , 透镜精合 , 祸合效率 � 一 � � �心心 光光纤报合器器 � � � 型熔融拉锥光纤藕合器 , 损耗� � � �曲 ,, 交交交又比二 � � � �� � � �卿� , � � �� � � � �林� ��� 接接 �� 光纤纤 伽 ��� 光纤 , �� �� 浓度 � �脚� , △ � � � � � , 棍二 � � �� 卿卿 光光光纤长度� �� 二二 光光隔离器器 极化不灵敏型 , 隔离比� �� ���� 入入 � 出光纤接头头 �� 型接头 , 反向损耗 �匀��� 农 � 公光纤放大器组件特性 名名 称称 性 能能 ����������������� 只 � 只 � � � 心� ���尺尺 寸寸寸 耗耗 电电 � � � � � �在 � �� � 净增益时��� ����� � ! � �在 �如� 净增益时��� 净净 增 益益 � �� � � � � � � � �� ��� 饱饱和翰出功率率 一 �� � ��� �� 光纤放大器的研究方兴未艾 , 许多新的问题正在研究之中 , 如光纤中驴� 的分布 , 基质 电 子 器 件 第 �� 卷 材料和多组分复合基质材料 , 掺杂浓度 、 放大自发辐射 �� �� � 、 激发态吸收 ��� � � 等对放 大器增益特性 、 转换效率 、 噪声 、 频带和串扰交调等特性的影响及放大器的稳定性可靠性 等 问题 。 低掺杂分布公 光纤放大器和光纤孤子放大器等新的光纤放大器亦都在研究之中 。 四 、 �� 光纤放大器的应用领域 �� 光纤放大器性能优良 , 光泵增益可控与系统光纤连接方便 , 极化不灵敏等特点 , 适 合于许多领域和场合应用 , 如陆地和海底大容量长距离通信系统 , 光缆电视 �� � � �� 和光 纤传抽 �分配网 。 在这些通信网中 , � � �� 所起的主要作用为 � � 、 提高光发送机的峰值输出功率 � 、 改善光接机的接收灵敏度 � 、 消除或降低中继转发器的速率限制 � 、 高速 、 宽带光信号处理 � 、 波分或频分 ��试� � 或 �� � � 复用信号群的同时放大 图 � 给出了 � � �� 的优点 、 功能和应用系统概貌 。 特证 功能 应用书统 高幼益 推劝放大县 低嗓声 宜带奄玉 无甲绍系碗长途通信系统�比特可交混 合中缝系统��超高邃系统》 光泵浦 — 能里放大鉴 �在线中继签 气公用放大幼 远控泉浦 增益搜创 — 光开关 � �相干助� 系统 ��斑子通信燕统》 �海在光砚通信 书统 � 光分配 疾统 图 � �� �� 的特征及应用 五 、 公 光纤放大器应用系统 自 � � �� 研制成功后 , 系统应用研究工作蓬勃发展 , 至今西方已公布了上百次系统试验 报告 , 这些试验大体可分成四类 , 即 � � 、 强度调制直接扦测光纤通信系统 � 、 相干光纤通信系统 � 、 光纤孤子通信系统 � 、 光纤电视传输 �分配系统 �网 � 图 � 给出了应用 �� �� 的长途通信系统和传输 �分配网的基本结构 � 第 � 期 光纤放大器与全光通信技术 。》光奸故大分配网方案 �� � 长途光奸放 大通信系统方案 凡��几一砚沉 光发送机 光接收倪 推动功放 前故 网 � 分布放大 � � 。 � 了 � 在线光中胜件 泵浦 光纤分布故大件 系浦 困 � 只� � 应用 系统基本结构 表 ‘ ��� � 年采用 � � �� 的� 接扦测光纤传轴试驻系统, 数 比比特率率 系统距离离 光信道数数 信号波长长 光纤幼幼 放大器器 接收机信号号 发送光功功 作者者 ���� � �� ��� ��� ����� �� � ��� �� � ��� 数 目目 功率 ��� � ��� 率 ��� � ����� ��� � � ��� � � !!! ! � � ��� � � � ��� ��� 一 �� � ��� � � � ��� � � 山咖加仍仍 ��� � � ��� � ��� ��� � � � ���� � � � ��� ��� 一 � � � ����� � � � 已� � ���� ��� � ��� � � ��� ��� � � � ��� �。 ��� ��� 一 � � � ����� � 。 � � � � 涟涟 ��� � � ���� �� ��� ��� � � � ��� � � ��� ��� 公公 一 � � � ��� � �� � ��� �� � � ��� 的��� 么么 ��� �� ��� � � � � � ��� � � ��� ��� 一 � � � � � ! ‘ T 叫终终 111111111. 5 55555555555555 222 . 444 7 1000 ]]] ]. 5 3 666 1. 333 l 000 一31 , 777 + 7 777 H . 色勿朗w ... 222. 444 25 000 111 1. 53777 1. 333 IP W rrr 一 32 . 555 + 2 0 . 444 E. 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Ry u 电 子 器 件 第 14 卷 农 6 199 。年采用曰, 人的孤子传抽试牲系统今橄 比比特率率 系统距离离 光位道数数 放大器器 误码码 偏号波长长 光纤 初初 总色徽徽 膝宽宽 作 者者 (((日七/. ))) (胶上, ))))) 数 目目目 (脚n ))) (p. ))) (回画))) (牌))))) 加加加 7000 互互 仁竺~~~有有 1。 肠肠 1. 马马 2砍砍 5。 777 儿 1姗的即幻幻111 9 . 222 l 0000 111 2 + 匆. .自自 无无 1 5666 1. 肠肠 肠肠 l000 L W . 翻恤口如山山 555 . 000 2 5 000 lll 1 !!! 有有 l。 5 ‘‘ 1. 5000 6即即 器器 阮 N 目困. . ... 555 , 000 2 乳 OOO 111 l 脚明即... 有有 1。 肠肠 1. 555 般般 1666 胶 1物血创创 444. 000 1肠肠 111 444 有有 l。 5 666 1 . 333 2 29 ... 托托 N 。 人. 口匕口... 222 , 555 9 . 444 lll lll 无无 1. 5333 1. 4999 , 代代 2000 卜么 洲如七目比侧翻翻分分分分分布 曰护人人人人人 28 。 2222222 OOO 。 222 1 雌0000 lll ‘招招 无无 1。 8 333 1 . 5 111 1 4 加000 5000 L 获 侧如肠.资口汾汾 (((((助印))))))))))))))))))) 222 OOO 100加加 222 3匆匆 无无 1. 5666 1. 创创 拓加OOO 7000 F. 人。 A 山加比以劝劝 (((((b ”p ))))))))))))))))))) 222 . 555 1 00 0000 llllll 无无 1。 5 666 l 。 5444 1 80 000 4 oooo D. 的匆阅阅(((((L以冲))) ,, } 3 二二二二二二二二’’’’ ⋯⋯}}}}}}}}}}}}}}}222.越越 l加的的 111 4名OOO 无无 1. 5322222 16研000 6000 L F . 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M . 万翻皿皿 护护护护护人加的的的 1. 560 第 3 期 光纤放大器与全光通信技术 表 4 、 表 5 、 表 6和表 7 分别给出了某些采用 ED F A 的直接扦测光纤通信系统 、 光纤相 干通信系统 、 光纤孤子通信系统和光纤电视传 枪/分配系统的结构参数. 六 、 结束语Er 光纤放大器 1986 年开始研究 , 从材料制备到器件理论和技术上取得突破 , 最后到广 泛的系统应用研究取得成功 , 仅约五年时间 , 速度之快前所未见 , 引起了国内外学术界广 泛重视 , 亦引起了实业部门的密切关注 。 国际上 正EE . O s A 和美国空军科研部 、 国家自然 科学基金委员会已于 199 0年 8 月和 1991 年 7 月联合发起 召开了二次光放大器及其应用学 术讨论会 , 美国已 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 于 199 6年开通 go00 K M 越洋全光放大孤子通信系统 . 在我国 , 中国 电子学会 , 中国通信学会和国家自然科学基金委员会亦联合发起并委托东南大学于 1991 年 底召开我国第一次光放大器和全光道信学术讨论会 。 光放大器的案破是现代通信技术的重大突破 , 为全光通信莫定了签础 , 这是人类梦寐 以求的理想的通信方案. 全光通信的发展必将有力推动光子计算机和光子文换机的研究发 展 , 并将使整个信息科学发生划时代的变化 。 饰tica lAm口币er . nd 闯.叩Uca !C om 盯川帕。ti. 加心怡协10盯YANG X亩共柑C 口柑 A , . 细附 o, f加 St. 加。 助d t加 d”夕. . 耐 角 。.耐 例心“, 护祖”r . 阎即翻 , 翻d 川1 0时招. , C “”m .”沁.杭价 它“均”抽盯 i’ g 扮朋 初彬‘ p 娜” , , 脚加动 扮 . “,I’ p门p . 时 Jd妇 , S动曰加 翻对 .娜洲比习 fin .I 口O. , ,or OPf jc. , C o . 甘. . 门血成加 。 . 代. 抽理, d的户叩 记加 价‘鹅奋p l. , 成. 喊“. , 由目脚 , 加州如二‘C加口翻它. 汀考战抽月。 汤 d. t. il , 亡加 p.P. , . m 户加亡ic 时扮 佣亡,初. ‘ 朋口,殆树血曰 讨 曰丫月 to C 侧. 叮. 月招州伙” s’时.m 。 , . nd 公抽. 衬 口扮“ V .ri. 石“ o’ .盆. . p 抽. 0, 月. 即 P , 口. 引. . 幼 .I , 例时招. , C o n”.. 川七州映” S r ‘加m s 。 知夕 . , 川.: 如理ic. , . 城川i’i., 口+一d, 目 ,社附 侧帅脚沁 , ( 艺O 『幻 川J伪时兔旧I C 侧. . 目. 招州场阴 。