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1、掺错光纤放大器的关键技术及其在系统中的应用如何对现有的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 1.3um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1.3um波长处光纤损耗大，如能提供波长为1.3um 的光纤放大器，则已大量铺设的1.3um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。掺错光纤放大器（PDFA）的问世正迎合了这种需要。一.掺错光纤放大器的原理掺错光纤放大器（PDFA）是工
2、作于1300nm波长的，以掺错光纤作为增益介质，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错光纤的吸 收和发射特性，即光谱特性，而其光谱特性则决定于错离子（Pr3+ ）的能级结构。1. 掺错光纤的能级结构明。A ofphxrtfin; Coops ari!GSAcfNsNi图3 F产的蔺化能皴结构后能微间的跃迁掺错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58us。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
3、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，信号光子同时被3H4-3F4 GSA 和1G4-1D2 ESA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
4、%和 B54=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1G4-3F4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，ZrF4 氟化物玻璃基质的PDF适合制造PDFA。2. 掺错光纤的光谱特性 掺错光纤的光谱特性如图2所示。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
5、。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。IM1SOG诙长nn*v.OR P#.3WEO-二图3泵源的归一化斜率效率与泵浦波长的关三. 实用型PDFA的性能参数 本公司现在提供的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
6、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1310nmCATV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。|U】屿实姒新1314(1 ffi)国听9)工碍滁邮1105-1314imi抑dBm4j+330 -。-iO曲|11175J心必壹忡其IS444S61口IB皿05(L5dEEgL.5CTBC50典星值:Z工1诵屋福丸项Titfi襁宙-4o -喝而，脚1遍场翱锚丸朝钢一表1 O-Band PDFA性能参数四. PDFA在光纤通信系统中的应用 1. PDFA在CATV系统中的应
7、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。电浅血51说UdE血忙瓯l-JLhLtto.图4 PDFA作为功率就大器和在线旅大器的210km FM-SCM 模拟龟视信号皆输实验系统另一个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
8、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前 后系统性能参数。性能莪载婀率,（MHz）91.25213.25403.25有 PDFA有 PDFA无 PDFA有 PDFA倾肥）51.(51.355.952.171.79.263.566.5灿衢J58.4的.967.8M明）71.565.661760.2表2在如路AM-VSB视质信号传输系獭有先PDFA的 三神失具与CNR的性能对比2. PDFA在SDH系统中的应用 图5为在巳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120km。尽管试验采用的是直接调制DFB激光器发送光信号，而
9、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为巳铺设的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。dijtan5 PDFA作为功率放大器和在线放大器的1如km现场试验系统以上试验表明，PDFA无论是应用在巳铺设的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。
