关于光放大器的现状及发展方向简单剖析

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。