什么是光纤放大器

什么是光纤放大器

光纤放大器，（Optical Fiber Amplifier，以下简称“OFA”），它是指运用于光纤通信线路中，可以实现将信号放大的一种全光放大器。

目前，光放大器技术主要有三类：掺稀土类光放大器（如掺铒光纤放大器EDFA、掺镨光纤放大器PDFA、掺铌光纤放大器NDFA等）；半导体光放大器SOA；非线性光放大器（如拉曼放大器FRA、布里渊放大器等）。这三类光纤放大器的性能比较如下表。

光放大器的主流是掺铒光纤放大器（EDFA），以掺铒光纤为增益介质，利用980 nm和1480 nm抽运作为抽运光源，使铒离子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，在1525-1565 nm有较宽的发射峰。EDFA适用于C波段和L波段，可同时放大多个波长即信道，因其具有速率透明、大增益、大带宽、低噪声、高功率等特点，使其成为光通信低损耗窗口理想的光放大器。从应用方面看，EDFA有单波长、多波长之分。近年来小型化、阵列化的EDFA成为发展趋势。

目前，由于EDFA中Er3+ 离子的4f 电子跃迁特性，掺铒光纤的增益带宽只能覆盖C波段（1530～1565 nm）和L波段（1565～1605 nm）。拉曼放大器FRA具有较宽的增益带宽，但需要极高的抽运功率，且其结构比较复杂，导致其实际应用比较困难。因此，近年来研究人员致力于研发新型的宽带增益光纤。

光纤放大器除了依据其性能可分为上述三类外，还可根据其在光纤线路中的位置以及作用，分为中继放大、前置放大和功率放大三种。同传统的半导体激光放大器相比较，OFA不需要经过光电转换、电光转换和信号再生等复杂过程，可直接对信号进行全光放大，具有很好的“透明性”，特别适用于长途光通信的中继放大。

光纤放大器存在的问题

尽管光放大器(尤其是EDFA)具有许多突出的优点，但是其目前也存在一定的问题。除了附加噪声使信号的SNR下降外，还有一些其他的不足，如：放大器带宽内增益谱不平坦影响多信道放大性能；光放大器级联应用时，ASE噪声、光纤色散及非线性效应的影响会累积等。这些问题在应用及系统设计中必须反复考虑。

光纤放大器主要应用于光纤通信

光纤放大器在光纤通信、消费类电子产品、电力系统、商业广告、医学与生命科学等领域有着广泛的应用。近年来，随着信息和通信技术的飞速发展，光纤放大器的研究和发展又进一步扩大了增益带宽，将光纤通信系统推向了高速率、大容量、长距离方向发展。由于光纤放大器的独特性能，在DWDM传输系统、光纤CATV和光纤接入网中有着广泛的应用。

在光纤通信系统中，光放大器既可作为发送机的功率提升放大器以提高发送功率，也可作为接收机的前置放大器以提高接收灵敏皮，亦可代替传统的光—电—光中继器，延长传输距离，实现全光通信。光放大器不但可用于长途干线系统中，也可用于光纤分配网，尤其是在WDM系统中，能够进行多信道的同时放大。

光纤放大器在国外——发展起步快

自1985年英国南汉普顿大学首先研制成功掺铒光纤放大器EDFA以来，国外光纤放大器就在不断地快速发展。国外致力于光纤放大器生产研发的企业有FiberLabs、Thorlabs、Teleste、NKT Photonics、AdValue Photonics、Crystech、Optilab、MWTechnologies、Menlo Systems、Fibercore等。

日本FiberLabs致力于开发广泛用于光纤通信、光学传感、生物医学光学等方面的光学仪器。产品包括全波段光纤放大器、ASE、SLD、LED光源，以及氟化物掺杂光纤等技术产品。

美国Thorlabs是一家生产经营光学机械、光学与光电子器件和设备的光子企业。其研发的掺镨光纤放大器PDFA使用独有的氟化物光纤生产，相比半导体放大器的关键优势是输出功率更高且信号失真更小。

NKT Photonics公司由微结构特种光纤供应商Crystal Fibre公司和超窄线宽光纤激光器制造商Koheras公司合并成立。NKT Photonics致力于研发、制造商用的工业级特种微结构光纤(光子晶体光纤)、高功率光纤放大器、超连续白光光源和超窄线宽DFB光纤激光器等。

光纤放大器在今天——上下求索

科技部2020年发布的国家重点研发计划“宽带通信和新型网络”重点专项，针对光纤传输网干线带宽急剧增长的重大需求，聚焦单模光纤传输容量增长乏力的难题，将光传输系统的工作波长范围拓展至全波段，开展全波段低噪声光纤放大器研究。

近年来掺铒光纤放大器（EDFA）在性能和产品形态方面也发生了较大的变化，出现了可变增益光放大器、突发模式放大器和EDFA阵列放大器等新的产品，为适应技术发展的需要，光器件工作组2020年6月审查通过了国家标准《掺铒光纤放大器C波段掺铒光纤放大器》，结合我国光器件产业发展的现状，对原标准进行了大幅的修订，为现阶段 C 波段光放大器的生产、应用及检验提供了统一的依据。

由于超高速率、大容量、长距离光纤通信系统的发展，对作为光纤通信领域的关键器件——光纤放大器在功率、带宽和增益平坦方面提出了新的要求，因此，在未来的光纤通信网络中，光纤放大器的发展方向主要有以下几个方面：

(1)EDFA从C-Band向L-Band发展；

(2)宽频谱、大功率的光纤拉曼放大器；

(3)将局部平坦的EDFA与光纤拉曼放大器进行串联使用，获得超宽带的平坦增益放大器；

(4)发展应变补偿的无偏振、单片集成、光横向连接的半导体光放大器光开关；

(5)研发具有动态增益平坦技术的光纤放大器；

(6)小型化、集成化光纤放大器。