一．引言

在這個信息爆炸的時代，以因特網技術為主導的數據通信業務，使人們對于帶寬和服務的需求永無止境。面對市場需求的急劇擴張，如何提高通信系統的性能，增加系統帶寬，以滿足不斷增長的業務需求成為大家關心的焦點。在眾多可選擇的方案中，DWDM（波分復用）系統的出現為進一步挖掘和利用光纖的巨大帶寬開辟了一塊全新的天地。

早在光纖通信出現伊始，人們就意識到可以利用光纖的巨大帶寬進行波長復用傳輸，但是在20世紀90年代之前，由于TDM的迅速發展，人們很少去關注其它的技術，以致波長復用技術一直沒有重大突破。直到1995年，當時人們在TDM10Gbit/s技術上遇到了挫折，眾多的目光就集中在光信號的復用和處理上，此后，DWDM系統才在全球范圍內有了廣泛的研究和應用。

DWDM系統既可用于陸地與海底干線，也可用于市內通信網，還可用于全光通信網。但DWDM系統在帶來巨大好處的同時也給系統設計、器件更新等方面帶來了極大的挑戰。對新型光放大器的需求更是這些挑戰中最關鍵的一項。

光放大器技術具有對光信號進行實時、在線、寬帶、高增益、低噪聲、低功耗以及波長、速率和調制方式透明的直接放大功能，是新一代DWDM系統中不可缺少的關鍵技術。該技術既解決了衰減對光網絡傳輸距離的限制，又開創了1550nm波段的波分復用，從而將使超高速、超大容量、超長距離的波分復用（WDM）、密集波分復用（DWDM）、全光傳輸、光孤子傳輸等成為現實，是光纖通信發展史上的一個劃時代的里程碑。

二．光放大器的歷史

任何新技術的發展都是一個漫長的過程。光放大器的研究最早可追溯到1960年激光器的發明，但是真正實用化光放大器的研究卻是在1980年以后。這期間隨著半導體激光器特性的改善，首先出現了利用半導體技術的半導體光放大器SOA（Semiconductor Optical Amplifier）的法布里——泊羅型（F－P）半導體激光放大器，并開始對行波式半導體激光放大器進行研究。另一方面，隨著光纖技術的發展，出現了利用光纖非線性效應的光纖拉曼放大器。但在當時都沒有得到廣泛的應用。1987年，英國南安普敦大學和美國AT&T 貝爾實驗室報道了離子態的稀土元素鉺在光纖中可以提供1.55μm波長處的光增益，這標志著摻鉺光纖放大器（EDFA）的研究取得突破性進展。短短幾年時間，EDFA迅速走向實用化，并且在越洋長途光通信系統中得到應用。這期間由于光纖放大器的問世，在1990年到1992年不到兩年的時間里光纖系統的容量增加了整整一個數量級，而在此之前為達到相同的增長卻花費了整整8年時間。這足以表明了光放大器的巨大作用，為光纖通信展現了無限廣闊的發展前景。

三．光放大器的原理與應用

光放大器（OA）一般由增益介質、泵浦光和輸入輸出耦合結構組成， 可以作為前置放大器、線路放大器、功率放大器，是光纖通信中的關鍵部件之一。其作用就是對復用后的光信號進行光放大，以延長無中繼系統或無再生系統的光纜傳輸距離。一個好的光放大器應具有輸出功率高、放大帶寬寬、噪聲系數低、增益譜平坦等特性。目前光放大器形式主要有三種：1） 利用激光二極管（LD）制作的半導體光放大器（SOA）；2） 利用摻稀土光纖制作的光纖放大器，其中以摻鉺光纖放大器（EDFA）為主；3） 利用常規光纖非線性效應制作的分布式光放大器，典型的是光纖拉曼放大器（FRA）。下面對SOA、EDFA和FRA光放大器進行比較。

1．半導體光放大器

現代光放大器中最早出現的是半導體光放大器（SOA）。它的基本結構、原理和特性與半導體激光器非常相似。它們工作原理都是基于激光半導體介質固有的受激輻射光放大機制，所不同的在于SOA去掉了構成激光振蕩的諧振腔，并且SOA是由電流直接激勵驅動的。

半導體光放大器的優點是尺寸小、頻帶寬、增益高；但缺點是與光纖的耦合損耗太大、易受環境溫度的影響、工作穩定性較差。但半導體光放大器容易集成，適宜同光集成和光電集成電路結合使用。

通常光半導體放大器分為兩大類：一種是將普通半導體激光器用作光放大器，稱為法布里——泊羅（F-P）半導體激光放大器（FPA），另一種是在F-P激光器的兩個端面上涂上抗反射膜，以獲得寬頻、低噪的高輸出特性。由于這種放大器是在光行進過程中對光進行放大的，故被稱為行波式光放大器。

由于半導體光放大器的工作原理決定了其放大增益不是很高，因此半導體放大器在現代光通信系統中作為純粹功率放大應用較少，它更多的是被用作高速通信網中光開關、光復用／解復用器和波長變換器等光信號處理模塊。

2．摻鉺光纖放大器

摻餌光纖放大器（EDFA）主要由合波器WDM、泵浦激光器（大功率LD）、光隔離器和摻鉺光纖（長10～30m）構成。EDFA的研制成功，是光通信發展的一個“里程碑”。它的出現打破了光纖通信傳輸距離受光纖損耗的限制，使全光通信距離延長至上千公里，為光纖通信帶來了革命性的變化。

摻鉺光纖放大器主要由摻鉺光纖、泵浦光源、耦合器、光隔離器等組成。有同（前）向泵浦、反（后）向泵浦和雙向泵浦3種泵浦方式，其區別在于信號光與泵浦光的注入方向不同。同向泵浦也稱為前向泵浦，它的信號光與泵浦光以同一方向從摻鉺光纖的輸入端注入。反向泵浦也稱為后向泵浦，它的信號光與泵浦光以兩個不同方向注入進摻鉺光纖。雙向泵浦就是同向泵浦與反向泵浦合并的方式。三種泵浦方式的結構圖如圖1所示。三種泵浦方式的性能比較見表1。

泵浦效率=信號光輸出功率/泵浦光功率 噪聲

同向泵浦 61% 在未飽和區，同向泵浦式摻鉺光纖放大器的噪聲系數最小，由于輸出功率加大將導致粒子反轉數的下降，故在飽和區，噪聲系數將增大。

反向泵浦 76%

雙向泵浦 77%

EDFA是利用摻鉺光纖中摻雜的稀土離子在泵浦光源（波長980nm或1480nm）的作用下，形成粒子數反轉，產生受激輻射，輻射光隨入射光的變化而變化，進而對入射光信號提供光增益。其放大范圍為1530～1565nm，增益譜比較平坦的部分是1540～1560nm，幾乎可以覆蓋整個WDM系統的1550nm工作波長范圍。

EDFA的優點是：1）通常工作在1530～1565nm光纖損耗最低的窗口；2）增益高，在較寬的波段內提供平坦的增益，是WDM理想的光纖放大器；3）噪聲系數低，接近量子極限，各個信道間的串擾極小，可級聯多個放大器；4）放大頻帶寬，可同時放大多路波長信號；5）放大特性與系統比特率和數據格式無關；6）輸出功率大，對偏振不敏感；7）結構簡單，與傳輸光纖易耦合。

缺點是：1）在第3窗口以上的波長，光纖的彎曲損耗較大，而常規的EDFA不能提供足夠的增益，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。制約了光纖能夠容納的波長信道數；2）不便于查找故障，泵浦源壽命不長；3）存在基于泵浦源調制和光時域反射計（OTDR）的監測與控制技術問題，控制內容包括輸出功率的控制和不同波長通道的增益均衡，EDFA的增益對100kHz以上的高頻調制不敏感，對低于1kHz的調制，EDFA的輸出信號會產生失真。

3．光纖拉曼放大器（FRA）

EDFA的出現確實極大的促進了現代光通信系統的發展。但是隨著現代光網絡進一步發展，一方面EDFA已經不能滿足現有系統對超大容量的要求，另一方面EDFA也會帶來光信號信噪比的不斷惡化而不能滿足超長距離傳輸的要求。為此，必須要提出一種既要滿足超寬帶寬要求，又能滿足超低噪聲要求的新型光放大器。

光纖拉曼放大器（FRA）由于其自身固有的全波段可放大、噪聲指數小等特性，成為了新一代放大器的首選。FRA是基于受激拉曼散射（SRS）機制的光放大器，此光放大技術是在近年來大功率半導體激光器研制成功后才真正走向實用的。在許多非線性介質中，SRS是非線性光學中一個很重要的非線性效應，它將一小部分入射功率由一光束轉移到頻率比其低的斯托克斯波上；如果一個弱信號與一個強泵浦光波同時在光纖中傳輸，并且弱信號波長位于泵浦光波的拉曼增益譜帶寬之內，則此弱信號可被該光纖放大。

FRA可分為分立式FRA和分布式FRA，前者所用的光纖增益介質比較短，一般在10km以內，對泵浦功率要求很高，一般在幾到十幾瓦，可產生40dB以上的高增益，用來對信號光進行集中放大，主要用于EDFA無法放大的波段；后者所用的光纖比較長，一般為幾十公里，泵源功率可降到幾百毫瓦，主要輔助EDFA用于DWDM通信系統性能的提高，抑制非線性效應，降低信號的入射功率，提高信噪比，進行在線放大。由于FRA增益波長由泵浦光波長決定，不受其它因素限制，因此可為任何波長提供增益，這使得FRA可以在EDFA所不能放大的波段實現放大，并可在1292～1660nm光譜范圍內進行光放大，使用多個泵源還可得到比EDFA寬得多的增益帶寬（后者由于能級躍遷機制所限，增益帶寬只有80nm），這對于開發光纖的整個低損耗區1270～1670nm具有無可替代的作用。

FRA具有帶寬寬、增益高、噪聲低、串擾小、溫度穩定性好等特點，因此與常規EDFA混合使用時，可大大降低系統的噪聲系數，增加傳輸距離；FRA的增益介質為光纖，因此與光纖系統有良好的兼容性，可制成分立式或分布式放大器，分布式FRA具有在線放大、延長傳輸距離、實現長距離無中繼傳輸和遠程泵浦的功能，尤其是適用于海底光纜通信等不方便設立中繼器的場合；由于放大是沿著光纖分布作用而不是集中作用，所以輸入光纖的光功率大為減少，從而非線性效應，尤其是四波混頻效應大大減少，因此適用于大容量DWDM系統。FRA不足之處在于需要特大功率的泵浦激光器，且一個泵浦的FRA增益帶寬較窄。

在拉曼放大器的實際應用中，通常是采用拉曼放大器同EDFA混和使用的策略。這種混合放大策略在DWDM超長傳輸系統中獲得了廣泛的使用。EDFA作為光功率放大器和光前置放大器，而EDFA和拉曼的混合放大器作為光線路放大器。

四．光放大器的發展方向

1．SOA的發展方向

通過改變SOA的偏置電流，既可以吸收也可以放大，而且高達50ｄＢ的消光比及快速的響應時間（ｎｓ量級），從而允許將SOA用作光開關。。作為集總式放大器，SOA可以與分布式的FRA混合使用，JDSU的工程師采用SOA+FRA和SOA+FRA實現40ｎｍ的放大帶寬，40信道100ｋｍ的傳輸，效果良好。

2．EDFA的發展方向

EDFA從C波段（ conventional band ）1530～1560nm（常規的ED-FA）向L波段（long wavelength band）1570～1605nm發展，可采用摻鉺氟化物光纖放大器（EDFFA），帶寬可達75nm；采用碲化物EDFA，帶寬可達76nm；采用增益位移摻鉺光纖放大器（GS-EDFA），通過控制摻鉺光纖的鉺粒子數反轉程度，可在1570～1600nm波段實現放大，它與普通的EDFA組合，可得到帶寬約80nm的寬帶放大器；采用覆蓋C波段和L波段的超寬帶光放大器（UWOA），可用帶寬80nm，能在單根光纖上放大100多路波長信道；采用常規EDFA和擴帶光纖放大器（EBFA）組成的基于摻鉺光纖的雙帶光纖放大器（DBFA），工作波長為1528～1610nm；將局部平坦的EDFA與光纖拉曼放大器串聯使用，可獲得帶寬高于100nm的超寬帶增益平坦放大器；EDFA應具有動態增益平坦特性的小型化、集成化方向發展。

EDFA是目前及未來一段時間放大器的主要選擇，在骨干網和城域網/接入網中發揮著關鍵性作用。但EDFA級聯噪聲大以及帶寬受限，它與DRA混合使用，在長距離、大容量傳輸中是當前的一種優秀方案。FRA：寬帶、低噪聲、抑制非線性、提高傳輸距離，進行色散補償等，必將成為下一代光放大器的主流。城域網/接入網中光放大器目前具有競爭力的技術為Mini EDFA、EDWA和SOA技術，這種低價放大器正在標準化。隨城域網建設的興起，光放大器在低價領域必有一番作為。

3．FRA的發展方向

FRA的發展方向是：1）寬頻譜、大功率輸出；2）將FRA與局部平坦的EDFA串聯使用，可獲得帶寬高于100nm的超寬帶增益平坦放大器；3）采用雙向拉曼泵浦，可使傳輸距離擴大2倍，達到1040km；4）采用波長為1420nm和1450nm兩個泵源的FRA可得到很寬的帶寬（1480～1620nm）；5）智能化。

五．結束語

通過對目前DWDM光傳輸系統中廣泛應用的三種放大器的比較，我們不難看出，SOA由于其體積小、結構簡單、成本低、易于集成，因而發展很快，在技術上已比較成熟。但是，迄今為止，其性能與EDFA相比仍有較大差距。SOA雖然失去了原有放大器領域的作用，但卻在波長變換、高速光開關、光復用／解復用領域大放異彩。FRA由于采用分布式放大，因此可以補償色散補償器件帶來的損耗，同時可以避免非線性效應，FRA能在EDFA所不能放大的波段實現放大，既能在全波長范圍內放大光信號，又特別適用于超長距離傳輸和海底光纜通信等不方便設立中繼器的場合，因而倍受歡迎，已成為研發熱點，并隨著瓦級的泵浦激光器小型化、商用化而進入實用化，成為繼EDFA之后的又一顆璀璨明珠。EDFA由于其工作波長恰好與光纖通信最佳窗口（1540nm）相吻合，并且，其技術開發和商品化最成熟，因而是目前最令人滿意的光放大器。總之，高增益、大輸出功率、低噪聲系數是EDFA、SOA和FRA的共同發展方向。

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