摘 要:光放大器能解决光纤通信系统中传输信号的功率衰减问题,它不仅可以提升光信号的传输距离,而且能够同时放大多路高速光信号,大大简化了光纤通信系统。本文介绍掺铒光纤放大器(EDFA)、光纤拉曼放大器(FRA)和半导体光放大器(SOA)这三种光放大器的工作原理、特性及其在光纤通信系统中的应用。
关键词:光放大器;传输距离;光纤通信
在光纤通信中,光信号传输距离一直是人们关注的焦点。由于光纤具有损耗特性,光信号的传输距离受到很大限制,通常使用中继器来解决这个问题。光放大器是一种常用中继器,它直接放大光信号,能实现信号透明式传输,成为延长光信号传输距离的重要器件。
Ⅰ 掺铒光纤放大器
掺铒光纤放大器是利用掺铒光纤作为增益介质实现光的放大。在泵浦光的激励下,掺铒光纤中的铒离子迅速跃迁至亚稳态,由于亚稳态上的铒离子寿命较长(约为10ms),亚稳态与基态之间很快形成粒子数反转,此时,向掺铒光纤中注入信号光,由于受激辐射效应,将释放出大量与信号光子完全相同的光子,信号光迅速被放大。
目前EDFA技术十分成熟,它具有诸多优点。首先,工作波段处在传输光纤的低损耗窗口上,能减少信号光功率的衰减。其次,增益高,噪声系数低。EDFA的增益和泵浦功率、输入信号光功率和掺铒光纤长度有关,在强泵浦高增益条件下,放大器噪声系数近乎极限值3dB。同时,EDFA还具有增益谱平坦、增益可控和输出光功率可控的特性。
EDFA在数字光纤通信系统中发挥着重要作用,主要有以下四种。第一种是在系统发射端用作功率放大器,提高发端入纤的信号光功率;第二种是在传输线路中用作中继放大器,及时补偿线路中信号光功率的衰减;第三种是在系统接收端用作前置放大器,提高光接收机的灵敏度。这三种用途均能延长光信号的传输距离。第四种是补偿局域网中的分配损耗,增加网络节点数。
Ⅱ 光纤拉曼放大器
光纤拉曼放大器是利用受激拉曼散射效应来放大信号光。频率为强光与光纤介质相互作用,发出一个频率为光子和一个频率为的声子,或吸收一个频率为的声子,发出一个频率为的光子,这被称为斯托克斯过程。拉曼散射的峰值增益位置在下频移13THz处。如果用比信号光频率高13THz的强光进行泵浦,在斯托克斯过程中,泵浦光功率将转移到信号光上,使弱信号光得到放大。
FRA具有以下优势。首先,传输光纤既可作为传输介质,亦可作为放大介质;其次,增益带宽的位置会随泵浦波长的改变而改变,可以灵活调节增益范围;第三,采用多波长泵浦可以得到宽带、平坦的增益谱,实现宽带信号放大;第四,噪声小,在超长距离高速传输系统中能使光信号保持好的光信噪比。
相比EDFA,FRA在增益带宽、噪声系数方面具有明显优势,但是,FRA的泵浦效率不高,在超长距离传输系统中,需要大功率泵浦,增加系统成本。实际应用中常用FRA+EDFA混合型光放大器,可以实现增益平坦宽带达到100nm。
Ⅲ 半导体光放大器
半导体光放大器的结构类似于半导体激光器,它是在半导体材质制成的有源区内非平衡载流子(即电子空穴对)实现信号光放大。
根据半导体的发光效应,在泵浦激励下,有源区内将产生非平衡载流子,即电子、空穴分别累积在导带底、价带顶,实现粒子数反转分布。当非平衡载流子都迅速落回能带最底点并复合时,就发出一个能量等于禁带宽度的光子。在持续的泵浦激励下,释放出大量光子,实现信号光持续放大。放大的信号光波长和半导体材料有关,选取不同的半导体材料,就可以使其输出不同频率的且被放大的信号光。
SOA的特点是,增益带宽很宽,能覆盖光纤的两个低损耗窗口(1.31μm和1.55μm),并且有平坦的增益谱;器件体积小,泵浦方式简单,成本低。另外,非常显著的一点是,SOA能实现动态转换波长[5],不仅改变输入光波长,同时输出放大的信号光功率。基于SOA的波长转换器在光开关、再生存储器等技术中有着广泛应用。
此外,SOA还具有一定缺点,如噪声、串扰较显著,耦合效率较低,成本偏高,这抑制了SOA商用化。总之,SOA还有待进一步的开发和利用,相信在未来光纤通信网中能更好地发挥优势。
结束语
光放大器具有增益高、带宽宽的特点,能补偿光纤通信系统中信号光功率的衰减,实现大容量高速信号的远距离传输。根据EDFA、FRA、SOA各自特性,根据不同应用场景,选择合适的光放大器或者光放大器组合来优化系统性能。随着新的设计和制造技术、新的器件组合方式,光放大器必然推动光纤通信网向高性能、低成本的方向迈进。
参考文献:
[1]陈才和.光纤通信[M].北京:电子工业出版社,2004.
[2] Masuda H, Kawai S, Aida K. Ultra-wideband hybrid amplifier comprising distributed Raman amplifier and erbium-doped fiber amplifier[J]. Electron.lett., 1998, 33(9):1342～1344.
[3]赵书安.半导体光放大器的原理及应用分析[J].金陵科技学院学报,2005,21(3):22-26.