光放大器

光放大器
摘要：光放大器是对于光信号进行直接放大的器件，即可将其看光通路的组成单元，也可看作光设备的组成单元。

光放大器可分为光纤光放大器和半导体光放大器两类，它在光通信系统和信息处理领域中有很重要的应用。

光放大器的功能是提供光信号增益，以补偿光信号的通路中的传输衰减，增大系统的无中继传输距离。

关键词：光放大器、光纤、半导体、原理、特性
迄今为止的光纤通信系统，为了拓长通信距离都需在通信线路中设置一定数量的中继器，以便使衰减的光信号强度得到补充。

而中继器无一例外都是采用光—电—光的转换方式。

中继器的这种工作模式带来了不少问题，如使得成本高，系统复杂，可靠性降低等。

于是，人们设想，是否用光放大器直接进行光信号放大，以实现全光通信。

经过多年的不懈努力，各种各样的光放大器终于问世了。

在光通信技术的发展进程中，不断取得新的突破，其中尤以光放大器，特别是掺铒光纤放大器（EDFA）的发明最为激动人心。

它使光通信技术产生了革命性的变化：用相对简单价廉的光放大器，代替长距离光纤通信系统中传统使用的复杂昂贵的光—电—光混合式中继器，从而可实现比特率及调制格式的透明传输，升级换代也变得十分容易，尤其是性能十分优秀的EDFA与WDM技术的珠联璧合，奠定了高速大容量WDM光通信系统与网络大规模应用的基础。

光放大器主要有两类：光纤光放大器和半导体光放大器。

光纤放大器又分为两种，即掺稀土元素的光纤放大器和利用常规光纤的非线性效应（如受激拉曼散射，受激希里渊散射等）的光放大器。

半导体光放大器主要是行波半导体激光放大器。

1光放大器原理
大部分光放大器是通过受激辐射或受激散射原理实现入射光信号放大的，其机理与激光器完全相同。

实际上，光放大器在结构上是一个没有反馈或反馈较小的激光器。

任何放大器的主要介质，当采用电学或光学的泵浦方法，达到粒子数发转时就产生了光增益，即可实现光放大。

光增益不仅与反射光频率（或波长）有关，也与放大器内部光束强度有关。

光增益与频率和强度的具体关系取决于放大器增益介质的特性。

放大器增益系数：
式中，是增益峰值，与泵浦强度有关；是入射光信号频率，是原子跃迁频率；P是被放大的光信号的功率；是饱和功率，与增益介质的荧光时间和跃迁截面等参数有关；亦称为粒子数弛豫时间，根据增益介质的不同，在100ps—10ms范围内变动；是增益介质的偶极弛豫时间，一般为1ps-1ms。

2光纤放大器
光纤放大器的工作原理与固体激光器的工作原理非常相似。

而在激光激活物质内造成粒子数反转分布状态，并产生受激辐射。

为了造成稳定的粒子数反转分布状态，参与光跃迁的能级应超过两个，一般是三能级和四能级系统。

同时有泵浦源不断提供能量。

为了有效的提供能量，泵浦光子的波长应短于激光光子的波长，即泵浦光子的能量要大于激光光子的能量。

此外谐振腔形成正反馈。

这样一来就可形成激光放大器。

2.1掺铒光纤放大器（EDFA）的特性
掺光纤中的铒离子被泵浦光激励后从低能态激发跃迁到激发态，当信号光（1.53um---1.56um）通过该光纤时就会产生受激发射，使信号得到放大。

这种光纤放大器具有以下一些特点：
（1）带宽很大。

若增益为27dB，则3dB带宽为33nm，如果每路占5GHz带宽，可同时放大1000路信号。

（2）增益很高。

增益一般可大于30dB，甚至高于46dB。

（3）泵浦效率很高。

用980nm光源泵浦时，效率为10dB/mW，用1480nm光源泵浦时，效率为5.1dB/mW。

（4）噪声低，并接近量子极限。

在1000Km干线上用几十上百个光放大器，能在很宽的频带内保持低噪声。

（5）工作稳定性好。

增益于泵浦频谱、泵源大小关系不大。

基本上也不受温度的影响，而且串扰也很小。

（6）放大特性与偏振无关，即对偏振不敏感。

放大特性于光信号的传输方向无关，可以实现双向放大。

（7）光纤放大器于传输光纤之间的连接耦合效率高。

光纤放大器的唯一一个缺点就是不能与其他器件集成，这样将限制它在光电子集成（OEIC）中的应用。

而光电子集成又是光电子领域的一个重要方向。

2.2拉曼（Raman）光放大器
拉曼光放大器是光放大器在最近几年内所取得的重要成果，已开始进入商业应用。

它的工作原理是这样的：当一定波长的大功率激光耦合进入光纤时，激光就会与光纤波导介质发生相互作用，产生非线性效应，如受激拉曼散射（SRS），受激布里渊散射（SBS）等。

拉曼光放大器就是利用拉曼散射过程中，把泵浦光的能量不断转移给信号光，从而使信号光不断地得到放大。

这就是拉曼光放大器的工作原理。

拉曼光放大器有以下优点：
（1）带宽很大，几乎无限；
（2）低噪声；
（3）灵活的带宽设计，带宽取决于泵浦波长，如1480nm，1450nm；
（4）分体式放大，即沿光纤线路逐渐地放大。

这可使非线性影响最小化；（5）传输介质直接作增益介质，避免或减少了有关耦合和连接、
当前拉曼光放大器以广泛地应用于各种光纤通信系统。

为了降低光纤线路的非线性效应，常常同时采用EDFA和拉曼光放大器，将两者混合使用。

3半导体光放大器
半导体光放大器（SOA）基本上是偏置在略低于阀值电流的半导体激光二极管（LD）芯片，被放大的信号从一端输入，在有源区放大后从另一端输出。

通常LD芯片两端面的反射系数为R1=R2=0.3左右；但对SOA，两端面一般要抗反（AR）镀膜以降低反射系数，一方面是为了增大增益带宽，另一方面可减小偏置电流、温度和输入信号偏振态等的脉动对增益特性的影响。

为了降低芯片与输入光纤的耦合损耗，通常采用透镜光。

按端面反射系数的大小，SOA可分为两类：一类为FP的放大器（FPA），端面反射系数为0.01-0.3，输入信号在两端面间产生正反馈谐振放大后才输出；另一类为行波放大器（TWA），理论上要求端面反射系数为零，即没有端的反馈，输入信号单向通过放大器被放大后输出，称为单通放大，其增益为单通增益或行波增益。

在实际情况中，TWA的端面反射系数不可能为零，但要尽可能低，小于甚至。

半导体光放大器工作在线性状态时作为光纤通信系统的全光中继器、功率提升放大器及接收机前置放大器等，而工作在非线性状态时则可作为波长转换器、光开关、调制器、双稳态器件等。

SOA的主要优点是带宽大、体积小、功率消耗小，同时在波长的选择上比EDFA、FRA有更大的自由度，能填补EDFA不能工作的波长间隙。

传统的SOA的主要问题是高的噪声系数，多信道应用时的信道间串扰和增益对偏振态灵敏，限制了它在光纤通信系统，尤其是在WDM系统中的应用。

3.1半导体激光放大器（SLA）
半导体激光器在不同的应用条件下和不同的端面反射率的情况下，就可以得到不同类型的半导体光放大器。

若半导体激光器的驱动电流低于其阀值，即未产生激光，这时向其一端输入光信号，只要这个光信号的频率处于激光器的频谱中心附近，它便被放大而从另一端输出。

这种半导体光放大器称为法希里—泊罗型激光放大器（FP-SLA）。

若将激光器偏置在阀值以上，从一端输入的微弱单模光信号，此光信号的频率只要处于这个多模激光器的频谱内，光信号就会得到放大，并锁定在某一模式上。

这种光激光器称为注入锁定型放大器（IL-SLA）。

若将半导体激光器的两个端镜面凃复或蒸渡一层防发射膜使其反射率很小，形不成法希里—泊罗谐振腔，这时光信号通过有源波导层时，将随时前进而放大，因此这种放大器称为行波型光放大器（TW-SLA）。

而行波光放大器的带宽比法希里—泊罗型放大器大三个数量级。

其3dB带宽可达10THz，因此可放大多种频率的光信号，所以是很有前途的一种放大器。

行波半导体激光器的性能
（1）增益带宽。

尽可能宽的增益带宽对发挥光纤大容量通信是必要的，可使得多信道光信号得到同时放大。

这对于复用技术（WDM，FDM）和用户网是十
分重要的。

同时宽的增益带宽还能容许放大器有较大的温度变化。

理想的
行波放大器（即反射率很小）的增益带宽可达70nm，目前已达40nm以上。

（2）小信号增益。

根据放大器有源介质有大的增益系数，一般可得到25dB—30dB的内增益，但由于放大器与光纤之间大的耦合系数，致使线
性净增益（光纤—光纤增益）减小（-20dB）。

这是行波放大器存在的一个大问题。

（3）光信号增益对其偏振的灵敏度。

由于放大器两端存在着残余反射率，使得偏振模TE和TM模的增益不同，而且这种增益差别随工作电流增加而增大，从而导致增益起伏，使放大器的有效带宽减少。

为使其对偏振不敏感，可
将两个行波放大器串联或并联，使TE和TM两模的增益相等。

（4）饱和输出功率。

过高输入功率会引起光放大器出现增益饱和，使得光放大器的输出功率随输入功率的增加而下降。

饱和输出功率定义为输出功率从
其饱和值下降3dB时的功率。

为提高，应设法降低光限制因子及采用多量子阱结构。

（5）放大器的噪声性能。

放大器噪声用噪声指数F来表征，它定义为输入的信
号噪声比与输出的信号噪声比之上。

放大器的噪声源主要有自发发射的和信号的散弹噪声以及自发间的和信号与自发间的拍频噪声。

但这相对噪声功率而言，拍频噪声是占有主要地位。

一般情况下F为8dB，最好的结果为4.4dB，离极限值3dB差1.4dB。

半导体行波放大器有一个显著的优点，即它具有小型低功耗，与光集成回路匹配性能好，因此适于光集成及光电子集成。

这是光纤放大器所不具有的。

光放大器是对于光信号进行直接放大的器件，即可将其看光通路的组成单元，也可看作光设备的组成单元。

光放大器的功能是提供光信号增益，以补偿光信号的通路中的传输衰减，增大系统的无中继传输距离。

从这一点讲，光放大器应该是光通路的组成单元。

而光放大器又常常和光接收机组成子系统，因而也可将它看作光设备的组成单元。

多数应用情况下光放大器安置在站内，与光发送机、光接收机同处一个机架，其调试与维护由设备工作人员承担。

4光放大器的应用
光放大器在光纤通信领域中的主要功能有以下几个方面：
1、功率放大。

将光放大器置于光发射机前端，以提高入纤的光功率。

2、在线中继放大。

在光纤通信系统中取代中继器。

3、在接收端的光电检测之前非前置放大。

光放大器就是放大光信号，凡是需要提高光信号功率的一切领域都可使用光放大器，因此光放大器在光纤通信及信息处理领域中有以下几个方面的应用。

它们包括：
（1）超长距离超大容量的光纤通信系统，特别适合于陆地长干线和海下系统。

（2）光弧子通信，以在线光放大器延伸通信距离。

即作在线中继光放大器。

（3）光纤接入网中用于补偿光损耗，以及提高接收光功率的水平。

（4）光波复用系统中用于延长通信距离和降级非线性效应的影响。

（5）用于光电测量及其信息处理系统中。

5结语
通过网络查询和查阅各种有关光纤通信书籍后，了解了光放大器的基本原理、分类和各种类别的特性，以及光放大器在光纤通信系统中的发挥的重要作用。

但由于查询资料不够完善，对于光放大器还是没能更加深入的探寻，特别是光放大器的应用方面的了解还是比较缺乏，以后还需努力查询。

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