EDFA的30年發展,再不了解就太不懂光纖通信了!

作者：

牟成博1，徐飛2

1特種光纖與光接入網重點實驗室，通信與信息工程學院，上海大學

2現代工程與應用科學學院，南京大學

光纖到戶、光纖網絡這些聽起來頗具黑科技特性的詞彙早已被人熟知，與此同時，人工智慧、大數據、網購等也為我們的生活帶來了巨大變革，然而，很少有人注意到這背後的關鍵是高速數據鏈路。今天的大數據光纖通信的幕後英雄就是摻鉺光纖放大器(EDFA），一種實現光信號直接放大的設備。

創新性的光放大研究

上世紀七十年代低損耗光纖研製成功，光纖通信得到了快速發展。但是，在EDFA發明之前，光通信網絡一直停留在區域網的形式，長距離通信受限於傳輸損耗，不得不利用電放大的方法。光放大的EDFA發明之後，世界性的光網際網路才得以實現。事實上，很多科學家在光纖通信發展之前就對光放大進行了研究。

1962年，美國貝爾實驗室物理學家Geusic和Scovil首次提出了行波光放大器的基本概念[1]。此後不久，美國光學公司的E. Snitzer等發明了光纖放大器並演示了輸出波長1.06 μm的摻釹光纖放大器，光纖的芯層直徑10 μm，包層0.75-1 mm，長度1 m，被包裹在閃光燈上激發釹原子[2]。

圖 1964年E. Snitzer實驗中的各個部件

E. Snitzer創新性地提出在光纖尾端拋光出一個角度來防止雷射振蕩，這種技術我們現在還在使用。他還提出放大器在通信中的可能應用、自發輻射過程中噪聲的出現，並製作了第一臺固態摻鉺光纖雷射器[3]。由於當時光通信還沒有興起，這個工作沉寂了很多年，直到含二氧化矽的玻璃光纖應用於通信中，光纖放大器才引起了廣泛關注並取得突破性成功。

二十世紀七十年代早期，貝爾實驗室的Stone和Burrus曾嘗試利用小直徑晶體光纖雷射器作為光纖傳輸系統的潛在使用設備[4]，雷射器的波長為1.06 μm。他們使用的光纖芯徑最小為15 μm(通常為25-70 μm)，芯層摻雜了釹，包層是熔融石英。光纖芯徑為35 μm時，890 nm的雷射抽運閾值低至0.6 mW，甚至有人提出利用LED抽運雷射[5]。由於商用光纖傳輸系統沒有採用1.06 μm作為信號波段，所以這些雷射器沒有進入今天的光纖通信系統。

光纖發展推動了EDFA的成功

EDFA的發展首先得益於稀土摻雜單模光纖的研製。 1983年，貝爾實驗室的Broer，Simpson及其同事第一次演示了稀土摻雜單模光纖, 該工作的本意是研究稀土離子在非晶宿主中弛豫機制的基本物理特性[6, 7]。這種光纖通過改良的化學汽相沉積法(MCVD)製備，芯層是純二氧化矽，芯徑為6 μm，摻雜了10 ppm的釹離子，包層是摻雜了氟的二氧化矽。而在遠離釹的任意吸收峰，該光纖的背景損耗都相當高[7]。

之後，英國南安普敦大學的Poole和同事實現了利用MCVD 技術來製造稀土離子摻雜的單模光纖[8,9]，得到了背景損耗較小的摻雜光纖。

EDFA工作原理圖。EDFA主要由抽運光源、光隔離器和摻鉺光纖的部件組成，在鉺離子受激輻射過程中，一小部分粒子自發輻射躍遷到基態，並在傳輸過程中被放大形成自發輻射噪聲。

1985~ 1986年間，南安普頓大學的Payne等人有效解決了摻鉺光纖(EDF)的熱淬滅問題，首次用MCVD方法研製出纖芯摻雜的鉺光纖，並首次提出了由鎵鋁砷雷射器抽運摻釹單模光纖雷射器[10]。摻釹光纖雷射器長度2 m, 光纖兩端被切平，直接對接高反鏡片，抽運光由光纖一端通入並實現了1. 55 μm低損耗窗口的雷射輻射。1987年，他們採用650 nm染料雷射器作為抽運光源，獲得了28 dB小信號增益[11,12]。

同年，AT&T 公司Bell實驗室的Randy Giles和Emmanuel Desurvire等人採用514 nm氫離子雷射器為抽運光源，採用半導體光源為信號光，獲得了22. 4 dB的小信號增益[13]。1989年， Laming等利用980 nm、11 mW抽運功率也得到24 dB小信號增益；日本NTT實驗室首次利用1. 48 μm半導體雷射抽運的摻鉺光纖放大器作為全光中繼器放大5 Gb/s孤子脈衝，實現了100 km的無誤碼傳輸[14]。

對EDFA的研究具有重要價值

目前人們公認Dave Payne，Randy Giles，Emmanuel Desurvire是EDFA的共同發明者，2000年以後不斷有傳言他們要被提名諾貝爾獎，直至2009年高錕先生獲得了光纖通信的諾貝爾獎，這種傳言才逐漸變少。但是目前這三位在科研工作上仍非常活躍，仍有可能獲得諾貝爾提名。值得一提的是，Dave Payne在20世紀80年代曾多次來中國與上海大學的黃宏嘉院士探討、交流光纖的製備、表徵等，在我們最近與Payne的一次交流中，看得出他對當年來訪的細節記憶猶新。

由左至右： Emmanuel Desurvire，Randy Giles，Dave Payne

EDFA無疑是現代通信的重要組成部分，其發展很大程度上受摻鉺光纖本身的限制。高摻雜鉺光纖是EDFA小型化發展的重要發展方向，目前OFS和nLight等公司均可以製備摻雜濃度較高的鉺光纖，但其濃度還是無法與鐿元素相比。最近開始研究的中紅外摻銩光纖放大器是在傳統波段上的擴展，也受到了EDFA的重大啟發。我們相信EDFA未來會向著高功率、小型化、低成本的方向發展，對EDFA的深入研究也對新的通信波段、光纖雷射器、雷射雷達等研究有著重要的參考價值。

作者簡介：

牟成博，上海大學特種光纖與光接入網重點實驗室教授，中國雷射雜誌社青年編委會編委。2012年英國阿斯頓大學阿斯段光子技術研究所獲光子學博士。2015年首批上海市「青年東方學者」獲得者，2016年國家入選者。英國皇家醫學會準會員，美國光學學會會員，英國工程技術研究所準會員。主要研究領域為超短脈衝的偏振動力特性，新型脈衝光纖雷射器，用於光纖雷射器的先進光纖光柵器件，納米光子學等。

徐飛，南京大學現代工程與應用科學學院教授，英國南安普頓大學光電研究中心博士。曾獲國家基金委「優秀青年基金」和教育部」新世紀人才「。主要研究方向為超小型光纖器件及其在傳感和雷射技術上的應用，微納米器件的光力和非線性效應及基於非線性光子晶體的雷射變頻和聲光電調諧技術等。

參考文獻：

[1] J. E. Geusic and H. E. D. Scovil, Bell Syst. Tech. J. 41, 1371 (1962).

[2] C. J. Koester and E. Snitzer, Appl. Opt. 3, 1182 (1964).

[3] E. Snitzer and R. Woodcock, Appl Phys. Lett. 6,45 (1965).

[4] J. Stone and C. A. Burrus, Appl. Phys. Lett. 23, 388 (1973).

[5] J. Stone, C. A. Burrus, A. G. Dentai, and B. I. Miller, Appl. Phys. Lett. 29, 37 (1976).

[6] J. Hegarty, M. M. Broer, B. Golding, J. R. Simpson, and J. B. MacChesney, Phys. Rev. Lett. 51, 2033 (1983).

[7] M. M. Broer, B. Golding, W. H. Heanmierle, and J. R. Simpson, Phys. Rev. B 33,4160 (1986).

[8] S. B. Poole, D.N. Payne, and M.E. Fermann, Elect. Lett. 21, 737 (1985).

[9] S.B. Poole, D. N. Payne, R. J. Mears, M. E. Fermann,and R. I. Laming, J. Light.Tech. 21, 737 (1985).

[10] R. J. Mears, L. Reekie, S. B. Poole, and D. N. Payne, Elect. Lett. LT-4, 870(1986).

[11] R. J. Mears, L. Reekie, I. M. Jauncie, and D. N. Payne, "High-gain rare-earth doped fiber amplifier at 1.54 /xm," in Optical Fiber Communication Conference, Vol. 3, 1987 OSA Technical Digest Series, (Optical Society of America, Washington, DC, 1987) p. 167.

[12] R. J. Mears, L. Reekie, I. M. Jauncie, and D. N. Payne, Elect. Lett. 23, 1026(1987).

[13] E. Desurvire, J. R. Simpson, and R C. Becker, Opt. Lett. 12, 888 (1987). High-gain erbium-doped traveling-wave fiber amplifier_ Transient gain and cross talk in erbium-doped fiber amplifiers

[14] Erbium-Doped Fiber Amplifiers Fundamentals and Technology A volume in Optics and Photonics1999, Pages 1–11 Author(s):P.C. Becker, N.A. Olsson and J.R. Simpson

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