几种常见的光放大器的比较

对几类放大器的认识

在DWDM系统中，特别是超远距离的传输中，由于不可避免的存在光纤信号功率的损失和衰减，所以补偿是必要的。现在常用的放大器有掺铒光纤放大器（EDFA）,拉曼放大器（FRA），半导体激光放大器（SOA），光纤参量放大器（OPA）。现就这几类放大器的工作原理和特殊情况做一下说明。

1）掺铒光纤放大器（EDFA）

EDFA（Erbiur Doped Fiber Amplifer）是光纤放大器中具有代表性的一种。由于EDFA 工作波长为1550nm，与光纤的低损耗波段一致且其技术已比较成熟，所以得到广泛应用。掺铒光纤是EDFA的核心原件，它以石英光纤作基质材料，并在其纤芯中掺入一定比例的稀土原素铒离子（Er3+）。当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时，Er3+从低能级被激发到高能级，由于Er3+在高能级上寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较高能级上，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。由于这两个能级之间的能量差正好等于1550nm光子的能量，所以只能发生1550nm光的受激辐射，也只能放大1550nm的光信号。

EDFA的组成：

工作原理图：

那么，EDFA的输出公路车是如何控制的呢？

一般来说,EDFA的输出功率与输入信号光强度，铒纤的长度以及泵浦光的强度。

在EDFA使用的过程中，一般要控制好EDFA的平坦增益，那么不平坦的增益和平坦增益有什么区别呢？

平坦的输出增益会使EDFA放大的输出功率得到一个稳定的信号增益。

如何控制增益？增益的控制室有2种选择的，一种是掺金属元素，另外一种是GFF定制，所谓的掺金属元素是值得是掺杂金属铝元素。

有上图可以知道，掺铝的金属元素的EDFA在增益的控制上明显要比不掺铝的EDFA平坦的多。

需要注意的是：EDFA在放大信号的同时也放大了噪声，而噪声主要来自EDFA的自身受激辐射，是主要的噪声源，也是系统OSNR劣化的主要原因。

放大器产生的自发辐射噪声功率为：PASE = -58 + NF + G （dBm）

其中NF为光放大器噪声系数（dB）、G为光放大器的增益（dB）

除了放大功率之外，还有几个量也是EDFA中比较重要的，了解他们，有助于在EDFA 故障中的维护定位：

作电流：也称作偏置电流，其决定着放大板的输出光功率。正常情况下，单板的输出功率不变，工作电流应该维护在一个相对稳定的状态。

制冷电流：制冷电流对应着制冷电路的调节。在放大板上制冷电流对应泵浦激光器的温度，随激光器温度的变化而变化。注意正负号的意义（负值表示加热）。

背光电流：背光电流是放大板的一个性能值，对应于功率检测，通过背光电流的大小可以知道激光器输出功率的大小。一般情况下我们是通过查看背光电流来判断泵浦激光器的好坏。

2）拉曼放大器（FRA）

工作原理：简单的说就是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，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。

拉曼放大器有三大特点：

其增益波长由泵浦光波长决定，只要泵浦源的波长适当，理论上可得到任意波长的信号放大。

其增益介质为传输光纤本身；这使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。

噪声指数低，这使其与常规EDFA混合使用时可大大降低系统的噪声指数，增加传输跨距。

拉曼放大器的应用实际上是利用了光纤的非线性效益中的SRS，受激拉曼散射，入射光子的能量转移到低频率的光子上，频率下降13.2THZ，当一个频率为f1的光子入射到光纤中，当它的功率足够强，以至发生SRS效应时，它会将自身的能量转移到频率为 f1-13.2THz 的光子上，而自身以分子振动的形式消亡。

SRS需要很强的光才能激发，所以拉曼放大器功率都很强而且很危险。

FRA的增益曲线：

FRA放大是在普通光纤中，且没有波段的限制。理论上任何波长都可以放大。

在拉曼放大器中，由于一个泵浦波长放大的围是有限的，可以根据需要选择多个波长，进行合理叠加，即可得到任意波段的放大。

对于普通的放大而言，如果你想放大的波长频率为f2，则入射的泵浦源选择f2+13.2THz即可。

EDFA和拉曼放大器的输出功率计算：

在EDFA中，增益G=Pout – Pin

但是在FRA中，G为开关增益，其定义及测试与EDFA有所不同：

P1：关闭FRA的泵浦源测试的结果；P2：开启FRA的泵浦源测试的结果。

Gon-off = P2 – P1

特别需要注意的是在拉曼放大器中，P1、P2测试的都是输出点的光功率。

EDFA与FRA的简单比较:

有一点需要额外说明的是,就放大而言，EDFA要比FRA要大一些，普遍的FRA增益在15db 左右，而EDFA根据需要可以增益到27db甚至更高。

3）半导体激光器（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。

4）光纤参量放大器（FOPA）

光纤参量放大器（FOPA）根据四波光纤参量放大器（FOPA）混频效应设计。从量子力学的角度来说，只要在参变作用阶段净能量和动量守恒，一个或多个光波的光子消失，新的光子在不同的频率上产生，那么FWM就会发生。通过石英光纤和一到两个只有几瓦功率的泵浦，我们就能看到几百纳米的带宽。通过改变光纤的零色散波长，就能得到任意的中心波长。获得大幅增益很简单（泵浦功率和光纤长度）。相位敏感型FOPA的噪音实际上能够接近0 dB。波长转换伴随着频谱转换。这是一个非常重要的优势。光纤参量放大器得到两个泵浦光子的增益，然后分别将这两个泵浦光子转变成一个信号光子和一个闲散光子。

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