光放大器在光纖領域的應用

　　光放大技術是指不需要進行光—電—光的轉換，直接對光信號進行實時、在線、透明放大的技術。其核心器件為光放大器，它是一種全光放大器，主要由增益介質、輸入輸出結構等構成，其作用是增強光信號的功率，放大輸入的弱光信號。在光纖通信技術中，由傳統的光電混合中繼放大器到純光放大器是一個重大的飛躍。這意味著光電中繼器中由于電子響應速度和寬帶限制所帶來的“電子瓶頸”的影響將不復存在，利用原有的系統進行高速率信號傳輸將成為現實。同時，它也使得光通信系統中波分復用技術和密集波分復用技術的實現成為可能。
 

　　一、光放大器的基本原理
 

　　根據放大所采用的增益介質和放大工作原理的不同，可對放大器做不同的區分。按照采用的增益介質可將光放大器分為兩類，一類是半導體放大器，另一類是光纖放大器。前者的增益介質是半導體晶體材料構成的PN結，后者則是光纖。而在光纖放大器中，根據放大機理的不同，又可區分為稀土摻雜放大器(如摻鉺光纖放大器，)和分布式光纖放大器(如拉曼光纖放大器)等。

 

　　二、半導體光放大器
 

　　在半導體增益材料中，通過受激發射，可以實現光的放大，這就是半導體光放大器(SOA)的基本原理。對SOA的研究開始于1961年發明半導體激光器不久，但直到20年后人們才認識到它在光波系統中具有重要的應用前景，由此開始了更為廣泛的研究和開發。SOA主要包括兩類：一類由無反射鏡面的激光器構成，稱之為行波激光器放大器；另一類則由反射鏡面、但工作在激光閾值之下的激光器構成，稱作共振激光放大器，其增益理論上可達25-30 dB，噪聲小，可用作光接收機的前置放大器。
 

　　SOA的優點是能在1300 nm波長區域提供放大，而其他放大器則不行。此外，SOA還可以與其他光子器件和光波導進行單片集成。
 

　　SOA用途：信號處理，光子交換，波長交換器等。目前，影響SOA廣泛是使用的主要問題：一是增益不夠，二是噪聲較大，三是增益具有偏振依賴性，因此除了1300 nm光纖系統之外，它不能作為在線放大器來使用。
 

　　三、摻鉺光纖放大器
 

　　摻鉺光纖放大器的增益介質是鉺離子，它在光纖制作過程中被摻入纖芯中。其能夠放大的機理及信號波長與鉺離子的能級分布有關。摻鉺光纖的結構如圖，三價的鉺離子位于EDF纖芯中央，這將有利于其最大地吸收泵浦及信號能量，以產生最佳的放大效果；纖芯外是外徑為125 um的包層；最外層是外徑為250 um的保護層，其折射率略大于包層折射率，因而可將從包層中輻射出的光轉移。
 

圖1.摻鉺光纖放大器基本原理
 

　　光纖通信系統中的光纖放大器之所以大部分采用摻鉺光纖放大器，是因為鉺元素能在1530-1625 nm范圍內提供有用的增益，且石英光纖在這一波長范圍內具有最低的衰減。摻鉺光纖產生受激輻射。當用一高功率的泵浦光 λ 注入摻鉺光纖時，將鉺離子從低能級的基態E1激發到高能級E3上。Er3+在高能級上的壽命很短，很快即以無輻射躍遷的形式衰減到亞穩態能級E2 上。由于Er3+ 在能級E2 上壽命較長，在其上的粒子數聚集越來越多，從而在能級E2和E1之間形成粒子數的反轉分布。這樣，當具有1550 nm波長的光信號λEr通過這段摻鉺光纖時，處于亞穩態能級的粒子即以受激輻射的形式躍遷到基態，并產生和入射光信號光(1550 nm)一樣的光子，從而大大增加了信號光中的光子數量，也即實現了信號光在摻鉺光纖中輸出時不斷被放大的功能。因此，利用摻鉺光纖即可制成摻鉺光纖放大器EDFA。摻鉺光纖纖芯中鉺的摻雜濃度取決于光纖放大器的設計要求，通常摻雜濃度在100-1000×10-6 ，且集中在3-6 um的纖芯中。
 

　　結語：光放大器是光纖通信系統中能對光信號進行放大的一種子系統產品。光放大器的原理基本上是基于激光的受激輻射，通過將泵浦光的能量轉變為信號光的能量實現放大作用。光放大器自從1990年代商業化以來已經深刻改變了光纖通信工業的現狀。光纖放大器是光纖通信系統對光信號直接進行放大的光放大器件。在使用光纖的通信系統中，不需將光信號轉換為電信號，是直接對光信號進行放大的一種技術。