文 / 楊晶，鄭保羅，王璞北京工業大學材料與製造學部鐳射工程研究院
光纖通訊是以光為載體，光纖為傳輸介質的一種通訊方式，具有傳輸容量大、中繼距離長、抗電磁干擾能力強和保密效能好等優點，是現代通訊最主要的方式之一。在光纖通訊系統中，鐳射訊號會因為光纖的吸收和散射造成功率衰減、振幅降低的問題，從而導致通訊距離嚴重縮短，甚至會出現波形失真，造成傳輸誤碼。傳統的中繼放大器採用光 - 電 - 光的轉換方式來對訊號進行放大，這不僅需要複雜多元的器件，而且增加了能耗，不利於低成本光纖通訊網路的建設。
光纖放大器的出現避免了這一繁瑣的過程，它能夠直接對光訊號進行放大補償，大大提高了系統的傳輸速度。除此以外，光纖放大器結構簡單、體積小巧、穩定性高、價格低廉，對光纖通訊的發展具有里程碑式的意義。摻鉺光纖放大器（EDFA）作為光纖放大器的典型代表，具有高增益、低噪聲、大頻寬、高抽運效率和工作效能穩定等優點，被廣泛應用於光纖通訊系統，是現代通訊行業最偉大的發明之一。
1
EDFA 簡介
摻鉺光纖放大器中使用的增益材料鉺元素，符號為Er，原子序數68，在化學元素週期表中位於第6週期、鑭系（IIIB族）11號，電子構型為1s22s2p63s2p6d104s2p6d10f125s2p66s2。Er的發光來源於4f電子的躍遷，在近紅外波段的發光峰位於1550 nm，光譜效能優異，常用於製備光學增益材料。
EDFA的基本結構
EDFA主要由摻鉺石英光纖、抽運源、光波分複用器、光隔離器和光濾波器等組成，結構如圖1所示。訊號光和抽運光透過光波分複用器耦合到摻鉺石英光纖中，並對訊號光進行放大。為了防止光反饋產生噪聲，分別在EDFA的輸入和輸出端連線光隔離器，使光訊號單向傳輸。光濾波器可以對波長進行選擇，有效濾除噪聲，以確保放大器工作穩定。
圖1 EDFA的結構
EDFA的工作原理
摻鉺石英光纖是EDFA的核心，Er3+的能級結構如圖2所示。處於基態E1的粒子吸收了抽運光能量後，向高能級E3躍遷，隨即以非輻射躍遷的形式快速弛豫到亞穩態 E2上。粒子在亞穩態能級上有較長的壽命，在持續的抽運下亞穩態的粒子數不斷增加，從而實現了粒子數反轉。當波長為1550 nm左右的訊號光透過光纖時，亞穩態的粒子以受激輻射的形式躍遷到基態，並釋放出與訊號光子完全相同的光子，從而增加訊號光子數量以實現訊號光的放大。
圖2 Er3+能級及EDFA 工作原理示意圖
EDFA的應用
EDFA的放大波段位於1550 nm附近，與石英光纖的低損耗視窗一致，擁有極低的傳輸損耗，且放大效能優異，可用於對光訊號的前置、中繼和後置放大。
（1）在密集波分複用系統中的應用
密集波分複用（DWDM）是指在一根光纖中間，能夠同時傳輸多個波長間隔很簡訊號的技術，其原理如圖3所示。在發射端，合波器將多種不同波長的光載波匯合在一起，耦合到同一根光纖中進行傳輸；在接收端，經分波器將各種波長的光載波分離，各個單波送到相應的接收機上，然後由光接收機作進一步處理以恢復原訊號。
圖3 DWDM的工作原理
結合EDFA技術，可以在一根光纖中同時傳輸幾十甚至上百路光訊號波，同時實現對多路訊號的放大傳輸，充分利用了光纖資源，極大地降低了線路建設成本。
（2）在有線電視網路中的應用
圖4是有線電視網路（CATV）系統的示意圖。光發射機發射的光訊號經過EDFA放大後由光分路器分配到各支路，一部分訊號直接傳輸到光接收機，另一部分則透過EDFA放大後繼續向下一個站點傳輸。
圖4 CATV系統示意圖
EDFA 在CATV系統中發揮著重要作用，它可以在長距離傳輸CATV訊號時顯著減小光發射機的數量。在地級市和縣級市的聯網中，只需要一個總前端就能實現訊號的傳輸，在此基礎上採用DWDM技術還能有效提升系統的容量，大大節約了CATV網路的成本。
EDFA的發展史及現狀
1985 年，英國南漢普頓大學成功研製出了EDFA。經過各國科學家多年的努力，EDFA已成為當前光纖通訊系統中應用最廣的光放大器件。國外對於EDFA研究較早，在EDFA的增益平坦控制、遠距離傳輸以及C+L波段放大等技術方面遙遙領先。美國Corning公司是全球最大的光纖生產商，他們採用外部氣相沉積法（OVD）製備的ER 1600L3特種光纖具有優良的摻雜均勻性，在1565 nm-1610 nm增益十分平坦；日本NEC公司研發了一種多級、線性和非線性星座最佳化演算法，使用C+L波段EDFA在單根光纖上首次實現了超過11000 km的50.9 Tbps傳輸容量，接近夏農極限；美國IPG公司的EAR系列放大器支援DWDM和單通道放大，輸出功率高達33 dBm，在長距離傳輸中也能獲得較高的增益。
我國在20世紀90年代才開始研究EDFA，雖然起步較晚，但發展迅猛。以武漢郵電科學研究院為代表的研究單位已經研發出小型化、低成本、實用化的EDFA模組，完成了多種型別產品的定型，並自主研發生產全新的EDFA系列產品。國內的頭部企業，如光迅、飛通、華為、中興、昂納、霍普等，都已具備自主研發及生產 EDFA的能力，技術上正不斷追趕國際水平。
EDFA面臨的發展困境及解決方案
5G時代的來臨使得人類社會對於資訊傳輸速度和容量需求急速上升，如何實現超大容量資訊傳輸，成了光纖通訊系統的頭號難題。根據光纖傳輸的原理，提高系統的傳輸容量有三個最直接有效的方法：
（1）提高光纖單通道的傳輸速率。單個波長速率的提升可以大大提高整個系統的通訊容量，但夏農公式限制了單一訊號傳輸容量的理論上限，而且還存在著“電子瓶頸”效應問題，因此很難實現突破。
（2） 增加訊號傳輸的通道數量。在DWMD系統中，國際電信聯盟（ITU）的建議通道間隔為0.8 nm，大約可以容納40路光訊號同時傳播。進一步減小通道的間隔雖然可以成倍地增加通道數量，但也意味著需要對鐳射器的輸出波長進行十分精確的調控，這對於鐳射器和濾波器都提出了更高的要求，而且還可能會帶來四波混頻（FWM）等非線性效應，這也嚴重阻礙了通訊容量的增加。
（3）開發新的通訊波段。Er3+的發光取決於4f電子的躍遷，由於受到5s2和 5p6的電子的遮蔽，導致其受周圍環境變化的影響非常小，發光峰位穩定且寬頻較窄，因此EDFA只能支援1535 nm-1565 nm光訊號的放大。但從圖5中可以看到，1300 nm-1700 nm的波段理論上損耗都很低，導致石英光纖的超低損耗視窗很大一部分沒有得到有效的利用。
圖5 石英光纖的損耗譜和未使用的放大波段[1]
EDFA的發展方向
EDFA是增益特性最好的光放大器，但較窄的放大頻寬嚴重限制了它的進一步應用。拉曼光纖放大器（RFA）具有很寬的增益頻寬和較小的噪聲係數，但是增益效果卻不如EDFA，因而未能大規模商用。近年來，人們發現如果把RFA和EDFA級聯起來組成混合拉曼摻鉺光纖放大器，就可以融合它們各自的優點，獲得平坦的寬頻增益譜，既能提高系統的頻寬，又改善了信噪比，恰好適應現代系統發展的要求。此外，為了更好地進行商業應用，圍繞著EDFA的小型智慧化、增益平坦化和增益的自動控制等技術也在不斷的研究中。
2
新型摻鉍（Bi）增益材料
從長遠角度看，儘可能地拓寬資料傳輸的頻寬，是緩解資料傳輸壓力問題的根本途徑。這也意味著研製近紅外發光材料，特別是能覆蓋第二通訊視窗（~1310 nm）的超寬頻近紅外發光光纖材料，成為光放大器進一步發展的關鍵。
Bi寬頻熒光的發現
1999年，日本大阪大學K. Murata等發現摻Bi石英玻璃在500 nm激發下能夠發射出一箇中心波長1150 nm、半高寬150 nm的寬頻近紅外發光，如圖6所示。其發光範圍遠遠大於稀土離子，能夠有效地覆蓋石英光纖低損耗視窗，因此他們預測該材料可用於實現近紅外波段鐳射輸出和放大。這一發現迅速吸引了研究人員的目光，隨即國內外越來越多的單位開始投入到這一領域的探索中。
圖6 摻Bi石英玻璃的熒光光譜[2]
摻Bi光纖的發光特性
Bi是83號元素，在化學元素週期表中位於第六週期VA族，它的電子構型為1s22s2p63s2p6d104s2p6d10f145s2p6d106s2p3，具有Bi5+、Bi3+、Bi2+、Bi+、Bi0等多種價態。Bi的近紅外發光中心極不穩定，容易受到基質、組分和製備工藝的影響，因此目前還沒有找到描述Bi近紅外發光的通用規律。
為了增強摻Bi光纖的近紅外發光及拓寬其發射譜，研究者們嘗試在石英基質中摻雜磷、鋁、鍺等元素來調控摻Bi光纖的組分，使其近紅外發光覆蓋900 nm-1800 nm波段。同時，他們不斷改進光纖的製備工藝，採用改進的化學氣相沉積法（MCVD）製備出了低損耗的摻Bi光纖，證明了其能用於光纖通訊的可能性。圖7和圖8分別給出了不同組分的摻Bi石英光纖的發光波段和損耗譜。
圖7 不同組分摻Bi石英光纖的發射光譜[3]
圖8 不同組分摻Bi石英光纖的損耗譜[3]
摻Bi光纖的放大效能
2005年，俄羅斯科學院V.V.Dvoyrin等利用MCVD做出第一根摻Bi光纖，並進行了放大測試。隨後，關於摻Bi光纖放大器（BDFA）的研究捷報頻傳，目前已經在多個波段都實現了效能優異的光訊號放大。2019年，英國南漢普頓大學N.K.Thipparapu等發現雙通道結構能顯著提升增益，在1300 nm-1360 nm波段實現了最高39 dB的增益，是當前獲得的最好成績，增益效能達到了商用的EDFA水平，在光纖通訊領域展示了巨大的應用潛力。
與此同時，各種高效能的摻Bi光纖鐳射器層出不窮，在BDFA研製中可以作為光訊號源。它的出現滿足了BDFA對不同波長的光訊號的需求，為光纖通訊系統新波段的開發提供了優質的訊號光源。圖9展示了目前摻Bi光纖鐳射器的輸出功率、峰位及對應的抽運波長。
圖9 摻Bi光纖鐳射器的輸出功率、峰位及對應的抽運波長[3]
BDFA的放大波段主要集中於O波段，靠近石英光纖低損耗的通訊視窗，且增益頻寬較寬，也具有與EDFA類似的高增益、低噪聲的放大特性，滿足了作為光纖放大器的基本條件。此外，透過改變摻雜組分，BDFA可以將放大波段拓展至更遠的波段，擁有EDFA無法比擬的巨大優勢，將來有望成為新一代光纖通訊中不可或缺的光器件。
3
總結
光放大技術是光纖通訊中最為關鍵的支撐技術之一，以EDFA為主流的光纖放大器的出現極大地推動了光纖通訊的發展。當今社會對通訊的要求不斷提高，EDFA也需要不斷提升各類效能，提高自身的競爭力，更好地迎接未來的挑戰。
為了從根本上解決制約通訊發展的問題，人們開始把目光聚焦於通訊波段的拓寬上。Bi的超寬頻發光為開發新的通訊波段帶來了可能，是解決高速通訊根本問題最有潛力的增益介質。經過十幾年的發展，摻Bi光纖材料已經在鐳射器和放大器上取得了重大突破，特別是BDFA的放大效能已經接近目前商用EDFA的水平，不遠的將來必定能在光纖通訊領域有一番作為。
參考文獻
1. Dianov E. M. Amplification in Extended Transmission Bands Using Bismuth-Doped Optical Fibers[J]. Lightwave Technology，2013，31(4)，681–688.
2. Murata K，Fujimoto Y，Kanabe T. Bi-Doped SiO2 as a New Laser Material for an Intense Laser[J]. Fusion Engineering & Design，1999，44(1): 437-439.
3. Dianov E，Semjonov S，Bufetov I. New generation of optical fibres[J]. Quantum Electronics，2016，46(1): 1-10.
作者簡介
楊晶，北京工業大學碩士研究生，主要從事摻鉍玻璃光纖製備、摻鉺光纖放大器方向的研究。
鄭保羅，北京工業大學博士研究生，主要從事稀土摻雜預製棒、光纖製備和光纖鐳射器方向的研究。
王璞，北京工業大學教授、博導，主要從事高功率超快鐳射技術、中紅外光纖鐳射技術以及特種光纖技術方向的研究。
