1 背景

近年来，在Cable Modem和XDSL等多种形式的宽带接入蓬勃发展的同时，光纤到户(FTTH)也逐渐成为了人们极感兴趣的一个项目。光纤到户后，最终将实现电话、有线电视和上网“三网合一”，上网的数据传输速度可以超过每秒100Mb（兆比特），比常用的拨号上网速度快200倍以上，将给家庭带来高清晰的电视电影、快捷的网上办公等；还可一揽子解决电话的通话质量、电视的清晰度等问题。从全球的情况来看，韩国和日本光纤到户的推广已经进入快速成长期；北美和欧洲的光纤到户也已经开始启动, 前景乐观；中国、俄罗斯、印度和南美，正在紧随其后，加快发展。从光纤到户这一角度来看，光通信产业的市场增长潜力仍然很大。

除此之外，光纤通信在军事领域应用前景广阔。根据作用地位和服务对象的不同，大体上可分为战略通信和战术通信两大类。战略通信是指处于国家级用于战略控制的通信，即为国家最高统帅部，各军兵种和战区指挥系统提供的长途的固定通信系统。外军早期的战略通信系统主要是高频无线电和人工交换的有限网，进入90年代，在军事领域开始采用数字式技术体制，并逐步向综合业务数字网方向发展，光纤通信开始在战略军事通信中起主导作用。战术通信也称野战通信或战场通信，是一种地处战场，用于战术指挥的通信，即为军师以下指挥系统提供近程机动的通信。光纤通信在军事中的应用最早就是从战术通信开始的，其中最先应用的有美军的长距离战术光纤系统。

2 光放大器在光纤通信系统中的应用

在光纤通信系统中，光放大器既可作为发送机的功率提升放大器以提高发送功率，也可作为接收机的前置放大器以提高接收灵敏皮，亦可代替传统的光—电—光中继器，延长传输距离，实现全光通信。

在光纤通信系统中，限制传输距离的主要因素是光纤的损耗和色散。采用窄谱线光源，或工作在零色散波长附近，光纤色散的影响就较小。这种系统不需要在每个中继站进行完全的信号定时再生(3R中继)，只要用光放大器把光信号直接放大就足够了(1R中继)。光放大器不但可用于长途干线系统中，也可用于光纤分配网，尤其是在WDM系统中，进行多信道的同时放大。

2.1 光放大器在干线光纤通信系统中的应用

图1为光放大器在干线光纤通信系统中的应用示意。图中(a)为用光放大器作为发送机功率提升放大器和接收机前置放大器，使无中继距离成倍延长。例如，采用EDFA，1.8Gb/s的系统传输距离从120km增大到250km甚至达到400km。图2 (b)-(d)为多中继系统中光放大器的应用；图(b)为传统的3R中继方式；图(c)为3R中继器与光放大器混合中继方式；图(d)为全光中继方式；在全光通信系统中，不包含定时和再生电路，因此是比特穿透式的，没有“电子瓶须”的限制，只要更换两端的发送接收设备，就很容易从低速率提升到高速率，光放大器不必更换。

2.2 光放大器在光纤分配网中的应用

光放大器的高功率输出优势，在宽带分配网(如CATV网)中非常有用。传统的CATV网采用同轴电缆、每隔几百米就要放大，网的服务半径约7km。采用光放大器的光纤CATV网，不但可大大增加分配用户数，网径亦可大大扩大。最近发展表明，光纤／同抽电缆混合式(HFC)的分配闷取两者的长处，具有很强的竞争力。

图2为AM-VSB调制35路TV的光纤分配网例子。发送机光源为DFB-LD，波长1550nm，输出功率3.3dBm。采用4级EDFA作为功率分配放大器，其输入功率为-6dBm左右，输出功率约13dBm。光接收机灵敏度-9.2dBm。经过4级分配，总的用户数达420万户，网径大于数十公里。测试的加权信噪比大于45dB，且EDFA没有引起CSO的降低。

光纤放大器作为现代光通信的基础器件之一，不仅是大容量长距离全光通信网存在的前提，还会在光纤网络不断延伸和扩展的进程中发挥越来越重要的作用。目前，在中心机房，往往需要安装多台光纤放大器以便覆盖较大的范围和更多的用户，以有线电视网络（CATV）为例，一个中等规模的区县，如果需要将高质量的一级电视信号送到小区和村镇，往往需要4至8台光纤放大器，而采用超大功率光纤放大器，仅仅一台即可,其成本可大大降低。

3 高功率光放的解决方案

3.1 采用传统普通EDFA技术的解决方案

　　高功率光放的方案之一是采用传统的普通EDFA技术进行放大。信号先在第一级得到放大后，分成几路进入第二级的若干个放大器，使功率得到进一步的提升。最终放大后的功率可进行功率分配。

该方案存在的主要问题主要是：

1)由于采用了多级结构，所以光学结构十分复杂，而且，由于内部采用了多个激光器，所以相应的控制方案十分复杂。
2)由于多级结构在两级光放之间插入了分波器，相当于在光路中插入了一定的损耗，所以整个EDFA的噪声指数将会恶化。
3)另外，传统EDFA采用单模纤芯泵浦技术，高输出功率的单模泵浦激光器在技术和成本上均受到极大限制。
4)整台EDFA成本很高，所以价格昂贵。

3.2 采用基于镱/铒共掺双包层光纤的包层泵浦方案

　  高功率放大器的技术方案为多模包层泵浦技术这一最近发展起来的新兴技术，采用Yb3+和Er3+离子共掺杂双包层光纤。该技术是一系列新技术、新工艺和新材料相结合的产物，是实现光纤放大器大功率输出的技术核心，代表了光纤放大器制作技术的发展方向。传统EDFA采用单模纤芯泵浦技术，实现更高输出功率在技术和成本上均受到极大限制，目前国内外采用这种技术途径制作的光纤放大器，输出功率一般限制在23dBm（约0.2W）以下。而多模包层泵浦技术就是实现光纤放大器大功率输出的最佳选择。

4 多模包层泵浦光纤放大器的结构和工作原理

4.1 结构

　　多模包层泵浦光纤放大器的光路结构如图3所示：

4.2 工作原理

　　多模包层泵浦，是将多模泵浦激光耦合到双包层光纤的内包层中，当多模泵浦光在内包层中传播时会反复穿过光纤纤芯（如图4所示），泵浦光在穿过掺有稀土元素的光纤纤芯时被吸收从而实现泵浦。

与单模纤芯泵浦不同，用于光纤放大器的双包层光纤，泵浦光主要在内包层中传播，因此，同样的纤芯参数，包层泵浦的泵浦吸收截面要小得多，所以，提高泵浦吸收效率是制造双包层光纤需要重点考虑的因素。合理的内包层结构形状能够显著提高泵浦吸收效率，目前，已经设计并制作出了多种内包层形状的双包层光纤，这些专门设计的内包层结构和形状，使泵浦光在单位长度内有效穿过光纤纤芯的几率大大增加。图5是设计制作的部分双包层光纤内包层形状示意图。

　  另外，对于1550nm波段光纤放大器，采用铒、镱共掺的双掺杂技术，利用镱元素的高吸收和铒镱之间能量的高效传递，能够获得铒元素的高效泵浦。图6为铒镱共掺有源光纤的泵浦吸收和能量传递简单能级示意图。

铒、镱共掺由于存在能量传递的互逆性，因此需要尽可能快的消耗铒离子的受激状态。减小纤芯直径，有效提高光密度，是通常的做法，这样做对低功率光纤放大器影响不大，但是对于大功率和超大功率光纤放大器，会由于过高的光功率密度导致非线性效应，这是有害的。

对于光纤放大器的应用，双包层光纤主要用于大功率和超大功率情况，双包层光纤小芯径纤芯设计已经成为一种制约因素。采用高浓度铒单掺杂可能是解决小芯径问题的一种途径。我们知道，阻碍铒元素掺杂浓度进一步提高的主要原因，是铒元素在掺杂过程中，不可能达到理想的均匀分布，这样会造成铒掺杂的局部浓度过高，从而导致局部铒元素间距过小，相邻铒元素之间出现非辐射交叉弛豫过程，这种局部的过高浓度，还会导致玻璃基质中产生结晶现象。所以，人们正在发展新的技术，使铒元素的掺杂非常均匀，在不引起明显的非辐射交叉弛豫过程的情况下，大幅度提高铒元素的掺杂浓度，使采用相对较大的纤芯直径成为可能。需要说明的是，在其他参数不变的情况下，增大双包层光纤纤芯直径，也能提高泵浦光的吸收效率。所以，实现高浓度铒单掺和增大纤芯直径，可以获得与铒镱共掺相当甚至更高的泵浦吸收效率，从而发展性能更好的大功率光纤放大器。

4.3 双包层泵浦高功率光放的主要优点

1）与单模纤芯泵浦技术相比，多模包层泵浦技术具有明显的优势，采用多模包层泵浦技术，是将泵浦光输入至横截面数百倍至数千倍于单模光纤的多模双包层光纤之中，因此，同样的输入光密度，多模包层泵浦可以允许数百倍至数千倍于单模泵浦的输入，从而轻易实现光纤放大器的大功率或超大功率输出。　
2）采用简单光学结构即可实现，所以应用形式简单。
3）泵浦的整体成本大幅度降低。
可以预见，超大功率光纤放大器的广泛应用，将对光通信的发展产生深远影响，其市场前景和经济、社会效益良好。