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bet9测速:从EDFA到BDFA:应对光纤通信波段扩展的挑战
发布时间:2022-05-15 17:48:26 来源:bet9测速 作者:bet9的app在哪里下载

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  光纤通信是以光为载体,光纤为传输介质的一种通信方式,具有传输容量大、中继距离长、抗电磁干扰能力强和保密性能好等优点,是现代通信最主要的方式之一。在光纤通信系统中,激光信号会因为光纤的吸收和散射造成功率衰减、振幅降低的问题,从而导致通信距离严重缩短,甚至会出现波形失真,造成传输误码。传统的中继放大器采用光 - 电 - 光的转换方式来对信号进行放大,这不仅需要复杂多元的器件,而且增加了能耗,不利于低成本光纤通信网络的建设。

  光纤放大器的出现避免了这一繁琐的过程,它能够直接对光信号进行放大补偿,大大提高了系统的传输速度。除此以外,光纤放大器结构简单、体积小巧、稳定性高、价格低廉,对光纤通信的发展具有里程碑式的意义。掺铒光纤放大器(EDFA)作为光纤放大器的典型代表,具有高增益、低噪声、大带宽、高抽运效率和工作性能稳定等优点,被广泛应用于光纤通信系统,是现代通信行业最伟大的发明之一。

  掺铒光纤放大器中使用的增益材料铒元素,符号为Er,原子序数68,在化学元素周期表中位于第6周期、镧系(IIIB族)11号,电子构型为1s22s2p63s2p6d104s2p6d10f125s2p66s2。Er的发光来源于4f电子的跃迁,在近红外波段的发光峰位于1550 nm,光谱性能优异,常用于制备光学增益材料。

  EDFA主要由掺铒石英光纤、抽运源、光波分复用器、光隔离器和光滤波器等组成,结构如图1所示。信号光和抽运光通过光波分复用器耦合到掺铒石英光纤中,并对信号光进行放大。为了防止光反馈产生噪声,分别在EDFA的输入和输出端连接光隔离器,使光信号单向传输。光滤波器可以对波长进行选择,有效滤除噪声,以确保放大器工作稳定。

  掺铒石英光纤是EDFA的核心,Er3+的能级结构如图2所示。处于基态E1的粒子吸收了抽运光能量后,向高能级E3跃迁,随即以非辐射跃迁的形式快速弛豫到亚稳态 E2上。粒子在亚稳态能级上有较长的寿命,在持续的抽运下亚稳态的粒子数不断增加,从而实现了粒子数反转。当波长为1550 nm左右的信号光通过光纤时,亚稳态的粒子以受激辐射的形式跃迁到基态,并释放出与信号光子完全相同的光子,从而增加信号光子数量以实现信号光的放大。

  EDFA的放大波段位于1550 nm附近,与石英光纤的低损耗窗口一致,拥有极低的传输损耗,且放大性能优异,可用于对光信号的前置、中继和后置放大。

  密集波分复用(DWDM)是指在一根光纤中间,能够同时传输多个波长间隔很短信号的技术,其原理如图3所示。在发射端,合波器将多种不同波长的光载波汇合在一起,耦合到同一根光纤中进行传输;在接收端,经分波器将各种波长的光载波分离,各个单波送到相应的接收机上,然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。

  结合EDFA技术,可以在一根光纤中同时传输几十甚至上百路光信号波,同时实现对多路信号的放大传输,充分利用了光纤资源,极大地降低了线路建设成本。

  图4是有线电视网络(CATV)系统的示意图。光发射机发射的光信号经过EDFA放大后由光分路器分配到各支路,一部分信号直接传输到光接收机,另一部分则通过EDFA放大后继续向下一个站点传输。

  EDFA 在CATV系统中发挥着重要作用,它可以在长距离传输CATV信号时显著减小光发射机的数量。在地级市和县级市的联网中,只需要一个总前端就能实现信号的传输,在此基础上采用DWDM技术还能有效提升系统的容量,大大节约了CATV网络的成本。

  1985 年,英国南汉普顿大学成功研制出了EDFA。经过各国科学家多年的努力,EDFA已成为当前光纤通信系统中应用最广的光放大器件。国外对于EDFA研究较早,在EDFA的增益平坦控制、远距离传输以及C+L波段放大等技术方面遥遥领先。美国Corning公司是全球最大的光纤生产商,他们采用外部气相沉积法(OVD)制备的ER 1600L3特种光纤具有优良的掺杂均匀性,在1565 nm-1610 nm增益十分平坦;日本NEC公司研发了一种多级、线性和非线性星座优化算法,使用C+L波段EDFA在单根光纤上首次实现了超过11000 km的50.9 Tbps传输容量,接近香农极限;美国IPG公司的EAR系列放大器支持DWDM和单通道放大,输出功率高达33 dBm,在长距离传输中也能获得较高的增益。

  我国在20世纪90年代才开始研究EDFA,虽然起步较晚,但发展迅猛。以武汉邮电科学研究院为代表的研究单位已经研发出小型化、低成本、实用化的EDFA模块,完成了多种类型产品的定型,并自主研发生产全新的EDFA系列产品。国内的头部企业,如光迅、飞通、华为、中兴、昂纳、霍普等,都已具备自主研发及生产 EDFA的能力,技术上正不断追赶国际水平。

  5G时代的来临使得人类社会对于信息传输速度和容量需求急速上升,如何实现超大容量信息传输,成了光纤通信系统的头号难题。根据光纤传输的原理,提高系统的传输容量有三个最直接有效的方法:

  (1)提高光纤单信道的传输速率。单个波长速率的提升可以大大提高整个系统的通信容量,但香农公式限制了单一信号传输容量的理论上限,而且还存在着“电子瓶颈”效应问题,因此很难实现突破。

  (2) 增加信号传输的信道数量。在DWMD系统中,国际电信联盟(ITU)的建议信道间隔为0.8 nm,大约可以容纳40路光信号同时传播。进一步减小信道的间隔虽然可以成倍地增加信道数量,但也意味着需要对激光器的输出波长进行十分精确的调控,这对于激光器和滤波器都提出了更高的要求,而且还可能会带来四波混频(FWM)等非线性效应,这也严重阻碍了通信容量的增加。

  (3)开发新的通信波段。Er3+的发光取决于4f电子的跃迁,由于受到5s2和 5p6的电子的屏蔽,导致其受周围环境变化的影响非常小,发光峰位稳定且宽带较窄,因此EDFA只能支持1535 nm-1565 nm光信号的放大。但从图5中可以看到,1300 nm-1700 nm的波段理论上损耗都很低,导致石英光纤的超低损耗窗口很大一部分没有得到有效的利用。

  EDFA是增益特性最好的光放大器,但较窄的放大带宽严重限制了它的进一步应用。拉曼光纤放大器(RFA)具有很宽的增益带宽和较小的噪声系数,但是增益效果却不如EDFA,因而未能大规模商用。近年来,人们发现如果把RFA和EDFA级联起来组成混合拉曼掺铒光纤放大器,就可以融合它们各自的优点,获得平坦的宽带增益谱,既能提高系统的带宽,又改善了信噪比,恰好适应现代系统发展的要求。此外,为了更好地进行商业应用,围绕着EDFA的小型智能化、增益平坦化和增益的自动控制等技术也在不断的研究中。

  从长远角度看,尽可能地拓宽数据传输的带宽,是缓解数据传输压力问题的根本途径。这也意味着研制近红外发光材料,特别是能覆盖第二通信窗口(~1310 nm)的超宽带近红外发光光纤材料,成为光放大器进一步发展的关键。

  1999年,日本大阪大学K. Murata等发现掺Bi石英玻璃在500 nm激发下能够发射出一个中心波长1150 nm、半高宽150 nm的宽带近红外发光,如图6所示。其发光范围远远大于稀土离子,能够有效地覆盖石英光纤低损耗窗口,因此他们预测该材料可用于实现近红外波段激光输出和放大。这一发现迅速吸引了研究人员的目光,随即国内外越来越多的单位开始投入到这一领域的探索中。

  Bi是83号元素,在化学元素周期表中位于第六周期VA族,它的电子构型为1s22s2p63s2p6d104s2p6d10f145s2p6d106s2p3,具有Bi5+、Bi3+、Bi2+、Bi+、Bi0等多种价态。Bi的近红外发光中心极不稳定,容易受到基质、组分和制备工艺的影响,因此目前还没有找到描述Bi近红外发光的通用规律。

  为了增强掺Bi光纤的近红外发光及拓宽其发射谱,研究者们尝试在石英基质中掺杂磷、铝、锗等元素来调控掺Bi光纤的组分,使其近红外发光覆盖900 nm-1800 nm波段。同时,他们不断改进光纤的制备工艺,采用改进的化学气相沉积法(MCVD)制备出了低损耗的掺Bi光纤,证明了其能用于光纤通信的可能性。图7和图8分别给出了不同组分的掺Bi石英光纤的发光波段和损耗谱。

  2005年,俄罗斯科学院V.V.Dvoyrin等利用MCVD做出第一根掺Bi光纤,并进行了放大测试。随后,关于掺Bi光纤放大器(BDFA)的研究捷报频传,目前已经在多个波段都实现了性能优异的光信号放大。2019年,英国南汉普顿大学N.K.Thipparapu等发现双通道结构能显著提升增益,在1300 nm-1360 nm波段实现了最高39 dB的增益,是当前获得的最好成绩,增益性能达到了商用的EDFA水平,在光纤通信领域展示了巨大的应用潜力。

  与此同时,各种高性能的掺Bi光纤激光器层出不穷,在BDFA研制中可以作为光信号源。它的出现满足了BDFA对不同波长的光信号的需求,为光纤通信系统新波段的开发提供了优质的信号光源。图9展示了目前掺Bi光纤激光器的输出功率、峰位及对应的抽运波长。

  BDFA的放大波段主要集中于O波段,靠近石英光纤低损耗的通信窗口,且增益带宽较宽,也具有与EDFA类似的高增益、低噪声的放大特性,满足了作为光纤放大器的基本条件。此外,通过改变掺杂组分,BDFA可以将放大波段拓展至更远的波段,拥有EDFA无法比拟的巨大优势,将来有望成为新一代光纤通信中不可或缺的光器件。

  光放大技术是光纤通信中最为关键的支撑技术之一,以EDFA为主流的光纤放大器的出现极大地推动了光纤通信的发展。当今社会对通信的要求不断提高,EDFA也需要不断提升各类性能,提高自身的竞争力,更好地迎接未来的挑战。

  为了从根本上解决制约通信发展的问题,人们开始把目光聚焦于通信波段的拓宽上。Bi的超宽带发光为开发新的通信波段带来了可能,是解决高速通信根本问题最有潜力的增益介质。经过十几年的发展,掺Bi光纤材料已经在激光器和放大器上取得了重大突破,特别是BDFA的放大性能已经接近目前商用EDFA的水平,不远的将来必定能在光纤通信领域有一番作为。

  杨晶,北京工业大学硕士研究生,主要从事掺铋玻璃光纤制备、掺铒光纤放大器方向的研究。

  郑保罗,北京工业大学博士研究生,主要从事稀土掺杂预制棒、光纤制备和光纤激光器方向的研究。

  王璞,北京工业大学教授、博导,主要从事高功率超快激光技术、中红外光纤激光技术以及特种光纤技术方向的研究。返回搜狐,查看更多