光放大器的发展

光放大器的工作原理比较简单：它是一个无光反馈的激光器，如图9.12.1所示，此器件吸收由泵激系统提供的外界能量。这种激励使有源媒质（即给出光增益的物质）处在粒子数反转状态，以便在信号波长上造成比吸收过程更大概率的发射。在这种情况下，部分泵激能量可被转移到信号波长上，通过在反转的有源媒质中的受激发射，使光信号得到放大。

图9.12.1　光放大器的基本工作原理

一般来说，光放大器都由增益介质、泵浦源、输入输出耦合结构组成。目前光放大器形式主要有三种：

①利用激光二极管制作的半导体光放大器；

②利用掺杂光纤（Nd，Sm，Ho，Er，Pr，Tm和Yb）制作的光纤放大器，其中以掺铒光纤放大器为主；

③基于光纤的非线性效应，利用受激散射机制实现光的直接放大，如光纤拉曼放大器（FRA）和光纤布里渊放大器。

目前已经开发出的光纤放大器有掺铒光纤放大器、掺镨光纤放大器、掺铌光纤放大（NDFA）等，如图9.12.2所示。用于1 310nm窗口的PDFA，因受氟化物光纤制作困难和氟化物光纤特性的限制，研究进展比较缓慢。目前在线路中使用的光放大技术主要采用EDFA，EDFA属于掺杂稀有元素的光纤放大器家族中的一种，此外其他可能的掺杂元素包括镨（通常用于1 300nm范围内的放大）和钕（通常用于高功率的激光器）、镱（通常和饵一起混合用）。

图9.12.2　光纤的衰减谱和各种光放大技术的放大谱范围

1.半导体光放大器

半导体光放大器利用半导体材料固有的受激辐射放大机制，实现相干光放大，其原理和结构与半导体激光器类似。当偏置电流低于振荡阈值时，激光二极管对输入的相干光具有线性放大作用。当偏置电流高于振荡阈值时，通过注入锁定，激光二极管可以作为非线性放大器。线性半导体光放大器可分为两类：法布里－玻罗（F－P）光放大器和行波（TW）光放大器，两者的区别在于两个端面的反射率不同，法布里－玻罗（F－P）腔式光放大器端面反射率高，光在两端面间来回反射，产生共振放大。行波光放大器端面反射率很低，光在沿介质行进过程中被放大，然后由输出端面输出，而不产生反射。SOA具有体积小，结构简单，易于同其他光器件和电路集成，适合批量生产，成本低等优点，并且能对1 310nm窗口的光信号进行放大。但是这种器件与光纤耦合时损耗很大，一般大于5dB。器件的增益受严重光的偏振状态、工作温度影响，因此工作稳定性差，器件的噪声较大、功率较小、增益恢复时间为皮秒（ps）量级，这对高速传输的光信号将产生不利影响。

半导体光放大器主要用于全光波长变换、光交换、谱反转、时钟提取、解复用等。该放大器覆盖了1 300～1 600nm波段，既可用于1 310nm窗口的光放大，又可用于1 550nm窗口的光放大。

目前，人们主要关注的是应变补偿的无偏振、单片集成、光横向连接的半导体光放大器，以及自应变量子阱材料的半导体光放大器和小型化、集成化的半导体光放大器的研发。

2.掺铒光纤放大器

掺铒光纤放大器具有增益高、频带宽、噪声低、效率高、连接损耗低、偏振不敏感等特点，在20世纪90年代初得到了飞速发展，成为了当时光放大器研究发展的主要方向，极大地推动了光纤技术的发展。自此以后，掺铒光纤放大器的研究在多方面开展，建立了多种理论模型，提出了增益均衡和扩大增益带宽的方案和方法，进行了多种系统应用研究，同时进行了氟化玻璃铒光纤放大器、分布式光纤放大器和双向放大器的研究，使掺铒光纤放大器及其应用得到了飞速发展。此外又开展了掺镨（Pr）、掺镱（Yb）、掺铥（Tm）等光纤放大器的研究，使光纤放大器的研究全面发展。

EDFA的优点是：

①通常工作1 530～1 556mn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，是波分复用理想的光纤放大器；

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。

其缺点是：

①在第三窗口以上的波长，光纤的弯曲损耗较大，而常规的掺铒光纤放大器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，泵浦源使用寿命不长；

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，掺铒光纤放大器的增益对100kHz以上的高频调制不敏感，对低于1kHz的调制，掺铒光纤放大器的输出信号会产生失真。

EDFA主要用于密集波分复用系统、接入网、光纤电视CATV网、军用系统、光孤子通信系统等领域，也可作为功率放大器，以提高发射机的功率；在光纤传输线路中用作全光中继放大器，以补偿光纤传输损耗，延长传输距离；在光接收机前用做前置放大器，以提高光接收机的灵敏度；在光纤电视CATV和光纤用户接入网中用作光功率补偿器，以补偿光分配器和传输链路造成的光损耗，提高用户的数量，降低用户网和电缆电视CATV系统的建设成本。

3.光纤拉曼放大器

历史上，伴随着低损耗光纤的诞生，光纤拉曼放大器的应用就成为一种可能。20世纪70年代光放大器尚未成为光通信中的必需品，有关拉曼放大器的研究主要集中于光纤中拉曼散射和大功率拉曼泵浦激光器的研制。进入20世纪80年代，随着光通信的发展，人们对光放大器投入了巨大的研究精力，FRA是其中的重要组成部分，在合适波长的大功率泵浦激光器和光纤拉曼放大器的特性方面取得了一定的成果，光纤拉曼放大器一度成为最有希望实用化的光放大器。但是20世纪80年代末期掺铒光纤放大器的出现给光纤拉曼放大器的研究浇上了一盆冷水。毫无疑问，20世纪90年代初期，掺铒光纤放大器在1.5波段光通信系统中处于完全统治地位。而FRA泵浦激光器方面的研究停滞不前，使其仍难以实用化。然而随着“密集波分复用＋掺铒光纤放大器”技术的迅猛发展，掺铒光纤放大器的有限带宽和集中放大导致的高噪声限制了系统容量和传输距离的进一步发展。光纤拉曼放大器又以其低噪声和仅由泵浦波长决定增益波段的特性吸引了人们的注意，这两点也是近年来光纤拉曼放大器的研究热点。同时大功率半导体激光器和拉曼激光器的制造工艺也日趋成熟，而且成本大幅度下降，使光纤拉曼放大器在系统中的应用成为了可能。