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光放大技術(shù)是指不需要進(jìn)行光—電—光的轉(zhuǎn)換，直接對(duì)光信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線(xiàn)、透明放大的技術(shù)。其核心器件為光放大器，它是一種全光放大器，主要由增益介質(zhì)、輸入輸出結(jié)構(gòu)等構(gòu)成，其作用是增強(qiáng)光信號(hào)的功率，放大輸入的弱光信號(hào)。在光纖通信技術(shù)中，由傳統(tǒng)的光電混合中繼放大器到純光放大器是一個(gè)重大的飛躍。這意味著光電中繼器中由于電子響應(yīng)速度和寬帶限制所帶來(lái)的“電子瓶頸”的影響將不復(fù)存在，利用原有的系統(tǒng)進(jìn)行高速率信號(hào)傳輸將成為現(xiàn)實(shí)。同時(shí)，它也使得光通信系統(tǒng)中波分復(fù)用技術(shù)和密集波分復(fù)用技術(shù)的實(shí)現(xiàn)成為可能。
一、光放大器的基本原理
根據(jù)放大所采用的增益介質(zhì)和放大工作原理的不同，可對(duì)放大器做不同的區(qū)分。按照采用的增益介質(zhì)可將光放大器分為兩類(lèi)，一類(lèi)是半導(dǎo)體放大器，另一類(lèi)是光纖放大器。前者的增益介質(zhì)是半導(dǎo)體晶體材料構(gòu)成的PN結(jié)，后者則是光纖。而在光纖放大器中，根據(jù)放大機(jī)理的不同，又可區(qū)分為稀土摻雜放大器(如摻鉺光纖放大器，)和分布式光纖放大器(如拉曼光纖放大器)等。
二、半導(dǎo)體光放大器
在半導(dǎo)體增益材料中，通過(guò)受激發(fā)射，可以實(shí)現(xiàn)光的放大，這就是半導(dǎo)體光放大器(SOA)的基本原理。對(duì)SOA的研究開(kāi)始于1961年發(fā)明半導(dǎo)體激光器不久，但直到20年后人們才認(rèn)識(shí)到它在光波系統(tǒng)中具有重要的應(yīng)用前景，由此開(kāi)始了更為廣泛的研究和開(kāi)發(fā)。SOA主要包括兩類(lèi)：一類(lèi)由無(wú)反射鏡面的激光器構(gòu)成，稱(chēng)之為行波激光器放大器；另一類(lèi)則由反射鏡面、但工作在激光閾值之下的激光器構(gòu)成，稱(chēng)作共振激光放大器，其增益理論上可達(dá)25-30 dB，噪聲小，可用作光接收機(jī)的前置放大器。
SOA的優(yōu)點(diǎn)是能在1300 nm波長(zhǎng)區(qū)域提供放大，而其他放大器則不行。此外，SOA還可以與其他光子器件和光波導(dǎo)進(jìn)行單片集成。
SOA用途：信號(hào)處理，光子交換，波長(zhǎng)交換器等。目前，影響SOA廣泛是使用的主要問(wèn)題：一是增益不夠，二是噪聲較大，三是增益具有偏振依賴(lài)性，因此除了1300 nm光纖系統(tǒng)之外，它不能作為在線(xiàn)放大器來(lái)使用。
三、摻鉺光纖放大器
摻鉺光纖放大器的增益介質(zhì)是鉺離子，它在光纖制作過(guò)程中被摻入纖芯中。其能夠放大的機(jī)理及信號(hào)波長(zhǎng)與鉺離子的能級(jí)分布有關(guān)。摻鉺光纖的結(jié)構(gòu)如圖，三價(jià)的鉺離子位于EDF纖芯中央，這將有利于其最大地吸收泵浦及信號(hào)能量，以產(chǎn)生最佳的放大效果；纖芯外是外徑為125 um的包層；最外層是外徑為250 um的保護(hù)層，其折射率略大于包層折射率，因而可將從包層中輻射出的光轉(zhuǎn)移。
圖1.摻鉺光纖放大器基本原理
光纖通信系統(tǒng)中的光纖放大器之所以大部分采用摻鉺光纖放大器，是因?yàn)殂s元素能在1530-1625 nm范圍內(nèi)提供有用的增益，且石英光纖在這一波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有最低的衰減。摻鉺光纖產(chǎn)生受激輻射。當(dāng)用一高功率的泵浦光 λ 注入摻鉺光纖時(shí)，將鉺離子從低能級(jí)的基態(tài)E1激發(fā)到高能級(jí)E3上。Er3+在高能級(jí)上的壽命很短，很快即以無(wú)輻射躍遷的形式衰減到亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)E2 上。由于Er3+ 在能級(jí)E2 上壽命較長(zhǎng)，在其上的粒子數(shù)聚集越來(lái)越多，從而在能級(jí)E2和E1之間形成粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布。這樣，當(dāng)具有1550 nm波長(zhǎng)的光信號(hào)λEr通過(guò)這段摻鉺光纖時(shí)，處于亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的粒子即以受激輻射的形式躍遷到基態(tài)，并產(chǎn)生和入射光信號(hào)光(1550 nm)一樣的光子，從而大大增加了信號(hào)光中的光子數(shù)量，也即實(shí)現(xiàn)了信號(hào)光在摻鉺光纖中輸出時(shí)不斷被放大的功能。因此，利用摻鉺光纖即可制成摻鉺光纖放大器EDFA。摻鉺光纖纖芯中鉺的摻雜濃度取決于光纖放大器的設(shè)計(jì)要求，通常摻雜濃度在100-1000×10-6 ，且集中在3-6 um的纖芯中。
結(jié)語(yǔ)：光放大器是光纖通信系統(tǒng)中能對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大的一種子系統(tǒng)產(chǎn)品。光放大器的原理基本上是基于激光的受激輻射，通過(guò)將泵浦光的能量轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘?hào)光的能量實(shí)現(xiàn)放大作用。光放大器自從1990年代商業(yè)化以來(lái)已經(jīng)深刻改變了光纖通信工業(yè)的現(xiàn)狀。光纖放大器是光纖通信系統(tǒng)對(duì)光信號(hào)直接進(jìn)行放大的光放大器件。在使用光纖的通信系統(tǒng)中，不需將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，是直接對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大的一種技術(shù)。
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