半导体光放大器(SOA)

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阱材料的研制成功，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.3~1.6/μm 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。

2.拉曼光纤放大器拉曼放大技术是采用受激拉曼散射(SRＳ)这种非线性效应来进行放大的。石英光纤具有很宽的受激拉曼散射增益谱，并在13ＴＨz附近有一较宽的主峰。如果一个弱信号与一强泵浦光波同时在光纤中传输,并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内,弱信号光即可得到放大,这种基于受激拉曼散射机制的光放大器即称为拉曼光纤放大器。(１)拉曼光纤放大器的类型拉曼光纤放大器有两种类型:一种是集总式拉曼光纤放大器;另一种是分布式拉曼放大器。集总式拉曼光纤放大器所用的光纤增益介质比较短，一般在几km，泵浦功率要求很高,一般为几W左右，可产生40ｄＢ以上的高增益,可作为功率放大器,放大EDFA所无法放大的波段。分布式拉曼放大器所用的光纤比较长,一般为几十km，泵源功率可降低到几百ｍW，主要辅助EDFA用于WDＭ通信系统性能的提高,抑制非线性效应,提高信噪比。在WDＭ系统中,采用分布式拉曼光纤放大辅助传输可大大降低信号的入射功率，同时保持适当的光信号信噪比（OSNR)。(２)拉曼光纤放大器的优点ﻫ拉曼光纤放大器的增益高、串扰小、噪声系数低、频谱范围宽、温度稳定性好，将拉曼光纤放大器与常规EＤFA混合使用时可大大降低系统的噪声指数,增加传输跨距。①增益介质为传输光纤本身,与光纤系统有良好的兼容性这使得拉曼光纤放大器可以对光信号进行在线放大,构成分布式放大,实现长距离的无中继传输和远程泵浦,尤其适用于海底光缆通信等不方便设立中继器的场合。而且因为放大是沿光纤分布而不是集中作用，光纤中各处的信号光功率都比较小，从而可降低非线性效应尤其是四波混频(FWＭ)效应的干扰。②增益波长由泵浦光波长决定,不受其他因素的限制理论上只要泵浦源的波长适当，就可以放大任意波长的信号光。所以拉曼光纤放大器可以放大：EDFA所不能放大的波段,使用多个泵源还可得到比ＥDＦA宽得多的增益带宽，对于开发光纤的整个低损耗区1260～16７５nｍ具有无可替代的作用。ﻫ总之,拉曼光纤放大器结合EDFA等稀土掺杂光纤放大器必将成为未来宽带、高速、长距离光通信传输实现光放大的理想方案。

３．掺铒光纤放大器(EDFA)

（1)掺杂光纤放大器简介ﻫ在介绍EＤFA之前,首先来了解以下掺杂光纤放大器的基本概念。掺杂光纤放大器又称为掺稀土离子光纤放大器，是利用稀土金属离子作为激光工作物质的一种放大器。掺杂光纤放大器的原理与激光放大器的原理相类似。但掺杂光纤放大器的工作腔是一段掺稀土粒子光纤，细长的纤形结构使得有源区能量密度很高，光与物质的作用区很长,

有利于降低对泵浦源功率的要求。至今用作掺杂激光工作物质的均为镧系稀土元素,如铒、钕、镨和铥等。容纳杂质的光纤叫做基质光纤，可以是石英光纤，也可以是氟化物光纤。选择不同的掺杂元素，可使放大器工作在不同窗口。将各种掺杂光纤放大器组合，就可构成超宽频带的放大器，更加灵活地应用光纤的宽带通信特性。例如,掺铒可以构成１５５0nｍ波段的EDFA;掺镨就可以构成1３1０nm波段的PDＦＡ,掺铥就可以构成1450nm波段或１6５0ｎｍ波段的掺铥光纤放大器等。在所有的掺杂光纤放大器中，除了EＤFA已经商用外,其他的都正在研究中,有的已经接近实用水平。

(2)EDＦＡ的工作原理ﻫ①ＥDFA的基本组成

EDＦＡ主要是由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、光耦合器、光隔离器以及光滤波器等组成，如图１0．19所示。在泵浦源的作用下,通过光与EDF中的工作物质(铒)的相互作用，泵浦光将能量转移给信号光而将其放大。光耦合器将泵浦光和信号光混合而送入EＤF。光隔离器抑制反射光的影响,保证系统稳定工作。滤波器滤除放大器的噪声提高系统的信噪比。

在Er3+的能级系统中,参与激光放大过程的有3个能级,即基级、亚稳态能级以及高能级。在未受任何光激励时，Ｅr３+处于基级。4I１５/2上。在外界泵浦源的作用下,基级上的粒子吸收泵浦源的能量,跃迁到高能级上。但高能级是不稳定的，因此高能级上的粒子将主要以非辐射跃迁(即不释放出光子)的形式迅速转移到亚稳态能级上。亚稳态能级上的粒子寿命较长,因而易聚集粒子。当源源不断进行泵浦源时,亚稳态能级上聚集的粒子数不断增加,从而在亚稳态能级与基级之间形成粒子数反转分布。当信号光通过这段ＥDF时，亚稳态的粒子以受激辐射的形式跃迁到基级，并释放出与入射光信号中的光子一模一样的光子，即实现了对入射光信号的相干放大。Er3+的能级系统中,有多个能级可以作为高能级,因此泵浦源的光波长可以有多种选择。目前EＤFA的首选泵浦波长是980nm和148０nｍ。ﻫ(3)EDFA的性能参数EDFA的性能参数主要有功率增益、输出功率和噪声系数。

①功率增益

增益特性表示了放大器的放大能力。功率增益为输出功率与输入功率之比。EDFA的功率增益通常为1５~4０ｄＢ。影响EDＦA增益的因素主要有泵浦光功率、掺铒的浓度以及掺铒光纤的长度等。此外,EDFＡ增益还与泵浦光波长有关。

②输出功率

EDFA的输出功率并不总是随着输入功率的增加而成比例增长的，而是呈现饱和趋势。其原因是当输入功率增加时,受激辐射加快，粒子反转数减少，使受激辐射光减弱，导致增益饱和，输出功率趋于平稳。通常将饱和增益下降3dB时所对应的输出功率定义为EDFA的最大输出功率,又称为3dＢ饱和输出功率,一般为8~15ｄBm。增加泵浦光功率或ＥDF长度, 都可使EDＦA的饱和输出光功率增大。

③噪声系数(F)ﻫEＤFA的噪声主要有信号光的噪声、自发辐射(AＳE)喜声、ASE光与信号光之间的差拍噪声以及ＡSE光谱间的差拍噪声４种。以上４种噪声中,后两种影响最大,尤其第3种噪声是决定EDFA性能的重要因素。EＤFA的噪声特性可以用噪声系数Ｆ来衡量、为EDFA的输入信噪比与输出信噪比的比值。它与同向传播的ASE频谱密度和EDFA的增益相关。现已证明,对于任何利用受激辐射进行放大的光放大器,其F最小值为3dB，这个极限被称为噪声系统的量子极限。对于980ｎｍ的泵浦，其F基本可达到该极限,数值为3.2～

3.4dB；而l480ｎm的泵浦，Ｆ的典型值为4～6dB。

(4)EDFA的泵浦方式同向泵浦是指泵浦光与信号光从同一端注入EＤF。在EDF的输入端，泵浦光较强，故粒子反转激励也强，信号一进入光纤即可得到较强的放大。其优点是构成简单,缺点是泵浦光将沿光纤长度衰减,因此容易造成增益饱和而使噪声增加。反向泵浦是指泵