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SOA:光放大器和光开关的集成化 - 筱晓光子AOL实验室③ 2022-08-01

光放大器的问世是光通信发展史的一块重要里程碑。在没有光放大器的年代,想要克服远程通信的光功率衰减问题,则必须要设立专门的中继点,先将微弱的光信号转化为电信号,将电信号在电路中放大,再将电信号调制到新的载波激光上继续进行远程传输,从而变相地实现了光放大。


这种光-电-光的结构成本高,能耗大,而且只能针对单个信道。光放大器出现后,这种光-电-光系统只需要一个光放大器替代即可。它不但同时支持多个信道的直接放大,而且成本较低,结构也简单。



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 光纤放大器原理图 




光放大器的功能是提供光信号的增益,对输入的种子光功率进行放大,并尽可能地保持激光的其他参数不变。在泵浦作用下,光放大器的增益介质实现粒子数反转,在种子光的作用下进行受激辐射,这就是光放大器的原理,拉曼放大器等非线性放大器除外。从某种意义上讲,光放大器就是一台没有形成震荡反馈激光器。




市面上的光放大器主要分为三类:掺杂光纤放大器半导体光放大器光纤拉曼放大器




其中掺杂光纤放大器在不同波段又分为EDFA(1550 nm)、PDFA(1300 nm)、TDFA(1400 nm)、YDFA(1000 nm)等。如今,EDFA已凭借着它的高增益,高稳定性,成为了光纤通信中的必备模块之一。半导体光放大器,简称SOA,它的结构和普通半导体激光二极管非常相似,也是一种重要的光放大器。SOA的放大增益在20dB左右,输出饱和功率范围在10dB左右,这两个指标都不如掺杂光纤放大器。但是,SOA也有它的优势:




1、集成度高。这是SOA可以与光纤放大器抗衡的一大原因。它体积小,成本低,又具有半导体器件具备的可集成性,可以直接集成在很多器件的电路板上。


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 SOA产品图 




2、工作波段。SOA的工作波段主要在850 nm、1300 nm、1550 nm。虽然在1550 nm波段,EDFA已经非常成熟,但是在没那么成熟的1300 nm、850 nm波段,SOA还是具有一席之地的。




3、光开关。这也是SOA的产品特性之一。它除了能提供光增益以外,还可以同时作为一个高速光开关使用。打开电流泵浦,SOA放大光,关闭电流泵浦,SOA抑制光。如果我们将信息转化为电流信号,还可以直接通过SOA对激光进行调制。为什么SOA可以作为光开关,EDFA却不行呢?也不是不行,只是掺杂光纤中载流子寿命很长,SOA的调制速率是它所远不能及的。




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 SOA光脉冲调制图 




SOA可以理解为一个高度集成化的光调制和光放大器串联模块,我们尝试将其放在了光纤分布式振动传感系统(DVS)中(详见之前的公众号文章),替代了原本的EDFA和AOM器件,降低了成本,简化了系统结构,仍有不错的实验效果。




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 DVS系统原理图 










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