作者：
牟成博1，徐飞2
1特种光纤与光接入网重点实验室，通信与信息工程学院，上海大学
2现代工程与应用科学学院，南京大学
光纤到户、光纤网络这些听起来颇具黑科技特性的词汇早已被人熟知，与此同时，人工智能、大数据、网购等也为我们的生活带来了巨大变革，然而，很少有人注意到这背后的关键是高速数据链路。今天的大数据光纤通信的幕后英雄就是掺铒光纤放大器(EDFA），一种实现光信号直接放大的设备。
创新性的光放大研究
上世纪七十年代低损耗光纤研制成功，光纤通信得到了快速发展。但是，在EDFA发明之前，光通信网络一直停留在局域网的形式，长距离通信受限于传输损耗，不得不利用电放大的方法。光放大的EDFA发明之后，世界性的光互联网络才得以实现。事实上，很多科学家在光纤通信发展之前就对光放大进行了研究。
1962年，美国贝尔实验室物理学家Geusic和Scovil首次提出了行波光放大器的基本概念[1]。此后不久，美国光学公司的E. Snitzer等发明了光纤放大器并演示了输出波长1.06 μm的掺钕光纤放大器，光纤的芯层直径10 μm，包层0.75-1 mm，长度1 m，被包裹在闪光灯上激发钕原子[2]。
图 1964年E. Snitzer实验中的各个部件
E. Snitzer创新性地提出在光纤尾端抛光出一个角度来防止激光振荡，这种技术我们现在还在使用。他还提出放大器在通信中的可能应用、自发辐射过程中噪声的出现，并制作了第一台固态掺铒光纤激光器[3]。由于当时光通信还没有兴起，这个工作沉寂了很多年，直到含二氧化硅的玻璃光纤应用于通信中，光纤放大器才引起了广泛关注并取得突破性成功。
二十世纪七十年代早期，贝尔实验室的Stone和Burrus曾尝试利用小直径晶体光纤激光器作为光纤传输系统的潜在使用设备[4]，激光器的波长为1.06 μm。他们使用的光纤芯径最小为15 μm(通常为25-70 μm)，芯层掺杂了钕，包层是熔融石英。光纤芯径为35 μm时，890 nm的激光抽运阈值低至0.6 mW，甚至有人提出利用LED抽运激光[5]。由于商用光纤传输系统没有采用1.06 μm作为信号波段，所以这些激光器没有进入今天的光纤通信系统。
光纤发展推动了EDFA的成功
EDFA的发展首先得益于稀土掺杂单模光纤的研制。 1983年，贝尔实验室的Broer，Simpson及其同事第一次演示了稀土掺杂单模光纤, 该工作的本意是研究稀土离子在非晶宿主中弛豫机制的基本物理特性[6, 7]。这种光纤通过改良的化学汽相沉积法(MCVD)制备，芯层是纯二氧化硅，芯径为6 μm，掺杂了10 ppm的钕离子，包层是掺杂了氟的二氧化硅。而在远离钕的任意吸收峰，该光纤的背景损耗都相当高 [7]。
之后，英国南安普敦大学的Poole和同事实现了利用MCVD 技术来制造稀土离子掺杂的单模光纤 [8,9]，得到了背景损耗较小的掺杂光纤。
EDFA工作原理图。EDFA主要由抽运光源、光隔离器和掺铒光纤的部件组成，在铒离子受激辐射过程中，一小部分粒子自发辐射跃迁到基态，并在传输过程中被放大形成自发辐射噪声。
1985~ 1986年间，南安普顿大学的Payne等人有效解决了掺铒光纤(EDF)的热淬灭问题，首次用MCVD方法研制出纤芯掺杂的铒光纤，并首次提出了由镓铝砷激光器抽运掺钕单模光纤激光器[10]。掺钕光纤激光器长度2 m, 光纤两端被切平，直接对接高反镜片，抽运光由光纤一端通入并实现了1. 55 μm低损耗窗口的激光辐射。1987年，他们采用650 nm染料激光器作为抽运光源，获得了28 dB小信号增益[11,12]。
同年，AT&T 公司Bell实验室的Randy Giles和Emmanuel Desurvire等人采用514 nm氢离子激光器为抽运光源，采用半导体光源为信号光，获得了22. 4 dB的小信号增益[13]。1989年， Laming等利用980 nm、11 mW抽运功率也得到24 dB小信号增益；日本NTT实验室首次利用1. 48 μm半导体激光抽运的掺铒光纤放大器作为全光中继器放大5 Gb/s孤子脉冲，实现了100 km的无误码传输[14]。
对EDFA的研究具有重要价值
目前人们公认Dave Payne，Randy Giles，Emmanuel Desurvire是EDFA的共同发明者，2000年以后不断有传言他们要被提名诺贝尔奖，直至2009年高锟先生获得了光纤通信的诺贝尔奖，这种传言才逐渐变少。但是目前这三位在科研工作上仍非常活跃，仍有可能获得诺贝尔提名。值得一提的是，Dave Payne在20世纪80年代曾多次来中国与上海大学的黄宏嘉院士探讨、交流光纤的制备、表征等，在我们最近与Payne的一次交流中，看得出他对当年来访的细节记忆犹新。
由左至右： Emmanuel Desurvire，Randy Giles，Dave Payne
EDFA无疑是现代通信的重要组成部分，其发展很大程度上受掺铒光纤本身的限制。高掺杂铒光纤是EDFA小型化发展的重要发展方向，目前OFS和nLight等公司均可以制备掺杂浓度较高的铒光纤，但其浓度还是无法与镱元素相比。最近开始研究的中红外掺铥光纤放大器是在传统波段上的扩展，也受到了EDFA的重大启发。我们相信EDFA未来会向着高功率、小型化、低成本的方向发展，对EDFA的深入研究也对新的通信波段、光纤激光器、激光雷达等研究有着重要的参考价值。
作者简介：
牟成博，上海大学特种光纤与光接入网重点实验室教授，中国激光杂志社青年编委会编委。2012年英国阿斯顿大学阿斯段光子技术研究所获光子学博士。2015年首批上海市“青年东方学者”获得者，2016年国家“青年千人计划”入选者。英国皇家医学会准会员，美国光学学会会员，英国工程技术研究所准会员。主要研究领域为超短脉冲的偏振动力特性，新型脉冲光纤激光器，用于光纤激光器的先进光纤光栅器件，纳米光子学等。
徐飞，南京大学现代工程与应用科学学院教授，英国南安普顿大学光电研究中心博士。曾获国家基金委“优秀青年基金”和教育部”新世纪人才计划“。主要研究方向为超小型光纤器件及其在传感和激光技术上的应用，微纳米器件的光力和非线性效应及基于非线性光子晶体的激光变频和声光电调谐技术等。
参考文献：
[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
End
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