| 光纖放大器不但可對光信號進(jìn)行直接放大，同時(shí)還具有實(shí)時(shí)、高增益、寬帶、在線(xiàn)、低噪聲、低損耗的全光放大功能，是新一代光纖通信系統中必不可少的關(guān)鍵器件；由于這項技術(shù)不僅解決了衰減對光網(wǎng)絡(luò )傳輸速率與距離的限制，更重要的是它開(kāi)創(chuàng )了1550nm頻段的波分復用，從而將使超高速、超大容量、超長(cháng)距離的波分復用（WDM）、密集波分復用（DWDM）、全光傳輸、光孤子傳輸等成為現實(shí)，是光纖通信發(fā)展史上的一個(gè)劃時(shí)代的里程碑。在目前實(shí)用化的光纖放大器中主要有摻鉺光纖放大器（EDFA）、半導體光放大器（SOA）和光纖拉曼放大器（FRA）等，其中摻鉺光纖放大器以其優(yōu)越的性能現已廣泛應用于長(cháng)距離、大容量、高速率的光纖通信系統、接入網(wǎng)、光纖CATV網(wǎng)、軍用系統（雷達多路數據復接、數據傳輸、制導等）等領(lǐng)域，作為功率放大器、中繼放大器和前置放大器。
光纖放大器一般都由增益介質(zhì)、泵浦光和輸入輸出耦合結構組成。目前光纖放大器主要有摻鉺光纖放大器、半導體光放大器和光纖拉曼放大器三種，根據其在光纖網(wǎng)絡(luò )中的應用，光纖放大器主要有三種不同的用途：在發(fā)射機側用作功率放大器以提高發(fā)射機的功率；在接收機之前作
光預放大器以極大地提高光接收機的靈敏度；在光纖傳輸線(xiàn)路中作中繼放大器以補償光纖傳輸損耗，延長(cháng)傳輸距離。
摻鉺光纖放大器
摻鉺光纖放大器是利用摻鉺光纖這一活性介質(zhì)，當泵浦光輸入到EDF中時(shí)，就可以將大部分處于基態(tài)的Er3+抽運到激發(fā)態(tài)上，處于激發(fā)態(tài)的Er3+又迅速無(wú)輻射地轉移到亞穩態(tài)上，由于Er3+在亞穩態(tài)上的平均停留時(shí)間為10ms，因此很容易在亞穩態(tài)與基態(tài)之間形成粒子數反轉，此時(shí)，信號光子通過(guò)摻鉺光纖，在受激輻射效應作用下產(chǎn)生大量與自身完全相同的光子，使信號光子迅速增多，這樣在輸出端就可以得到被不斷放大的光信號。自80年代末至90年代初研制成摻鉺光纖放大器（EDFA），并開(kāi)始應用于1.55mm頻段的光纖通信系統以來(lái)，推動(dòng)了光纖通信向全光傳輸方向發(fā)展，且目前EDFA的技術(shù)開(kāi)發(fā)和商品化最成熟；應用廣泛的C波段EDFA通常工作在1530~1565nm光纖損耗最低的窗口，具有輸出功率大、增益高、與偏振無(wú)關(guān)、噪聲指數低、放大特性與系統比特率和數據格式無(wú)關(guān)，且同時(shí)放大多路波長(cháng)信號等一系列的特性，在長(cháng)途光通信系統中得到了廣泛的應用。其不足是C-Band EDFA的增益帶寬只有35nm，僅覆蓋石英單模光纖低損耗窗口的一部分，制約了光纖固有能夠容納的波長(cháng)信道數；然而隨著(zhù)因特網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，要求光纖傳輸系統的傳輸容量要不斷地擴大，面對傳輸容量的擴大，目前主要有三種解決途徑：（1）增加每個(gè)波長(cháng)的傳輸速率；（2）減少波長(cháng)間距；（3）增加總的傳輸帶寬。對于第一種辦法，如果速率提高到10Gbit/s將帶來(lái)新的色散補償問(wèn)題，況且現在的電子系統還存在著(zhù)所謂"電子瓶頸"效應問(wèn)題。第二種辦法如果將信號間距從100GHz降低到50GHz或25GHz將給系統帶來(lái)四波混頻（FWM）等非線(xiàn)性效應，且要求系統采用波長(cháng)穩定技術(shù)。從而研究新的光纖放大器如L波段的EDFA是增加總的傳輸帶寬的一種，它將EDFA工作波長(cháng)由C波段1530~1560nm擴展到L波段1570~1605nm，使EDFA的放大增益譜擴展了一倍。盡管L波段EDFA的波長(cháng)覆蓋了EDF增益譜的尾部，但仍可與性能先進(jìn)的C波段EDFA產(chǎn)品相媲美：例如兩者的基本結構相類(lèi)似，大多數C波段EDFA的設計和制造技術(shù)仍可應用于L波段EDFA研制；L波段EDFA有較小的輻射和吸收以及較低的平均反轉因子，增益波動(dòng)系數遠小于C波段EDFA，所存在的是L波段EDFA的EDF較長(cháng)帶來(lái)無(wú)源光纖損耗較大，放大噪聲稍大等不足。
半導體光放大器
半導體光放大器（SOA）是采用通信用激光器相類(lèi)似的工藝制作而成的一種行波放大器，當偏置電流低于振蕩閾值時(shí)，激光二極管就能對輸入相干光實(shí)現光放大作用。由于半導體放大器具有體積小、結構較為簡(jiǎn)單、功耗低、壽命長(cháng)、易于同其它光器件和電路集成、適合批量生產(chǎn)、成本低，可實(shí)現增益兼開(kāi)關(guān)功能等特性，在全光波長(cháng)變換、光交換、譜反轉、時(shí)鐘提取、解復用中的應用受到了廣泛的重視，特別是目前應變量子阱材料的半導體光放大器的研制成功，已引起人們對SOA的廣泛研究興趣。國內武郵院與華中科技大學(xué)合作成功地研制開(kāi)發(fā)了在光網(wǎng)絡(luò )中的關(guān)鍵器件--半導體光放大器，并很快實(shí)現了產(chǎn)品化，成為繼Alcatel公司之后能夠批量供應國際市場(chǎng)應用于光開(kāi)關(guān)的半導體光放大器的供貨商，這標志著(zhù)我國自行研制的應變量子阱器件邁出了商品化生產(chǎn)的關(guān)鍵一步。但半導體光放大器與摻鉺光纖放大器相比存在著(zhù)噪聲大、功率較小、對串擾和偏振敏感、與光纖耦合時(shí)損耗大，工作穩定性較差等缺陷，迄今為止，其性能與摻鉺光纖放大器仍有較大的差距。又由于半導體光放大器覆蓋了1300~1600nm波段，既可用于1300nm窗口的光放大器，也可以用于1550nm窗口的光放大器，且在DWDM多波長(cháng)光纖通信系統中，無(wú)需增益鎖定，那么它不僅可作為光放大器一種有益的選擇方案，而且還可以促成1310nm窗口DWDM系統的實(shí)現。
受激拉曼散射（SRS）是光纖中的一種非線(xiàn)性現象，它將一小部分入射光功率轉移到頻率比其低的斯托克斯波上；如果一個(gè)弱信號與一強泵浦光波同時(shí)在光纖中傳輸，并使弱信號波長(cháng)置于泵浦光的拉曼增益帶寬內，弱信號光即可以得到放大，這種基于受激拉曼散射機制的光放大器即稱(chēng)為光纖拉曼放大器（FRA）。近年來(lái)光纖拉曼放大器倍受關(guān)注，已成為研制開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)，它具有許多優(yōu)點(diǎn)：（1）增益介質(zhì)為普通傳輸光纖，與光纖系統具有良好的兼容性；（2）增益波長(cháng)由泵浦光波長(cháng)決定，不受其它因素的限制，理論上只要泵浦源的波長(cháng)適當，就可以放大任意波長(cháng)的信號光；（3）增益高、串擾小、噪聲指數低、頻譜范圍寬、溫度穩定性好。
正因為光纖拉曼放大器有這么多的優(yōu)點(diǎn)，它可以放大摻鉺光纖放大器所不能放大的波段，并可在1292~1660nm光譜范圍內進(jìn)行光放大，獲得比EDFA寬得多的增益帶寬
；再次增益介質(zhì)為普通光纖，可制作分立式或分布式FRA，分布式光纖拉曼放大器可以對信號光進(jìn)行在線(xiàn)放大，增加光放大的傳輸距離，應用于40Gbit/s的高速光網(wǎng)絡(luò )中，也特別適用于海底光纜通信系統，而且因為放大是沿著(zhù)光纖分布而不是集中作用，所以輸入光纖的光功率大為減少，從而非線(xiàn)性效應尤其是四波混頻效應大大減少，這對于大容量DWDM系統是十分適用的。FRA是EDFA的補充，而不是代替，兩者結合起來(lái)可獲得大于100nm增益平坦寬帶，這就是采用分布式光纖拉曼放大器的好處。
但光纖拉曼放大器有一個(gè)主要的缺點(diǎn)就是需要特大功率的泵浦激光器，解決這個(gè)問(wèn)題的主要途徑有：一是研究降低閾值功率的泵浦激光器，使得普通的大功率半導體激光器能作為拉曼泵浦使用；其二是提高獲得更大輸出功率泵浦激光器的研制水平；其三是將多個(gè)泵浦源激光器的波長(cháng)采用列陣、單片組合的方法復用在一起，獲得一個(gè)大功率輸出的泵浦激光器，此種方法不但可提供一個(gè)寬帶的增益譜，而且還可以通過(guò)調節單個(gè)激光器的功率來(lái)調整增益斜率。
WDM傳輸系統中光纖放大器的增益平坦控制技術(shù)
為了確保WDM系統的傳輸質(zhì)量，WDM系統中使用的光纖放大器除具備有足夠的帶寬、高輸出功率和低噪聲系數等特性外，還對增益平坦度控制技術(shù)提出了更高的要求。光纖放大器帶內的增益平坦度是指在整個(gè)可用的增益通帶內，最大增益波長(cháng)點(diǎn)的增益與最小增益波長(cháng)點(diǎn)的增益之差。很明顯，在WDM系統中增益平坦度越小越好，否則，如果各信道的增益不均，經(jīng)過(guò)多級放大之后，這種增益差值會(huì )線(xiàn)性積累，低增益信道信號的SNR惡化，高增益信道的信號也因光纖非線(xiàn)性效應而使信號惡化，因此，要使各信道上的增益偏差處于允許范圍內，放大器的增益就必須平坦，而使光纖放大器增益平坦技術(shù)大體有兩種途徑：其一是"增益均衡技術(shù)"；其二是"光纖技術(shù)"。"增益均衡技術(shù)"是利用損耗特性與放大器的增益波長(cháng)特性相反的增益均衡器來(lái)抵消增益的不均勻性，這種技術(shù)的關(guān)鍵在于放大器的增益曲線(xiàn)和均衡器的損耗特性精密吻合，使綜合特性平坦；現階段實(shí)用化的固定式增益平坦控制技術(shù)主要有光纖光柵技術(shù)和介質(zhì)多層薄膜濾波器技術(shù)等。但隨著(zhù)多通道（>80Ch）、高速率（>40Gbit/s）、長(cháng)距離光纖傳輸系統的發(fā)展，對光纖放大器的增益平坦控制技術(shù)提出了更高的要求，這就需要研制動(dòng)態(tài)增益可調的增益平坦濾波器，這種可調諧增益動(dòng)態(tài)濾波器技術(shù)主要有：法拉第旋轉體型增益可調濾波器技術(shù)、波導馬赫-曾德型增益可調型濾波器技術(shù)、陣列波導型動(dòng)態(tài)增益可調濾波器技術(shù)和聲光型動(dòng)態(tài)增益可調濾波器技術(shù)等。至于"光纖技術(shù)"現階段主要是在進(jìn)一步研究摻鉺光纖特性的基礎上，改變光纖材料或利用不同光纖的組合來(lái)改變EDF的特性，從而來(lái)改變EDFA的增益平坦性，主要有摻鋁的EDFA、摻氟化物EDFA、摻碲化物EDFA、混合型EDFA和多纖心EDFA等技術(shù)。
光纖放大器的主要應用和市場(chǎng)
近年來(lái)，隨著(zhù)信息和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，光纖放大器的研究和發(fā)展又進(jìn)一步擴大了增益帶寬，將光纖通信系統推向了高速率、大容量、長(cháng)距離方向發(fā)展。由于光纖放大器的獨特性能，在DWDM傳輸系統、光纖CATV和光纖接入網(wǎng)中有著(zhù)廣泛的應用。密集波分復用系統在光纖傳輸系統中已成為技術(shù)主流，作為DWDM系統核心器件之一的光纖放大器在其應用中將得到迅速發(fā)展，這主要是由于光纖放大器有足夠的增益帶寬，它與WDM技術(shù)相結合可迅速簡(jiǎn)便地擴大現有光纜系統的通信容量，延長(cháng)中繼距離。在光纖接入網(wǎng)中，盡管用戶(hù)系統的距離較短，但用戶(hù)網(wǎng)的分支太多，需要用光纖放大器來(lái)提高光信號的功率以補償光分配器造成的光損耗和提高用戶(hù)的數量，降低用戶(hù)網(wǎng)的建設成本。在光纖CATV系統中，隨著(zhù)其規模的不斷擴大，其鏈路的傳輸距離不斷增長(cháng)，光路的傳輸損耗也不斷增加，將光纖放大器應用在光纖CATV系統中不但可提高光功率，補償鏈路的損耗，增加光用戶(hù)終端，而且簡(jiǎn)化了系統結構，降低了系統成本，加快了光纖CATV的發(fā)展。最近，美國CIBC World Market 公司的相關(guān)人士對摻鉺光纖放大器（EDFA）、光纖拉曼放大器（FRA）、半導體光放大器（SOA）這三類(lèi)光放大器的市場(chǎng)狀況分別進(jìn)行了分析：EDFA從1994年開(kāi)始商用，現已成為DWDM系統的關(guān)鍵器件，且市場(chǎng)正在快速增長(cháng)，其中Corning、Lucent和JDS Uniphase等許多公司都參與了這一市場(chǎng)的競爭，預計全球EDFA市場(chǎng)將從1999年的13億美元增長(cháng)到2004年的96億美元，銷(xiāo)售量將以年均43%的速度遞增；光纖拉曼放大器近年來(lái)備受人們關(guān)注，已成為開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)，盡管預計最近一兩年內光纖拉曼放大器還不會(huì )在陸地光纜系統中廣泛應用，但其市場(chǎng)規模仍將從1999年的約330萬(wàn)美元猛增到2004年的7.5億美元；而半導體光放大器（SOA）自應變量子阱材料的SOA研制成功以
來(lái)，其研制速度和應用開(kāi)發(fā)明顯加快，且SOA市場(chǎng)可望于2001年開(kāi)始起動(dòng)，此后會(huì )迅速擴大，2004年將達到2億美元的規模。
由于超高速率、大容量、長(cháng)距離光纖通信系統的發(fā)展，對作為光纖通信領(lǐng)域的關(guān)鍵器件——光纖放大器在功率、帶寬和增益平坦方面提出了新的要求，因此，在未來(lái)的光纖通信網(wǎng)絡(luò )中，光纖放大器的發(fā)展方向主要有以下幾個(gè)方面：
(1)EDFA從C-Band向L-Band發(fā)展；
(2)寬頻譜、大功率的光纖拉曼放大器；
(3)將局部平坦的EDFA與光纖拉曼放大器進(jìn)行串聯(lián)使用，獲得超寬帶的平坦增益放大器；
(4)發(fā)展應變補償的無(wú)偏振、單片集成、光橫向連接的半導體光放大器光開(kāi)關(guān)；
(5)研發(fā)具有動(dòng)態(tài)增益平坦技術(shù)的光纖放大器；
(6)小型化、集成化光纖放大器。
隨著(zhù)新材料、新技術(shù)的不斷突破，光纖放大器在1292~1660nm波長(cháng)范圍內獲得帶寬為300nm超寬帶將不是夢(mèng)想，Tbit/s DWDM光網(wǎng)絡(luò )傳輸系統將一定會(huì )實(shí)現。 |
