光纖放大器概述

    光纖放大器不但可對光信號進(jìn)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(guān)鍵器件；由于這項技術(shù)不僅解決了衰減對光網(wǎng)絡(luò)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(fù)用，從而將使超高速、超大容量、超長距離的波分復(fù)用（WDM）、密集波分復(fù)用（DWDM）、全光傳輸、光孤子傳輸?shù)瘸蔀楝F(xiàn)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(dǎo)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(xiàn)已廣泛應(yīng)用于長距離、大容量、高速率的光纖通信系統(tǒng)、接入網(wǎng)、光纖CATV網(wǎng)、軍用系統(tǒng)（雷達(dá)多路數(shù)據(jù)復(fù)接、數(shù)據(jù)傳輸、制導(dǎo)等）等領(lǐng)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(zhì)、泵浦光和輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)組成。目前光纖放大器主要有摻鉺光纖放大器、半導(dǎo)體光放大器和光纖拉曼放大器三種，根據(jù)其在光纖網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，光纖放大器主要有三種不同的用途：在發(fā)射機(jī)側(cè)用作功率放大器以提高發(fā)射機(jī)的功率；在接收機(jī)之前作光預(yù)放大器以極大地提高光接收機(jī)的靈敏度；在光纖傳輸線路中作中繼放大器以補(bǔ)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(zhì)，當(dāng)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(yùn)到激發(fā)態(tài)上，處于激發(fā)態(tài)的Er3+又迅速無輻射地轉(zhuǎn)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(shù)反轉(zhuǎn)，此時，信號光子通過摻鉺光纖，在受激輻射效應(yīng)作用下產(chǎn)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(yīng)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(shù)開發(fā)和商品化最成熟；應(yīng)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(guān)、噪聲指數(shù)低、放大特性與系統(tǒng)比特率和數(shù)據(jù)格式無關(guān)，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(yīng)用。其不足是C-Band EDFA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(shù)；然而隨著因特網(wǎng)技術(shù)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(kuò)大，面對傳輸容量的擴(kuò)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(bǔ)償問題，況且現(xiàn)在的電子系統(tǒng)還存在著所謂"電子瓶頸"效應(yīng)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(yīng)，且要求系統(tǒng)采用波長穩(wěn)定技術(shù)。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(kuò)展到L波段1570~1605nm，使EDFA的放大增益譜擴(kuò)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(jìn)的C波段EDFA產(chǎn)品相媲美：例如兩者的基本結(jié)構(gòu)相類似，大多數(shù)C波段EDFA的設(shè)計和制造技術(shù)仍可應(yīng)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(zhuǎn)因子，增益波動系數(shù)遠(yuǎn)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(dǎo)體光放大器

    半導(dǎo)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(dāng)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(xiàn)光放大作用。由于半導(dǎo)體放大器具有體積小、結(jié)構(gòu)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(chǎn)、成本低，可實現(xiàn)增益兼開關(guān)功能等特性，在全光波長變換、光交換、譜反轉(zhuǎn)、時鐘提取、解復(fù)用中的應(yīng)用受到了廣泛的重視，特別是目前應(yīng)變量子阱材料的半導(dǎo)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(nèi)武郵院與華中科技大學(xué)合作成功地研制開發(fā)了在光網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵器件--半導(dǎo)體光放大器，并很快實現(xiàn)了產(chǎn)品化，成為繼Alcatel公司之后能夠批量供應(yīng)國際市場應(yīng)用于光開關(guān)的半導(dǎo)體光放大器的供貨商，這標(biāo)志著我國自行研制的應(yīng)變量子阱器件邁出了商品化生產(chǎn)的關(guān)鍵一步。但半導(dǎo)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?dāng)_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(dǎo)體光放大器覆蓋了1300~1600nm波段，既可用于1300nm窗口的光放大