光纤放大器是一种对光纤传输系统中的光信号进行直接在线光放大的器件。它不仅结构简单,与系统连接方便,而且它的耦合效率和能力转换效率高,有很大的带宽潜力。另外,由于光纤介质的激光损耗阈值远大于半导体材料,因此光纤放大器可用来取代光纤通信系统中传统的电子中继器或作为接收机的前置放大器,以提高接收机的灵敏度和信噪比,增加通信距离。目前的光纤放大器主要有4种:消逝波耦合光纤放大器、晶体光纤放大器、受激散射光纤放大器、稀土掺杂光纤放大器。其中掺杂光纤放大器(RDFA)是在光纤的纤芯中掺入能产生光子的稀土元素,通过稀土元素的作用,将激光二极管LD泵浦发出的光能量转化到信号光上,可实现对信号光的直接放大,具有实时、宽带、在线、低损耗的全光放大功能。
由于RDFA具有掺杂浓度高,互作用区大,能量转换率高,制作较容易等显著的优点,近20多年来得到了迅猛发展。同时,RDFA的成熟与商用化也极大地促进了长距离光纤通信系统、波分复用(WDM)系统等重要技术的发展。
虽然早在1964年就开始研究光纤放大器,但随着低损耗掺杂光纤工作特性和制造技术的不断发展,直到1986年才开始实际使用。稀土元素(或镧系元素)由原子量为58～71且性质相近的14个原子组成。当稀土元素掺杂于石英或其他玻璃光纤中时,会变成三阶离子。许多不同的稀土离子,如铒、钬、钕、钐、铥和镱等,都可以用于制造光纤放大器,能工作在从可见光到红外区的不同波长上。放大器的工作特性(如工作波长、增益宽度和噪声等)是由掺杂离子而不是光纤决定的,光纤起基底介质的作用。
RDFA有3种基本结构:前向泵浦、后向泵浦和双向泵浦。在前向泵浦(或正向泵浦)中泵浦光与信号光以相同方向通过增益光纤,后向泵浦(或反向泵浦)两者则以相反方向通过增益光纤,双向泵浦结构中泵浦光在2个方向同时通过增益光纤。不管是哪种泵浦方式的光纤放大器,基本构件都包括增益光纤、泵浦光、波分复用器/光耦合器等。增益光纤是在石英光纤的纤芯中,掺入一些三价稀土金属元素,如Er(铒)、Pr(镨)、Tm(铥)等,形成的一种特殊光纤,它是掺杂光纤放大器中核心部分;泵浦光用来向稀土元素提供能量,使稀土元素实现粒子数反转,这是产生光放大的必要条件之一;波分复用器(或光耦合器)的作用是将信号光与泵浦光进行复合;为了防止器件和焊点的反射,降低光纤放大器的噪声指数,增加稳定性,一般还在其输入和输出端加入光隔离器;为了提高系统的信噪比,通常在输出端加入光滤波器。实用的光纤放大器中,还包括带自动调整功能的泵浦源驱动电路、自动温控和自动功率控制等保护功能的辅助电路。有的辅助电路中还具有通过计算机通信协议完成人机对话和对放大器的网络监控功能。
