光放大器现状及发展方向分析
双击滚屏 发表日期:2016-01-05   阅读次数:3643    字体[        ]
导读: 光通信系统中的光信号,经过一定距离或者一些功能器件后,引起的损耗必须进行功率补偿,才能在接收端正确接收。完成这些功率补偿的器件,就是光放大器。

1. 背景

  光通信系统中的光信号,经过一定距离或者一些功能器件后,引起的损耗必须进行功率补偿,才能在接收端正确接收。完成这些功率补偿的器件,就是光放大器。最早的光放大器是光电光(OEO)方式,即接收下来的信号光转换成电路信号,经过电路处理,再通过光发射器发射出去。这种形式的放大,受电路器件频带的制约,放大的功率也不大。现在波分复用系统(WDM)中已经基本不用OEO 放大,但在在一些低速的短距离传输中,还有这种应用。后来发展的全光放大器,信号光直接在光波导中放大,不经过电路转换,解决了OEO 电路制约的问题,并且提供宽谱多波放大,在长距离密集波分复用(DWDM)系统中,得到广泛应用。光放大器经过多年的发展,主要有以下几类:

  (1)反转粒子放大器:掺杂离子光纤放大器,例如掺铒光纤放大器(EDFA)、掺镨光纤放大器(PDFA)、掺铥光纤放大器(TDFA)等,半导体光放大器是直接电泵浦的反转粒子放大器;

  (2)非线性散射放大器:例如:拉曼放大器、布里渊放大器;

  (3)非线性折射放大器:参量放大器;

  第一类放大器的放大波段取决于放大介质掺杂离子或材料类型,第二类和第三类放大器放大波段取决于泵浦波长和材料类型。

  各种类型的光放大器,应用于光通信系统的不同应用中,主要有应用为三类:后置(功率)放大器、线路放大器、前置放大器。这些放大器提供放大的同时,也给系统带来了放大的自发辐射(ASE)噪声。降低噪声的设计,在近来高速系统中是一个迫切的要求。

  2. 光放大器现状

  光放大器目前的主流是掺铒光纤放大器(EDFA),掺铒光纤放大器适合于CBand、 L Band,速率透明、大增益、大带宽、低噪声、高功率是使其成为光通信低损耗窗口理想的光放大器。经过多年发展,EDFA 发展了多种应用形式,有单波应用、多波应用、增益可调、可重构等多种形式;EDFA 的小型化和密集程度也在提高,小型化方面,从 MSA 模块到 HalfMSA 模块甚至Micro 模块,阵列式放大器从4 Array 到 8 Array 甚至 16 Array。各种系统应用形式不断推动了EDFA 行业的发展,近年来ROADM 和高速系统的发展,使小型化、阵列化成为发展趋势。拉曼放大器,主要是分布式拉曼放大器(DRA), 用于长距离传输, 传输光纤作为放大介质,可以在光通信的任意波段进行放大,带宽大、有效噪声小,和EDFA 相比,提高了系统的信噪比。经过多年发展,拉曼放大器应用也有很多形式,单波、多波、前向、后向、分布式、分立式等。近年来,随系统速率的提高,对信噪比越来越敏感,系统对放大器的噪声提出了越来越高的要求,利用DRA 的低噪声特点,发展了DRA 和EDFA 的混合放大器。多阶分布式拉曼放大器的进一步降低了噪声,在400Gbps 系统中已经有应用。

  半导体放大器(SOA)是放大器中唯一电泵浦的放大器,可以和很多器件一起实现集成,实现放大、开关、转换再生等功能。其放大波长范围宽,可以从0.6um到 1.6um,带宽也比较宽。不过 SOA 饱和输出功率小、饱和时多波串扰、噪声大、偏振相关增益大,限制了它的应用。近年来,SOA 在PON 上有多种应用,用量也逐渐大了起来,不过价格是个问题。

  3. 光放大器发展

  随着光通信的发展,通信容量的增长是永不停息的追求。近年来, 随400Gbps、T bps 甚至 P bps 量级的研究,一些不同的光放大器显露身影。

  光参量放大器(OPA),特别是相位敏感放大器(PSA),在 2010 年后相继出现在一些文章中。PSA 在放大的同时,可以提供0dB 的噪声极限,是高速系统中理想的放大器。

  空分复用(SDM) 放大器,分为多芯放大和多模放大。这两种放大,都是单个放大器并行多路放大的概念,每路也可以再实现 WDM。2012 年,有试验报道,通过 12 芯 SDM+222 波 WDM,可以实现 52公里 1Pbps 的传输。

  这两种放大器,目前多是试验阶段,还没有正式商用。

  4. 结论

  光通信技术中,光放大技术是支撑技术之一,光放大器技术随系统的要求不断向前发展。OEO 技术、掺杂光纤放大器、SOA、拉曼放大器、参量放大器,这些放大器随不同的系统要求,以各种形式应用在不同的系统节点。随着信息产业的发展,适合于不同波段和不同应用的放大技术必将推陈出新,带来光放大器行业的持续发展和繁荣。

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