實用光放大器研究

翟莉+丁旖+黃煒

【摘 要】采用光放大器是光纖通信系統發展的必然趨勢，本文簡單介紹了三種目前已經實用的光放大器的工作原理及應用范圍。

【關鍵詞】光放大器 光信號

多年來，人們一直在探索能否去掉上述光-電-光轉換過程，直接在光路上對信號進行放大，然后再傳輸，即用一個全光傳輸中繼器代替目前的這種光-電-光再生中繼器。經過多年的努力，科學家們已經發明了幾種光放大器，其中摻鉺光纖放大器、分布光纖拉曼放大器和半導體光放大器技術已經成熟，眾多公司已有商品出售。

一、半導體光放大器（SOA）

SOA的放大原理與半導體激光器的工作原理相同，也是利用能級間受激躍遷而出現粒子數反轉的現象進行光放大。SOA有兩種：一種是將通常的半導體激光器當作光放大器使用，稱作F—P半導體激光放大器（FPA）；另一種是在F—P激光器的兩個端面上涂有抗反射膜，消除兩端的反射，以獲得寬頻帶、高輸出、低噪聲。

早在半導體激光器出現時，就開始了對SOA的研究，但由于初期的半導體材料激光放大器偏振靈敏度較高，使得SOA一度沉寂。但近幾年來應變量子材料的研制成功，克服了偏振敏感的缺點，性能也有許多改進。半導體光放大器的增益可以達到30dB以上，而且在1310nm窗口和1550nm窗口上都能使用。如能使其增益在相應使用波長范圍保持平坦，那么它不僅可以作為光放大的一種有益的選擇方案，還可促成l310nm窗口WDM系統的實現。

SOA的優點是：結構簡單、體積小，可充分利用現有的半導體激光器技術，制作工藝成熟，成本低、壽命長、功耗小，且便于與其他光器件進行集成。另外，其工作波段可覆蓋l.3～1.6μm波段，這是EDFA或PDFA所無法實現的。但最大的弱點是與光纖的耦合損耗太大，噪聲及串擾較大且易受環境溫度影響，因此穩定性較差。SOA除了可用于光放大外，還可以作為光開關和波長變換器。

二、光纖拉曼放大器

1.分布式拉曼光纖放大器（LRA）。

分布式拉曼放大器基于光纖受激拉曼散射（SRS）效應，一般采用反向泵浦方式，實現方法如下：將高功率連續運轉激光從光纖跨段的輸出端注入傳輸光纖，該泵浦光的傳輸方向與信號光傳輸方向相反。、低噪聲系數分布式拉曼放大器可以有效克服四波混頻等非線性效應的影響，并改善系統的光信噪比（OSNR）。

2.分立式拉曼光纖放大器（DRA）。

分立式拉曼放大器采用的放大介質通常是色散補償光纖或高非線性光纖，比如DCF光纖或者碲基光纖。目前DCF光纖拉曼增益系數比SMF提高了10倍左右，作為拉曼增益介質后還可以組成色散補償模塊（DCM）。采用碲基光纖，其拉曼增益系數比石英光纖高16倍，峰值達到55W/km。

目前，分布式光纖拉曼放大器進展很快，國外很多長距離、超大容量的密集波分復用光通訊系統（DWDM）所使用的光放大器大多是分布式光纖拉曼放大器，這不僅可以充分利用光纖資源，降低成本，而且可以降低增益介質中的光密度，以便減少由于非線性效應產生的四波混頻、信道間串擾所引起的系統性能劣化。但拉曼放大器的增益較低（實際線路中使用時不超過16dB），而EDFA雖然噪聲指數上不如拉曼放大器，但小信號增益可以超過30dB，因此將拉曼放大器與EDFA結合起來的混合放大器是一種理想的應用形式。

三、摻鉺光纖放大器

使用鉺離子作為增益介質的光纖放大器稱為摻鉺光纖放大器（EDFA）。這些離子在光纖制作過程中被摻入光纖的纖芯中，使用泵浦光直接對光信號放大，提供光增益。雖然在摻雜光纖放大器早在1964年就有研究，但是直到1985年英國南安普頓大學才首次研制成功摻鉺光纖。1988年低損耗摻鉺光纖技術已相當成熟，其性能相當優良，已可以提供實際使用。放大器的特性（如工作波長、帶寬）由摻雜劑所決定。摻鉺光纖放大器因為工作波長在靠近光纖損耗最小的1.55？m波長區，它比其他光放大器更引人注意。

摻鉺光纖放大器在常規光纖數字通信系統中應用，可以省去大量的光中繼機，而且中繼距離也大為增加，這對于長途光纜干線系統具有重要意義。其主要應用包括：1、可作光距離放大器。傳統的電子光纖中繼器有許多局限性。如，數字信號和模擬信號相互轉換時，中繼器要作相應的改變；設備由低速率改變成高速率時，中繼器要隨之更換；只有傳輸同一波長的光信號，且結構復雜、價格昂貴，等等。摻鉺光纖放大器則克服了這些缺點，不僅不必隨信號方式的改變而改變，而且設備擴容或用于光波分復用時，也無需更換。2、可作光發送機的后置放大器及光接收機的前置放大器。作光發送機的后置放大器時，可將激光器的發送功率從0db提高到+10db。作光接收機的前置放大器時，其靈敏度也可大大提高。因此，只需在線路上設1-2個摻鉺放大器，其信號傳輸距離即可提高100-200km。

摻鉺光纖放大器的獨特優越性已被世人所公認，并且得到越來越廣泛的應用。但是，摻鉺光纖放大器也存在著一定的局限性。比如，在長距離通信中不能上下話路、各站業務聯系比較困難、不便于查找故障、泵浦光源壽命不長，隨著光纖通信技術的不斷進步，這些問題將會得到完滿的解決。

參考文獻：

[1] J.Prokis， “Digital Communication”， （Fourth Edition）

[2] Simon Haykin， “Adaptive Filter Theory （Third Edition）”， Chapter 10 Publishing House of Electionics Industry，1998.endprint