2.4.4 光放大领域的新技术及发展趋势
光放大领域的新技术主要是在超低噪声系数、放大增益谱两个方面进行提升，目前有如下几个具体的方向和路径。
1．超低噪声系数方向
噪声系数是光放大技术领域的核心制约因素，并在行业内面临着3dB 的理论极限挑战，因此，超低噪声系数的放大技术一定是智慧光网络在连接层进行技术突破的主要方向。
（1）超低噪声系数的掺杂光纤
目前基于掺铒光纤及980nm、1480nm 波长泵浦激光器开发的EDFA 的应用已经非常成熟。噪声系数的理论极限在3dB，批量应用的EDFA 产品的噪声系数大多也在5dB 左右。由于高波特率器件日益成熟，超400Gbit/s 的传输也越来越多。高速率信号对于系统OSNR 的要求更高，对光放大器也提出了更高的要求。
近几年的研究发现，采用氟化物光纤制成的掺铒氟化物光纤放大器（EDFFA）具有更大的平坦增益带宽，其增益平坦性优于掺铒石英光纤放大器（EDSFA）。EDFFA 和EDSFA
的典型放大自发辐射（ASE，Amplified Spontaneous Emission）光源谱对比证实，EDFFA 在1532 ～ 1560nm 波长范围内展示了较平坦的增益。然而，氟化物光纤的制造及其可靠性方面还存在一些问题，特别是受噪声系数的限制，EDFFA 不能被980nm 波长泵浦光激发，而掺铒石英光纤在980nm 泵浦时，噪声系数却可以达到量子极限值。因此，为使EDFFA 具有较低的噪声系数，还需解决泵浦问题。现已提出的方案包括多级多泵浦结构和加入泵浦反射器等，虽然解决了部分问题，但其代价是复杂的结构和较高的成本。
（2）高阶拉曼放大
前文在FRA 章节所介绍的内容主要是采用一阶多泵浦源的结构。而随着传输距离的不断增大，噪声会被不断地积累、放大，进而严重影响传输的质量。采用高阶结构的FRA 可以解决上述问题，减少传输噪声，改善SNR。高阶FRA 一般为二阶或三阶结构。国外对高阶FRA 展开的研究较早，其中二阶略早于三阶，20 世纪初已有相关研究。2005 年出现三阶
FRA 相关的研究，2015 年后出现三阶FRA 应用的报道。国内目前已有二阶FRA 产品的应用，三阶FRA 尚无成熟产品问世。高阶FRA 是一种接力放大，在已有一阶泵浦光的前提下，在高于一阶泵浦光频率的一个斯托克斯频移位置，即波长为1300nm 处加入二阶泵浦光，二阶泵浦光对一阶泵浦进行放大，被放大后的一阶泵浦光再对信号光进行放大。图2-22 所示的是典型的三阶后向分布式FRA 设计。
图2-22 三阶后向分布式FRA 示意
高阶FRA 的优势主要是在实现更高增益的同时，具有更低的等效噪声系数和更高的系统Q 因子。需要注意的是，由于高阶FRA 利用的是低频率高阶泵浦光的多次斯托克斯频移，而泵浦光需要超过一定阈值才能产生SRS 效应，这就要求泵浦阶数越大，泵浦功率越大，三
阶泵浦源功率可高达几瓦。
随着高速率、大容量光纤通信技术的迅速发展，以及一些长距传输网络需求的增长，如电力专网、海缆通信这种长距离网络的需求，高阶FRA 将有更广阔的发展空间。后续可寻求体积更小、寿命更长、价格更低廉的泵浦激光器，将更有利于高阶FRA 的应用和推广。也可在泵浦控制对系统性能的影响上多进行研究，实现更智能、更高效的泵浦控制。
（3）相位敏感放大器
根据量子力学中的不确定理论，前文所述的各种放大器（如EDFA）都属于相位不敏感放大器，噪声系数都不可能低于3dB。而相位敏感放大器可以实现超低噪声线性放大，根据光的平均相位进行放大，理论上有0dB 的噪声系数。相位敏感放大器对相位很敏感，它只对和泵浦光同相的光进行放大，而对其他的光，不但没有放大作用甚至会对它们进行衰减，其中对与信号光正交的光的衰减最为强烈。
连续信号光由掺铒光纤激光器产生，通过脉冲波形发生器（PPG）驱动铌酸锂马赫- 曾德尔调制器来调制，而后输入到非线性光纤环镜（NOLM，Nonlinear Optical Loop Mirror）中。NOLM 是在频域内转换参量的放大单元，通过相位提取单元使泵浦光与信号光同步。
与EDFA 中对光信号在铒纤中进行放大所不同的是，相位敏感的放大是由NOLM 来实现的。它主要利用了NOLM 中的FWM 效应。用一段光纤将光纤耦合器的两个输出端口连
接起来形成一个环，这样就可以构成一个NOLM。其中非线性光纤是这种放大器的关键。近年来出现了强非线性效应的色散位移光纤，采用这种光纤作为NOLM 的作用介质，可以大大减少所需的光纤长度。
目前阶段，相敏放大器相比现在广泛应用的EDFA，它的实现原理和构成复杂度显著提高，传输容量相对较小，对于光信号也有要求，离工程实用还有较大的距离。
2．放大增益谱技术
放大增益谱直接描述了放大器的增益特性，一般包括整体增益谱宽和增益谱平坦度等。在前面的光纤技术章节介绍的多波段光传输中提到，目前真正商用的光传输波段只占所有波段中有限的一部分，因此在光放大技术领域，也需要匹配对应的技术。
对于掺杂稀土元素的放大器而言，增益平坦带宽由基质中掺杂离子的吸收和发射系数决定。随着宽带需求的提高，对更大增益带宽的放大器提出了更高的要求。目前L 波段放大器的研究已逐渐成熟，L 波段EDFA 是在C 波段EDFA 的基础上进行了增益位移，为了实现增益位移，L 波段EDFA 通常使用较长的掺铒光纤，稀土掺杂光纤的非线性系数较大，需要减小铒纤长度，同时为了满足泵浦吸收率来实现增益位移，需要更高掺杂浓度来减小铒纤的长度。
高掺杂浓度会引起浓度猝灭现象，浓度猝灭会造成能量的浪费。通过掺入不同元素可以实现浓度猝灭的抑制。磷元素的掺入，可以使铒离子更容易掺入，不容易发生浓度猝灭。铝元素的掺入，使得增益谱宽和平坦度增大。
掺铒光纤目前可以实现C+L 波段的增益放大，依然有大部分光纤通信窗口的低损耗波段没有被充分利用，为了进一步增大增益带宽，最近，有铋离子掺杂玻璃和铋离子掺杂光
纤研究的报道，在976nm 泵浦光激励下，掺铋光纤的荧光光谱范围为1000 ～ 1400nm，在793nm 和808nm 泵浦激光激励下可以产生1000 ～ 1700nm 的超宽带荧光。虽然最近关于掺铋光纤取得的研究成果为开发工作波长位于1100 ～ 1600nm 波段范围的新型宽带光纤放大器和激光提供了基础，但是在这些光纤激光器被实际应用之前，仍有许多基础的科学问题和关键的技术问题亟待解决，比如铋元素近红外辐射中心的本质仍有争议，对掺铋光纤的光谱特性、光增益及激光激射的基本机理了解得还很少。对于如何进一步提高掺铋光纤器件的性能，特别是如何实现全波段的光放大和激光激射等，仍需进行大量的研究工作。
