从EDFA到BDFA：应对光纤通信波段扩展的挑战

图2 Er3+能级及EDFA 工作原理示意图

EDFA的应用

EDFA的放大波段位于1550 nm附近，与石英光纤的低损耗窗口一致，拥有极低的传输损耗，且放大性能优异，可用于对光信号的前置、中继和后置放大。

（1）在密集波分复用系统中的应用

密集波分复用（DWDM）是指在一根光纤中间，能够同时传输多个波长间隔很短信号的技术，其原理如图3所示。在发射端，合波器将多种不同波长的光载波汇合在一起，耦合到同一根光纤中进行传输；在接收端，经分波器将各种波长的光载波分离，各个单波送到相应的接收机上，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。

图3 DWDM的工作原理

结合EDFA技术，可以在一根光纤中同时传输几十甚至上百路光信号波，同时实现对多路信号的放大传输，充分利用了光纤资源，极大地降低了线路建设成本。

（2）在有线电视网络中的应用

图4是有线电视网络（CATV）系统的示意图。光发射机发射的光信号经过EDFA放大后由光分路器分配到各支路，一部分信号直接传输到光接收机，另一部分则通过EDFA放大后继续向下一个站点传输。

图4 CATV系统示意图

EDFA 在CATV系统中发挥着重要作用，它可以在长距离传输CATV信号时显著减小光发射机的数量。在地级市和县级市的联网中，只需要一个总前端就能实现信号的传输，在此基础上采用DWDM技术还能有效提升系统的容量，大大节约了CATV网络的成本。

EDFA的发展史及现状

1985 年，英国南汉普顿大学成功研制出了EDFA。经过各国科学家多年的努力，EDFA已成为当前光纤通信系统中应用最广的光放大器件。国外对于EDFA研究较早，在EDFA的增益平坦控制、远距离传输以及C+L波段放大等技术方面遥遥领先。美国Corning公司是全球最大的光纤生产商，他们采用外部气相沉积法（OVD）制备的ER 1600L3特种光纤具有优良的掺杂均匀性，在1565 nm-1610 nm增益十分平坦；日本NEC公司研发了一种多级、线性和非线性星座优化算法，使用C+L波段EDFA在单根光纤上首次实现了超过11000 km的50.9 Tbps传输容量，接近香农极限；美国IPG公司的EAR系列放大器支持DWDM和单通道放大，输出功率高达33 dBm，在长距离传输中也能获得较高的增益。

我国在20世纪90年代才开始研究EDFA，虽然起步较晚，但发展迅猛。以武汉邮电科学研究院为代表的研究单位已经研发出小型化、低成本、实用化的EDFA模块，完成了多种类型产品的定型，并自主研发生产全新的EDFA系列产品。国内的头部企业，如光迅、飞通、华为、中兴、昂纳、霍普等，都已具备自主研发及生产 EDFA的能力，技术上正不断追赶国际水平。

EDFA面临的发展困境及解决方案

5G时代的来临使得人类社会对于信息传输速度和容量需求急速上升，如何实现超大容量信息传输，成了光纤通信系统的头号难题。根据光纤传输的原理，提高系统的传输容量有三个最直接有效的方法：

（1）提高光纤单信道的传输速率。单个波长速率的提升可以大大提高整个系统的通信容量，但香农公式限制了单一信号传输容量的理论上限，而且还存在着“电子瓶颈”效应问题，因此很难实现突破。

（2） 增加信号传输的信道数量。在DWMD系统中，国际电信联盟（ITU）的建议信道间隔为0.8 nm，大约可以容纳40路光信号同时传播。进一步减小信道的间隔虽然可以成倍地增加信道数量，但也意味着需要对激光器的输出波长进行十分精确的调控，这对于激光器和滤波器都提出了更高的要求，而且还可能会带来四波混频（FWM）等非线性效应，这也严重阻碍了通信容量的增加。

（3）开发新的通信波段。Er3+的发光取决于4f电子的跃迁，由于受到5s2和 5p6的电子的屏蔽，导致其受周围环境变化的影响非常小，发光峰位稳定且宽带较窄，因此EDFA只能支持1535 nm-1565 nm光信号的放大。但从图5中可以看到，1300 nm-1700 nm的波段理论上损耗都很低，导致石英光纤的超低损耗窗口很大一部分没有得到有效的利用。

图5 石英光纤的损耗谱和未使用的放大波段[1]

EDFA的发展方向

EDFA是增益特性最好的光放大器，但较窄的放大带宽严重限制了它的进一步应用。拉曼光纤放大器（RFA）具有很宽的增益带宽和较小的噪声系数，但是增益效果却不如EDFA，因而未能大规模商用。近年来，人们发现如果把RFA和EDFA级联起来组成混合拉曼掺铒光纤放大器，就可以融合它们各自的优点，获得平坦的宽带增益谱，既能提高系统的带宽，又改善了信噪比，恰好适应现代系统发展的要求。此外，为了更好地进行商业应用，围绕着EDFA的小型智能化、增益平坦化和增益的自动控制等技术也在不断的研究中。

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新型掺铋（Bi）增益材料

从长远角度看，尽可能地拓宽数据传输的带宽，是缓解数据传输压力问题的根本途径。这也意味着研制近红外发光材料，特别是能覆盖第二通信窗口（~1310 nm）的超宽带近红外发光光纤材料，成为光放大器进一步发展的关键。

Bi宽带荧光的发现

1999年，日本大阪大学K. Murata等发现掺Bi石英玻璃在500 nm激发下能够发射出一个中心波长1150 nm、半高宽150 nm的宽带近红外发光，如图6所示。其发光范围远远大于稀土离子，能够有效地覆盖石英光纤低损耗窗口，因此他们预测该材料可用于实现近红外波段激光输出和放大。这一发现迅速吸引了研究人员的目光，随即国内外越来越多的单位开始投入到这一领域的探索中。

图6 掺Bi石英玻璃的荧光光谱[2]

掺Bi光纤的发光特性

Bi是83号元素，在化学元素周期表中位于第六周期VA族，它的电子构型为1s22s2p63s2p6d104s2p6d10f145s2p6d106s2p3，具有Bi5+、Bi3+、Bi2+、Bi+、Bi0等多种价态。Bi的近红外发光中心极不稳定，容易受到基质、组分和制备工艺的影响，因此目前还没有找到描述Bi近红外发光的通用规律。

为了增强掺Bi光纤的近红外发光及拓宽其发射谱，研究者们尝试在石英基质中掺杂磷、铝、锗等元素来调控掺Bi光纤的组分，使其近红外发光覆盖900 nm-1800 nm波段。同时，他们不断改进光纤的制备工艺，采用改进的化学气相沉积法（MCVD）制备出了低损耗的掺Bi光纤，证明了其能用于光纤通信的可能性。图7和图8分别给出了不同组分的掺Bi石英光纤的发光波段和损耗谱。

图7 不同组分掺Bi石英光纤的发射光谱[3]

图8 不同组分掺Bi石英光纤的损耗谱[3]

掺Bi光纤的放大性能

2005年，俄罗斯科学院V.V.Dvoyrin等利用MCVD做出第一根掺Bi光纤，并进行了放大测试。随后，关于掺Bi光纤放大器（BDFA）的研究捷报频传，目前已经在多个波段都实现了性能优异的光信号放大。2019年，英国南汉普顿大学N.K.Thipparapu等发现双通道结构能显著提升增益，在1300 nm-1360 nm波段实现了最高39 dB的增益，是当前获得的最好成绩，增益性能达到了商用的EDFA水平，在光纤通信领域展示了巨大的应用潜力。

与此同时，各种高性能的掺Bi光纤激光器层出不穷，在BDFA研制中可以作为光信号源。它的出现满足了BDFA对不同波长的光信号的需求，为光纤通信系统新波段的开发提供了优质的信号光源。图9展示了目前掺Bi光纤激光器的输出功率、峰位及对应的抽运波长。

图9 掺Bi光纤激光器的输出功率、峰位及对应的抽运波长[3]

BDFA的放大波段主要集中于O波段，靠近石英光纤低损耗的通信窗口，且增益带宽较宽，也具有与EDFA类似的高增益、低噪声的放大特性，满足了作为光纤放大器的基本条件。此外，通过改变掺杂组分，BDFA可以将放大波段拓展至更远的波段，拥有EDFA无法比拟的巨大优势，将来有望成为新一代光纤通信中不可或缺的光器件。

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总结

光放大技术是光纤通信中最为关键的支撑技术之一，以EDFA为主流的光纤放大器的出现极大地推动了光纤通信的发展。当今社会对通信的要求不断提高，EDFA也需要不断提升各类性能，提高自身的竞争力，更好地迎接未来的挑战。

为了从根本上解决制约通信发展的问题，人们开始把目光聚焦于通信波段的拓宽上。Bi的超宽带发光为开发新的通信波段带来了可能，是解决高速通信根本问题最有潜力的增益介质。经过十几年的发展，掺Bi光纤材料已经在激光器和放大器上取得了重大突破，特别是BDFA的放大性能已经接近目前商用EDFA的水平，不远的将来必定能在光纤通信领域有一番作为。

参考文献

1. Dianov E. M. Amplification in Extended Transmission Bands Using Bismuth-Doped Optical Fibers[J]. Lightwave Technology，2013，31(4)，681–688.

2. Murata K，Fujimoto Y，Kanabe T. Bi-Doped SiO2 as a New Laser Material for an Intense Laser[J]. Fusion Engineering & Design，1999，44(1): 437-439.

3. Dianov E，Semjonov S，Bufetov I. New generation of optical fibres[J]. Quantum Electronics，2016，46(1): 1-10.

作者简介

杨晶，北京工业大学硕士研究生，主要从事掺铋玻璃光纤制备、掺铒光纤放大器方向的研究。

郑保罗，北京工业大学博士研究生，主要从事稀土掺杂预制棒、光纤制备和光纤激光器方向的研究。

王璞，北京工业大学教授、博导，主要从事高功率超快激光技术、中红外光纤激光技术以及特种光纤技术方向的研究。返回搜狐，查看更多