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掺铒光纤放大器和拉曼光纤放大器分析和比较摘要：光放大器技术是新一代光纤通信系统中一项必不可少的关键技术，目前几种主要的光放大器技术在工程应用中各有所长。
此文介绍了光放大器技术的基本原理，并对现有主要几种光放大器技术在性能、应用和发展方向上进行了比较。
关键词：掺铒光纤放大器；光纤拉曼放大器0、综述20世纪90年代以来，Internet的普及发展和各种信息(如语音、图像、数据等)业务的快速增长，人们对现代通信系统提出了更高的要求。
在市场需求的大力推动下，通信技术取得了长足的进步，其中光纤通信技术脱颖而出，以其高速优质的特点，一跃成为当今长距离、大容量传输干线的主流技术。
但由于光纤损耗和非线性的影响，无中继传输距离成为制约系统容量和速率的瓶颈，而中继放大技术成了光通信领域的关键技术之一。
传输系统中的光纤损耗使信号随传输距离呈指数衰减，极大地限制了通信传输跨距和网络的可扩展性，因此必须在通信线路上设置中继器对信号进行再生放大。
在光放大器没有出现之前，光纤传输系统普遍采用光－电－光(OEO)的混合中继器，但这种中继方式存在“电子瓶颈”现象，在很大程度上限制了传输速率的提高，而且价格昂贵、结构复杂。
20世纪80年代出现的光放大器技术具有对光信号进行实时、在线、宽带、高增益、低噪声、低功耗以及波长、速率和调制方式透明的直接放大功能，是新一代光纤通信系统中不可缺少的关键技术。
此技术既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，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)、全光传输、光孤子传输等成为现实，是光纤通信发展史上的一个划时代的里程碑（1）。
又由于此技术与调制形式和比特率无关，因而在光纤通信系统中得到了广泛应用。
1、光放大器分类及原理光放大器(OA)一般由增益介质、泵浦光和输入输出耦合结构组成，其作用就是对复用后的光信号进行光放大，以延长无中继系统或无再生系统的光缆传输距离。
EDFA,EPFA,TDFA的比较深圳市一通光电有限公司张伟明1前言近年来，包括有线电视在内的光纤通信系统，由于光纤干线的普及，为了适应通信容量的扩大和远距离传输网络高功能化的需要，波分复用（WDM）技术有了新的发展。
但在WDM 系统中，最有力的关键技术，就是光纤放大器的实用化。
众所周知，在光纤线路中，最有影响的指标一是色散，另是衰减损耗。
关于色散问题将另外探讨。
衰减是指光信号在光纤内传输过程中，产生的光功率损耗而言。
衰减量是将每 1km产生的损耗，用dB表示之值，例如单模光纤约为0.2dB／km，大约传输15km时损耗达3dB。
为了实现远距离的光信号传输，首先在CATV系统中，应用光纤放大器的是工作在光损耗最小的1.5μm波域的掺何光纤放大器（EDFA）。
但在通信系统中，由于早期铺设的光纤条件的限制，利用1条光纤传输10GbPS的高速信号比较复杂，但如利用2.5Gbps×4的四波WDM传输，则很容易实现。
因此，从90年代后期起WDM的发展，也推动了EDFA的进步。
目前，1.5μm的 EDFA波域，除了早期的1530～1560nmEDFA之外，还出现了拓宽波域的增益位移（GS）型EDFA （1570～1600nm）。
另外，在CATV系统中应用最多的1.3μm波长的单模光纤（SMF）系统中，由于波长色散甚小即使不作色散补偿，也能传输高至10Gbps的优点，一直受到业界的重视。
但由于1.3μm 的SMF传输损耗较大（一般为0.30dB／km）。
所以只适用于近、中距离传输。
今后，随着1.3 μm的远距离传输需要增加，新问世的1.3μm波域的掺谱光纤放大器（EPFA）也成了业界关心的热点。
最近，由于因特网的爆发式增长，为了有效地利用光谱波长资源，在开发太比秒级（1Tbp）的高速信号中，高密度波分复用（DWDM）又称密集波分复用技术的发展，也促进了 1.4μm波域的利用。
为此目的研制的掺铥光纤放大器（TDFA）的实用化也是业界关心的产品。
拉曼光纤放⼤器⼀拉曼光纤放⼤器1．拉曼光纤放⼤器出现的背景随着光纤通信技术的进⼀步发展，通信波段由C带（1528-1562nm）向L带（1570-1610nm）和S带（1485-1520nm）扩展。
由于光纤制造技术的发展，可消除在1.37µm附近的损耗⾼峰，因此通信波段有望扩展到从1.2µm-1.7µm的宽⼴范围内。
掺铒光纤放⼤器（EDFA）⽆法满⾜这样的波长范围，⽽拉曼光纤放⼤器却正好可以在此处发挥巨⼤作⽤。
另外拉曼放⼤器因其分布式放⼤特点，不仅能够减弱光纤⾮线性的影响，还能够抑制信噪⽐的劣化，具有更⼤的增益带宽、灵活的增益谱区、温度稳定性好以及放⼤器⾃发辐射噪声低等优点。
随着⾼功率⼆极管泵浦激光器和光纤光栅技术的发展，泵浦源问题也得到了较好的解决。
拉曼光纤放⼤器逐渐引起了⼈们的重视，并逐渐在光放⼤器领域占据重要地位，成为光通信领域中的新热点。
2．拉曼光纤放⼤器的⼯作原理受激拉曼散射（SRS）是电磁场与介质相互作⽤的结果。
才能过经典⼒学⾓度解释拉曼散射为：介质分⼦或原⼦在电磁场的策动下做受迫共振，由于介质分⼦具有固有的振荡频率，所以在受迫共振下界将出现频率为策动频率与固有频率的和频和差频振荡，分别对应着反斯v是电磁场的振荡频率，v 是介质分⼦固托克斯分量和斯托克斯分量，如图1所⽰，其中有的振荡频率。
图1 经典拉曼振动谱经典理论⽆法解释反斯托克斯线⽐斯托克斯线的强度弱⼏个数量级且总是先于反斯托克斯线出现的实验结果。
从量⼦⼒学的⾓度能够解释受激拉曼散射。
介质中的分⼦和原⼦在其平衡位置附近振动，将量⼦化的分⼦振动称为声⼦。
⾃发拉曼散射是⼊射光⼦与热声⼦相碰撞的结果。
受激声⼦是在⾃发拉曼散射过程中产⽣的，当⼊射光⼦与这个新添的受激声⼦再次发⽣碰撞时，则再产⽣⼀个斯托克斯光⼦的同时⼜增添⼀个受激声⼦，如此继续下去，便形成⼀个产⽣受激声⼦的雪崩过程。
产⽣受激声⼦过程的关键在于要有⾜够多的⼊射光⼦。
各种放大器及它们的特点1.通用型集成运算放大器通用型集成运算放大器是指它的技术参数比较适中，可满足大多数情况下的使用要求。
通用型集成运算放大器又分为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型，其中Ⅰ型属低增益运算放大器，Ⅱ型属中增益运算放大器，Ⅲ型为高增益运算放大器。
Ⅰ型和Ⅱ型基本上是早期的产品，其输入失调电压在2mV左右，开环增益一般大于80dB。
2.高精度集成运算放大器高精度集成运算放大器是指那些失调电压小，温度漂移非常小，以及增益、共模抑制比非常高的运算放大器。
这类运算放大器的噪声也比较小。
其中单片高精度集成运算放大器的失调电压可小到几微伏，温度漂移小到几十微伏每摄氏度。
3.高速型集成运算放大器高速型集成运算放大器的输出电压转换速率很大，有的可达2~3kV/μS。
4.高输入阻抗集成运算放大器高输入阻抗集成运算放大器的输入阻抗十分大，输入电流非常小。
这类运算放大器的输入级往往采用MOS管。
5.低功耗集成运算放大器低功耗集成运算放大器工作时的电流非常小，电源电压也很低，整个运算放大器的功耗仅为几十微瓦。
这类集成运算放大器多用于便携式电子产品中。
6.宽频带集成运算放大器宽频带集成运算放大器的频带很宽，其单位增益带宽可达千兆赫以上，往往用于宽频带放大电路中。
7.高压型集成运算放大器一般集成运算放大器的供电电压在15V以下，而高压型集成运算放大器的供电电压可达数十伏。
8.功率型集成运算放大器功率型集成运算放大器的输出级，可向负载提供比较大的功率输出。
9.光纤放大器光纤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；由于这项技术不仅解决了衰减对光网络传输速率与距离的限制，更重要的是它开创了1550nm频段的波分复用，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）、全光传输、光孤子传输等成为现实，是光纤通信发展史上的一个划时代的里程碑。
掺铒光纤放大器和拉曼光纤放大器分析和比较摘要：光放大器技术是新一代光纤通信系统中一项必不可少的关键技术，目前几种主要的光放大器技术在工程应用中各有所长。
此文介绍了光放大器技术的基本原理，并对现有主要几种光放大器技术在性能、应用和发展方向上进行了比较。
关键词：掺铒光纤放大器；光纤拉曼放大器0、综述20世纪90年代以来，Internet的普及发展和各种信息(如语音、图像、数据等)业务的快速增长，人们对现代通信系统提出了更高的要求。
在市场需求的大力推动下，通信技术取得了长足的进步，其中光纤通信技术脱颖而出，以其高速优质的特点，一跃成为当今长距离、大容量传输干线的主流技术。
但由于光纤损耗和非线性的影响，无中继传输距离成为制约系统容量和速率的瓶颈，而中继放大技术成了光通信领域的关键技术之一。
传输系统中的光纤损耗使信号随传输距离呈指数衰减，极大地限制了通信传输跨距和网络的可扩展性，因此必须在通信线路上设置中继器对信号进行再生放大。
在光放大器没有出现之前，光纤传输系统普遍采用光－电－光(OEO)的混合中继器，但这种中继方式存在“电子瓶颈”现象，在很大程度上限制了传输速率的提高，而且价格昂贵、结构复杂。
20世纪80年代出现的光放大器技术具有对光信号进行实时、在线、宽带、高增益、低噪声、低功耗以及波长、速率和调制方式透明的直接放大功能，是新一代光纤通信系统中不可缺少的关键技术。
此技术既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，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)、全光传输、光孤子传输等成为现实，是光纤通信发展史上的一个划时代的里程碑（1）。
又由于此技术与调制形式和比特率无关，因而在光纤通信系统中得到了广泛应用。
1、光放大器分类及原理光放大器(OA)一般由增益介质、泵浦光和输入输出耦合结构组成，其作用就是对复用后的光信号进行光放大，以延长无中继系统或无再生系统的光缆传输距离。
半导体光放大器（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范围保持平坦，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。
2.拉曼光纤放大器拉曼放大技术是采用受激拉曼散射(SRＳ)这种非线性效应来进行放大的。
石英光纤具有很宽的受激拉曼散射增益谱，并在13ＴＨz附近有一较宽的主峰。
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内,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。
(１)拉曼光纤放大器的类型拉曼光纤放大器有两种类型:一种是集总式拉曼光纤放大器;另一种是分布式拉曼放大器。
集总式拉曼光纤放大器所用的光纤增益介质比较短，一般在几km，泵浦功率要求很高,一般为几W左右，可产生40ｄＢ以上的高增益,可作为功率放大器,放大EDFA所无法放大的波段。
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内，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范围是有限的，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范围保持平坦，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。
链接地址：
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