實(shí)用光放大器研究

翟莉+丁旖+黃煒

【摘 要】采用光放大器是光纖通信系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，本文簡單介紹了三種目前已經(jīng)實(shí)用的光放大器的工作原理及應(yīng)用范圍。

【關(guān)鍵詞】光放大器 光信號

多年來，人們一直在探索能否去掉上述光-電-光轉(zhuǎn)換過程，直接在光路上對信號進(jìn)行放大，然后再傳輸，即用一個全光傳輸中繼器代替目前的這種光-電-光再生中繼器。經(jīng)過多年的努力，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)明了幾種光放大器，其中摻鉺光纖放大器、分布光纖拉曼放大器和半導(dǎo)體光放大器技術(shù)已經(jīng)成熟，眾多公司已有商品出售。

一、半導(dǎo)體光放大器（SOA）

SOA的放大原理與半導(dǎo)體激光器的工作原理相同，也是利用能級間受激躍遷而出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象進(jìn)行光放大。SOA有兩種：一種是將通常的半導(dǎo)體激光器當(dāng)作光放大器使用，稱作F—P半導(dǎo)體激光放大器（FPA）；另一種是在F—P激光器的兩個端面上涂有抗反射膜，消除兩端的反射，以獲得寬頻帶、高輸出、低噪聲。

早在半導(dǎo)體激光器出現(xiàn)時，就開始了對SOA的研究，但由于初期的半導(dǎo)體材料激光放大器偏振靈敏度較高，使得SOA一度沉寂。但近幾年來應(yīng)變量子材料的研制成功，克服了偏振敏感的缺點(diǎn)，性能也有許多改進(jìn)。半導(dǎo)體光放大器的增益可以達(dá)到30dB以上，而且在1310nm窗口和1550nm窗口上都能使用。如能使其增益在相應(yīng)使用波長范圍保持平坦，那么它不僅可以作為光放大的一種有益的選擇方案，還可促成l310nm窗口WDM系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

SOA的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、體積小，可充分利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體激光器技術(shù)，制作工藝成熟，成本低、壽命長、功耗小，且便于與其他光器件進(jìn)行集成。另外，其工作波段可覆蓋l.3～1.6μm波段，這是EDFA或PDFA所無法實(shí)現(xiàn)的。但最大的弱點(diǎn)是與光纖的耦合損耗太大，噪聲及串?dāng)_較大且易受環(huán)境溫度影響，因此穩(wěn)定性較差。SOA除了可用于光放大外，還可以作為光開關(guān)和波長變換器。

二、光纖拉曼放大器

1.分布式拉曼光纖放大器（LRA）。

分布式拉曼放大器基于光纖受激拉曼散射（SRS）效應(yīng)，一般采用反向泵浦方式，實(shí)現(xiàn)方法如下：將高功率連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)激光從光纖跨段的輸出端注入傳輸光纖，該泵浦光的傳輸方向與信號光傳輸方向相反。、低噪聲系數(shù)分布式拉曼放大器可以有效克服四波混頻等非線性效應(yīng)的影響，并改善系統(tǒng)的光信噪比（OSNR）。

2.分立式拉曼光纖放大器（DRA）。

分立式拉曼放大器采用的放大介質(zhì)通常是色散補(bǔ)償光纖或高非線性光纖，比如DCF光纖或者碲基光纖。目前DCF光纖拉曼增益系數(shù)比SMF提高了10倍左右，作為拉曼增益介質(zhì)后還可以組成色散補(bǔ)償模塊（DCM）。采用碲基光纖，其拉曼增益系數(shù)比石英光纖高16倍，峰值達(dá)到55W/km。

目前，分布式光纖拉曼放大器進(jìn)展很快，國外很多長距離、超大容量的密集波分復(fù)用光通訊系統(tǒng)（DWDM）所使用的光放大器大多是分布式光纖拉曼放大器，這不僅可以充分利用光纖資源，降低成本，而且可以降低增益介質(zhì)中的光密度，以便減少由于非線性效應(yīng)產(chǎn)生的四波混頻、信道間串?dāng)_所引起的系統(tǒng)性能劣化。但拉曼放大器的增益較低（實(shí)際線路中使用時不超過16dB），而EDFA雖然噪聲指數(shù)上不如拉曼放大器，但小信號增益可以超過30dB，因此將拉曼放大器與EDFA結(jié)合起來的混合放大器是一種理想的應(yīng)用形式。

三、摻鉺光纖放大器

使用鉺離子作為增益介質(zhì)的光纖放大器稱為摻鉺光纖放大器（EDFA）。這些離子在光纖制作過程中被摻入光纖的纖芯中，使用泵浦光直接對光信號放大，提供光增益。雖然在摻雜光纖放大器早在1964年就有研究，但是直到1985年英國南安普頓大學(xué)才首次研制成功摻鉺光纖。1988年低損耗摻鉺光纖技術(shù)已相當(dāng)成熟，其性能相當(dāng)優(yōu)良，已可以提供實(shí)際使用。放大器的特性（如工作波長、帶寬）由摻雜劑所決定。摻鉺光纖放大器因?yàn)楣ぷ鞑ㄩL在靠近光纖損耗最小的1.55？m波長區(qū)，它比其他光放大器更引人注意。

摻鉺光纖放大器在常規(guī)光纖數(shù)字通信系統(tǒng)中應(yīng)用，可以省去大量的光中繼機(jī)，而且中繼距離也大為增加，這對于長途光纜干線系統(tǒng)具有重要意義。其主要應(yīng)用包括：1、可作光距離放大器。傳統(tǒng)的電子光纖中繼器有許多局限性。如，數(shù)字信號和模擬信號相互轉(zhuǎn)換時，中繼器要作相應(yīng)的改變；設(shè)備由低速率改變成高速率時，中繼器要隨之更換；只有傳輸同一波長的光信號，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴，等等。摻鉺光纖放大器則克服了這些缺點(diǎn)，不僅不必隨信號方式的改變而改變，而且設(shè)備擴(kuò)容或用于光波分復(fù)用時，也無需更換。2、可作光發(fā)送機(jī)的后置放大器及光接收機(jī)的前置放大器。作光發(fā)送機(jī)的后置放大器時，可將激光器的發(fā)送功率從0db提高到+10db。作光接收機(jī)的前置放大器時，其靈敏度也可大大提高。因此，只需在線路上設(shè)1-2個摻鉺放大器，其信號傳輸距離即可提高100-200km。

摻鉺光纖放大器的獨(dú)特優(yōu)越性已被世人所公認(rèn)，并且得到越來越廣泛的應(yīng)用。但是，摻鉺光纖放大器也存在著一定的局限性。比如，在長距離通信中不能上下話路、各站業(yè)務(wù)聯(lián)系比較困難、不便于查找故障、泵浦光源壽命不長，隨著光纖通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，這些問題將會得到完滿的解決。

參考文獻(xiàn)：

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

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