光放大器基本简介

光放大器是光纤通信系统中能对光信号进行放大的一种子系统产品。光放大器的原理基本上是基于激光的受激辐射，通过将泵浦光的能量转变为信号光的能量实现放大作用。光放大器自从1990年代商业化以来已经深刻改变了光纤通信工业的现状。

光放大器主要有2种，半导体放大器及光纤放大器。半导体放大器分为谐振式和行波式;光纤放大器分为掺稀土元素光纤放大器和非线性光学放大器。非线性光学放大器分为拉曼(SRA)和布里渊(SBA)光纤放大器。

就是在光纤中掺杂稀土离子(如铒、镨、铥等)作为激光活性物质。每一种掺杂剂的增益带宽是不同的。掺铒光纤放大器的增益带较宽，覆盖S、C、L频带;掺铥光纤放大器的增益带是S波段;掺镨光纤放大器的增益 带在1310nm附近。

则是利用拉曼散射效应制作成的光放大器，即大功率的激光注入光纤后，会发生非线性效应拉曼散射。在不断发生散射的过程中，把能量转交给信号光，从而使信号光得到放大。由此不难理解，拉曼放大是一个 分布式的放大过程，即沿整个线路逐渐放大的。其工作带宽可以说是很宽的，几乎不受限制。这种光放大器已开始商品化了，不过相当昂贵。

一般是指行波光放大器，工作原理与半导体激光器相类似。其工作带宽是很宽的。但增益幅度稍小一些，制造难度较大。这种光放大器虽然已实用了，但产量很小。

在其传输路径内采用光放大器的一种WDM光传输系统中，用于监视并控制放大器运行并从数据传输中作光谱分离的一个监控信号信道，可以与数据复用。披露了一种放大器的结构，它能随传输系统为增加数据处理能力的升级而升级，例如增加波段内和/或沿反方向的数据传输，但不必断开通过该放大器的准备升级的数据传输路径。这种结构是使用信道分出和插入滤波器来实现的，这些滤波器的配置，要使放大的数据传 输路径伸延，通过这些滤波器的分出/插入信道。

申请日: 2000年06月06日

公开日: 2001年04月25日

授权公告日: 2003年12月31日

申请人/专利权人: 诺泰尔网络公司

申请人地址: 加拿大魁北克

发明设计人: 凯文·P·琼斯;罗杰·M·吉布;罗伯特·A·贝克;马丁·P·皮埃特克;马克·E·布雷;巴里·布林泰;詹姆斯·里根;托比·J·雷德;阿伦·A·索海姆;罗伯特·W·基斯;马克·R·海因斯;约瑟夫·芒;奈杰尔·E·乔利;阿伦·鲁宾逊;乔纳森·P·金;西蒙·P·帕里

专利代理机构: 中国国际贸易促进委员会专利商标事务所

代理人: 蒋世迅

专利类型: 发明专利

分类号: G02F1/39

掺铒光纤放大器(Erbium-doped Optical Fiber Amplifier，EDFA)的组成基本上包括了掺铒光纤，泵浦激光器，光合路器几个部分。基于不同的用途，掺铒光纤放大器已经发展出多种不同的结构。

EDFA的放大原理与雷射产生原理类似，光纤中参杂的稀土族元素Er(3+)其亚稳态(meta-stable state)和基态(ground state)的能量差相当于1550nm光子的能量、

当吸收适当波长的泵浦光能量(980nm或1480nm)后，电子会从基态(跃迁到能阶较高的激发态(exciting state)，接着释放少量能量转移到较稳定的亚稳态、在泵浦光源足够时铒离子的电子会发生居量反转(population reverse)，即高能阶的亚稳态比能阶低的基态电子数量多、当适当的光信号通过时，亚稳态电子会发生受激辐射效应，放射出大量同波长光子、但因为存在振动能阶，所以波长不是单一而是一个范围，典型值为1530~1570nm、

激光放大器是指利用光的受激辐射进行光的能量(功率)放大的器件。通过采用激光放大器，可以在获得高的激光能量或功率时而又保持激光的质量(包括脉宽、线宽、偏振特性等)。常用于可控核聚变、核爆模拟、超远激光测距等重大技术中的高功率激光系统。

获得极高的输出能量和功率，保持振荡器的光束质量，降低光学元件的破坏和损伤。

常见激光放大器可以分为两类，即脉冲的或稳态的。如果输入激光脉冲的时间宽度Δc小于放大器高能级的自发辐射寿命τ21，则称为脉冲激光放大器。反之，Δc>τ21，的就称为稳态激光放大器，它包括了长脉冲激光放大器和连续激光放大器。脉冲激光放大器以放大激光能量为主，而稳态激光放大器则主要是放大激光功率(或光强)，实际上激光振荡器也是这样分类的。此外，脉冲激光放大器中，还可分出一类，称之为超短脉冲放大器，它主要对锁模激光脉冲进行放大，与锁模激光器一样有自己的特点。

1长脉冲激光放大器

一般振荡级激光器输出的是连续的或一般脉冲激光器。

脉宽:τ>T1

其中T1是放大介质激发态的粒子由于辐射跃迁的纵向弛豫时间。弛豫时间:激发态的粒子所在的能级有一定的寿命，因此产生辐射跃迁有一定的滞后时间。固体:T1~10-3s主要由上能级的总寿命来决定。

因此上能级的粒子数消耗掉以后来得及由泵浦得以补充。这时腔内的光子数密度和工作物质的反转粒子数可以认为不随时间变化--稳态过程。

2脉冲放大器:

一般振荡级为调Q激光器~10-8s

T2<τ<T1

T1:纵向弛豫时间。

T2:横向弛豫时间:放大介质中粒子相互交换能量过程引起的非辐射跃迁使激发态的粒子的感应偶极矩有一定的弛豫时间。

由于脉宽较小，在脉冲信号放大期间，工作物质的反转粒子数和光子密度是随时间变化的。--非稳态过程

3超短脉冲放大器:

脉冲窄，是锁模激光器，输出的脉冲10-11~10-15s。光信号和放大介质的相干作用是一种相干的放大作用。情况比较复杂，需要采用半经典理论进行讨论。

按照工作方式分类

行波激光放大器

再生激光放大器--做好模匹配

注入锁定放大器--模匹配+位相锁定

多程放大器

半导体激光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，简写为SOA)的放大原理与半导体激光器的工作原理相同，也是利用能级间跃迁的受激现象进行光放大。为了提高增益，人们去掉了构成激光振荡的谐振腔，由电流直接激励，可获得30dB(1000倍)以上的光增益。

半导体激光放大器有三种。一种是将通常的半导体激光器当作光放大器使用，称作法布里-泊罗(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，以获得宽频带、高输出、低噪声。这种放大器是在光的行进过程中对光进行放大的，故称行波式光放大器(TWLA)还有一种注入锁定放大器(IL-SOA)，在结构上与F一P一SLA完全相同，但它被偏置在阂值电流以上，如果将弱的单模光注入此放大器，则将得到高功率单模输出。