什么是光釬放大器

光纖放大器的作用及分類

   光纖放大器主要有兩種類型：半導體光放大器（SOA）和光纖放大器（OFA）。半導體光放大器利用半導體材料固有的受激輻射放大機制，實現光放大，其原理和結構與半導體激光器相似。光纖放大器與半導體放大器不同，光纖放大器的活性介質（或稱增益介質）是一段特殊的光纖或傳輸光纖，并且和泵浦激光器相連；當信號光通過這一段光纖時，信號光被放大。光纖放大器又可以分為摻稀土離子光纖放大器（RareEarthIonDopedFiberAmplifier）和非線性光纖放大器。像半導體放大器一樣，摻稀土離子光纖放大器的工作原理也是受激輻射；而非線性光纖放大器是利用光纖的非線性效應放大光信號。實用化的光纖放大器有摻鉺光纖放大器（EDFA）和拉曼光纖放大器（RamanFiberAmplifier）。

   光纖放大器不但可對光信號進行直接放大，同時還具有實時、高增益、寬帶、在線、低噪聲、低損耗的全光放大功能，是新一代光纖通信系統(tǒng)中必不可少的關鍵器件；由于這項技術不僅解決了衰減對光網絡傳輸速率與距離的限制，更重要的是它開創(chuàng)了1550nm頻段的波分復用，從而將使超高速、超大容量、超長距離的波分復用（WDM）、密集波分復用（DWDM）、全光傳輸、光孤子傳輸等成為現實，是光纖通信發(fā)展史上的一個劃時代的里程碑。在目前實用化的光纖放大器中主要有摻鉺光纖放大器（EDFA）、半導體光放大器（SOA）和光纖拉曼放大器（FRA）等，其中摻鉺光纖放大器以其優(yōu)越的性能現已廣泛應用于長距離、大容量、高速率的光纖通信系統(tǒng)、接入網、光纖CATV網、軍用系統(tǒng)（雷達多路數據復接、數據傳輸、制導等）等領域，作為功率放大器、中繼放大器和前置放大器。

   光纖放大器一般都由增益介質、泵浦光和輸入輸出耦合結構組成。目前光纖放大器主要有摻鉺光纖放大器、半導體光放大器和光纖拉曼放大器三種，根據其在光纖網絡中的應用，光纖放大器主要有三種不同的用途：在發(fā)射機側用作功率放大器以提高發(fā)射機的功率；在接收機之前作光預放大器以極大地提高光接收機的靈敏度；在光纖傳輸線路中作中繼放大器以補償光纖傳輸損耗，延長傳輸距離。

摻鉺光纖放大器

   摻鉺光纖放大器是利用摻鉺光纖這一活性介質，當泵浦光輸入到EDF中時，就可以將大部分處于基態(tài)的Er3+抽運到激發(fā)態(tài)上，處于激發(fā)態(tài)的Er3+又迅速無輻射地轉移到亞穩(wěn)態(tài)上，由于Er3+在亞穩(wěn)態(tài)上的平均停留時間為10ms，因此很容易在亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)之間形成粒子數反轉，此時，信號光子通過摻鉺光纖，在受激輻射效應作用下產生大量與自身完全相同的光子，使信號光子迅速增多，這樣在輸出端就可以得到被不斷放大的光信號。自80年代末至90年代初研制成摻鉺光纖放大器（EDFA），并開始應用于1.55mm頻段的光纖通信系統(tǒng)以來，推動了光纖通信向全光傳輸方向發(fā)展，且目前EDFA的技術開發(fā)和商品化最成熟；應用廣泛的C波段EDFA通常工作在1530~1565nm光纖損耗最低的窗口，具有輸出功率大、增益高、與偏振無關、噪聲指數低、放大特性與系統(tǒng)比特率和數據格式無關，且同時放大多路波長信號等一系列的特性，在長途光通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。其不足是C-BandEDFA的增益帶寬只有35nm，僅覆蓋石英單模光纖低損耗窗口的一部分，制約了光纖固有能夠容納的波長信道數；然而隨著因特網技術的迅速發(fā)展，要求光纖傳輸系統(tǒng)的傳輸容量要不斷地擴大，面對傳輸容量的擴大，目前主要有三種解決途徑：（1）增加每個波長的傳輸速率；（2）減少波長間距；（3）增加總的傳輸帶寬。對于第一種辦法，如果速率提高到10Gbit/s將帶來新的色散補償問題，況且現在的電子系統(tǒng)還存在著所謂"電子瓶頸"效應問題。第二種辦法如果將信號間距從100GHz降低到50GHz或25GHz將給系統(tǒng)帶來四波混頻（FWM）等非線性效應，且要求系統(tǒng)采用波長穩(wěn)定技術。從而研究新的光纖放大器如L波段的EDFA是增加總的傳輸帶寬的一種，它將EDFA工作波長由C波段1530~1560nm擴展到L波段1570~1605nm，使EDFA的放大增益譜擴展了一倍。盡管L波段EDFA的波長覆蓋了EDF增益譜的尾部，但仍可與性能先進的C波段EDFA產品相媲美：例如兩者的基本結構相類似，大多數C波段EDFA的設計和制造技術仍可應用于L波段EDFA研制；L波段EDFA有較小的輻射和吸收以及較低的平均反轉因子，增益波動系數遠小于C波段EDFA，所存在的是L波段EDFA的EDF較長帶來無源光纖損耗較大，放大噪聲稍大等不足。

半導體光放大器

   半導體光放大器（SOA）是采用通信用激光器相類似的工藝制作而成的一種行波放大器，當偏置電流低于振蕩閾值時，激光二極管就能對輸入相干光實現光放大作用。由于半導體放大器具有體積小、結構較為簡單、功耗低、壽命長、易于同其它光器件和電路集成、適合批量生產、成本低，可實現增益兼開關功能等特性，在全光波長變換、光交換、譜反轉、時鐘提取、解復用中的應用受到了廣泛的重視，特別是目前應變量子阱材料的半導體光放大器的研制成功，已引起人們對SOA的廣泛研究興趣。國內武郵院與華中科技大學合作成功地研制開發(fā)了在光網絡中的關鍵器件--半導體光放大器，并很快實現了產品化，成為繼Alcatel公司之后能夠批量供應國際市場應用于光開關的半導體光放大器的供貨商，這標志著我國自行研制的應變量子阱器件邁出了商品化生產的關鍵一步。但半導體光放大器與摻鉺光纖放大器相比存在著噪聲大、功率較小、對串擾和偏振敏感、與光纖耦合時損耗大，工作穩(wěn)定性較差等缺陷，迄今為止，其性能與摻鉺光纖放大器仍有較大的差距。又由于半導體光放大器覆蓋了1300~1600nm波段，既可用于1300nm窗口的光放大器，也可以用于1550nm窗口的光放大器，且在DWDM多波長光纖通信系統(tǒng)中，無需增益鎖定，那么它不僅可作為光放大器一種有益的選擇方案，而且還可以促成1310nm窗口DWDM系統(tǒng)的實現。

光纖拉曼放大器

   受激拉曼散射（SRS）是光纖中的一種非線性現象，它將一小部分入射光功率轉移到頻率比其低的斯托克斯波上；如果一個弱信號與一強泵浦光波同時在光纖中傳輸，并使弱信號波長置于泵浦光的拉曼增益帶寬內，弱信號光即可以得到放大，這種基于受激拉曼散射機制的光放大器即稱為光纖拉曼放大器（FRA）。近年來光纖拉曼放大器倍受關注，已成為研制開發(fā)的熱點，它具有許多優(yōu)點：（1）增益介質為普通傳輸光纖，與光纖系統(tǒng)具有良好的兼容性；（2）增益波長由泵浦光波長決定，不受其它因素的限制，理論上只要泵浦源的波長適當，就可以放大任意波長的信號光；（3）增益高、串擾小、噪聲指數低、頻譜范圍寬、溫度穩(wěn)定性好。