彭婉娟刘锋华（江西先锋软件职业技术学院，江西南昌330041）
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]MasudaH,KawaiS,AidaK.Ultra-widebandhybridamplifiercomprisingdistributedRamanamplifieranderbium-dopedfiberamplifier[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.