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光放大器产业化

光放大器就是将微弱光信号直接进行放大的器件。它是基于受激辐射或受激散射的原理来实现对微弱入射光进行放大的,其机制与激光器类似。

光放大器主要有3种类型:半导体光放大器、掺杂光纤放大器和光纤拉曼放大器。

近年来,由于光纤通信在单位时间内传输的信息量大,一对单模光纤就能同时开通35000个电话,而且它的建设费用随着使用数量的增大而降低,同时具有频带宽,损耗小、中继距离长,体积小、重量轻,抗电磁干扰性好、抗辐射性强,使用金属少,泄露小、保密性好,价格便宜等优点,光纤通信的发展极其迅速。特别是在中国,随着宽带业务的发展、网络需要扩容、3G移动通信网的建设等,光纤通信仍有巨大的市场。现在每年光纤通信设备和光缆的销售量都是上升的。

就光纤通信技术本身来说,包括以下几个主要部分:光纤光缆技术、传输技术、光有源器件、光无源器件以及光网络技术等。其中,光有源器件在光网络系统中广泛应用。而在光有源器件中,放大器就是一种重要的器件。随着经济的发展和科技的进步,人们对通信提出了更高的要求,这也诱发了许多高新技术的出现,其中光放大器的出现就是光通信史上的一个重要里程碑。

 

下面具体介绍这三种放大器的优缺点和它的应用。

半导体光放大器(SOA)的放大特性主要取决于有源层的介质特性和激光腔的特性,工作原理与半导体激光器相类似。它的优点是①具有很大的增益带宽(1 300~1 600 nm),增益平坦性较好;②能够动态转换波长,能够接受输入信号光改变它的频率,对其进行放大;③体积小,泵浦简单,可批量生产,成本低。它的缺点①是增益幅度稍小一些,制造难度较大②具有对信号光偏振敏感的特性;③具有对信号光增益的饱和性,无论输入多大光功率,经历多少级放大,最终的输出功率总被限制在某一水平。以上缺点限制了SOA在光纤通信中的应用。此外,如果它在非线性区工作,则快速的增益动态变化会引起多信道之间的串扰;由于噪声系数较大,与光纤耦合时损耗很大,因此SOA不适合应用在高速率、大容量、长距离传输中,但它具有快速的响应时间(ns量级),可用作光开关,还可用作半导体光波长转换器,也可作为光放大器应用于短距离的DWDM系统中。

杂光纤放大器就是在光纤中掺杂稀土离子(如铒、镨、铥等)作为激光活性物质。每一种掺杂剂的增益带宽是不同的。掺铒光纤放大器的增益带较宽,覆盖S、C、L频带;掺铥光纤放大器的增益带是S波段;掺镨光纤放大器的增益带在1310nm附近。

掺铒光纤放大器(EDFA)是目前多种掺杂光纤放大器中应用最为广泛的光纤放大器,它的工作原理是利用掺铒(Er3+)光纤作为增益介质,使用激光器二极管发出的泵浦光对信号光进行放大的器件。EDFA的优点是:①通常工作在1 530~1 565 nm光纤损耗最低的窗口;②增益高,且在较宽的波段内提供较为平坦的增益;③噪声系数较低,各个信道间的串扰极小,可级联多个放大器;④结构简单,与线路耦合损耗小;⑤具有透明性,放大特性与系统比特率、信号格式和编码无关;⑥成本低,与再生电路相比具有较大的成本优势。其缺点是:①能够提供的增益带宽不够宽,制约了光纤容纳的波长信道数;②不便于查找故障,泵浦源寿命不长;③存在输出功率的控制和不同波长通道的增益均衡问题。

   EDFA是目前光放大器市场的主流品种,在DWDM系统、接入网和有线电视领域得到广泛应用,在CATV系统中通常作为功率放大器以提高发射机的功率,使发射机覆盖的用户数大大增加,也可作为光纤线路的中继放大器,以补偿光分路器及线路损耗,使传输距离大大增加。

    拉曼光纤放大器(FRA)是一种技术较为成熟的光放大器,其工作原理是基于光纤的受激拉曼散射(SRS)效应,在不断发生散射的过程中,把能量转交给信号光,从而使信号光得到放大。FRA的优点是①可为任何波长提供增益,可以在掺铒光纤放大器所不能放大的波段实现放大。②放大介质就是传输光纤本身,不需要特殊掺杂作为放大介质,因而成本比EDFA更低。③增益介质为传输光纤本身,实现分布式在线放大,由于能量的分布作用,能提高信噪比和传输距离,实现超长距离无中继传输。④FRA的有效噪声系数比EDFA要低,因此它与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的缺点在于需要特大功率的泵浦激光器,因而在近几年大功率半导体激光器开发成功后才开始商用化,不过价格昂贵。FRA的应用有:①与EDFA混合使用。可以使增益谱和噪声谱平坦化,提高信噪比,塑造整体增益曲线,也可实现全拉曼放大LRA+DRA,实现真正连续宽带。②补偿色散补偿光纤(DCF)的损耗。在色散补偿光纤后加上FRA不但可以补偿损耗,还可以提高信噪比。③在系统升级时能保证系统的误码率不变,因为FRA的有效噪声系数比EDFA要低。④在宽带DWDM系统中,EDFA的放大频带宽度不够宽,限制了信道数目,而拉曼光纤放大器能够弥补这一点,可在一个很宽的范围内实现平坦放大。

   光放大器自从1990年代商业化以来已经深刻改变了光纤通信工业的现状,在过去十年间的通信演化中起着主导作用。所以说,光放大器的研制成功是光纤通信史上的一个重要里程碑。光放大器的开发成功及其产业化是光纤通信技术中的一个非常重要的成果,它解决了衰减对光网络传输距离的限制,又开创了1 550 nm波段的波分复用系统,大大地促进了光复用技术、光孤子通信以及全光网络的发展。由此可见光放大器已经向产业化发展。