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1、掺镨光纤放大器的关键技术及其在系统中的应用05-30-2002 光库通讯（珠海）有限公司 胡小波 郑鸿章 摘要：PDFA 在 1300nm 波长窗口具有优良的放大性能，对我国以前大量铺设的 1310nm 的 CATV系统与 SDH 系统的低成本改造与系统升级有着重大的实际意义。本文介绍了 PDFA 的原理、实现实用PDFA 的关键技术、本公司的工程实用型 O-Band PDFA 的技术性能参数及 PDFA 在系统中的应用。关键词：PDFA，掺镨 ZBLAN 光纤，能级，CATV，SDH如何对现有的 CATV 系统进行低成本的改造及进一步发掘已大量铺设的光纤通信系统潜力是广电系统与电信系统运营商
2、非常关注的问题，因为已大量铺设的 G.652 光纤，零色散点在 1.3m 波长附近，色散限制影响小，不需采用色散补偿技术，可以降低系统的复杂性，特别是可以节约大量投资。主要问题是在 1.3m 波长处光纤损耗大，如能提供波长为 1.3m 的光纤放大器，则已大量铺设的1.3m 波长光纤 CATV 系统与光纤通信系统就可以实现扩容升级，具有重要的经济意义。掺镨光纤放大器（PDFA）的问世正迎合了这种需要。一 掺镨光纤放大器的原理掺镨光纤放大器（PDFA）是工作于 1300nm 波长的，以掺镨光纤作为增益介质，以 1017nm 附近波长的激光器作为泵浦光源的一种光纤放大器。PDFA 的特性主要决定于掺
3、镨光纤的吸收和发射特性，即光谱特性，而其光谱特性则决定于镨离子（P r3+ ）的能级结构。1掺镨光纤的能级结构掺镨光纤采用氟玻璃作为基质材料，这种掺杂光纤的能级结构如图 1 所示，是一种准四能级系统。 1G4， 1D2 和 3P0 的能级寿命为 110，350，和 58s 。泵浦光子的基态吸收（GSA）发生在 3H4 能级和 1G4 能级之间， 同时泵浦光子在 1G4 -3P0 能级间及 1G4-1D2 间产生激发态吸收 (ESA)以及在亚稳能级1G4 和基态 3H4 能级间产生受激辐射（ 1050nm 附近很强的 ASE）。信号光子被 1G4-3H5 产生的 1310nm 的受激辐射光放大，
4、信号光子同时被 3H4-3F4GSA 和 1G4-1D2ESA 吸收。另外由于 1G4-3H5 能级之间的能量差与 1G4-1D2 能级之间的能量差是相互匹配的，因而在（ 1G4-1D2）与（ 1G4-3H5）的交互变换跃迁的效应，这种效应会使亚稳能级 1G4 上的粒子数减少，从而使增益特性变差。泵浦光子因激发态吸收而跃迁到3P0 能级及 1D2 能级的粒子后发生迟豫跃迁而转移到 1G4 上，其泵浦分路系数分别为 B64=2% 和 B 54=9%。 在上述的放大机理中，在 1G4 能级的 Pr3+离子因为多声子迟豫而非常容易跃迁到 3F4 能级。因此，要提高放大的效率，就要求必须尽量减少 1G
5、4-3F4 的非辐射跃迁。其能级间隔为 3000（1/cm），通过选择声子能量尽可能小的玻璃基质可以减少 1G4-3F4 的能级间隔，从而可以减少 1G4-3F4 的非辐射跃迁。正是基于低的多声子迟豫率和低的损耗光纤制造技术，ZrF 4 氟化物玻璃基质的 PDF 适合制造 PDFA。 2掺镨光纤的光谱特性 14 为泵浦吸收截面，由图可以看出泵浦带较宽，中心波长在 1015 nm 处。 41 为自发辐射截面，峰值波长在 1050nm 附近。 42 为发射截面，中心波长在 1310nm 处，提供信号光的放大。 45 为激发态吸收（ESA）截面，产生了一个峰值在 1380nm 附近的激发态吸收带，其
6、短波长延伸至 1290nm，因而能将波长大于 1290nm 的信号吸收，限制了放大期的性能。 13 即为基态吸收（GSA）截面，其峰值波长为1440nm。从图 2 可以看出放大器的长波长部分性能会受到 13 和 45 的影响。 图 2掺镨光纤的光谱特性如图 2 所示 二 实现工程实用型 PDFA 的关键技术 实现 PDFA 的主要困难是受激辐射跃迁中能级 1G4-3F5 的量子效率很低，因而如果要实现较高的增益，则需要很高的泵浦功率。实现能工程化应用的 PDFA 的技术关键有四个：优化的掺镨光纤、掺镨光纤与普通光纤的连接技术、高功率高可靠性的小型化的泵浦源、优化的 PDFA 的结构。 1掺镨光
7、纤的优化 掺镨光纤的优化主要是减少激发态的 Pr3+由 1G4-3F4 的多声子迟豫跃迁，以提高量子效率。最初报道的 PDF 的需要 180mW 的泵源功率才能达到 5.3dB 的信号增益，增益系数只有 0.05dB/mW。要解决这个问题，最有效的方法就是使用声子能量很低的玻璃基质。而目前掺镨 ZBLAN 光纤的小信号增益系数可达到 0.22dB/mW。据报道硫化物玻璃、 InF4 氟化物玻璃、混合卤化物玻璃已可以达到更高的放大效率。 另一个较为实用的方法是通过优化 PDF 的参数。如优化芯径的掺镨浓度，有实验数据显示：掺镨浓度为 1000ppm，长度为 7m 的 PDF 与掺镨浓度 500p
8、pm，长度为 14m 的 PDF 在 1017nm 波长的泵源泵浦下，前者更易达到增益饱和，相应的小信号增益也较低。此外，提高光纤的数值孔径，减少 PDF 的散射损耗也可以显著提高增益系数。 2掺镨光纤与普通光纤的连接技术 由于掺镨光纤的数值孔径很大（n：2.53.7%） ，芯径较细 （ ：45m） ；而普通的光耦合器与光隔离器用的单模光纤的数值孔径很小（n：0.3%） ，芯径较粗（ ：89m） ，而且两种光纤的成分不同，因而其直接熔接时损耗很大。而采用特殊的 V-groove 连接技术和 TEC 熔接技术，可以将 PDF 与普通光纤的连接损耗降低到 0.3dB 左右。 3高功率、高可靠性的泵
9、浦源 能进行工程化应用的掺镨光纤放大器的最关键的技术之一就是高功率、高可靠性、紧凑型的泵浦源。相应实验表明，峰值泵浦波长在 1017nm 附近，但整个-3dB 增益的泵浦带宽很宽，达到从988nm 到 1033nm 整个 45nm 的泵浦范围。图 3 为计算的归一化效率与泵浦源波长的关系。计算条件为：信号光波长为 1300nm、输入信号功率为 0dBm，PDF 长度对每种泵浦波长都进行了优化。计算结果表明归一化效率的最大值与实验结果很好的吻合，而70%的归一化效率的泵浦波长范围为 980nm 至1051nm。 由于上述很宽泵浦波长范围，意味着工作在最佳波长附近的 1017nm 普通半导体激光器
10、、MOPA半导体激光器、1047nm 的 Nd：YLF 固体激光器、1029nm 的 Yb：YAG 固体激光器、和 1010nm 至 1030nm的掺钇光纤激光器都可以用于 PDFA 的泵源。其中最有优势同时业已商用的泵源类型是 LD、MOPA-LD和 Nd：YLF 激光器。 4PDFA 光路结构 在相同的其它条件下，PDFA 的光路结构对其性能有很大的影响。如采用双向泵浦可以将增益系数从前向泵浦的 0.21dB/mW 提高到 0.24dB/mW。因而对光路结构进行优化设计，则可以获得更好的性能。 图 3 泵源的归一化斜率效率与泵浦波长的关系三 实用型 PDFA 的性能参数 本公司现在提供的
11、O-Band 工程化实用型 PDFA 是采用高可靠性半导体泵浦源与高效率的 PDF 设计技术，并对 PDFA 光路结构进行优化设计而制造的整机，其功率可高达 17dBm 以上，工作带宽为1290nm 至 1320nm，非常低的模拟失真，可广泛适用于 1310nm CATV 系统，模拟光通信系统，DWDM 系统，及光器件性能的测试。其整体性能参见表 1。 参数 条件 单位 1310P(CATV 放大器) 1310(1 级) 1310(2 级) 工作波长范围 nm 1295 1314 1290 1315 1290 1315 输入信号范围 dBm +2 +8 -20 +8 -20 -10 输出功率
12、典型值 dBm 17 17 17 噪声指数 最大值 dB 5.5 6.5 6.5 输入端回波损耗 最小值 dB 45 45 45 偏振灵敏度 最大值 dB 0.2 0.2 0.3 PMD 典型值 ps 0.5 0.5 0.8 CNR 劣化度 典型值 dB 1.5 CTB 典型值 dB -70 CSO 典型值 dB -70 工作温度范围 -5 50 储存温度范围 -40 70 湿度 95% 非凝结 工作电压 90 250 V (AC) 控制方法 前面板控制或 RS232 远程控制 表 1 O-Band PDFA 性能参数 四 PDFA 在光纤通信系统中的应用 1PDFA 在 CATV 系统中的应
13、用 图 4 展示了 PDFA 在 24 路调频副载波分复用（FM-SCM）模拟试验系统中的应用，试验结果表明，系统的总功率预算为 75dB，传输距离 210km，是至今 FM-SCM 电视信号传输的最远距离，表明采用PDFA 后可在相当长的距离上传输高质量的模拟电视图像，为现有的 1310nm 波长光纤 CATV 的进一步改造于发展提供了有效的技术支撑。 另一个 CATV 应用实例是 40 路残留边带调幅视频传输系统（AM-VSB）。发射机工作波长1302nm，为直接调制的 DFB 激光器，调制深度为 7.1%/通道。加入 PDFA 后提高了 10dB 的功率预算。表 2 比较了加入 PDFA
14、 前后系统性能参数。载波频率（MHz） 91.25 211.25 403.25 性能参数 有 PDFA 有 PDFA 无 PDFA 有 PDFA CNR(dB) 51.6 51.3 55.9 52.1 CSO(dB) 71.7 69.2 63.5 66.5 CTB(dB) 70.2 68.4 69.9 67.8 XM(dB) 71.5 65.6 63.7 60.2 表 2 在 40 路 AM-VSB 视频信号传输系统时有无 PDFA 的三种失真与 CNR 的性能对比2PDFA 在 SDH 系统中的应用图 5 为在已铺设的光纤网络上进行的现场试验系统结构，系统速率为 10Gb/s，系统长度为12
15、0km。尽管试验采用的是直接调制 DFB 激光器发送光信号，而未滤除啁啾，而且传输速率高达10Gb/s，但传输性能仍很好，成功的延长了传输距离。这一试验表明 PDFA 为已铺设的 1310nm 波长的常规数字光纤系统提供了一条简单的升级途径，对光纤和发送机无须做任何改动，就可以允许 10Gb/s的高速数据传输 100 公里以上的距离。以上试验表明，PDFA 无论是应用在已铺设的 SDH 数字光纤通信系统还是在光纤 CATV 系统中，从技术性能上考虑都是可行的。五 结语随着 PDF 的制造技术的进一步提高，新型玻璃基质材料的 PDF 的制造工艺的逐步成熟，半导体泵浦激光器的可靠性和功率的提高，及
16、光路结构的优化，PDFA 的性能必将有更大的提高。我国以前铺设的光纤 CATV 系统与 SDH 系统大部分为 1310nm 的系统，在 PDFA 没有实用化前，要对 1310nm 的系统进行升级改造，是非常困难或投资很大的，而工程实用型 PDFA 的出现，给原有系统的改造和新建 1310nm 系统提供了一条简捷的、投资少、见效快的途径。对我国特别是相对落后的中西部地区有线电视事业和电信事业的发展肯定会起到很大的推进作用。参考文献：1. Optical Fiber Amplifiers: Materials, Devices, And Applications 2. Optical Fiber Communications: Principles and Practice 3. 光放大器及其应用 杨祥林4. IPG 公司内部文献5. 光库通讯（珠海）有限公司内部文献
