实用光放大器研究

翟莉+丁旖+黄炜

【摘 要】采用光放大器是光纤通信系统发展的必然趋势，本文简单介绍了三种目前已经实用的光放大器的工作原理及应用范围。

【关键词】光放大器 光信号

多年来，人们一直在探索能否去掉上述光-电-光转换过程，直接在光路上对信号进行放大，然后再传输，即用一个全光传输中继器代替目前的这种光-电-光再生中继器。经过多年的努力，科学家们已经发明了几种光放大器，其中掺铒光纤放大器、分布光纤拉曼放大器和半导体光放大器技术已经成熟，众多公司已有商品出售。

一、半导体光放大器（SOA）

SOA的放大原理与半导体激光器的工作原理相同，也是利用能级间受激跃迁而出现粒子数反转的现象进行光放大。SOA有两种：一种是将通常的半导体激光器当作光放大器使用，称作F—P半导体激光放大器（FPA）；另一种是在F—P激光器的两个端面上涂有抗反射膜，消除两端的反射，以获得宽频带、高输出、低噪声。

早在半导体激光器出现时，就开始了对SOA的研究，但由于初期的半导体材料激光放大器偏振灵敏度较高，使得SOA一度沉寂。但近几年来应变量子材料的研制成功，克服了偏振敏感的缺点，性能也有许多改进。半导体光放大器的增益可以达到30dB以上，而且在1310nm窗口和1550nm窗口上都能使用。如能使其增益在相应使用波长范围保持平坦，那么它不仅可以作为光放大的一种有益的选择方案，还可促成l310nm窗口WDM系统的实现。

SOA的优点是：结构简单、体积小，可充分利用现有的半导体激光器技术，制作工艺成熟，成本低、寿命长、功耗小，且便于与其他光器件进行集成。另外，其工作波段可覆盖l.3～1.6μm波段，这是EDFA或PDFA所无法实现的。但最大的弱点是与光纤的耦合损耗太大，噪声及串扰较大且易受环境温度影响，因此稳定性较差。SOA除了可用于光放大外，还可以作为光开关和波长变换器。

二、光纤拉曼放大器

1.分布式拉曼光纤放大器（LRA）。

分布式拉曼放大器基于光纤受激拉曼散射（SRS）效应，一般采用反向泵浦方式，实现方法如下：将高功率连续运转激光从光纤跨段的输出端注入传输光纤，该泵浦光的传输方向与信号光传输方向相反。、低噪声系数分布式拉曼放大器可以有效克服四波混频等非线性效应的影响，并改善系统的光信噪比（OSNR）。

2.分立式拉曼光纤放大器（DRA）。

分立式拉曼放大器采用的放大介质通常是色散补偿光纤或高非线性光纤，比如DCF光纤或者碲基光纤。目前DCF光纤拉曼增益系数比SMF提高了10倍左右，作为拉曼增益介质后还可以组成色散补偿模块（DCM）。采用碲基光纤，其拉曼增益系数比石英光纤高16倍，峰值达到55W/km。

目前，分布式光纤拉曼放大器进展很快，国外很多长距离、超大容量的密集波分复用光通讯系统（DWDM）所使用的光放大器大多是分布式光纤拉曼放大器，这不仅可以充分利用光纤资源，降低成本，而且可以降低增益介质中的光密度，以便减少由于非线性效应产生的四波混频、信道间串扰所引起的系统性能劣化。但拉曼放大器的增益较低（实际线路中使用时不超过16dB），而EDFA虽然噪声指数上不如拉曼放大器，但小信号增益可以超过30dB，因此将拉曼放大器与EDFA结合起来的混合放大器是一种理想的应用形式。

三、掺铒光纤放大器

使用铒离子作为增益介质的光纤放大器称为掺铒光纤放大器（EDFA）。这些离子在光纤制作过程中被掺入光纤的纤芯中，使用泵浦光直接对光信号放大，提供光增益。虽然在掺杂光纤放大器早在1964年就有研究，但是直到1985年英国南安普顿大学才首次研制成功掺铒光纤。1988年低损耗掺铒光纤技术已相当成熟，其性能相当优良，已可以提供实际使用。放大器的特性（如工作波长、带宽）由掺杂剂所决定。掺铒光纤放大器因为工作波长在靠近光纤损耗最小的1.55？m波长区，它比其他光放大器更引人注意。

掺铒光纤放大器在常规光纤数字通信系统中应用，可以省去大量的光中继机，而且中继距离也大为增加，这对于长途光缆干线系统具有重要意义。其主要应用包括：1、可作光距离放大器。传统的电子光纤中继器有许多局限性。如，数字信号和模拟信号相互转换时，中继器要作相应的改变；设备由低速率改变成高速率时，中继器要随之更换；只有传输同一波长的光信号，且结构复杂、价格昂贵，等等。掺铒光纤放大器则克服了这些缺点，不仅不必随信号方式的改变而改变，而且设备扩容或用于光波分复用时，也无需更换。2、可作光发送机的后置放大器及光接收机的前置放大器。作光发送机的后置放大器时，可将激光器的发送功率从0db提高到+10db。作光接收机的前置放大器时，其灵敏度也可大大提高。因此，只需在线路上设1-2个掺铒放大器，其信号传输距离即可提高100-200km。

掺铒光纤放大器的独特优越性已被世人所公认，并且得到越来越广泛的应用。但是，掺铒光纤放大器也存在着一定的局限性。比如，在长距离通信中不能上下话路、各站业务联系比较困难、不便于查找故障、泵浦光源寿命不长，随着光纤通信技术的不断进步，这些问题将会得到完满的解决。

参考文献：

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

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