几种光放大器的比较一、 引言光纤放大器的研制成功是光纤通信史上的一个重要里程碑，是新 一代光纤通信系统中不可缺少的关键技术，它解决了衰减对光网络传 输距离的限制，又开创了 1550nm波段的波分复用系统从而将使超 高速、超大容量、超长距离的波分复用（WDM）、密集波分复用（DWDM）、 全光网络传输等成为现实，自从1987年第一台EDFA光纤放大器开发 成功以来，光纤放大器在光通信系统中应用越来越广泛目前光纤放大器要有三类：掺稀土类光放大器（如 EDFA，PDFA， TDFA等）、半导体光纤放大器（SOA、非线性效应光放大器（如喇曼光 纤放大器．布里渊光纤放大器等）二、掺铒光纤放大器（EDFA）掺铒光纤放大器（EDFA ）是目前应用最为广泛的光纤放大器，主 要由掺饵光纤（EDF）、泵浦光源、光耦合器、光隔离器.光滤波器等 组成，如图1所示掺铒为增益介质，光耦合器的作用是把输入光信 号和泵浦光耦合进掺铒光纤，通过掺铒光纤的作用把泵浦光的能量转 移到输入光信号中，实现光信号的能量放大光隔离器的作用是抑制 反射光，保证光放大器工作稳定光滤波器的作用是滤除铒离子由于 自发辐射产生的噪声（ASE）。
光滤波器光信号输出图一 EDFA的基本组成光信号光信号信号输出图二、双级EDFA结构其工作原理是利用波长为980nm或1480nm的泵浦光源，使饵 离子Er3+粒子数反转，信号光入射使亚稳态Er3+粒子受激辐射，产生 信号放大EDFA的结构现已发展成很多类型，由单级结构发展到双级和多 级结构（如图二为双级结构），多级结构主要应用于中级接入，目的 是实现监控、OADM、DCM等功能EDFA的优点是：1）通常工作在1530—l565nm光纤损耗最低的窗 口； 2）增益高，通常为10 — 35dB；且在较宽的波段内提供较为平坦 的增益，3）噪声系数较低，980nm泵浦为3.2—3.4 dB，接近3 dB的 量子极限，1480nm泵浦，噪声系数通常为4 — 8 dB，各个信道间的串 扰极小，可级联多个放大器；4）与线路耦合损耗小（小于1dB ）； 5） 具有透明性，放大特性与系统比特率、信号格式和编码无关；6）成本 低，与再生电路相比，EDFA具有较大的成本优势7）结构简单，与 传输光纤易耦合缺点是：1）能够提供的增益带宽不够宽，增益带宽 最多只有80nm左右，目前商用化的通常只有30nm，制约了光纤能够 容纳的波长信道数； 2）不便于查找故障，泵浦源寿命不长；3）存在 输出功率的控制和不同波长通道的增益均衡问题。
EDFA 是目前光放大器市场的主流品种，在 DWDM 系统、接入网和 有线电视领域得到广泛应用，在CATV系统中通常作为功率放大器， 以提高发射机的功率，波长为 1550nm 的外调制光发射机的输出功率 一般为4—7dBm，采用不同增益的EDFA，使输出功率通常在13—24 dBm，再经过光分路器，使发射机覆盖的用户数大大增加,，也可作为 光纤线路的中继放大器，以补偿光分路器及线路损耗，使传输距离大 大增加，一般认为1310nm系统的传输距离在30公里左右，而1550nm 系统通过EDFA放大后传输距离达70公里以上EDFA 主要采用的技术有增益平坦技术、增益可调技术．滤波技 术．高功率输出技术等多种技术， EDFA 今后的发展，主要有以下几 点：1) 提高性能(宽带宽，高功率，高增益，增益平坦，低噪声)；2) 多功能(中级接入，大动态范围增益可调，快速的瞬态响应 控制等)3) 与FRA配合使用三、喇曼光纤放大器(FRA)FRA 也是一种技术较为成熟的光放大器，它是在近几年来大功率 半导体激光器研制成功后才真正走向实用的喇曼光纤放大器(FRA) 的工作原理是基于光纤的受激喇曼散射(SRS)效应。
光纤中的SRS源 于光纤的三阶非线性效应，表现为泵浦光子、Stokes光子与光学支 声子之间的相互作用：泵浦光子被介质分子吸收，电子从基态越迁到 至虚能级，虚能级的大小是由泵浦光的能量决定，然后虚能级的电子 在信号光的感应下，回到振动态的高能级，同产生一个与信号光相同 频率、相同相位、相同方向的光子，称为 Stokes 光子如果一个信 号光与一个强泵浦光波同时在光纤中传输，并且信号光波长位于泵浦 光波的喇曼增益谱带宽之内，则此信号光可被该光纤放大FRA可分为集总式LRA和分布式DRA,前者所用的光纤增益介质一 般在 10km 以内，对泵浦功率要求很高，一般在几到十几瓦，可产生 40dB以上的高增益，用来对信号光进行集中放大，主要用于EDFA无 法放大的波段；后者所用的光纤比较长,一般为几十公里,泵源功率 可降到几百毫瓦，主要辅助EDFA用于DWDM通信系统性能的提高，抑 制非线性效应，降低信号的入射功率，提高信噪比，进行放大FRA 的优点：1) Raman 增益系数是信号与泵浦光波长的函数，并且依赖于光纤纤芯中的GeO2的掺杂浓度因此可为任何波长提供增益，2这使得FRA可以在EDFA所不能放大的波段实现放大，并可 在 l292 一 l660nm 光谱范围内进行光放大、使用多个泵源还 可得到比EDFA宽得多的增益带宽。
2) 放大介质就是传输光纤本身，不需要特殊掺杂作为放大介 质，因而成本比EDFA更低3) FRA 增益介质为传输光纤本身，实现分布式放大由于 能量的分布作用，有效地抑制非线性尤其是四波混频(FWM)， 提高信噪比，提高传输距离，实现超长距离无中继传输4） FRA的有效噪声系数（NF）比EDFA要低，典型值为-2dB, 使其与 EDFA 混合使用时，可大大降低系统的噪声系数，增 加传输距离FRA 的不足之处在于需要特大功率的泵浦激光器，因而只在近几 年大功率半导体激光器开发成功后才开始商用化FRA 的应用：1） 与EDFA混合使用，可以使增益谱和噪声谱平坦化，提高信 噪比，塑造整体增益曲线也可实现全喇曼放大LRA十DRA， 实现真正连续宽带2） 补偿色散补偿光纤（DCF）的损耗色散补偿光纤的损耗远比 G.652 光纤来得大，如果只用 EDFA 进行补偿，则要求EDFA的增益较大，而EDFA的自发辐射噪声功 率（PAS）与增益成指数关系，将会降低信噪比因此，在色散补ASE偿光纤后加上FRA不但可以补偿损耗，还可以提高信噪比3） 由于FRA的有效噪声系数（NF）比EDFA要低，因而在系统 升级（如从 2.5Gb/s 向 10Gb/s 升级），更能保证系统的误 码率不变。
4） 用于放大EDFA无法放大的频段，在宽带DWDM系统中，EDFA 的放大频带宽度不够宽，限制了信道数目，而 FRA 能够弥 补这一点,可在一个很宽的范围内，实现平坦放大FRA 的今后发展方向：1） 发展各种波段的FRA,实现宽频谱、大功率输出；2） 与EDFA配合使用，分布式FRA作为EDFA的辅助，应用到 DWDM系统中3） 集总式FRA在对信号放大的同时，对系统色散补偿四、半导体光纤放大器（SOA）SOA 的放大机原与半导体激光器是相类似的，它是偏置电流靠近 振荡阈值但在阈值之下半导体激光二极管，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SOA的优点主要有：1） 具有很大的增益带宽（1300nm—1600nm）覆盖1310 nm与 1550 nm两外窗口，比较好的增益平坦性2） SOA能够动态波长转换，能够接受输入信号光改变它频率, 同样对其进行放大3） 体积小，泵浦简单、可批量年产、成本低等但SOA的缺点也是明显的，主要有两点：1）具有对信号光偏 振敏感的特性；2）对信号光增益的饱和性，表现无论输入光功率多 大，经历多少级光放大，最终得到的输出功率可能达到的最大值被限 制在某一水平。
这两点限制它在光纤通信中的应用，此外，在非线性区有增益 串扰问题，如果SOA 工作在非线性区（如饱和态），则快速的增益动态 变化将会引起多信道之间的串扰；噪声系数较大，一般在6--9 dB； 与光纤耦合时损耗很大，一般大于5dB因此，SOA与EDFA、FRA相 比，还有较大的差距，不太适合应用在高速率、大容量、长距离传输 中，但由于其具有快速的响应时间（ns量级），可用作光开关除此 之外 SOA 还可用作半导体光波长转换器，也可作为光放大器应用于短 距离的 DWDM 系统中五 结束语EDFA 目前还是光纤放大器的主要选择，在长途骨干网和城域网、CATV网络中发挥着关键性作用但EDFA存在级联噪声过大以及增益 带宽受限等弱点与EDFA相比，FRA具有增益带宽宽，能在全波范 围内进行光放大，以及有效噪声低等优点，使其具有后来居上的潜力， 特别是在超长距离传输和海底光缆通信等不方便设立中继器的场合 将倍受欢迎，但FRA对泵浦源要求苛刻，使其商用化受限，随着瓦级 的泵浦激光器小型化、商用化，FRA光明的前景将会变成现实将FRA 与局部平坦的 EDFA 配合使用，不仅可以实现平坦宽带放大，还可以 有效地抑制系统非线性、色散等，其应用前景更被看好，未来的光纤 通信系统，FRA+EDFA将是光放大技术的主流。