光放大器发展历史

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1、历史：1954年第一台3分子微波盆子放大器研制成功，人们发现，可通过原子或分子中的受激放大来获得单色的相干电磁波，称为脉塞(MaserMicrowaveAmplificationbyStimulatedEmissionofradiation)。1958年肖洛(Schawlow)和汤斯(Townes)将Maser原理推广到光频波段，1960年梅曼(Mamain)利用红宝石介质的受激放大原理研制成第一台红宝石激光器，称为莱塞(LaseLightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)或称激光。不管是Maser还是Laser，其产生相干电磁波辐射的机

2、理都是基于电滋波的受激放大。自1960年以来激光器已得到了飞跃的发展和广泛的应用，然而作为激光器先导的光放大的发展却比较缓慢，直到80年代，在光纤通信发展的推动下，才开始引起足够的重视。进人90年代后光纤放大器的问世已引起了光纤通信技术的重大变革，在60年代半导体激光二极管尚未成熟，但已在77K下，首先进行了GaAs同质结行波半导体放大器的研究，开创了半导体光放大器研究的先河，确立了半导体光放大器的基本理论。至1970年，双异质结结构(DH)激光器问世后，又实现了TW半导体光放大器的室温连续工作。在1973年至1975年间，开始从光纤通信应用要求出发，研究双异质结结构TW和F-P光放大器的特性

3、并取得重要进展。80年代初，采用消除反射光的光隔离器和精确的光频率调谐技术，深人研究了AlGaAsF-P光放大器的增益、带宽、饱和增益与噪声特性及其对光纤通信系统性能的影响。同时开始研究半导体放大器的注人锁定现象、机理、设计和放大特性。随着光纤通信技术的发展,80年代中期开始研究适用于1.3m和1.5m波长的InGaAsP半导体光放大器60年代初，与半导体光放大现象研究的同时，也对掺稀土元素的光纤的光谱特性进行了研究,Koesker发现了掺钕(Nd)光纤的激光辐射现象，Snitzerr发现了掺铒光纤在1.5m处的激光辐射特性,当时这些研究都是期望研制稀土光纤激光光源而不是光纤放大器，由于稀土光

4、纤的热悴灭效应难以解决，而半导体激光器发展迅速并日趋成熟，因此稀土光纤放大器的研究处于停步不前状态。直至80年代初，在光纤中发现了受激喇受效应，人们又开始恢复了对光纤放大器研究的兴趣，期望能用于光纤通信系统中但这种放大方案效率低，需要高功率的泵浦光源，无法在通信系统中应用。当时光纤通信的研究重点集中在高性能再生中继器和咼灵敏度相干检测技术。但是在19851986年间，英国南安普顿大学的Payne等人有效地解决了掺铒光纤(EDF)的热淬灭问题，首次用MCVD方法研制成纤芯掺杂的铒光纤，并实现了1.55m低损耗窗口的激光辐射,1987年他们采用650nm染料激光器作为泵浦光源，获得了28dB小信号

5、增益。同年AT&TBell实验室的Desurvire等人，采用514nm氢离子激光器作为泵浦光源，也获得了22.4dB的小信号增益。接着在1989年，利用1.49m半导体激光器作为泵浦源获得了37dBE小信号增益，Laming等利用980nm,11mW泵浦功率也得到24dB小信号增益，同年日本NTT实验室首次利用1.48m半导体激光泵浦的掺饵光纤放大器作为全光中继器放大5Gb/s孤子脉冲，实现了100km的无误码传输。980nm和1480nm半导体激光泵浦的掺铒光纤放大器具有增益咼、频带宽、噪声低、效率咼，连接损耗低，偏振不灵敏等特点，在90年代初得到了飞速发展，成为当时光放大器研究发展的主要

6、方向，极大地推动了光纤通信技术的发展。自此以后，掺饵光纤放大器的研究在多方面开展，建立了多种理论分析模型，提出了增益均衡和扩大增益带宽的方案和方法，进行了多种系统应用研究，同时进行了氟化玻璃饵光纤放大、分布式光纤放大器和双向放大器的研究，使掺饵光纤放大器及其应用得到了飞速发展。此外又开展了掺错(Pr),掺镱(Yb)，掺钦(Ho,掺铥(Tm)等光纤放大器的研究。使光纤放大器的研究全面发展。60年代初，在激光技术发展起来后，以咼强度单色光照射光学介质，开辟了非线性光学的研究领域，揭示了受激喇曼散射、受激布里渊散射、四波混频和参量过程的物理机制。1972年Stolen等首先在光纤喇曼激光器的实验中发

7、现了喇曼增益，初期的研究主要侧重于制成光纤喇曼激光器，直到80年代才在光纤通信应用的推动下开始研究光纤喇曼放大器。1981年Tkeda采用1.017m。的泵浦光放大1.064m的信号光，经1.3km单模光纤放大获得30dB小信号增益。1983年Desurvire等用2.4km单模光纤放大1.24m的光信号，获得45dB的小信号增益。1986年Olsson用光纤喇曼放大器作为光纤通信系统接收机的前里放大器。1987年Edagawa研究了光纤嗽曼放大器的宽带多信道放大特性。1989Mallenauer采用41.7km的光纤环和1.46um的色心激光器泵浦源，利用喇曼增益放大脉宽55ps、波长1.5

8、6m的孤子脉冲稳定传输6000km。受激布里渊增益特性的研究始于1979年，其增益带宽一般小于100MHz,1986年Olsson和Atkons等研究低泵浦功率的光纤布里渊放大器，采用几毫瓦的泵浦功率达到小信号增益(2040)dB的窄带光放大，可作为选频光放大器用于频分复用光信道的解复用。利用光纤喇曼增益和布里渊增益可作成相干光放大器，是二类受激散射的有益应用。但是在光纤通信系统中，这两种效应常引起光纤通信系统性能的退化，如引起非线性串音、非线性损耗、限制通信距离和速率等，近年来许多研究工作都是围绕消除这些限制因家而开展的，但是，1997年Masuda等研制成铒光纤放大与喇曼放大混合结构的宽带

9、放大器，3dB带宽达67nm，1996年Stentz等研制成1.3m光纤喇曼放大器。1995年Grubb等实现了X10Gb/sWDM多信道放大，表明光纤喇曼放大在WDM光纤通信系统中亦将有重要应用。1960年美国科学家梅曼(Maiman)发明了第一个红宝石激光器，1961年-利用掺杂稀土元素的光纤研制成的光纤放大器给光波技术领域带来了革命性的变化。光纤激光器正是在掺铒光纤放大器技术基础上发展起来的技术。早在1961年，美国光学公司的E.Snitzer等就在光纤激光器领域进行了开创性的工作，但由于相关条件的限制，其实验进展相对缓慢。1966年高馄(Kaoc.c.)等人首次提出光纤损耗的成因和解决

10、方法，1987年-另一方面，随着光纤技术的发展，出现了利用光纤非线性效应的光纤拉曼放大器。但在当时都没有得到广泛的应用。1987年，英国南安普敦大学和美国AT&T贝尔实验室报道了离子态的稀土元素铒在光纤中可以提供给土域域波长处的光增益，这标志着掺铒光纤放大器(EDFA)的研究取得突破性进展。1987年日本N竹实验室的研究人员首次研制出了1.5娜的宽带行波放大器(Taveling一WaveAmplifiers,TWA),为半导体光放大器(SOA)的应用和研制迈出了重要的一步,80年代末，第一个宽带大增益的掺饵光纤放大器(EDFA)问世并在90年代得到实用化，1985年英国南安普顿大学首先研制成功

11、掺饵光纤放大器，1997年，英国Bristol大学的M.Ec.stePhens等人报道了基于SOA双折射效应实现的131olun左右的波长变换47,2003年荷兰Eindhoven大学的Y.Liu等人实现了基于SOA一NPR的正相和反相波长变换I34)，2007年日本电气通信大学的研究人员使用4支SOA级联实现了300nln范围的波长变换48，同年我们也实现了基于SOA一NPR效应的同时的正、反相波长变换49。指标：光放大器是一个模拟器件，所以它的性能参数都是模拟参数。增益(Gain)增益是输出光功率与输入光功率之比，也就是：增益=POUT/PIN其中POUT和PIN分别是输出光功率和输入光功

12、率，功率的单位为瓦特；通常我们用分贝(dB)为单位来表示增益，也就是：增益(dB)=10lg(POUT/PIN)噪声指数(NF)光放大器的噪声指数(NF,NoiseFigure)的定义式为光放大器输入输出端口的信噪比(SNR,SignaltoNoiseRatio)的比值：增益带宽所谓增益带宽是指光放大器有效的频率(或波长)范围，通常指增益从最大值下降3dB时，对应的波长范围，如1.3.3中、之间。增益带宽的单位是纳米(nm)。对于WDM系统，所有光波长通道都要得到放大，因此，光放大器必须具有足够宽的增益带宽。饱和输出功率光放大器的输入光功率范围有一定的要求，当输入光功率大于某一阈值时，就会出现

13、增益饱和；增益饱和是指输出功率不再随输入功率增加而增加或增加很小。根据ITUT勺建议，当增益比正常情况低3dB时的输出光功率称为饱和输出功率，其单位通常用dBm表示。分类：根据增益介质的不同，目前主要有两类光放大器，一类采用活性介质，如半导体材料和掺稀土元素(Nd,Sm,Hv,Er,Pr,Tm和Yb)的光纤。利用受激辐射机制实现光的直接放大，如半导体激光放大器和掺杂光纤放大器;另一类基于光纤的非线性效应，利用受激散射机制实现光的直接放大，如光纤喇曼放大器和光纤布里渊放大器。光放大器主要有三类：半导体光放大器，；掺稀土元素铒、铥、错、铷等的光纤放大器，主要是掺铒光纤放大器，还有掺铥光纤放大器及掺

14、错光纤放大器等；(3)非线性光纤放大器，主要是光纤喇曼放大器(FRA,FiberRamanAmplifier)。通常*光纤放大器可以按其荧光搀杂物和光纤主体来进行分类，光放大器一般可以分为光纤放大器和半导体光放大器两种。光放大器一般可以分为光纤放大器和半导体光放大器两种。光纤放大器还可以分为掺铒(Er)光纤放大器，掺错(Pr)光纤放大器以及拉曼放大器等几种。其中掺铒光纤放大器工作于1550nm波长，已经广泛应用于光纤通信工业领域。掺错的放大器可以工作于1310nm波长，但是由于转换效率不理想，现在仍然处于实验室研究阶段。拉曼放大器是近几年开始商用化的一种新型放大器，主要应用于需要分布式放大的场

15、合。半导体光放大器结构小巧，方便集成，一直被很多人看好。但是由于偏振效应不太理想，一直没有大规模商用化。掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器是利用掺铒光纤这一活性介质，当泵浦光输入到EDF中时，就可以将大部分处于基态的Er3+抽运到激发态上，处于激发态的Er3+又迅速无辐射地转移到亚稳态上,由于Er3+在亚稳态上的平均停留时间为10ms，因此很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转，此时，信号光子通过掺铒光纤，在受激辐射效应作用下产生大量与自身完全相同的光子，使信号光子迅速增多，这样在输出端就可以得到被不断放大的光信号。自80年代末至90年代初研制成掺铒光纤放大器（EDFA），并开始应用于1.55mm频

16、段的光纤通信系统以来，推动了光纤通信向全光传输方向发展，且目前EDFA的技术开发和商品化最成熟；应用广泛的C波段EDFA通常工作在15301565nm光纤损耗最低的窗口，具有输出功率大、增益高、与偏振无关、噪声指数低、放大特性与系统比特率和数据格式无关，且同时放大多路波长信号等一系列的特性，在长途光通信系统中得到了广泛的应用。其不足是C-BandEDFA的增益带宽只有35nm,仅覆盖石英单模光纤低损耗窗口的一部分，制约了光纤固有能够容纳的波长信道数；然而随着因特网技术的迅速发展，要求光纤传输系统的传输容量要不断地扩大，面对传输容量的扩大，目前主要有三种解决途径：（1）增加每个波长的传输速率；（

17、2）减少波长间距；（3）增加总的传输带宽。对于第一种办法，如果速率提高到10Gbit/s将带来新的色散补偿问题，况且现在的电子系统还存在着所谓电子瓶颈效应问题。第二种办法如果将信号间距从100GHz降低到50GHz或25GHz将给系统带来四波混频（FWM）等非线性效应，且要求系统采用波长稳定技术。从而研究新的光纤放大器如L波段的EDFA是增加总的传输带宽的一种，它将EDFA工作波长由C波段15301560nm扩展到L波段15701605nm,使EDFA的放大增益谱扩展了一倍。尽管L波段EDFA的波长覆盖了EDF增益谱的尾部，但仍可与性能先进的C波段EDFA产品相媲美：例如两者的基本结构相类似，

18、大多数C波段EDFA的设计和制造技术仍可应用于L波段EDFA研制；L波段EDFA有较小的辐射和吸收以及较低的平均反转因子，增益波动系数远小于C波段EDFA，所存在的是L波段EDFA的EDF较长带来无源光纤损耗较大，放大噪声稍大等不足。半导体光放大器半导体光放大器（SOA）是采用通信用激光器相类似的工艺制作而成的一种行波放大器，当偏置电流低于振荡阈值时，激光二极管就能对输入相干光实现光放大作用。由于半导体放大器具有体积小、结构较为简单、功耗低、寿命长、易于同其它光器件和电路集成、适合批量生产、成本低，可实现增益兼开关功能等特性，在全光波长变换、光交换、谱反转、时钟提取、解复用中的应用受到了广泛的

19、重视，特别是目前应变量子阱材料的半导体光放大器的研制成功，已引起人们对SOA的广泛研究兴趣。国内武邮院与华中科技大学合作成功地研制开发了在光网络中的关键器件-半导体光放大器，并很快实现了产品化，成为继Alcatel公司之后能够批量供应国际市场应用于光开关的半导体光放大器的供货商，这标志着我国自行研制的应变量子阱器件迈出了商品化生产的关键一步。但半导体光放大器与掺铒光纤放大器相比存在着噪声大、功率较小、对串扰和偏振敏感、与光纤耦合时损耗大，工作稳定性较差等缺陷，迄今为止，其性能与掺铒光纤放大器仍有较大的差距。又由于半导体光放大器覆盖了13001600nm波段，既可用于1300nm窗口的光放大器，

20、也可以用于1550nm窗口的光放大器，且在DWDM多波长光纤通信系统中，无需增益锁定，那么它不仅可作为光放大器一种有益的选择方案，而且还可以促成1310nm窗口DWDM系统的实现。光纤拉曼放大器受激拉曼散射（SRS）是光纤中的一种非线性现象，它将一小部分入射光功率转移到频率比其低的斯托克斯波上；如果一个弱信号与一强泵浦光波同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，弱信号光即可以得到放大，这种基于受激拉曼散射机制的光放大器即称为光纤拉曼放大器（FRA）。近年来光纤拉曼放大器倍受关注，已成为研制开发的热点，它具有许多优点：（1）增益介质为普通传输光纤，与光纤系统具有良好的兼容性；

21、（2）增益波长由泵浦光波长决定，不受其它因素的限制，理论上只要泵浦源的波长适当，就可以放大任意波长的信号光；（3）增益高、串扰小、噪声指数低、频谱范围宽温度稳定性好。正因为光纤拉曼放大器有这么多的优点，它可以放大掺铒光纤放大器所不能放大的波段，并可在12921660nm光谱范围内进行光放大，获得比EDFA宽得多的增益带宽；再次增益介质为普通光纤，可制作分立式或分布式FRA，分布式光纤拉曼放大器可以对信号光进行在线放大，增加光放大的传输距离，应用于40Gbit/s的高速光网络中，也特别适用于海底光缆通信系统，而且因为放大是沿着光纤分布而不是集中作用，所以输入光纤的光功率大为减少，从而非线性效应尤

22、其是四波混频效应大大减少，这对于大容量DWDM系统是十分适用的。FRA是EDFA的补充，而不是代替，两者结合起来可获得大于100nm增益平坦宽带，这就是采用分布式光纤拉曼放大器的好处。但光纤拉曼放大器有一个主要的缺点就是需要特大功率的泵浦激光器，解决这个问题的主要途径有：一是研究降低阈值功率的泵浦激光器，使得普通的大功率半导体激光器能作为拉曼泵浦使用；其二是提高获得更大输出功率泵浦激光器的研制水平；其三是将多个泵浦源激光器的波长采用列阵、单片组合的方法复用在一起，获得一个大功率输出的泵浦激光器，此种方法不但可提供一个宽带的增益谱，而且还可以通过调节单个激光器的功率来调整增益斜率。光放大器的分类

23、和缩写OA(OpticalAmplifier)光放大器OFA(OpticalFiberAmplifier)光纤放大器EDFA(ErbiumDopedFiberAmplifier)掺铒光纤放大器EDSFA(ErbiumDopedSilicaFiberAmplifier)掺铒硅基光纤放大器，就是通常的EDFAEDFFA(ErbiumDopedFluorideFiberAmplifier)掺铒氟基光纤放大器EDTFA(ErbiumDopedTelluriteFiberAmplifier)掺铒碲基光纤放大器EDYFA(ErbiumYtterbiumDopedFiberAmplifier)掺铒镱光纤放大

24、器EYDSFA(ErbiumYtterbiumDopedSilicaFiberAmplifier)掺铒镱硅基光纤放大器PDFA(PraseodymiumDopedFiberAmplifier)掺错光纤放大器PDFFA(PraseodymiumDopedFluorideFiberAmplifier)掺错氟基光纤放大器，就是通常的PDFATDFA(ThuliumDopedFiberAmplifier)掺铥光纤放大器TDFFA(ThuliumDopedFluorideFiberAmplifier)掺铥氟基光纤放大器，就是通常的TDFAFRA(FiberRamanAmplifier)拉曼放大器OWGA

25、(OptcialWaveGuideAmplifier)光波导放大器SOA(SemiconductorOptcialAmplifier)半导体光放大器EDWA(ErbiumDopedWaveguideAmplifier)掺铒波导放大器(也称POWA)WDM传输系统中光纤放大器的增益平坦控制技术为了确保WDM系统的传输质量,WDM系统中使用的光纤放大器除具备有足够的带宽、高输出功率和低噪声系数等特性外，还对增益平坦度控制技术提出了更高的要求。光纤放大器带内的增益平坦度是指在整个可用的增益通带内,最大增益波长点的增益与最小增益波长点的增益之差。很明显，在WDM系统中增益平坦度越小越好，否则，如果各信

26、道的增益不均，经过多级放大之后，这种增益差值会线性积累，低增益信道信号的SNR恶化，高增益信道的信号也因光纤非线性效应而使信号恶化，因此，要使各信道上的增益偏差处于允许范围内，放大器的增益就必须平坦，而使光纤放大器增益平坦技术大体有两种途径：其一是增益均衡技术；其二是光纤技术。增益均衡技术是利用损耗特性与放大器的增益波长特性相反的增益均衡器来抵消增益的不均匀性，这种技术的关键在于放大器的增益曲线和均衡器的损耗特性精密吻合，使综合特性平坦；现阶段实用化的固定式增益平坦控制技术主要有光纤光栅技术和介质多层薄膜滤波器技术等。但随着多通道(80Ch)、高速率(40Gbit/s)、长距离光纤传输系统的发

27、展，对光纤放大器的增益平坦控制技术提出了更高的要求，这就需要研制动态增益可调的增益平坦滤波器，这种可调谐增益动态滤波器技术主要有：法拉第旋转体型增益可调滤波器技术、波导马赫-曾德型增益可调型滤波器技术、阵列波导型动态增益可调滤波器技术和声光型动态增益可调滤波器技术等。至于光纤技术现阶段主要是在进一步研究掺铒光纤特性的基础上，改变光纤材料或利用不同光纤的组合来改变EDF的特性，从而来改变EDFA的增益平坦性，主要有掺铝的EDFA、掺氟化物EDFA、掺碲化物EDFA、混合型EDFA和多纤心EDFA等技术。光纤放大器的主要应用和市场近年来，随着信息和通信技术的飞速发展，光纤放大器的研究和发展又进一步

28、扩大了增益带宽，将光纤通信系统推向了高速率、大容量、长距离方向发展。由于光纤放大器的独特性能，在DWDM传输系统、光纤CATV和光纤接入网中有着广泛的应用。密集波分复用系统在光纤传输系统中已成为技术主流，作为DWDM系统核心器件之一的光纤放大器在其应用中将得到迅速发展，这主要是由于光纤放大器有足够的增益带宽，它与WDM技术相结合可迅速简便地扩大现有光缆系统的通信容量，延长中继距离。在光纤接入网中，尽管用户系统的距离较短，但用户网的分支太多，需要用光纤放大器来提高光信号的功率以补偿光分配器造成的光损耗和提高用户的数量，降低用户网的建设成本。在光纤CATV系统中，随着其规模的不断扩大，其链路的传输

29、距离不断增长，光路的传输损耗也不断增加，将光纤放大器应用在光纤CATV系统中不但可提高光功率，补偿链路的损耗，增加光用户终端，而且简化了系统结构，降低了系统成本，加快了光纤CATV的发展。最近，美国CIBCWorldMarket公司的相关人士对掺铒光纤放大器(EDFA)、光纤拉曼放大器(FRA)、半导体光放大器(SOA)这三类光放大器的市场状况分别进行了分析：EDFA从1994年开始商用，现已成为DWDM系统的关键器件，且市场正在快速增长，其中Corning、Lucent和JDSUniphase等许多公司都参与了这一市场的竞争，预计全球EDFA市场将从1999年的13亿美元增长到2004年的9

30、6亿美元，销售量将以年均43%的速度递增；光纤拉曼放大器近年来备受人们关注，已成为开发的热点，尽管预计最近一两年内光纤拉曼放大器还不会在陆地光缆系统中广泛应用，但其市场规模仍将从1999年的约330万美元猛增到2004年的7.5亿美元；而半导体光放大器(SOA)自应变量子阱材料的SOA研制成功以来，其研制速度和应用开发明显加快，且SOA市场可望于2001年开始起动，此后会迅速扩大，2004年将达到2亿美元的规模。光纤放大器的发展方向由于超高速率、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究究光纤放大器在功率、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与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；(6) 小型化、集成化光纤放大器。随着新材料、新技术的不断突破，光纤放大器在12921660nm波长范围内获得带宽为300nm超宽带将不是梦想，Tbit/sDWDM光网络传输系统将一定会实现。