光纤放大器的研究

1、光纤放大器的研究摘要随着社会的不断进步，当今信息的交流正朝着高速化、复杂化、密集化方向发展，直接导致人们对信息传播的速率及质量的要求越来越高。建立骨干全光网，全面落实推广光纤入户迫在眉睫，已成为我们在“十二五”期间的发展目标之一。光纤通信在新时期正越发显现出他无可替代的地位，而光纤放大器因它具有易集成、高增益、低噪声和带宽广的特点，是实现全光型光纤通信的关键性部件。目前，光纤放大器主要有三类，分别是半导体光纤放大器、掺稀土元素放大器和非线性放大器。本文将就这三类光纤放大器逐一展开论述，特别是掺稀土光纤放大器，深入探讨有关他们的结构、工作原理、各自的特点、应用范围、实际应用情况及未来的发展方向，

2、另外，还将就光纤放大器中的非线性光学效应作理论分析。关键词：光纤；光纤放大器；非线性光学效应The Research of Fiber AmplifierABSTRACTWith the progress of society， today the exchange of information is moving in high-speed， complex， intensive direction， a direct result of the rate and quality of information dissemination have become increasingly de

3、manding. Backbone of all-optical networks， the full implementation of the promotion of fiber to the home is imminent， has become in one of the Twelve Five period of development goals. Optical fiber communication in the new era is increasingly showing his irreplaceable position， the fiber amplifier b

4、ecause of its ease of integration， high gain， low noise and wide bandwidth characteristics of the critical components of all-optical fiber communication. Fiber amplifier has three categories， namely， semiconductor optical amplifier， a rare earth doped amplifiers and non-linear amplifier. This paper

5、will each of the three types of fiber amplifiers discusses， in particular the rare earth-doped fiber amplifier， depth about their structure， working principle， their own characteristics， scope of application， the actual application and future development direction， in addition， will also the nonline

6、ar optical effect in the optical fiber amplifier for theoretical analysis.Key Words：Optical fiber；Fiber Amplifier；Nonlinear optical effects目录第一章绪论11.1 引言11.2 课题的研究意义及主要内容2第二章光放大器概述32.1 半导体光放大器32.2 掺稀土元素光纤放大器32.3 非线性光放大器5第三章半导体光放大器73.1 半导体光放大器的发展73.2 半导体光放大器的基本结构与特性83.3 半导体光放大器的工作原理93.4 半导体光放大器的特点与应用

7、113.4.1 半导体光放大器的特点113.4.2 SOA的应用123.5 半导体光放大器未来发展方向13第四章掺饵光纤放大器154.1 掺铒光纤放大器简介154.2 EDFA的结构与工作原理164.2.1 EDFA的结构164.2.2 EDFA的工作原理174.3 EDFA 的增益和输出功率特性204.4 EDFA的噪声特性224.5 EDFA的级联234.5.1 噪声积累及分析244.5.2 增益均衡（增益平坦化）254.6 EDFA在有线电视网中的应用264.6.1 在线放大264.6.2 前置放大264.6.3 功率放大264.7 掺稀土光纤放大器的改进274.7.1增益位移掺铒光纤放

8、大器（GS-EDFA）274.7.2 碲基掺铒光纤放大器（EDTFA）284.7.3 铋基掺铒光纤放大器294.7.4 掺铥光纤放大器（TDFA）和增益位移掺铥光纤放大器（GSTDFA）30第五章拉曼光纤放大器315.1 拉曼光纤放大器的简要介绍315.2 拉曼光纤放大器的基本原理315.2.1 非线性光学效应拉曼散射效应325.2.2受激拉曼散射的阈值特性335.2.3 受激拉曼散射的增益345.2.4 受激拉曼散射的影响355.2.5 拉曼光纤放大器基本原理365.3 拉曼光纤放大器的分类385.4 拉曼光纤放大器的特点385.5 拉曼放大器与EDFA组合使用的原因405.6 拉曼光纤放大

9、器目前的发展状况及应用40第六章总结与展望43参考文献44致 谢45天津理工大学中环信息学院2013届本科毕业论文第一章绪论光纤放大器是密集波分复用（DWDM）系统中的关键部件，它取代了传统光电光的中继方式，实现了光信号的高增益、低噪声放大。近年来，随着计算机网络及其它数据传输业务的飞速发展，长距离光纤传输对提高密集波分复用系统传输容量的需求日益增大，人们对光纤带宽的利用越来越多，密集波分复用和光纤放大器相结合是目前光通信发展的趋势。1.1 引言在光纤通信技术发展的早期，为了实现光信号的中继放大，采用光电光的转换思想，具体说来，就是把已经衰弱的光信号进行光电转换，转化为电信号进行放大，而我们那

10、时对电信号的放大技术已经成熟，所以容易实现，再将放大了的电信号进行电光转化，这样就重新得到光信号，从而实现了光的放大。诚然，对光信号的放大作用的确实现了，但落实到现实中，研究人员发现问题远远没有想象的那么简单。电中继器设备复杂，维护难、成本高，耗能多，只能实现窄带多波长放大，而且实际需要大量的光纤放大器，这样的高成本投入让光纤发展受到了致命的制约。1989年，掺饵光纤放大器的诞生，标志着光通信史上的一次革命，因为他开创性的实现了全光放大技术，促使波分复用技术走向实用化，促进了光接入网的实用化，完全解决了过去光电光转换时代的众多诟病，为光纤通信的长足发展打下了坚定的基础。光纤放大器（Optica

11、l Fiber Ampler，简写OFA）是指运用于光纤通信线路中，实现信号放大的一种新型全光放大器。不但可对光信号进行直接放大，同时还具有实时、高增益、宽带、在线、低噪声、低损耗的全光放大功能，是新一代光纤通信系统中必不可少的关键器件。光纤放大器一般都由增益介质、泵浦光和输入输出耦合结构组成。目前光纤放大器主要有掺铒光纤放大器、半导体光放大器和光纤拉曼放大器三种，其中掺铒光纤放大器以其优越的性能现已广泛应用于长距离、大容量、高速率的光纤通信系统、接入网、光纤CATV网、军用系统（雷达多路数据复接、数据传输、制导等）等领域。根据光纤放大器在光纤线路中的位置和作用，一般分为中继放大、前置放大和功

12、率放大三种。自80年代末至90年代初研制成掺铒光纤放大器（EDFA），并开始应用于1.55mm频段的光纤通信系统以来，推动了光纤通信向全光传输方向发展，且目前EDFA的技术开发和商品化最成熟；应用广泛的C波段EDFA通常工作在15301565nm光纤损耗最低的窗口，具有输出功率大、增益高、与偏振无关、噪声指数低、放大特性与系统比特率和数据格式无关，且同时放大多路波长信号等一系列的特性，在长途光通信系统中得到了广泛的应用。掺铒光纤放大器的不足是C-Band EDFA的增益带宽只有35nm，仅覆盖石英单模光纤低损耗窗口的一部分，制约了光纤固有能够容纳的波长信道数。 非线性OFA是利用光纤的非线性效

13、应实现对信号光放大的一种激光放大器。当光纤中光功率密度达到一定阈值时，将产生受激拉曼散射（SRS）或受激布里渊散射（SBS），形成对信号光的相干放大。非线性OFA可相应分为拉曼光纤放大器（SRA）和布里渊光纤放大器（BRA）。OFA的研制始于80年代，并在90年代初取得重大突破。在现代光通信系统设计中，如何有效地提高光信号传输距离，减少中继站数目，降低系统成本，一直是人们不断探索的目标。OFA是解决这一问题的关键器件，它的研制和改进在全球范围内仍方兴未艾。随着密集波分复用（DWDM）技术、光纤放大技术，包括掺铒光纤放大器（EDFA）、分布拉曼光纤放大器（DRFA）、半导体放大器（SOA）和光时

14、分复用（OTDM）技术的发展和广泛应用，光纤通信技术不断向着更高速率、更大容量的通信系统发展，而先进的光纤制造技术既能保持稳定、可靠的传输以及足够的富余度，又能满足光通信对大宽带的需求，并减少非线性损伤。密集波分复用系统在光纤传输系统中已成为技术主流，作为DWDM系统核心器件之一的光纤放大器在其应用中将得到迅速发展，这主要是由于光纤放大器有足够的增益带宽，它与WDM技术相结合可迅速简便地扩大现有光缆系统的通信容量，延长中继距离1。在光纤接入网中，尽管用户系统的距离较短，但用户网的分支太多，需要用光纤放大器来提高光信号的功率以补偿光分配器造成的光损耗和提高用户的数量，降低用户网的建设成本。在光纤

15、CATV系统中，随着其规模的不断扩大，其链路的传输距离不断增长，光路的传输损耗也不断增加，将光纤放大器应用在光纤CATV系统中不但可提高光功率，补偿链路的损耗，增加光用户终端，而且简化了系统结构，降低了系统成本。近年来，随着信息和通信技术的飞速发展，光纤放大器（无线信号放大器）的研究和发展又进一步扩大了增益带宽，将光纤通信系统推向了高速率、大容量、长距离方向发展。由于光纤放大器的独特性能，光纤放大器在DWDM传输系统、光纤CATV和光纤接入网中的应用将越来越广泛。 1.2 课题的研究意义及主要内容随着国家的科技进步，社会对网速的要求越来越高，建立骨干全光网，落实推广光纤入户，成为“十二五”发展

16、目标的亮点所在。光纤通信在新时期正越发显现出他无可替代的地位，而研究开发更卓越的光纤技术成为当代人才责无旁贷的艰巨使命。光纤通信通俗的讲就是把有价值的信息以光为载体在光纤中传输，众所周知，光在传播的过程中存在损耗，几公里后就需要对光信号进行放大，而我国地域辽阔，对光纤传输的要求当然是传输距离越远越好，所有研究光纤通信的机构都在这方面下了很大功夫，特别是在光纤放大器出现以后，这方面的记录接连不断。光纤放大器在光纤通信领域中需求量特别大，目前的光纤网覆盖大多集中在中东部发达地区，西部等边远地区光纤网的建设还大多处于起步阶段，需要更多熟知光纤技术的人才，因此，光纤放大器这个领域的研究也就显得尤为具有

17、现实意义。本论文将对时下各种光纤放大器作介绍，并重点论述半导体光纤放大器、掺铒光纤放大器、拉曼光纤放大器三种主要的光纤放大器的工作原理，结构，特点、光纤放大器中的非线性效应及典型应用。第二章光放大器概述迄今为止，得以充分研究和广泛应用的光放大器主要三类：半导体光放大器、 掺稀土元素光纤放大器、非线性光放大器。2.1 半导体光放大器半导体光放大器（SOA）研究较早，其结构类似于普通的半导体激光器，分为法布里珀罗型（FPA）和行波型（TWA）， 两者分别实现共振放大和行波放大。行波放大器有很高的响应带宽，可以对窄至几个ps的超窄光脉冲进行放大。SOA 的一个优点是易于同其它光器件和电路集成、适合批

18、量生产、成本低；另一方面 SOA 还具有体积小、结构简单、功耗低的优点。然而 SOA 与光纤放大器相比，还存在许多不足。首先，SOA 的增益具有很强的偏振态敏感性；其次，由于其载流子寿命较短（200ps），信道间的交叉串扰较大；再次，由于其不易光纤耦合，较大的耦合损耗使其噪声特性也受到很大的影响；此外，SOA 的输出功率较小、工作状态易受环境条件变化的影响。这些缺点使其在放大性能上与光纤放大器还有差距，应用也不如光纤放大器广泛。然而利用 SOA 的非线性过程可以实现增益开关、全光波长变换、光交换、谱反转、时钟提取、解复用等功能，因而 SOA 在这些领域受到了广泛的重视，特别是目前应变量子阱材料

19、的半导体光放大器的研制成功，又引起人们对 SOA的研究兴趣。2.2 掺稀土元素光纤放大器稀土元素即元素周期表中的镧系元素，镨（Pr）、钕（Nd）、铒（Er）、铥（Tm）都属于此系，目前通信领域对掺稀土光纤放大器的研究比较多的集中在掺镨光纤放大器（PDFA）、掺铒光纤放大器（EDFA）和掺铥光纤放大器（TDFA）上，特别是掺铒光纤放大器，由于可以应用于 1.55m 窗口而成为研究的热点。掺铒光纤放大器的研制成功，是光通信发展过程中的一个突破，为光纤通信带来了革命性的变化。EDFA 一般工作在 1550nm 窗口的 C 波段和 L 波段，在该窗口光纤损耗系数比 1310nm 窗口还要低。自从 19

20、85 年英国南安普顿大学首先成功地研究出掺铒光纤，并于 1986 年研制出第一台掺铒光纤放大器以来，EDFA 技术得到了迅速的发展。EDFA 以其接近噪声极限的良好噪声特性、极高的增益、偏振不敏感性、线性饱和输出特性、温度稳定性以及与光纤系统良好的接入性，广泛地应用于目前的光通讯系统中。由于其上能级寿命较长，利于泵浦能量的积累从而阈值低、效率高，同时也决定了其瞬态响应速度较缓，对信号间串扰影响不敏感。已商用的 EDFA 噪声小，增益曲线好，放大器带宽大，与 DWDM 系统相兼容，性能稳定、技术成熟，在现代长途DWDM 通信系统中备受青睐，具有优良性能的 EDFA 与 DWDM 技术的结合已经成

21、为目前光纤通讯发展的主流。EDFA 的缺点在于其增益平坦性较差，应用在WDM 系统中使用时必须对其进行恰当的增益控制，以实现宽带平坦的输出。图2.1 EDWA 结构示意图 Fig.2.1 EDWAstructure diagram在 EDFA 研究的基础上，近年来，掺铒波导放大器（EDWA）发展较快。这种放大器是由内嵌在掺铒玻璃基片上的光波导构成，其典型结构如图 2.1 所示。在抽运光的作用下，稀土离子跃迁到高能级，而后又从高能级无辐射跃迁到寿命较长的介稳态。在信号光光子的激发作用下，稀土离子发生从介稳态向基态的受激跃迁，放出一个与信号光频率、相位均相同的光子，实现光放大作用。此类放大器与 E

22、DFA 原理相似，都是以掺铒基质为增益介质。EDWA 的铒离子掺杂浓度较高，一般可以达到普通掺铒光纤浓度的 100 倍左右。由于放大过程在波导中完成，泵浦光能量被约束在截面积非常小的区域内，有效地提高泵浦光功率密度从而使此类放大器具有较大信号增益系数，在十几厘米长度内就可实现 10dB左右的增益。EDWA 不仅继承了 EDFA 的优点：噪声指数低、偏振相关性小以及及无通道间串扰，同时还具有自己的优势：结构紧凑，可以实现集成。目前最小的 EDWA 模块可以在 1530nm 窗口中实现 15dB 的增益，其体积只有 130116mm3。对 OEM 用户来说，他们可以很容易地将 EDWA 装入自己的

23、产品中，形成基于 EDWA 的系列产品，如 EDWA 阵列、1N 合分波集成放大器等。但 EDWA也有不足之处：制造工艺和集成工艺都还存在缺点，无集成隔离器使其尺寸不能够更小，此外它对工作环境的要求较高。掺镨光纤放大器可以实现 1.3m 窗口的放大。早在 1988 年就进行过NDFA（Nd3+Doped Fiber Amplifier）的研制，在石英玻璃光纤中 Nd3+的发光中心波长位于 1.34m，偏离光通信波长的 1.31m，同时又呈现很强的受激态吸收（ESA），因此未能得以继续发展。1991 年开发出 PDFA，由于其增益波长恰与通信光波长的 1.3m 一致，同时能获得高增益，便开展了

24、PDFA 的实用化研究。由于氟化物玻璃基质比石英玻璃基质放大效率高，目前 PDFA 一般使用氟化物光纤，但氟化物光纤比石英光纤的环境适应性差，为此须采用真空密封型氟化物光纤。PDFA目前主要应用在工作波长在 1.31m 窗口的 CATV 业务中，它的实用化对采用G.652 光纤的通信系统（零色散点在 1.3m）是至关重要的。目前 PDFA 的泵浦源可以选用双包层大功率 YDFL（掺镱光纤激光器 11.15m）掺铥光纤放大器工作在损耗较低的 1.45m 波段，可实现 1.55m 窗口 EDFA不能实现的 S 波段内（14501520n m）的放大。它与 EDFA 共同使用，就几乎可覆盖整个 1.

25、55m 窗口，从而充分利用光纤 1.55m 窗口的带宽资源。对于采用色散位移光纤（DSF）的系统，1450nm 波段的色散较小，在此波长进行 DWDM 传输就可避免 1550nm 波长传输的四波混频（FWM）失真的限制。TDFA 一般也是使用氟化物基质光纤，目前实验室已经能够实现 14801509nm 范围内 25dB 平坦增益，并不断地实现其性能的优化。2.3 非线性光放大器非线性光纤放大器包括光纤喇曼放大器（FRA）、光纤布里渊放大器（FBA）、光纤参量放大器（FOPA）等，它们分别利用了光纤中的受激喇曼散射（SRS）、受激布里渊散射（SBS）和四波混频（FWM）三种非线性效应。FRA 增

26、益谱很宽，增益峰值高，其应用前景广泛，近年来倍受关注，成为研制开发的热点。它具有许多优点：（1）增益介质为普通传输光纤，与光纤系统具有良好的兼容性；（2）增益波长由泵浦光波长决定，不受其它因素的限制，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，目前已经有实现132nm增益带宽的报导。（3）增益谱宽、增益大、噪声系数小、响应速度快、温度稳定性好。由于其增益谱宽远超过 EDFA，因此在 EDFA 不能放大的波段可以实现光放大，成为 EDFA 有力的补充，同时利用受激喇曼光纤放大器灵活的增益特性与掺铒光纤放大器组合使用便可以实现宽带平坦增益光纤放大系统；另外由于其增益介质即为光纤本身，因

27、此可实现分布式放大，可以对信号光进行在线放大，延长无中继传输距离。目前限制光纤拉曼放大器广泛应用和发展的主要问题在于其泵浦阈值较高、宽带使用时存在串扰。随着大功率固体激光器和大功率包层激光器的发展，相信光纤喇曼放大器将会有更加广泛的应用前景。由于受激布里渊增益谱很窄（1.55m 附近约 100MHz），FBA 的应用仅限于窄带信号的放大，虽然也可以实现调谐放大，但由于其泵浦阈值低（单模光纤中的典型值为 10mW），输出功率小而且噪声特性差，在光通信中应用较少。光纤参量放大器正得到广泛研究，近几年的OFC和ECOC会议上，都将FOPA作为专题进行报道。FOPA 具有增益高、宽带宽等显著优点，在

28、DWDM 系统、全光网等领域将有非常广泛而重要的应用。上述三类光放大器各有优缺点，它们在超长 DWDM 系统中获得了不同的应用，表 2.1 中我们具体对这三种光放大器进行了多方面的比较。SOA 覆盖了13001600nm 波段，既可用于 1300nm 窗口，又可用在 1550nm 窗口，但 SOA 已经失去了传统放大器领域的作用，却在全光波长变换、高速光开关、解复用、时钟提取等领域大放异彩；EDFA 主要用于 DWDM 系统、接入网、光纤 CATV 网和光孤子传输系统等领域；FRA 主要用于超长距离传输。目前，光网络正向着超大容量、超长距离传输的方向发展，光放大器已经成为不可或缺的关键器件，而

29、EDFA 和 FRA 的混合使用已经成为一种潮流。表2.1 光放大器的类型和各自优缺点Table 2.1 The type of the optical amplifier and the respective advantages and disadvantages放大器类型工作原理激励方式工作长度小信号增益噪声特性常规光纤耦合偏振敏感度失真和串话集成性非线性光纤放大器光学非线性效应光数十米到数千米40好容易大严重无半导体光放大器粒子数反转电100m到1mm30差困难大严重易掺稀土光纤放大器粒子数反转光数米到数十米40好容易无可忽略无第三章半导体光放大器半导体光放大器由有源区和无源区构成，其

30、放大原理主要取决于有源层的介质特性和激光腔的特性。半导体光放大器可用作线性放大器、波长转换器、光开关和再生器等。3.1 半导体光放大器的发展半导体光放大器（SOA）是伴随半导体激光器的发明而提出来的。在60年代首先进行的GaAs同质结行波半导体放大器研究，开创了半导体放大器的先河，确立了半导体放大器的基本理论。到1970年，双异质结构激光器问世后，又实现了行波（TW）半导体光放大器的室温连续工作。在1973年至1975年间，开始从光纤通信应用要求出发，研究双异质结构行波（TW）型和法布里珀罗（F-P）型光放大器的特性并取得重要进展。80年代初，采用消除反射光的光隔离器和精确的光频率调谐技术，深

31、入研究了AlGaAs F-P光放大器的增益、带宽、饱和增益与噪声特性及其对光纤通信系统性能的影响。同时开始研究半导体放大器的注入锁定现象、机理、设计和放大特性。80年代中期开始研究适用于1.3m和1.5m波长的InGaAsP半导体光放大器。90年代以前SOA的研究主要集中在SOA的增益、饱和增益、噪声、带宽、饱和输出功率等主要特性上。90年代初，低噪声掺铒光纤放大器的出现使SOA在功率放大功能在光纤线路放大方面的地位受到了极大的挑战，1.55m窗口的在线放大功能基本上由掺铒光纤放大器完全取代。进入90年代后，由于量子阱，超晶格技术的发展，特别是应变量子阱技术的日趋成熟，半导体光放大器的研究进入

32、了一个新的空间，半导体光放大器的性能得到全部和大幅度的提高，特别是增益的偏灵敏度、噪声指数已明显降低，已达到和EDFA相比拟的水平，饱和输出功率、小信号增益也有显著提高。 3.2 半导体光放大器的基本结构与特性半导体光放大器是一种把发光器件一一半导体激光器结构作为放大装置使用的器件，因为具有能带结构，所以其增益带宽比采用光纤放大器的宽。另外，通过改变所使用的半导体材料的组成可以使波长使用范围超过100nm，这是半导体光放大器的一个突出特点。半导体光放大器由有源区和无源区构成，如图3.1所示，有源区为增益区，使用InP这样的半导体材料制作，与半导体激光器的主要不同之处是SOA带抗反射涂层，以防止

33、放大器端面的反射，排除共振器功效。抗反射涂层就是在端面设置单层或多层介质层。以平面波人射单层介质层时，抗反射膜的条件相对于厚度为14波长。实际的放大器，传输光是数微米的点光，可以研究假想波导模严格的无反射条件。去除端面反射影响的另一种方法，也可以采用使端面倾斜的方法和窗结构。把光放大器作为光通信中继放大器使用，人射光的偏振方向是无规则的，最好是偏振波依赖性小的放大器。为了消除这种偏振波依赖性，可以引人运用窄条结构使激活波导光路近似正方形断面形状的方法和施加抗张应力，以增大TM波增益的应变量子阱结构。目前，实现偏振无关半导体光放大器的方法有很多种，如张应变量子阱结构、应变补偿结构、同时采用张应变

34、量子阱和压应变量子阱的混合应变量子阱结构等。图3.1 半导体激光放大器的的基本结构图Fig.3.1 A semiconductor laser amplifier of the basic structure of FIG.图3.2为采用脊型波导结构的应变量子阱光放大器基本结构图。有源区采用4C3T混合应变量子阱结构，即4个压应变量子阱，3个张应变量子阱，压应变和张应变量子阱之间用与InP晶格匹配的12nm宽的InGaAsP垒层隔开；上下波导层分别为波长1.15拌m的hiGaAsP匹配材料；包层为p型InP，接触层为重p型掺杂InGaAs材料，材料的外延法生长过程中，n型掺杂源为硅烷（SIH4

35、），p型掺杂源为二甲基锌（DMzn）；材料生长完成后，采用标准的光刻、反应离子刻蚀、湿法腐蚀、蒸发、溅射等工艺制作脊型波导结构。图3.2 1.3m偏振无关半导体光放大器结构示意图Fig.3.2 1.3m polarization-independent semiconductor optical amplifier structure diagram半导体激光放大器的的基本结构其实就是一个PN结，因为无反馈或反馈量不足引起激射。它一般采用InPInGaAsP系的双异质结构波导结构，在正偏压和强注入电流作用下，有源激活区内生成粒子数反转分布状态，处于粒子数反转分布的激活物质有受激辐射效应，使输入

36、光信号得到放大后输出。SOA两端蒸镀有光抗反射层，以减小半导体材料和空气分界面上的菲涅尔反射。SOA还包括了整个外延生长的材料层，其中最主要的是有源层，有源层内的载流子是加在半导体PN结上正向偏置电流注入的。在以应变量子阱为代表的能带工程技术的推动下，SOA的性能大有改进。在采用双异质结构的半导体激光放大器中，有源层周围是具有较低折射率的宽带系材料，而有源层的半导体材料通常具有较高的折射率和较窄的带系从而对注入载流子和光场形成有效限制，提高光增益。通过改变所用半导体材料InGaAsP的组成，SOA可在1300至1600nm内的一个特定波长范围内，几乎无限制的移动，获得信号增益，波长使用范围超过

37、100nm，与现行的EDFA波段相一致，便于在光通信中的应用，也适合用于光纤接入网中。SOA的基本结构是具有减少反射涂层界面和波导设计的半导体激光器，波导设计是为产生与偏振无关的增益。SOA增益光谱形状近乎抛物线，增益均衡比EDFA容易。串联数个不同增益谱中心波长的SOA，可实现宽且平坦的增益谱。最具魅力的特性是可与其他光电器件集成化，实现InP基微电子电路的DEIC单片集成，其进一步发展有待SOA成品率提高和InP基技术产业化。3.3 半导体光放大器的工作原理半导体光放大器的原理与掺稀土光纤放大器相似但也有不同，其放大特性主要取决于有源层的介质特性和激光腔的特性。如图3.3所示。它虽然也是粒

38、子数反转放大发光但发光的媒介是非平衡载流子即电子空穴而非稀有元素。半导体的发光可根据激发方式的不同分为光致发光、电致发光和阴极发光等。光致发光指用半导体的光吸收作用来产生非平衡载流子，实际上是一种光向另一种光转换的过程。电致发光是指用电学方法将非平衡载流子直接注入半导体中而产生发光，这常借助于PN结来完成。在半导体中电子的能极限值在导带和价带两个带内，在导带中电子充当移动载流子，在价带中空穴充当载流子。半导体在外界激发下，可将价带中的载流子激发到导带中，同时在价带中留下空穴，所产生的电子和空穴分别跃迁到导带底和价带顶，这一过程只与晶格交换能量而不产生光发射，称为无辐射跃迁，与此同时，导带底的电

39、子还要跃迁到价带顶与空穴复合，并同时发射光子，二者形成动态平衡，与热平衡下状态不同，这时的电子和空穴为非平衡载流子，载流子的分布不再是费米统计分布。由于电子从导带底跃迁到价带顶的时间常数即辐射寿命与无辐射跃迁的时间常数相比相对较长， 所以可以认为电子和空穴各自保持热平衡状态， 对载流子的这种准平衡状态分别用准费米能级和来表示。半导体的辐射跃迁包括自发跃迁和受激跃迁两个过程。自发辐射跃迁是指占据高能态的电子可以自发地跃迁到低的空能态与空穴复合，同时发射一个光子，这一过程称为自发辐射发光受激辐射跃迁是指与一个理想的光子相互作用后导致的受激辐射。这两个过程类似于掺饵光纤放大器（EDFA）中的自发辐射

40、和受激辐射过程。图3.3 半导体光放大器的工作原理图Fig.3.3 The work schematic of semiconductor optical amplifier 半导体中除了辐射跃迁产生光子外还有些辐射跃迁不产生光子，也就是说激发所消耗的能量并非全转化为光能，其中一部分能量转化为晶格的热震动，通常用内量子效率和外量子效率两个量来描述。内量子效率定义为泵浦能量转换为光能的效率。内=N内nd （3.1）式中：N内为单位时间内单位体积中产生的光子数；nd为单位时间内单位体积中激发的电子空穴对数。半导体内产生的光子通过半导体向外传播时受到半导体的吸收，被半导体表面反射。通常用外量子效率来

41、描述半导体实际发光效率。外=N外nd （3.2）式中：N外 为单位时间发射到半导体外的光子数。半导体在外界激励下会产生非平衡载流子，半导体在泵浦光激励下怎样产生光放大？为了尽可能简单，假设半导体在0K，费米能级在禁带的中间位置，因此在Ep以下的每个有效能级上被电子充满，则半导体将吸收子。如果半导体未受光泵浦激励，则半导体将吸收光子，其实半导体的两个能带所扮演的角色类似于EDFA中的能带E1和E2所起的作用，只是它的能带比EDFA的能带更宽。一个带隙Ex把处在下面的导带和上面的价带分开，这样，从一个能带转移到另一个能带内所发生的能量改变至少是Eg，因此，若 则半导体吸收光子，当吸收了泵浦光子后就

42、会在导带中产生电子，而在价带中留下空穴，然后电子和空穴都迅速向能带的最底点弛豫，并通过发射一个能量为禁带宽度能量的光子复合。图3.4 半导体放大器能级图Fig.3.4 Semiconductor amplifier energy level diagram如果图3.4a的泵浦源的强度越来越大，电子将会趋向于累积在导带的底部，空穴趋向于累积在价带的顶部，直到电子空穴对的产生和复合达到动态平衡为止。如果假设带内驰豫过程比带间复合速率快得多， 那么可以利用准费米能级EFN和EFP来描述电子空穴的数目。于是导带底和EFN之间的每个态都被添满，而价带顶和之间的所有态都是空的，这种情况如图3.4b，从而实

43、现光放大。通过适当的选择半导体材料，就可获得能使发射或吸收波长处于光通信所需要的范围（如1300nm或1550nm）内的带隙。3.4 半导体光放大器的特点与应用半导体光放大器的优点是具有很大的增益带宽（1300一1600nm），增益平坦性较好；能够动态转换波长，体积小，泵浦简单，可批量生产，成本低。而它的缺点则是具有对信号光偏振敏感的特性，以及对信号光增益的饱和性，以上两点限制了SOA在光纤通信中的应用。目前半导体光放大器的性能已得到了稳步提高，特别是在发展大规模波分多路传输、或者光交换方式等新一代光技术方面。随着全光网络的发展，半导体光放大器技术必将会有越来越广的应用。3.4.1 半导体光放

44、大器的特点1. 半导体光放大器的优点：（1）尺寸小，易制作成集成电路与集成光电路结合使用。（2）结构较为简单、功耗低、寿命长、成本低。（3）增益响应相当快速，适用于交换及信号处理等光网络应用中。（4）同时具有光放大及信号处理的能力，如开关功能等。应用在全光波长交换、光交换中。2. 半导体光放大器的缺点：（1）与光纤的耦合损耗太大。（2）易受偏振态影响。（3）噪声指数高。（4）易造成串音。（5）易受环境温度影响，稳定性较差。3.4.2 SOA的应用SOA在光纤通信系统中有着广泛的应用，不仅可做光发送机的功率放大器、线路的中继放大器、光接收机的前置放大器和光分路补偿放大器，而且还可以作为非线性器件

45、用于光开关和波长变换器等光信号处理模块。1.线性放大半导体光放大器用作线性放大器的优点是可靠、小尺寸和可集成。它提供了中等的性能，因为饱和较快而噪声因素较大。采用增益籍制半导体光放大器可以有效地增加器件的饱和功率，采用锥形结构可提高饱和输出。SOA在1300-1500nm波段的线路放大器具有很大竞争力。2.与半导体光器件的单片集成可与其它半导体光器件集成是半导体光放大器的一个特点。目前已报导可与半导体激光器、光探测器、光调制器、光开关等器件集成。通过将光放大器集成，可以补偿光装置的插人损耗。特别是吸收型调制器，如果牺牲插人损耗的话，就能降低工作电压和线性调频脉冲参数，从而增大了元件设计的自由度

46、，希望能提高装置的综合性能。3.在波长变换方面的应用全光波长转换器（简称波长转换器）将是全光通信系统及未来宽带网络中必不可少的器件，是波分复用光网络中的关键性部件。在高速光纤通信系统中，波长转换器作为高速全光器件，能够在通信中进行波长路由选择，在网络中能重复利用波长，提高波长使用率，使得多波长网络管理更加灵活、合理。它在光开关、光交换、波长路由、波长再用等技术中有着广泛的应用。以半导体光放大器为基础的波长转换器，包括交叉增益调制型（XGM-SOA）、交叉相位调制型（XPM-SOA）以及四波混频型波长转换器（FWM-SOA）。4.全光2R再生器传统的光电再生方法把光信号转变为电信号后，在电域对信

47、号进行再生后再转变为光信号，该方法成本高并受到电子处理速度的限制。全光再生技术是最理想的再生方式，它突破了传输速率的“电子瓶颈”，符合光纤网络的要求。利用半导体光放大器中的自相位调制效应所引起的频谱红移现象，通过在半导体光放大器后面放置光带通滤波器可以达到ZR再生目的，并且适用于高速的光纤传输信道。5.在噪声抑制和再生中继器方面的应用波长变换器的非线性输人输出特性可应用于再生中继器方面，采用20Gbs的信号可以改善S朋或者消光比等。另外，若在饱和区域使用光放大器，与通常的线性放大器相比，会降低噪声指数。这不一定会直接改善错误率。但有人提出可以用于改善光限幅光源的S水，其效果已得到证实。6.光栅

48、开关SOA作为光开关的主要优点在于它的高速开光能力、对本征损耗补偿（因为自身光放大）、高可靠性、较高集成潜力、紧凑尺寸和潜在低损耗等。有人尝试把半导体光放大器作为开关光的光栅使用，把它与光分支电路组合在一起，构成光空间开关，可以获得50dB以上的较大消光比。利用它可以抑制串音，这一点是以往波导光路型光开关所做不到的。有人提出了一种基于半导体光放大器（SOA）的双端口全光光开关。这种光开关以一个平行排列3x3藕合器作为其核心元件，具有类似于非线性光学环路镜（NOLM）和T比特光学非对称解复用器（TOAD）的结构。由于这种光开关是基于SOA的，所以它结构紧凑，易于集成，而且需要很小的控制光功率（几

49、个mW）。这种光开关具有两个开关端口，满足了一些特殊应用场合的需要。人们现正在研究把多路波长与空间开关组合在一起，实现大规模太位开关网。3.5 半导体光放大器未来发展方向SOA是未来全光网中十分重要的光器件，也是在城域网中有望成为与光纤放大器相抗衡的器件。高性能SOA的重要特征之一是增益与偏振无关。已获得高达3035dB的增益，3dB响应谱宽已达50nm。在16个周期的SOA中，对波长1550nm的光增益为27dB。已有增益大约为10dB左右的商品化InP SOA芯片，最近还开发出可执行光选路功能的InP SOA芯片阵列，其交换速度可达ns级，其最大优点是阵列规模可变。目前，由4个SOA组成的

50、阵列已面市，8个SOA组成的阵列也获得较大进展。SOA的发展趋势是模块化。NEC已实现了世界上第一个内置光放大器的10Gbs光接收模块产品化生产。该公司与Genoa共同开发出高功率SOA与EA调制器集成的技术可实现80km的传输距离。Cenoa公司还提出一种新型光放大技术基于VCSEL技术的线性光放大器（LOA）。其信号光的传播方向与谐振腔的方向垂直，减小了信道串扰和瞬态效应，可替代昂贵的EDFA的技术。在欧洲，在欧共体的ESPRIT和RACE计划基金支持下，许多欧洲大公司正在从事SOA研究和开发，其工作中心主要集中于电信应用的SOA器件和子系统，最具实力的公司是Uniphase和Philip

51、s，他们主要进行SOA器件和子系统的生产尝试。在北美，SOA开发主要由美国防御先进的研究规划机构支持，最终使用主要瞄准在与防御相关的纤维光学线路，卫星光波通信和光计算机。Lucent技术Bell实验室继续领导SOA的研究和开发工作。最近几年内，一些新的北美公司也开始从事SOA器件和子系统的开发。日本的SOA开发工作主要瞄准实用化商用产品开发，以NEC，Mitsubishi和NTT为代表的公司致力于分组交换的SOA产品，据报道已经开发出30db增益6db噪声值的SOA器件，SOA放大器发展如表3.1所示。表3.1 SOA放大器发展一览表Table 3.1 SOA list of amplifie

52、r developmentSOA功能2000年2005年2010年年平均生产率（%）消耗金额（亿美元）份额（%）消耗金额（亿美元）份额（%）消耗金额（亿美元）份额（%）2000-20052005-2010光开关元0.2421.06413.74.14028光放大器0.26541.19463.88433627波长转换器0.0240.34131.45167634总的全球消耗0.481002.591009.031004028从表3.1可见，光放大器是SOA最主要公用，占SOA总消耗45%以上份额，其次是光开关和波长转换器。综观SOA的应用和需求已说明SOA的重要性和潜在市场宽广，随着全光网络的发展和S

53、OA自身的进步，SOA将会在电信和其他领域成为重要的光器件。第四章掺饵光纤放大器掺铒光纤放大器（EDFA）即在信号通过的纤芯中掺入了铒离子Er3 + 的光信号放大器。）是1985年英国南安普顿大学首先研制成功的光放大器，它是光纤通信中最伟大的发明之一。掺铒光纤是在石英光纤中掺入了少量的稀土元素铒（Er）离子的光纤，它是掺铒光纤放大器的核心。从20世纪80年代后期开始，掺铒光纤放大器的研究工作不断取得重大的突破。WDM技术、极大地增加了光纤通信的容量。成为当前光纤通信中应用最广的光放大器件。4.1 掺铒光纤放大器简介自英国南安普顿大学的物理学家S.B普尔发现EDF可制作全光放大器，美国贝尔实验室

54、证实全光放大器比电子放大器在性能上提高100倍，1994年在系统配置中实用化以来，其发展突飞猛进。 它使光通信技术产生了革命性的变化：用相对低廉的光放大器，代替长距离光纤通信系统中传统使用的复杂昂贵的光电光混合式中继器，从而实现比特率及调制格式的透明传输，升级换代也变得十分容易，尤其是性能优异的EDFA和WDM技术的珠联璧合，奠定了高速大容量光通信系统与网络大规模应用的基础。光纤放大器与其他放大器比较，具有输出功率大、增益高、工作带宽宽、与偏振无关、噪声指数低、放大特性与系统比特率、数据格式无关等特点，它已成为新一代光通信系统的关键器件之一。具体说来，x|*m ok %掺铒光纤放大器可用作数字

55、、模拟以及相干光通信的功率放大器。即如果线路上已采用掺铒光纤放大器做功率放大器，那么，不管它需要传输数字信号还是传输模拟信号，不必改变掺铒光纤放大器线路设备。b2O$ l 2掺铒光纤放大器可传输不同的码率。如果需要扩容，由低码率改变为高码率时，不必改变掺铒光纤放大器线路设备。:Vrji-掺铒光纤放大器做功率放大器，可在不改变原有噪声特性和误码率的前提下，直接放大数字、模拟活二者混合的数据格式，特别适合光纤传输网络升级。实现语音、图像、数据同网传输，不必改变掺铒光纤放大器线路设备。 3BWT一个掺铒光纤放大器可同时传输若干波长的光信号，即用光波复用扩容时，不必改变掺铒光纤放大器线路设备。CtHs

56、i8m掺铒光纤放大器做功率放大器，不必经过光电转换可以直接对光信号放大，结构简单，成本低，性能稳定可靠#;tgUQ。A/OGF 实践证明，如果采用饱和功率为18dBm的放大器，可是实现160200km无中继通信。如果有必要，还可将中继距离延长更远。在前置放大器中 O:lO在 m,SWG 把掺铒光纤放大器置于光接收机关监测器前面。来自光纤的光信号经掺铒光纤放大器放大后再由光检测器检测。由于掺铒光纤放大器的信噪比由于电子放大器，所以用掺铒光纤放大器作预放大器的光接收机具有较高的灵敏度，其灵敏度甚至不亚于相干光接收机的。光纤2.3 线路放大器mam(hf$ 把掺铒光纤放大器至于光纤传输线路中，将已被衰减了的小信号进行放大，可以大大延长传输距离，也成为中继放大器。9|G-cyt 线路放大器的显著优点是增益高，通常大于30dB。由于可以级联使用，特别适合海底远程通信和陆地超长距离传输使用。*%QTv3 使用线路放大器必须解决远程监控问题，国际标准化组织已制定出多种监控标准，可以按照标准进行远程监控。B3yp