【正文】 纖放大器的增益帶較寬，覆蓋 S、 C、 L 頻帶 ， 摻銩光纖放大器的增益帶是 S 波段 ； 摻鐠光纖放 大器的增益帶在1310nm 附近。而喇曼光放大器則是利用喇曼散射效應(yīng)制作成的光放大器，即大功率的激光注入光纖后，會發(fā)生非線性效應(yīng)喇曼散射。在不斷發(fā)生散射的過程中，把能量轉(zhuǎn)交給信號光，從而使信號光得到放大。由此不難理解，喇曼放大是一個分布式的放大過程，即沿整個線路逐漸放大的。其工作帶寬可以說是很寬的，幾乎不受限制。這種光放大器已開始商品化了，不過相當昂貴。半導(dǎo)體光放大器 (S0A)一般是指行波光放大器，工作原理與半導(dǎo)體激光器相類似。其工作帶寬是很寬的。但增益幅度稍小一些，制造難度較大。這種光放大器雖然已實用了，但 產(chǎn)量很小。 迄今為止的光纖通信系統(tǒng)，為了拓長通信距離都需在通信線路中設(shè)置一定數(shù)量的中繼器，以便使衰減的光信號強度得到補充。而中繼器無一例外都是采用光 —電 —光的轉(zhuǎn)換方式。中繼器的這種工作模式帶來了不少問題，如使得成本高，系統(tǒng)復(fù)雜，可靠性降低等。于是，人們設(shè)想，是否用光放大器直接進行光信號放大，以實現(xiàn)全光通信。經(jīng)過多年的不懈努力，各種各樣的光放大器終于問世了。在光通信技術(shù)的發(fā)展進程中，不斷取得新的突破，其中尤以光放大器，特別是摻鉺光纖放大器（ EDFA）的發(fā)明最為激動人心。它使光通信技術(shù)產(chǎn)生了革命性的變化：用 相對簡單價廉的光放大器，代替長距離光纖通信系統(tǒng)中傳統(tǒng)使用的復(fù)雜昂貴的光 —電 —光混合式中繼器，從而可實現(xiàn)比特率及調(diào)制格式的透明傳輸， 升級換代也變得十分容易， 尤其是性能十分優(yōu)秀的 EDFA 與 WDM 技術(shù)的珠聯(lián)璧合，奠定了高速大容量 WDM 光通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模應(yīng)用的基理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 礎(chǔ)。光放大器主要有兩類：光纖光放大器和半導(dǎo)體光放大器。光纖放大器又分為兩種，即摻稀土元素的光纖放大器和利用常規(guī)光纖的非線性效應(yīng)（如受激拉曼散射，受激希里淵散射等）的光放大器 [1]。半導(dǎo)體光放大器主要是半導(dǎo)體激光放大器。 半導(dǎo)體 光放大器 半導(dǎo)體光放大器的結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體光放大器是一種把發(fā)光器件一一半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)作為放大裝置使用的器件 ， 因為具有能帶結(jié)構(gòu) ， 所以其增益帶寬比采用光纖放大器的寬。另外 ， 通過改變所使用的半導(dǎo)體材料的組成可以使波長使用范圍超過 100nm， 這是半導(dǎo)體光放大器的一個突出特點 。 半導(dǎo)體光放大器由有源區(qū)和無源區(qū)構(gòu)成 ， 有源區(qū)為增益區(qū) ， 使用 Inp 這樣的半導(dǎo)體材料制作 ， 與半導(dǎo)體激光器的主要不同之處是 SOA 帶抗反射涂層 ， 以防止放大器端面的反射 ， 排除共振器功效?？狗瓷渫繉泳褪窃诙嗣嬖O(shè)置單層或多層介質(zhì)層。以平面波人射單層介質(zhì)層時 ， 抗反射膜的條件相對于厚度為 1/4 波長。實際的放大器 ， 傳輸光是數(shù)微米的點光 ， 可以研究假想波導(dǎo)模嚴格的無反射條件。去除端面反射影響的另一種方法 ， 也可以采用使端面傾斜的方法和窗結(jié)構(gòu)。把光放大器作為光通信中繼放大器使用 ，入射光的偏振方向是無規(guī)則的 ， 最好是偏振波依賴性小的放大器。為了消除這種偏振波依賴性 ， 可以引人運用窄條結(jié)構(gòu)使激活波導(dǎo)光路近似正方形斷面形狀的方法和施加抗張應(yīng)力 ， 以增大 TM 波增益的應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)。目前 ， 實現(xiàn)偏振無關(guān)半導(dǎo)體光放大器的方法有很多種 ， 如張應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)、應(yīng)變補償結(jié)構(gòu)、同時采用張應(yīng)變量子阱和壓應(yīng) 變量子阱的混合應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)等。采用脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變量子阱光放大器基本結(jié)構(gòu)圖。有源區(qū) 4C3T 采用混合應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu) ， 即 4 個壓應(yīng)變量子阱 ， 3 個張應(yīng)變量子阱 ， 壓應(yīng)變和張應(yīng)變量子阱之間用與 LPN 晶格匹配的寬的 IaGaAsp 壘層隔開上下波導(dǎo)層分別為波長 的 IaGaAsP 匹配材料包層為 p 型 Inp， 接觸層為重 P 型摻雜 IaGaAsP 材料 ， 材料的外延法生長過程中 ， n 型摻雜源為硅烷 ， p 型摻雜源為二甲基鋅材料；生長完成后 ， 采用標準的光刻、反應(yīng)離子刻蝕、濕法腐蝕、蒸發(fā)、濺射等工藝制作脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。 半導(dǎo)體光放大器 的原理 半導(dǎo)體光放大器的原理與摻稀土光纖放大器相似但也有不同 ， 其放大特性主要取決于有源層的介質(zhì)特性和激光腔的特性。它雖也是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)放大發(fā)光但發(fā)光的媒介是非平衡載流子即電子空穴對而非稀有元素。半導(dǎo)體的發(fā)光可根據(jù)激發(fā)方式的不同分為光致理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 發(fā)光、電致發(fā)光和陰極發(fā)光等。光致發(fā)光是指用半導(dǎo)體的光吸收作用來產(chǎn)生非平衡載流子 ， 實際上是一種光向另一種光轉(zhuǎn)換的過程。電致發(fā)光是指用電學(xué)方法將非平衡載流子直接注人到半導(dǎo)體中而產(chǎn)生發(fā)光 ， 這常借助于 PN 結(jié)來完成。在半導(dǎo)體中電子的能級限制在導(dǎo)帶和價帶兩個帶內(nèi) ， 在導(dǎo)帶中電子充當移動載流子 ， 在價帶中空穴充當載流子。 半導(dǎo)體在外界激發(fā)下 ， 可將價帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶中 ， 同時在價帶中留下空穴 ， 所產(chǎn)生的電子和空穴分別躍遷到導(dǎo)帶底和價帶頂 ， 這一過程只與晶格交換能量而不產(chǎn)生光發(fā)射 ， 稱為無輻射躍遷 ， 與此同時 ， 導(dǎo)帶底的電子還要躍遷到價帶頂與空穴復(fù)合 ， 并同時發(fā)射光子 ， 二者形成動態(tài)平衡 ， 與熱平衡狀態(tài)下的情況不同 ， 這時的電子和空穴為非平衡載流子 ， 載流子的分布不再是費米統(tǒng)計分布。由于電子從導(dǎo)帶底躍遷到價帶頂?shù)臅r間常數(shù)即輻射壽命與無輻射躍遷的時間常數(shù)相比相對較長 ， 所以可以認為電子和空穴各自保持熱平衡狀態(tài) ， 對載流子的這種 準平衡狀態(tài)分別用準費米能級和來表示。半導(dǎo)體的輻射躍遷包括自發(fā)躍遷和受激躍遷兩個過程。自發(fā)輻射躍遷是指占據(jù)高能態(tài)的電子可以自發(fā)地躍遷到低的空能態(tài)與空穴復(fù)合 ， 同時發(fā)射一個光子 ， 這一過程稱為自發(fā)輻射發(fā)光受激輻射躍遷是指與一個理想的光子相互作用后導(dǎo)致的受激輻射。這兩個過程類似于摻餌光纖放大器 (EDFA)中的自發(fā)輻射和受激輻射過程。半導(dǎo)體在外界激勵下會產(chǎn)生非平衡載流子 ， 半導(dǎo)體在泵浦光激勵下怎樣產(chǎn)生光放大為了盡可能簡單 ， 假設(shè)半導(dǎo)體在 0 K， 費米能級在禁帶的中間位置 ， 因此在 Ep 以下的每個有效能級上被電子充滿 ， 則半導(dǎo)體將吸 收子。如果半導(dǎo)體未受光泵浦激勵 ， 則半導(dǎo)體將吸收光子 ， 其實半導(dǎo)體的兩個能帶所扮演的角色類似于 EDFA 中的能帶 E1 和 E2 所起的作用 ， 只是它的能帶比 EDFA 的能帶更寬。一個帶隙 Ex 把處在下面的導(dǎo)帶和上面的價帶分開 ， 這樣 ， 從一個能帶轉(zhuǎn)移到另一個能帶內(nèi)所發(fā)生的能量改變至少是 Eg， 因此 ， 若 hvE 則半導(dǎo)體吸收光子 ， 當吸收了泵浦光子后就會在導(dǎo)帶中產(chǎn)生電子 ， 而在價帶中留下空穴 ， 然后電子和空穴都迅速向能帶的最底點弛豫 ， 并通過發(fā)射一個能量為禁帶寬度能量的光子復(fù)合 。 如果泵浦源的強度越來越大 ， 電子將會趨向于累積在導(dǎo)帶的底部 ， 空穴趨 向于累積在價帶的頂部 ， 直到電子空穴對的產(chǎn)生和復(fù)合達到動態(tài)平衡為止 。 如果假設(shè)帶內(nèi)馳豫過程比帶間復(fù)合速率快得多 ， 那么可以利用準費米能級 Epn 和 Epp 來描述電子空穴的數(shù)目 。 于是導(dǎo)帶底和 Epn之間的每個態(tài)都被添滿 ， 而價帶頂和之間的所有態(tài)都是空的 ， 從而實現(xiàn)光放大 。 通過適當?shù)倪x擇半導(dǎo)體材料 ， 就可獲得能使發(fā)射或吸收波長處于光通信所需要的范圍 (如1300nm或 1550nm)內(nèi)的帶隙。 理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 光纖放大器 光纖放大器不但可對光信號進行直接放大，同時還具有實時、高增益、寬帶、在線、低噪聲、低損耗的全光放大功能，是新一代 光纖通信系統(tǒng)中必不可少的關(guān)鍵器件；由于這項技術(shù)不僅解決了衰減對光網(wǎng)絡(luò)傳輸速率與距離的限制，更重要的是它開創(chuàng)了1550nm頻段的波分復(fù)用，從而將使超高速、超大容量、超長距離的波分復(fù)用（ WDM）、密集波分復(fù)用（ DWDM）、全光傳輸、光孤子傳輸?shù)瘸蔀楝F(xiàn)實，是光纖通信發(fā)展史上的一個劃時代的里程碑。在目前實用化的光纖放大器中主要有摻鉺光纖放大器（ EDFA）、半導(dǎo)體光放大器（ SOA）和光纖拉曼放大器（ FRA）等，其中摻鉺光纖放大器以其優(yōu)越的性能現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于長距離、大容量、高速率的光纖通信系統(tǒng)、接入網(wǎng)、光纖 CATV網(wǎng)、 軍用系統(tǒng)（雷達多路數(shù)據(jù)復(fù)接、數(shù)據(jù)傳輸、制導(dǎo)等）等領(lǐng)域，作為功率放大器、中繼放大器和前置放大器。 光纖放大器一般都由增益介質(zhì)、泵浦光和輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)組成。目前光纖放大器主要有摻鉺光纖放大器、半導(dǎo)體光放大器和光纖拉曼放大器三種，根據(jù)其在光纖網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，光纖放大器主要有三種不同的用途：在發(fā)射機側(cè)用作功率放大器以提高發(fā)射機的功率；在接收機之前作光預(yù)放大器以極大地提高光接收機的靈敏度；在光纖傳輸線路中作中繼放大器以補償光纖傳輸損耗，延長傳輸距離。 摻鉺光纖放大器的發(fā)展歷史 摻鉺光纖放大器 (Erbium Doped Fiber Amplifier ，縮寫為 EDFA)是 90年代開始在光纖傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用的新型器件，它的推廣應(yīng)用為光纖通信技術(shù)帶來了一場革命。摻鉺光纖主要在 波段的應(yīng)用的有源光纖的研究基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。前期的工作是研究光纖激光器和研究摻稀土元素光纖，后來發(fā)現(xiàn)了在光纖中摻鉺元素能夠?qū)崿F(xiàn)放大的作用，其工作波長對應(yīng)于光纖的 傳輸波長，人們用摻鉺光纖制作成功摻鉺光纖放大器。何謂 CATV 用摻鉺光纖放大器 它的應(yīng)用狀況如何？ 在近幾年來，光纖 CATV 系統(tǒng)特別是1500nm光纖 CATV 系統(tǒng)包括模擬 系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)在我們國家迅速發(fā)展，摻鉺光纖放大器在光纖 CATV 系統(tǒng)中也得到了廣泛應(yīng)用。功率放大器是在 CATV 系統(tǒng)的前端將發(fā)射機的輸出光放大后再進行分配，以供各方向的光纖干線傳輸用。功率放大器與功率分配器也可考慮做成兩段重復(fù)使用 [2]。 從遠離前端處將光纖干線分支時，可在分支前面接入摻鉺光纖放大器，作為線路放理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 大器，以補償 分支損耗。在光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)管理中如何實現(xiàn)對摻鉺光纖放大器的監(jiān)控。 光纖放大器作為整個系統(tǒng)的一個功能模塊，納入網(wǎng)管系統(tǒng)的方法一般有兩種：其一是通過光纖放大器的 232C 接口電路將光纖放大器的性能參數(shù)和 告警信息傳輸給網(wǎng)管系統(tǒng)，進行統(tǒng)一管理，顯示和處置。其二是由光纖放大器的開關(guān)量信息接口向網(wǎng)管系統(tǒng)送開關(guān)量信息進行管理顯示。在工程實踐中已采用過這兩種成功的方法。何謂 DWDM 用增益平坦摻鉺光纖放大器？它的應(yīng)用狀況如何 ？ 采用在 1550nm窗口附近的密集型 WDM 技術(shù)是擴大現(xiàn)有光纖通信能力的最有效的方法。增益平坦型光纖放大器是 DWDM 傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，可以十分有效地解決由于光波分復(fù)用 /解復(fù)用帶來的插入損耗，使 WDM 系統(tǒng)的中繼問題變得十分簡單。由于 EDFA 具有 40nm的工作帶寬，它可以同時放大多個波長不同的光信號，因 此它可以十分方便地應(yīng)用于 DWDM 系統(tǒng)中，補償各種光衰耗。 模塊是集成化的摻鉺光纖放大器 ， 如圖 。 圖 EDFA 內(nèi)部方塊圖 EDFA 的發(fā)展方向 EDFA 的發(fā)展方向 EDFA 從 C 波段 ( conventional band )1530～ 1560nm(常規(guī)的 EDFA)向 L 波段 (long wavelength band)1570～ 1605nm 發(fā)展，可采用摻鉺氟化物光纖放大器 (EDFFA)，帶寬可達 75nm；采用碲化物 EDFA，帶寬可達 76nm；采用增益位移摻鉺光纖放大器 (GSEDFA)，通過控制摻鉺光纖的鉺粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度，可在 1570～ 1600nm 波段實現(xiàn)放大，它與普通的 EDFA 組合，可得到帶寬約 80nm的寬帶放大器；采用覆蓋 理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 C 波段和 L 波段的超寬帶光放大器 (UWOA)，可用帶寬 80nm，能在單根光纖上放大 100多路波長信道；采用常規(guī) EDFA 和擴帶光纖放大器 (EBFA)組成的基于摻鉺光纖的雙帶 光纖放大器 (DBFA)，工作波長為 1528～ 1610nm；將局部平坦的 EDFA 與光纖拉曼放大器串聯(lián)使用，可獲得帶寬高于 100nm 的超寬帶增益平坦放大器； EDFA 應(yīng)具有動態(tài)增益平坦特性的小型化、集成化方向發(fā)展。 EDFA 是目前及未來一段時間放大器的主要選擇，在骨干網(wǎng)和城域網(wǎng) /接入網(wǎng)中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用。但 EDFA 級聯(lián)噪聲大以及帶寬受限，它與 DRA 混合使用，在長距離、大容量傳輸中是當前的一種優(yōu)秀方案。 FRA： 寬帶、低噪聲、抑制非線性、提高傳輸距離，進行色散補償?shù)?，必將成為下一代光放大器的主流。城域網(wǎng) /接入網(wǎng)中光放 大器目前具有競爭力的技術(shù)為 Mini EDFA、 EDWA 和 SOA 技術(shù)，這種低價放大器正在標準化。隨城域網(wǎng)建設(shè)的興起，光放大器在低價領(lǐng)域必有一番作為 [3]。 理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 2 EDFA 在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中應(yīng)用 波分復(fù)用 （ WDM） 的基本 概念 波分復(fù)用系統(tǒng)的組成 光通信系統(tǒng)可以按照不同的方式進行分類。如果按照信號的復(fù)用方式來進行分類，可分為頻分復(fù)用系統(tǒng)（ FDMFrequency Division Multiplexing ）、時分復(fù)用系統(tǒng)（ TDMTime Division Multiplexing ）、波分復(fù)用系 統(tǒng)（ WDMWavelength Division Multiplexing）和空分復(fù)用系統(tǒng)（ SDMSpace Division Multiplexing）。所謂頻分、時分、波分和空分復(fù)用，是指按頻率、時間、波長和空間來進行分割的光