半导体光放大器(SOA)

半导体光放大器(SOA)SOA的放大原理与半导体激光器的工作原理相同，也是利用能级间受激跃迁而出现粒子数反转的现象进行光放大。SOA有两种：一种是将通常的半导体激光器当作光放大器使用，称作F—P半导体激光放大器(FPA)；另一种是在F—P激光器的两个端面上涂有抗反射膜，消除两端的反射，以获得宽频带、高输出、低噪声。早在半导体激光器出现时，就开始了对SOA的研究，但由于初期的半导体材料激光放大器偏振灵敏度较高，使得SOA一度沉寂。但近几年来应变量子阱材料的研制成功，克服了偏振敏感的缺点，性能也有许多改进。半导体光放大器的增益可以达到30dB以上，而且在1310nm窗口和1550nm窗口上都能使用。如能使其增益在相应使用波长范围保持平坦，那么它不仅可以作为光放大的一种有益的选择方案，还可促成l310nm窗口WDM系统的实现。SOA的优点是：结构简单、体积小，可充分利用现有的半导体激光器技术，制作工艺成熟，成本低、寿命长、功耗小，且便于与其他光器件进行集成。另外，其工作波段可覆盖l.3～1．6／μm波段，这是EDFA或PDFA所无法实现的。但最大的弱点是与光纤的耦合损耗太大，噪声及串扰较大且易受环境温度影响，因此稳定性较差。SOA除了可用于光放大外，还可以作为光开关和波长变换器。2．拉曼光纤放大器拉曼放大技术是采用受激拉曼散射(SRS)这种非线性效应来进行放大的。石英光纤具有很宽的受激拉曼散射增益谱，并在13THz附近有一较宽的主峰。如果一个弱信号与一强泵浦光波同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，弱信号光即可得到放大，这种基于受激拉曼散射机制的光放大器即称为拉曼光纤放大器。(1)拉曼光纤放大器的类型拉曼光纤放大器有两种类型：一种是集总式拉曼光纤放大器；另一种是分布式拉曼放大器。集总式拉曼光纤放大器所用的光纤增益介质比较短，一般在几km，泵浦功率要求很高，一般为几W左右，可产生40dB以上的高增益，可作为功率放大器，放大EDFA所无法放大的波段。分布式拉曼放大器所用的光纤比较长，一般为几十km，泵源功率可降低到几百mW，主要辅助EDFA用于WDM通信系统性能的提高，抑制非线性效应，提高信噪比。在WDM系统中，采用分布式拉曼光纤放大辅助传输可大大降低信号的入射功率，同时保持适当的光信号信噪比(OSNR）。(2)拉曼光纤放大器的优点拉曼光纤放大器的增益高、串扰小、噪声系数低、频谱范围宽、温度稳定性好，将拉曼光纤放大器与常规EDFA混合使用时可大大降低系统的噪声指数，增加传输跨距。①增益介质为传输光纤本身，与光纤系统有良好的兼容性这使得拉曼光纤放大器可以对光信号进行在线放大，构成分布式放大，实现长距离的无中继传输和远程泵浦，尤其适用于海底光缆通信等不方便设立中继器的场合。而且因为放大是沿光纤分布而不是集中作用，光纤中各处的信号光功率都比较小，从而可降低非线性效应尤其是四波混频(FWM)效应的干扰。②增益波长由泵浦光波长决定，不受其他因素的限制理论上只要泵浦源的波长适当，就可以放大任意波长的信号光。所以拉曼光纤放大器可以放大：EDFA所不能放大的波段，使用多个泵源还可得到比EDFA宽得多的增益带宽，对于开发光纤的整个低损耗区1260～1675nm具有无可替代的作用。总之，拉曼光纤放大器结合EDFA等稀土掺杂光纤放大器必将成为未来宽带、高速、长距离光通信传输实现光放大的理想方案。3．掺铒光纤放大器(EDFA)(1)掺杂光纤放大器简介在介绍EDFA之前，首先来了解以下掺杂光纤放大器的基本概念。掺杂光纤放大器又称为掺稀土离子光纤放大器，是利用稀土金属离子作为激光工作物质的一种放大器。掺杂光纤放大器的原理与激光放大器的原理相类似。但掺杂光纤放大器的工作腔是一段掺稀土粒子光纤，细长的纤形结构使得有源区能量密度很高，光与物质的作用区很长，有利于降低对泵浦源功率的要求。至今用作掺杂激光工作物质的均为镧系稀土元素，如铒、钕、镨和铥等。容纳杂质的光纤叫做基质光纤，可以是石英光纤，也可以是氟化物光纤。选择不同的掺杂元素，可使放大器工作在不同窗口。将各种掺杂光纤放大器组合，就可构成超宽频带的放大器，更加灵活地应用光纤的宽带通信特性。例如，掺铒可以构成1550nm波段的EDFA；掺镨就可以构成1310nm波段的PDFA，掺铥就可以构成1450nm波段或1650nm波段的掺铥光纤放大器等。在所有的掺杂光纤放大器中，除了EDFA已经商用外，其他的都正在研究中，有的已经接近实用水平。(2)EDFA的工作原理①EDFA的基本组成EDFA主要是由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、光耦合器、光隔离器以及光滤波器等组成，如图10．19所示。在泵浦源的作用下，通过光与EDF中的工作物质(铒)的相互作用，泵浦光将能量转移给信号光而将其放大。光耦合器将泵浦光和信号光混合而送入EDF。光隔离器抑制反射光的影响，保证系统稳定工作。滤波器滤除放大器的噪声提高系统的信噪比。在Er3+的能级系统中，参与激光放大过程的有3个能级，即基级、亚稳态能级以及高能级。在未受任何光激励时，Er3+处于基级。4I15/2上。在外界泵浦源的作用下，基级上的粒子吸收泵浦源的能量，跃迁到高能级上。但高能级是不稳定的，因此高能级上的粒子将主要以非辐射跃迁(即不释放出光子)的形式迅速转移到亚稳态能级上。亚稳态能级上的粒子寿命较长，因而易聚集粒子。当源源不断进行泵浦源时，亚稳态能级上聚集的粒子数不断增加，从而在亚稳态能级与基级之间形成粒子数反转分布。当信号光通过这段EDF时，亚稳态的粒子以受激辐射的形式跃迁到基级，并释放出与入射光信号中的光子一模一样的光子，即实现了对入射光信号的相干放大。Er3+的能级系统中，有多个能级可以作为高能级，因此泵浦源的光波长可以有多种选择。目前EDFA的首选泵浦波长是980nm和1480nm。(3)EDFA的性能参数EDFA的性能参数主要有功率增益、输出功率和噪声系数。①功率增益增益特性表示了放大器的放大能力。功率增益为输出功率与输入功率之比。EDFA的功率增益通常为15～40dB。影响EDFA增益的因素主要有泵浦光功率、掺铒的浓度以及掺铒光纤的长度等。此外，EDFA增益还与泵浦光波长有关。②输出功率EDFA的输出功率并不总是随着输入功率的增加而成比例增长的，而是呈现饱和趋势。其原因是当输入功率增加时，受激辐射加快，粒子反转数减少，使受激辐射光减弱，导致增益饱和，输出功率趋于平稳。通常将饱和增益下降3dB时所对应的输出功率定义为EDFA的最大输出功率，又称为3dB饱和输出功率，一般为8～15dBm。增加泵浦光功率或EDF长度，都可使EDFA的饱和输出光功率增大。③噪声系数(F)EDFA的噪声主要有信号光的噪声、自发辐射(ASE)喜声、ASE光与信号光之间的差拍噪声以及ASE光谱间的差拍噪声4种。以上4种噪声中，后两种影响最大，尤其第3种噪声是决定EDFA性能的重要因素。EDFA的噪声特性可以用噪声系数F来衡量、为EDFA的输入信噪比与输出信噪比的比值。它与同向传播的ASE频谱密度和EDFA的增益相关。现已证明，对于任何利用受激辐射进行放大的光放大器，其F最小值为3dB，这个极限被称为噪声系统的量子极限。对于980nm的泵浦，其F基本可达到该极限，数值为3．2～3．4dB；而l480nm的泵浦，F的典型值为4～6dB。(4)EDFA的泵浦方式同向泵浦是指泵浦光与信号光从同一端注入EDF。在EDF的输入端，泵浦光较强，故粒子反转激励也强，信号一进入光纤即可得到较强的放大。其优点是构成简单，缺点是泵浦光将沿光纤长度衰减，因此容易造成增益饱和而使噪声增加。反向泵浦是指泵浦光与信号光从不同的方向输入EDF，两者在光纤中反向传输。其优点是当光信号放大到很强时，泵浦光也强，不易达到饱和，因而噪声性能较好。为了使EDFA中杂质粒子得到充分的激励，可用多个泵浦源激励光纤。几个泵浦源可同时前向泵浦，同时后向泵浦，或同时进行前向泵浦和后向泵浦(称为双向泵浦)。双向泵浦方式结合了同向泵浦和反向泵浦的优点，使泵浦光在光纤中均匀分布，从而使其增益在光纤中也均匀分布。(5)EDFA在WDM系统中的应用EDFA在WDM系统中可以作为前置放大器、线路放大器和功率放大器。EDFA作前置放大器时，放在光接收机之前，以提高光接收机的灵敏度，一般工作于小信号或线性状态，信号输入功率约一40dBm。要求EDFA的增益足够高，噪声系数则越小越好。EDFA用作线路放大器时，可以直接插入到光纤传输链路中作为光中继放大器，省去了电中继器的光／电／光转换过程，直接放大光信号，以补偿传输线路损耗，延长中继距离。一般工作在近饱和区，信号输入功率约一20dBm。要求EDFA同时具有较高的增益和输出光功率，还应有对其工作状态的实时监控。EDFA作为功率放大器时，装在光发送机之后，对光源发出的光信号进行放大，以补偿无源光器件的损耗和提高发送光功率。通常工作于深饱和区，要求EDFA在保持适中的增益和噪声系数下，能提供尽可能高的输出光功率，必要时可用双泵浦。(6)WDM系统对EDFA的要求为了确保WDM系统的传输质量，WDM系统中使用的EDFA应具有足够的带宽、平坦的增益、低噪声系数和高输出功率。①EDFA增益带宽目前，EDFA可用增益频谱范围为l530～l565nm，增益带宽为35nm左右，可以满足4～32信道的WDM系统。如果希望进一步增大带宽，以利用波长资源，则必须开发新型的光放大器。②WDM系统对EDFA增益平坦度的要求EDFA的增益平坦度(GF)是指在整个可用增益的带宽内，最大增益波长点的增益与最小增益波长点的增益之差。在WDM系统中，要求EDFA的GF越小越好。一般EDFA在它的工作波段内存在着一定的增益起伏，即不同波长所得到的增益不同。虽然增益差值不大，但当多个EDFA级联应用时，这种增益差值会线性积累，严重时，信号到达接收端后，有些高增益信道的接收光功率过大使接收机过载，而某些低增益信道的接收光功率过小而达不到接收机灵敏度。因此，要使各信道上的增益偏差处于允许范围内，放大器的增益就必须平坦。使光纤放大器增益平坦的技术有两种途径：一是增益均衡技术；二是光纤技术。a．增益均衡技术增益均衡技术是利用损耗特性与放大器的增益波长特性相反的增益均衡器来抵消增益的不均匀性，这种技术的关键在于放大器的增益曲线和均衡器的损耗特性精密吻合，使综合特性平坦。增益均衡技术可以分为固定式的和动态的。现阶段实用化的固定式增益平坦技术主要有光纤光栅技术和介质多层薄膜滤波器技术等。增益均衡用的光纤光栅是一种长周期光纤光栅。其光栅周期一般为数百um。通过多个长周期的光栅组合，可以构成具有与EDFA增益波长特性相反的增益均衡器。使用该技术，在1528～1568nm的40nm带宽内，可以实现增益偏差在5％以内的带宽增益平坦的EDFA。动态的增益均衡技术是指动态增益可调的增益平坦滤波器技术，主要有法拉第旋转体型增益可调滤波器技术、波导M—Z型增益可调型滤波器技术、阵列波导型动态增益可调滤波器技术和声光型动态增益可调滤波器技术等。b．光纤技术所谓光纤技术是指通过改变光纤材料或者利用不同光纤的组合来改变EDF的特性，从而改善EDFA的增益平坦性。可分为滤波器型和本征型两类。滤波器型是在EDFA中内插无源滤波器将1530nm的增益峰降低，或专门设计其透射谱与EDFA增益谱相反的光滤波器将增益谱削平，但滤波器型结构工艺都较复杂，附加损耗大，输出功率会减小。本征型是在EDF中掺入别的杂质(如掺铝EDFA、掺钇EDFA)或改变EDF基质(如氟化物EDFA、碲化物EDFA)。其最大优点是无需制作和引入附加元件。③EDFA增益特性的优化技术采用放大波段内的增益控制和光谱均衡方法，能取得EDFA增益特性优化的良好结果。EDFA的增益控制技术有许多种，典型的有控制泵浦源增益的方法，EDFA内部的监测电路通过监测输入和输出功率的比值来控制泵浦源的输出，当输入波长某些信号丢失时，输入功率会减小，输出功率和输入功率的比值会增加，通过反馈电路，降低泵浦源的输出功率，保持(