无论在超长距离的海底链路还是在接入网的短链路中,光放大器都有广泛的应用。在长距离的海底和陆地点对点链路中业务形态是相对稳定的,光放大器的输入功率电平变化不明显。然而要在这些链路上传送密集的多波长信道,放大器必须具备宽谱相应范围并且高度可靠。通常城域网和接入网中传送的波长较少,业务形态可能会突变,并且根据客户需求经常需要插入或取出波长,这就要求光放大器能够从输入功率快速变化中迅速恢复。光放大器可以分为半导体光放大器(Semiconductor optical amplifier, SOA)和光纤放大器(Fiber amplifier, FA)。拉曼光纤放大器(Ramman fiber amplifier, RFA)是利用光纤中的受激拉曼散射(Stimulated raman scattering, SRS)非线性效应实现信号光的放大。强光在光纤中传输时就会产生受激拉曼散射,如果信号光的波长位于拉曼增益谱内,弱的信号光就能得到放大。掺杂光纤放大器(Doped fiber amplifier,DFA)需要特定组份掺杂的光纤,拉曼放大器只需用标准的单模传输光纤。

SOA中的激活媒质由三和五主族元素(如磷、镓、铟、砷)形成的半导体合金构成。与半导体激光器结构类似,当外加偏置电流低于振荡阈值时,激光二极管能对输入的信号光实现放大作用。由于所有处于粒子数反转态下的半导体都具有光增益,所以理论上来说任何半导体激光器都可以用来作为光学放大器。SOA可分为谐振型的法布里-泊罗腔放大器和行波腔光放大器,两者都是折射率波导型激光二极管结构,其主要的差别在于端面反射率的大小不同(其中行波腔没有镜面反射,谐振腔存在镜面发射)。SOA有很多吸引人的地方,它们工作在0波段和C波段,易于与其他光设备和电路(如称合器、光隔离器及接收电路)集成在同一基片上。与掺杂光纤放大器相比,SOA优点是功耗低、组成器件少、结构紧凑和造价低廉。缺点是噪声系数大、输出功率小、对信道间的串扰和信号偏振态敏感,信道之间存在的串扰限制了它在WDM系统中的应用。SOA的小功率输出无法支持长距离光纤传输,其主要应用于集成放大器和应用性能要求不高的光纤链路中。

(1)掺杂光纤放大器

掺杂光纤放大器通常是掺杂稀土元素(如钕、铋或镨),光纤的基础材料可以是氟化物玻璃、标准的石英或碲酸盐玻璃。放大器的工作波长范围与基础材料和掺入元素有关。长途电信系统中最常用的光纤放大器是掺银光纤放大器,其掺杂少量银元素。DFA主要包括以下几个部分:泵浦光源、称合器、活性介质掺杂光纤、滤波器和光隔离器等。泵浦光通过光亲合器入射到掺杂光纤中,将大部分的基态离子泵浦到激发态,对于三能级系统处于激发态的离子会迅速无福射跃迁到亚稳态。离子的亚稳态寿命相对较长(达到毫秒量级)以至于亚稳态与基态之间的粒子数形成反转状态。如果信号光通过此掺杂光纤,在受激辐射作用下会产生大量与自身状态完全相同的光子,使得光信号的功率增大。WDM将泵浦光和信号光亲合进掺杂光纤,光隔离器可以保证光的单向传输,滤波器可以过滤掉放大器本身产生的自发福射以降低系统的引入的噪声。

(2)光纤拉曼放大器

拉曼散射是源于光与材料中的光学声子的相互作用,入射光子被散射产生另一个频率较低的输出光子(斯托克斯光子)或频率较高的光子(反斯托克斯光子),出射光子的传播方向与入射光子传播方向相同。光纤拉曼放大器是利用的光纤的非线性光学效应一受激拉曼散射效应产生的增益机制而对信号进行放大的。泵浦激光的强度大于某一阈值后,拉曼散射的斯托克斯光才会有明显的增益,其散射光的相干性、方向性和光强才有明显的提高。桂基拉曼光纤放大器中,泵浦光和信号光频率间的斯托克斯频移大概是15THZ。由于改变泉浦光中心频率,就会改变增益峰值波长,所以光纤拉曼放大器的放大波长范围是可调的。FRA的优点是亲合损耗小,是因为它的放大介质是f统的单模传输光纤,它的噪声比较低、增益稳定性也较好。缺点是需要很高的录浦光功率(约0.5~1W)、信道串扰大及造价昂贵。

光纤布立渊放大器

布立渊散射是源于入射光与材料中的声学声子的相互作用,入射光子被散射产生另一个频率较低的输出光子(斯托克斯光子)或频率较高的光子(反斯托克斯光子),出射光子的传播方向与入射光子的传播方向相反。通常斯托克斯波的强度远大于反斯托克斯波,这两个波的频移量是由光纤材料中的声子特性决定的。

布立渊放大器与拉曼放大器类似,不同点是声光子在放大过程中起作用。布立渊散射的斯托克斯频移比较小,在硅基光纤中频移约为llGHz。布立渊放大器的缺点是噪声比较大,优点是单模光纤中的阈值功率很小仅为几个毫瓦。布立渊放大器的带宽仅为20MHz,适合做窄带信号放大器。