光放大器在光纤领域的应用

　　光放大技术是指不需要进行光—电—光的转换，直接对光信号进行实时、在线、透明放大的技术。其核心器件为光放大器，它是一种全光放大器，主要由增益介质、输入输出结构等构成，其作用是增强光信号的功率，放大输入的弱光信号。在光纤通信技术中，由传统的光电混合中继放大器到纯光放大器是一个重大的飞跃。这意味着光电中继器中由于电子响应速度和宽带限制所带来的“电子瓶颈”的影响将不复存在，利用原有的系统进行高速率信号传输将成为现实。同时，它也使得光通信系统中波分复用技术和密集波分复用技术的实现成为可能。
 

　　一、光放大器的基本原理
 

　　根据放大所采用的增益介质和放大工作原理的不同，可对放大器做不同的区分。按照采用的增益介质可将光放大器分为两类，一类是半导体放大器，另一类是光纤放大器。前者的增益介质是半导体晶体材料构成的PN结，后者则是光纤。而在光纤放大器中，根据放大机理的不同，又可区分为稀土掺杂放大器(如掺铒光纤放大器，)和分布式光纤放大器(如拉曼光纤放大器)等。

 

　　二、半导体光放大器
 

　　在半导体增益材料中，通过受激发射，可以实现光的放大，这就是半导体光放大器(SOA)的基本原理。对SOA的研究开始于1961年发明半导体激光器不久，但直到20年后人们才认识到它在光波系统中具有重要的应用前景，由此开始了更为广泛的研究和开发。SOA主要包括两类：一类由无反射镜面的激光器构成，称之为行波激光器放大器；另一类则由反射镜面、但工作在激光阈值之下的激光器构成，称作共振激光放大器，其增益理论上可达25-30 dB，噪声小，可用作光接收机的前置放大器。
 

　　SOA的优点是能在1300 nm波长区域提供放大，而其他放大器则不行。此外，SOA还可以与其他光子器件和光波导进行单片集成。
 

　　SOA用途：信号处理，光子交换，波长交换器等。目前，影响SOA广泛是使用的主要问题：一是增益不够，二是噪声较大，三是增益具有偏振依赖性，因此除了1300 nm光纤系统之外，它不能作为在线放大器来使用。
 

　　三、掺铒光纤放大器
 

　　掺铒光纤放大器的增益介质是铒离子，它在光纤制作过程中被掺入纤芯中。其能够放大的机理及信号波长与铒离子的能级分布有关。掺铒光纤的结构如图，三价的铒离子位于EDF纤芯中央，这将有利于其最大地吸收泵浦及信号能量，以产生最佳的放大效果；纤芯外是外径为125 um的包层；最外层是外径为250 um的保护层，其折射率略大于包层折射率，因而可将从包层中辐射出的光转移。
 

图1.掺铒光纤放大器基本原理
 

　　光纤通信系统中的光纤放大器之所以大部分采用掺铒光纤放大器，是因为铒元素能在1530-1625 nm范围内提供有用的增益，且石英光纤在这一波长范围内具有最低的衰减。掺铒光纤产生受激辐射。当用一高功率的泵浦光 λ 注入掺铒光纤时，将铒离子从低能级的基态E1激发到高能级E3上。Er3+在高能级上的寿命很短，很快即以无辐射跃迁的形式衰减到亚稳态能级E2 上。由于Er3+ 在能级E2 上寿命较长，在其上的粒子数聚集越来越多，从而在能级E2和E1之间形成粒子数的反转分布。这样，当具有1550 nm波长的光信号λEr通过这段掺铒光纤时，处于亚稳态能级的粒子即以受激辐射的形式跃迁到基态，并产生和入射光信号光(1550 nm)一样的光子，从而大大增加了信号光中的光子数量，也即实现了信号光在掺铒光纤中输出时不断被放大的功能。因此，利用掺铒光纤即可制成掺铒光纤放大器EDFA。掺铒光纤纤芯中铒的掺杂浓度取决于光纤放大器的设计要求，通常掺杂浓度在100-1000×10-6 ，且集中在3-6 um的纤芯中。
 

　　结语：光放大器是光纤通信系统中能对光信号进行放大的一种子系统产品。光放大器的原理基本上是基于激光的受激辐射，通过将泵浦光的能量转变为信号光的能量实现放大作用。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。光纤放大器是光纤通信系统对光信号直接进行放大的光放大器件。在使用光纤的通信系统中，不需将光信号转换为电信号，是直接对光信号进行放大的一种技术。