光纤放大器：增强信号传输的必备设备

光纤放大器是长距离光传输链路上实现信号中继放大的重要器件。目前技术最为成熟的是工作在C波段的掺铒光纤放大器（erbium doped fiber amplifier，EDFA）。由于石英玻璃本征特性和稀土离子5d和6s轨道的屏蔽作用，使得光谱带宽非常窄，而限制了其在宽带通信和可调谐激光等领域的应用。在密集波分复用（dense wavelength division multiplexing，DWDM）技术的推动下，开发新型宽带光纤放大器，将光放大带宽从C波段开拓至L波段和S波段，直至实现全光放大，成为光纤放大器研究的主要目标。同时，为了保证DWDM系统的传输质量，还要求光纤放大器具备低噪声系数、高输出功率、低偏振相关以及良好的增益平坦度等相关特性。本小节主要介绍激活离子掺杂光纤放大器和拉曼光纤放大器。

1.激活离子掺杂光纤放大器

目前商用化激活离子掺杂光纤放大器主要是基于稀土离子掺杂的石英光纤。此类光纤放大器虽然带宽较窄，但需要的泵浦功率比较低。例如掺铒光纤放大器在1550 nm传输窗口中要获得和拉曼光纤放大器相近的增益只需要100 mW，而且可以同时为多个信道提供增益，增益不受信号偏振的影响，不会产生串扰和脉冲失真，因此目前仍然是光纤放大器的主流产品。在OFC’2001年会上，NEC公司报道了将TDFA、EDFA、EDTFA三种工作波段不同的光纤放大器并联，在S+C+L三波段联合区域实现了273信道、每信道40 Gbit/s速率、信道间隔50 GHz、传输117 km的波分复用实验［150］。2002，NTT公司报道了在S+C+L波段实现1000信道的波分复用传输实验，整个系统传输速率为12.5 Tbit/s，在三个波段100 nm的净增益波长范围内增益，以及平坦度分别为20 dB和1.5 dB［151］。

为了解决传统石英光纤放大器带宽较窄的问题，除了研发稀土离子掺杂光纤放大器，人们还相继开展了过渡金属离子掺杂、主族离子掺杂、量子点掺杂、有机染料掺杂等复合光纤的研究［152－170］。这些光纤虽然还未实现实用化，但在发光带宽方面均具有不俗的潜力。

多芯光纤、保偏光纤、光子晶体光纤等微结构光纤相比稀土掺杂多组分复合光纤具有更灵活的调节性和更突出的性能。多芯光纤（multi core fiber，MCF）在一根光纤中构建了多个平行的空间信道，可通过空分复用或模分复用技术达到扩大传输容量的目的。MCF采用类似“超模”的传输模式，可大幅降低模式相关时延，对非线性畸变的容忍度比较高。借鉴高功率激光器的研究成果，MCF采用稀土离子共掺和包层抽运光技术，以提高泵浦效率，满足大饱和输出功率和低功耗的系统要求。2017年，Jain等报道的一种32芯的Er3+/Yb3+共掺多芯光纤放大器［171］，在－5 dBm的输入情况下，在15341561 nm得到的平均增益大于22 dB，每芯饱和输出功率大于17 dBm，且驱动功耗比传统单芯EDFA节省59%。2017年，Ryf等采用多芯光纤在9900 km的传输试验中，实现了0.7 dB的超低损耗，同时传输容量扩大了4倍［172］。2018年，Castro等［173］报道的一个集成化波分复用光纤系统，包括多芯光纤，包层泵浦7芯光纤放大器、耦合器和隔离器等。该系统在超过720 km的C波段波分复用场景中进行演示，在50GHz的网络中，在1558.581564.27 nm的波长范围内，实现了16 QAM（正交振幅调制，quadrature amplitude modulation）的200 Gbit/s的传输速率，以及14×100 Gbit/s的相邻QPSK（正交相移键控，quadrature phase shift keying）信号传输。Jung等在2018年OECC会议上也提出了一个基于结构复合光纤的集成化空分复用光纤放大器，采用32芯光纤，在大于1850 km的距离实现了覆盖15341561 nm波长范围的100 Gbit/s的QPSK信号传输［174］。2019年，Puttnam等提出了C波段与L波段混合的宽带多芯EDFA，采用19芯掺铒光纤，实现了73 nm放大带宽，增益＞12.8 dB，噪声系数＜7.6 dB，在16进制正交幅度调制信号（polarization division multiplexed－quadrature amplitude modulation，PDM－16QAM）调制格式下实现了354信道715 Tbit/s的超高传输速率，传输距离达到2009.6 km［175］。

随着空间技术的发展，针对月球、火星和深空各种空间任务提出的海量数据传输要求和基于卫星星载网络链路的发展，增加了对高速空间数据传输的需求。对于这些特殊应用场景的空间光纤放大器，克服空间高能射线辐射引起的吸收损耗是主要挑战。Haddad等研究发现，保偏光纤比标准光纤具有更好的抗辐照性，增益损耗非常低（＜1 dB/100 krad）。他们采用稀土掺杂单模保偏光纤，通过有源光纤的光漂白补偿辐照引起的损耗；经过三级放大，可用于空间的光纤放大器，输出功率14.4 W，光电转换效率33%［176］。

2.拉曼光纤放大器(www.xing528.com)

拉曼光纤放大器（fiber Raman amplifier，FRA）是开发超宽带光纤放大器的一个非常有吸引力的选择。FRA最突出的特点是不需要掺杂激活离子，其增益波长取决于泵浦源的波长，理论上只要选择合适的泵浦光波长，就可以放大任意光波段信号。这对于开发全光（12601700 nm）光纤放大器具有重要的意义。如使用多个泵浦源，FRA可以获得比稀土掺杂光纤放大器宽得多的增益带宽。如美国Finisar公司生产的拉曼光纤放大器，在三泵浦源的情况下，可以实现C+L波段的拉曼放大，平均增益达到18 dB，增益平坦度0.3 dB，偏振相关增益＜0.3dB。Optilab公司生产的系列拉曼光纤放大器提供了15251605 nm工作波长范围内的拉曼放大，平均增益14 dB，偏振相关增益＜0.2 dB。日本Emori和Namiki等采用多泵浦的方式，以12个波长信道的WDM激光二极管单元作为拉曼放大器的泵浦光源，利用单模光纤得到了接近100 nm的增益带宽，增益平坦度±0.5 dB［177］。

在高掺锗的石英系光纤中实现受激拉曼散射效应（SRS）需要数千米才能产生足够的非线性，因此，一些拉曼增益系数更高的硫系光纤、碲基光纤等多组分复合光纤开始被应用到FRA中。2014年，巩稼民等设计使用了两段As－S高非线性光纤，采用多泵浦的方式，实验模拟获得了20.45 dB的平均拉曼增益，拉曼增益平坦度为0.15 dB［178］。

目前，拉曼光纤放大器在特定的玻璃体系已获得良好增益效果，但受光纤损耗和泵浦源的限制，仍存在输出增益较低且与光的偏振态相关、输出增益不平坦等问题，而且泵浦效率也较低，只有10%20%，因此需要比较高的泵浦功率（一般需要大于500 mW）和较长的光纤（一般要求几千米）。在长的光纤中，需要考虑如何平衡超长距离无损传输和超大容量传输的问题。此外，大量的拉曼光纤放大器研究基于多波长泵浦技术，增加了系统的复杂程度及成本。

而解决大容量长距离传输的关键，在于制造出低偏振模色散、支持增强拉曼放大的光纤及其精密色散补偿模块等方面。因此，有研究者提出一种新的思路：通过设计特殊结构的光纤，调制其在信号光波段内的有效模场面积，从而得到平坦的拉曼增益谱。

相对于传统的光纤，PCF灵活的结构使其可以实现超宽波长的单模传输，高度可控的色散和超大的模场面积，为光传输链路元器件的设计带来全新的概念。色散可控的高非线性光子晶体光纤被用于光纤拉曼放大器、宽带可调谐波长转换、超短脉冲压缩、非线性信号的产生和整形等领域。PCF可实现很高的拉曼增益效率，而且具有比商用色散补偿光纤高得多的负色散，这意味着可以用较短光纤实现色散补偿。在这样的拉曼放大器系统中，光纤同时承担着拉曼放大和宽带色散补偿的功能，可用较少的泵浦源，甚至只需使用单个泵浦源就能实现平坦化放大。2005年，Varshney等利用5.2 km长的色散补偿光子晶体光纤，使用单一的1450 nm激光泵浦，通过模拟，在15301568 nm波段获得了19 dB的平均净增益，拉曼增益平坦度为±1.2dB［179］。2009年，Castellani等设计了一个低平坦度、高增益、低损耗的光子晶体光纤拉曼放大器［180］，该放大器可以完全补偿10 Gbit/s系统中70 km单模光纤引入的色散，只使用了两个低功率的泵浦源就实现了在整个C波段的放大，平均拉曼增益为8.5 dB，拉曼增益平坦度为0.71 dB。2012年，Takara等采用多芯光纤拉曼放大器，在1000 km环路实验中，实现了10×96 Gbit/s的16进制正交幅度调制信号（PDM－16QAM）传输，拉曼增益为12 dB，噪声系数小于1 dB［181］。2020年，巩稼民等设计了一种多泵浦和多段光子晶体光纤级联结合的宽带拉曼光纤放大器［182］，通过模拟，增益带宽达到92 nm，平均增益为39.95 dB，增益平坦度仅为0.1447 dB。但受限于制备技术，目前光子晶体光纤的损耗还比较高，基于各种光子晶体光纤的拉曼光纤放大器仍处于数值仿真阶段。