光放大器：半导体和光纤放大器的特点和应用

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：目前成功研制出的光放大器有半导体光放大器、光纤放大器两大类。图9.27半导体光放大器的结构半导体光放大器的特点是：尺寸很小；增益较高，一般在15～30 dB；频带宽，一般为50～70 nm。EDFA 的工作波长为1 550 nm，与光纤的低损耗窗口一致，是最具吸引力和最为成熟的光纤放大器。图9.30三种泵浦形式的EDFAEDFA 中的光耦合器的作用是将信号光和泵浦光合在一起，送入掺铒光纤中。光隔离器的作用是抑制反射光，以确保光放大器工作稳定。

光纤通信在进行长距离传输时，由于光纤中存在损耗和色散，使得光信号能量降低、光脉冲发生展宽。因此每隔一定距离就需设置一个中继器，以便对信号进行放大和再生，然后送入光纤继续传输。传统采用的方案是光—电—光的中继器，其工作原理是先将接收到的微弱光信号经光电检测器转换成电流信号，然后对此电信号进行放大、均衡、判决等使信号再生，最后再通过半导体激光器完成电光转换，重新发送到下一段光纤中去。在光纤通信系统传输速率不断提高的现代通信中，这种光—电—光的中继变换处理方式的成本迅速增加，已经不能满足现代通信传输的要求。

长时间以来，人们一直在寻找用光放大的方法来替代传统的中继方式，并延长中继距离。光放大器能直接放大光信号，无须转换成电信号，对信号的格式和速率具有高度的透明性，使得整个光纤通信传输系统更加简单和灵活。它的出现和实用化在光纤通信中引起一场革命。

目前成功研制出的光放大器有半导体光放大器、光纤放大器两大类。每一类又有不同的应用结构和形式。

1.半导体光放大器

半导体光放大器的结构如图9.27所示。半导体光放大器是一个具有或不具有端面反射的半导体激光器，其结构和工作原理与半导体激光器非常相似。当给器件加偏置电流时，通过受激辐射的工作机制使输入的微弱光信号获得增益。当然在工作机制中也存在自发辐射，自发辐射产生随机起伏的放大器噪声，称为被放大的自发辐射（ASE）噪声。

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图9.27　半导体光放大器的结构

半导体光放大器的特点是：尺寸很小；增益较高，一般在15～30 dB；频带宽，一般为50～70 nm。存在的主要问题是：与光纤的耦合损耗大，为5～8 dB；由于增益与偏振态、温度等因素有关，稳定性差；在高速光信号的放大上，仍存在问题；输出功率小，噪声系数较大。

2.光纤放大器

光纤放大器分为稀土掺杂光纤放大器和利用非线性效应制作的常规光纤放大器。

稀土掺杂光纤放大器是利用光纤中稀土掺杂物质引起的增益机制实现光放大的。掺杂的稀土元素有铒（Er）、镨（Pr）、铒镱（Er：Yb）共掺杂等。其中掺铒光纤放大器（EDFA）的工作波长为1 550 nm 波段，掺镨光纤放大器（PDFA）的工作波长为1 300 nm 波段。

EDFA 的工作波长为1 550 nm，与光纤的低损耗窗口一致，是最具吸引力和最为成熟的光纤放大器。EDFA 的典型结构如图9.28所示，包括光路结构和辅助电路部分。光路部分由掺铒光纤、泵浦光源、光耦合器、光隔离器和光滤波器组成。辅助电路主要有电源、自动控制部分和保护电路。

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图9.28　EDFA 的典型结构

掺铒光纤是EDFA 的核心，它以石英光纤为基础材料，在光纤芯子中掺入一定比例的稀土元素——铒离子（Er3+）。这样形成了一种特殊的光纤，这种光纤在一定的泵浦光激励下，处于低能级的Er3+可以吸收泵浦光的能量，向高能级跃迁。Er3+的能级结构如图9.29所示。由于Er3+在高能级上的寿命很短，很快以无辐射的形式跃迁到亚稳态（4I13/2能级），在该能级上，Er3+有较长的寿命，从而在亚稳态和基态之间形成粒子数反转分布。当1 550 nm 波段的光信号通过这段掺铒光纤时，亚稳态的Er3+以受激辐射的形式跃迁到基态，并产生和入射光信号中的光子一模一样的光子，大大增加了信号光中的光子数量，实现了信号光在掺铒光纤中的放大。

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图9.29　Er3+能级分布、泵浦光、信号光的关系

EDFA 中的泵浦光源为信号光的放大提供足够的能量，它使处于低能级的Er3+被提升到高能级上，使掺铒光纤达到粒子数反转分布。一般采用的泵浦光源是半导体激光二极管，其泵浦波长有800 nm、980 nm 和1 480 nm 三种。其中应用最多的是980 nm 的泵浦光源，因为980 nm 的泵源具有噪声低、泵浦效率高、驱动电流小、增益平坦性好等优点。

EDFA 的泵浦形式有三种，同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦，如图9.30所示。同向泵浦是信号光与泵浦光以同一方向进入掺铒光纤的方式，反向泵浦是信号光与泵浦光从两个不同的方向进入掺铒光纤的方式，同向泵浦则是同向泵浦和反向泵浦同时泵浦的方式。

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图9.30　三种泵浦形式的EDFA

EDFA 中的光耦合器的作用是将信号光和泵浦光合在一起，送入掺铒光纤中。光隔离器的作用是抑制反射光，以确保光放大器工作稳定。光滤波器的作用是滤除光放大器中的噪声，提高EDFA 的信噪比。

辅助电路部分中的自动控制部分一般采用微处理器对EDFA 的泵浦光源的工作状态进行监测和控制、对EDFA 输入和输出光信号的强度进行监测，根据监测结果适当调节泵浦光源的工作参数，使EDFA 工作在最佳状态。此外辅助电路部分还包括自动温度控制和自动功率控制的保护功能的电路。

另一种光纤放大器是利用传输光纤制作的常规光纤放大器，它是利用光纤的三阶非线性光学效应产生的增益机制对光信号进行放大。其特点是传输线路和放大线路同为光纤，是一种分布参数式的光放大器。其主要的缺点是由于单位长度的增益系数较低，需要很高的泵浦光功率。光纤拉曼放大器（FRA）是这类器件中的佼佼者，它具有在1 270～1 670 nm 全波段实现光放大和利用传输光纤进行在线放大的优点，成为继EDFA 之后的又一颗璀璨的明珠。

3.EDFA的应用形式与特点

（1）EDFA 的应用形式

①系统线路放大器：将EDFA 直接接入光纤传输链路中作为在线放大器或光中继器，取代光-电-光中继器，实现光-光放大。可广泛应用于长途通信、越洋通信和CATV 分配网络等领域。

②功率放大器：将EDFA 接在光发射机的光源之后对信号进行放大。由于增加了入纤的光功率，从而可延长传输距离。

③前置放大器：将EDFA 放在光接收机的前面，可以提高光接收机的接收灵敏度。

④LAN 放大器：将EDFA 放在光纤局域网络中用作分配补偿器，以便增加光节点的数目，为更多的用户服务。

（2）EDFA 的主要特点

①工作波长为1 550 nm，与光纤的低损耗波段一致。

②EDFA 的信号增益谱很宽，达到30 nm 或更高，可用于多路信号的放大，尤其适合于密集波分复用（DWDM）光纤通信系统。

③EDFA 的增益高约20～40 dB，且具有较高的饱和输出功率，一般为10～20 d Bm。

④EDFA 具有较低的噪声指数，为4～8 d B。

⑤与光纤的耦合损耗小，甚至可达0.1 dB。