光放大器的原理与应用是什么？

　　一．引言
　　在这个信息爆炸的时代，以因特网技术为主导的数据通信业务，使人们对于带宽和服务的需求永无止境。面对市场需求的急剧扩张，如何提高通信系统的性能，增加系统带宽，以满足不断增长的业务需求成为大家关心的焦点。在众多可选择的方案中，DWDM（波分复用）系统的出现为进一步挖掘和利用光纤的巨大带宽开辟了一块全新的天地。
　　早在光纤通信出现伊始，人们就意识到可以利用光纤的巨大带宽进行波长复用传输，但是在20世纪90年代之前，由于TDM的迅速发展，人们很少去关注其它的技术，以致波长复用技术一直没有重大突破。直到1995年，当时人们在TDM10Gbit/s技术上遇到了挫折，众多的目光就集中在光信号的复用和处理上，此后，DWDM系统才在全球范围内有了广泛的研究和应用。
　　DWDM系统既可用于陆地与海底干线，也可用于市内通信网，还可用于全光通信网。但DWDM系统在带来巨大好处的同时也给系统设计、器件更新等方面带来了极大的挑战。对新型光放大器的需求更是这些挑战中最关键的一项。
　　光放大器技术具有对光信号进行实时、在线、宽带、高增益、低噪声、低功耗以及波长、速率和调制方式透明的直接放大功能，是新一代DWDM系统中不可缺少的关键技术。该技术既解决了衰减对光网络传输距离的限制，又开创了1550nm波段的波分复用，从而将使超高速、超大容量、超长距离的波分复用（WDM）、密集波分复用（DWDM）、全光传输、光孤子传输等成为现实，是光纤通信发展史上的一个划时代的里程碑。
　　二．光放大器的历史
　　任何新技术的发展都是一个漫长的过程。光放大器的研究最早可追溯到1960年激光器的发明，但是真正实用化光放大器的研究却是在1980年以后。这期间随着半导体激光器特性的改善，首先出现了利用半导体技术的半导体光放大器SOA（Semiconductor Optical Amplifier）的法布里——泊罗型（F－P）半导体激光放大器，并开始对行波式半导体激光放大器进行研究。另一方面，随着光纤技术的发展，出现了利用光纤非线性效应的光纤拉曼放大器。但在当时都没有得到广泛的应用。1987年，英国南安普敦大学和美国AT&T 贝尔实验室报道了离子态的稀土元素铒在光纤中可以提供1.55μm波长处的光增益，这标志着掺铒光纤放大器（EDFA）的研究取得突破性进展。短短几年时间，EDFA迅速走向实用化，并且在越洋长途光通信系统中得到应用。这期间由于光纤放大器的问世，在1990年到1992年不到两年的时间里光纤系统的容量增加了整整一个数量级，而在此之前为达到相同的增长却花费了整整8年时间。这足以表明了光放大器的巨大作用，为光纤通信展现了无限广阔的发展前景。
　　三．光放大器的原理与应用
　　光放大器（OA）一般由增益介质、泵浦光和输入输出耦合结构组成， 可以作为前置放大器、线路放大器、功率放大器，是光纤通信中的关键部件之一。其作用就是对复用后的光信号进行光放大，以延长无中继系统或无再生系统的光缆传输距离。一个好的光放大器应具有输出功率高、放大带宽宽、噪声系数低、增益谱平坦等特性。目前光放大器形式主要有三种：1） 利用激光二极管（LD）制作的半导体光放大器（SOA）；2） 利用掺稀土光纤制作的光纤放大器，其中以掺铒光纤放大器（EDFA）为主；3） 利用常规光纤非线性效应制作的分布式光放大器，典型的是光纤拉曼放大器（FRA）。下面对SOA、EDFA和FRA光放大器进行比较。
　　1．半导体光放大器
　　现代光放大器中最早出现的是半导体光放大器（SOA）。它的基本结构、原理和特性与半导体激光器非常相似。它们工作原理都是基于激光半导体介质固有的受激辐射光放大机制，所不同的在于SOA去掉了构成激光振荡的谐振腔，并且SOA是由电流直接激励驱动的。
　　半导体光放大器的优点是尺寸小、频带宽、增益高；但缺点是与光纤的耦合损耗太大、易受环境温度的影响、工作稳定性较差。但半导体光放大器容易集成，适宜同光集成和光电集成电路结合使用。
　　通常光半导体放大器分为两大类：一种是将普通半导体激光器用作光放大器，称为法布里——泊罗（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上抗反射膜，以获得宽频、低噪的高输出特性。由于这种放大器是在光行进过程中对光进行放大的，故被称为行波式光放大器。
　　由于半导体光放大器的工作原理决定了其放大增益不是很高，因此半导体放大器在现代光通信系统中作为纯粹功率放大应用较少，它更多的是被用作高速通信网中光开关、光复用／解复用器和波长变换器等光信号处理模块。
　　2．掺铒光纤放大器
　　掺饵光纤放大器（EDFA）主要由合波器WDM、泵浦激光器（大功率LD）、光隔离器和掺铒光纤（长10～30m）构成。EDFA的研制成功，是光通信发展的一个“里程碑”。它的出现打破了光纤通信传输距离受光纤损耗的限制，使全光通信距离延长至上千公里，为光纤通信带来了革命性的变化。
　　掺铒光纤放大器主要由掺铒光纤、泵浦光源、耦合器、光隔离器等组成。有同（前）向泵浦、反（后）向泵浦和双向泵浦3种泵浦方式，其区别在于信号光与泵浦光的注入方向不同。同向泵浦也称为前向泵浦，它的信号光与泵浦光以同一方向从掺铒光纤的输入端注入。反向泵浦也称为后向泵浦，它的信号光与泵浦光以两个不同方向注入进掺铒光纤。双向泵浦就是同向泵浦与反向泵浦合并的方式。三种泵浦方式的结构图如图1所示。三种泵浦方式的性能比较见表1。
　　
　　
　　泵浦效率=信号光输出功率/泵浦光功率 噪声
　　同向泵浦 61% 在未饱和区，同向泵浦式掺铒光纤放大器的噪声系数最小，由于输出功率加大将导致粒子反转数的下降，故在饱和区，噪声系数将增大。
　　反向泵浦 76%
　　双向泵浦 77%
　　EDFA是利用掺铒光纤中掺杂的稀土离子在泵浦光源（波长980nm或1480nm）的作用下，形成粒子数反转，产生受激辐射，辐射光随入射光的变化而变化，进而对入射光信号提供光增益。其放大范围为1530～1565nm，增益谱比较平坦的部分是1540～1560nm，几乎可以覆盖整个WDM系统的1550nm工作波长范围。
　　EDFA的优点是：1）通常工作在1530～1565nm光纤损耗最低的窗口；2）增益高，在较宽的波段内提供平坦的增益，是WDM理想的光纤放大器；3）噪声系数低，接近量子极限，各个信道间的串扰极小，可级联多个放大器；4）放大频带宽，可同时放大多路波长信号；5）放大特性与系统比特率和数据格式无关；6）输出功率大，对偏振不敏感；7）结构简单，与传输光纤易耦合。
　　缺点是：1）在第3窗口以上的波长，光纤的弯曲损耗较大，而常规的EDFA不能提供足够的增益，增益带宽只有35nm，仅覆盖石英单模光纤低损耗窗口的一部分。制约了光纤能够容纳的波长信道数；2）不便于查找故障，泵浦源寿命不长；3）存在基于泵浦源调制和光时域反射计（OTDR）的监测与控制技术问题，控制内容包括输出功率的控制和不同波长通道的增益均衡，EDFA的增益对100kHz以上的高频调制不敏感，对低于1kHz的调制，EDFA的输出信号会产生失真。
　　3．光纤拉曼放大器（FRA）
　　EDFA的出现确实极大的促进了现代光通信系统的发展。但是随着现代光网络进一步发展，一方面EDFA已经不能满足现有系统对超大容量的要求，另一方面EDFA也会带来光信号信噪比的不断恶化而不能满足超长距离传输的要求。为此，必须要提出一种既要满足超宽带宽要求，又能满足超低噪声要求的新型光放大器。
　　光纤拉曼放大器（FRA）由于其自身固有的全波段可放大、噪声指数小等特性，成为了新一代放大器的首选。FRA是基于受激拉曼散射（SRS）机制的光放大器，此光放大技术是在近年来大功率半导体激光器研制成功后才真正走向实用的。在许多非线性介质中，SRS是非线性光学中一个很重要的非线性效应，它将一小部分入射功率由一光束转移到频率比其低的斯托克斯波上；如果一个弱信号与一个强泵浦光波同时在光纤中传输，并且弱信号波长位于泵浦光波的拉曼增益谱带宽之内，则此弱信号可被该光纤放大。
　　FRA可分为分立式FRA和分布式FRA，前者所用的光纤增益介质比较短，一般在10km以内，对泵浦功率要求很高，一般在几到十几瓦，可产生40dB以上的高增益，用来对信号光进行集中放大，主要用于EDFA无法放大的波段；后者所用的光纤比较长，一般为几十公里，泵源功率可降到几百毫瓦，主要辅助EDFA用于DWDM通信系统性能的提高，抑制非线性效应，降低信号的入射功率，提高信噪比，进行在线放大。由于FRA增益波长由泵浦光波长决定，不受其它因素限制，因此可为任何波长提供增益，这使得FRA可以在EDFA所不能放大的波段实现放大，并可在1292～1660nm光谱范围内进行光放大，使用多个泵源还可得到比EDFA宽得多的增益带宽（后者由于能级跃迁机制所限，增益带宽只有80nm），这对于开发光纤的整个低损耗区1270～1670nm具有无可替代的作用。
　　FRA具有带宽宽、增益高、噪声低、串扰小、温度稳定性好等特点，因此与常规EDFA混合使用时，可大大降低系统的噪声系数，增加传输距离；FRA的增益介质为光纤，因此与光纤系统有良好的兼容性，可制成分立式或分布式放大器，分布式FRA具有在线放大、延长传输距离、实现长距离无中继传输和远程泵浦的功能，尤其是适用于海底光缆通信等不方便设立中继器的场合；由于放大是沿着光纤分布作用而不是集中作用，所以输入光纤的光功率大为减少，从而非线性效应，尤其是四波混频效应大大减少，因此适用于大容量DWDM系统。FRA不足之处在于需要特大功率的泵浦激光器，且一个泵浦的FRA增益带宽较窄。
　　在拉曼放大器的实际应用中，通常是采用拉曼放大器同EDFA混和使用的策略。这种混合放大策略在DWDM超长传输系统中获得了广泛的使用。EDFA作为光功率放大器和光前置放大器，而EDFA和拉曼的混合放大器作为光线路放大器。
　　四．光放大器的发展方向
　　1．SOA的发展方向
　　通过改变SOA的偏置电流，既可以吸收也可以放大，而且高达50ｄＢ的消光比及快速的响应时间（ｎｓ量级），从而允许将SOA用作光开关。。作为集总式放大器，SOA可以与分布式的FRA混合使用，JDSU的工程师采用SOA+FRA和SOA+FRA实现40ｎｍ的放大带宽，40信道100ｋｍ的传输，效果良好。
　　2．EDFA的发展方向
　　EDFA从C波段（ conventional band ）1530～1560nm（常规的ED-FA）向L波段（long wavelength band）1570～1605nm发展，可采用掺铒氟化物光纤放大器（EDFFA），带宽可达75nm；采用碲化物EDFA，带宽可达76nm；采用增益位移掺铒光纤放大器（GS-EDFA），通过控制掺铒光纤的铒粒子数反转程度，可在1570～1600nm波段实现放大，它与普通的EDFA组合，可得到带宽约80nm的宽带放大器；采用覆盖C波段和L波段的超宽带光放大器（UWOA），可用带宽80nm，能在单根光纤上放大100多路波长信道；采用常规EDFA和扩带光纤放大器（EBFA）组成的基于掺铒光纤的双带光纤放大器（DBFA），工作波长为1528～1610nm；将局部平坦的EDFA与光纤拉曼放大器串联使用，可获得带宽高于100nm的超宽带增益平坦放大器；EDFA应具有动态增益平坦特性的小型化、集成化方向发展。
　　EDFA是目前及未来一段时间放大器的主要选择，在骨干网和城域网/接入网中发挥着关键性作用。但EDFA级联噪声大以及带宽受限，它与DRA混合使用，在长距离、大容量传输中是当前的一种优秀方案。FRA：宽带、低噪声、抑制非线性、提高传输距离，进行色散补偿等，必将成为下一代光放大器的主流。城域网/接入网中光放大器目前具有竞争力的技术为Mini EDFA、EDWA和SOA技术，这种低价放大器正在标准化。随城域网建设的兴起，光放大器在低价领域必有一番作为。
　　3．FRA的发展方向
　　FRA的发展方向是：1）宽频谱、大功率输出；2）将FRA与局部平坦的EDFA串联使用，可获得带宽高于100nm的超宽带增益平坦放大器；3）采用双向拉曼泵浦，可使传输距离扩大2倍，达到1040km；4）采用波长为1420nm和1450nm两个泵源的FRA可得到很宽的带宽（1480～1620nm）；5）智能化。
　　五．结束语
　　通过对目前DWDM光传输系统中广泛应用的三种放大器的比较，我们不难看出，SOA由于其体积小、结构简单、成本低、易于集成，因而发展很快，在技术上已比较成熟。但是，迄今为止，其性能与EDFA相比仍有较大差距。SOA虽然失去了原有放大器领域的作用，但却在波长变换、高速光开关、光复用／解复用领域大放异彩。FRA由于采用分布式放大，因此可以补偿色散补偿器件带来的损耗，同时可以避免非线性效应，FRA能在EDFA所不能放大的波段实现放大，既能在全波长范围内放大光信号，又特别适用于超长距离传输和海底光缆通信等不方便设立中继器的场合，因而倍受欢迎，已成为研发热点，并随着瓦级的泵浦激光器小型化、商用化而进入实用化，成为继EDFA之后的又一颗璀璨明珠。EDFA由于其工作波长恰好与光纤通信最佳窗口（1540nm）相吻合，并且，其技术开发和商品化最成熟，因而是目前最令人满意的光放大器。总之，高增益、大输出功率、低噪声系数是EDFA、SOA和FRA的共同发展方向。