基本介紹
- 中文名：光纖放大器
- 外文名：Optical Fiber Ampler
基本概念,OFA分類,1 、摻稀土OFA,2、 非線性OFA,光放大器的作用,放大電路種類,主要類型,光纖放大器與半導體放大器的不同,互阻放大器的結構,互阻放大器的特性,互阻放大器的套用,
基本概念
互阻放大器是在光電檢測前置放大中常用的一種電路結構。在互阻放大器的設計中沒有增益頻寬積的概念，其頻寬分析往往讓設計者感到困惑。為了深入研究互阻放大器的增益頻寬特性在此類比增益頻寬積的引出，用單極點近似的方法推導出了互阻放大器增益和頻寬的關係，並運用Multisim軟體進行了仿真，驗證了結論的正確性。指出在互阻放大器中增益和頻寬仍然是矛盾的。
光纖放大器(Optical Fiber Ampler，簡寫OFA)是指運用於光纖通信線路中，實現信號放大的一種新型全光放大器。根據它在光纖線路中的位置和作用，一般分為中繼放大、前置放大和功率放大三種。同傳統的半導體雷射放大器(SOA)相比較，OFA不需要經過光電轉換、電光轉換和信號再生等複雜過程，可直接對信號進行全光放大，具有很好的“透明性”，特別適用於長途光通信的中繼放大。可以說，OFA為實現全光通信奠定了一項技術基礎。
OFA分類
根據放大機制不同，OFA可分為兩大類。
1 、摻稀土OFA
製作光纖時，採用特殊工藝，在光纖芯層沉積中摻入極小濃度的稀土元素，如鉺、鐠或銣等離子，可製作出相應的摻鉺、摻鐠或摻銣光纖。光纖中摻雜離子在受到泵浦光激勵後躍遷到亞穩定的高激發態，在信號光誘導下，產生受激輻射，形成對信號光的相干放大。這種OFA實質上是一種特殊的雷射器，它的工作腔是一段摻稀土粒子光纖，泵浦光源一般採用半導體雷射器。
當前光纖通信系統工作在兩個低損耗視窗：1.55μm波段和1.31μm波段。選擇不同的摻雜元素，可使放大器工作在不同視窗。
(1)摻鉺光纖放大器(EDFA)
EDFA工作在1.55μm視窗，該視窗光纖損耗係數1.31μm窗低(僅0.2dB/km)。已商用的EDFA噪聲低，增益曲線好，放大器頻寬大，與波分復用(WDM)系統兼容，泵浦效率高，工作性能穩定，技術成熟，在現代長途高速光通信系統中備受青睞。目前，“摻鉺光纖放大器(EDFA)+密集波分復用(DWDM)+非零色散光纖(NZDF)+光子集成(PIC)”正成為國際上長途高速光纖通信線路的主要技術方向。
(2)摻鐠光纖放大器(PDFA)
PDFA工作在1.31μm波段，已敷設的光纖90%都工作在這一視窗。PDFA對現有光通信線路的升級和擴容有重要的意義。目前已經研製出低噪聲、高增益的PDFA，但是它的泵浦效率不高，工作性能不穩定，增益對溫度敏感，離實用還有一段距離。
2、 非線性OFA
非線性OFA是利用光纖的非線性效應實現對信號光放大的一種雷射放大器。當光纖中光功率密度達到一定閾值時，將產生受激拉曼散射(SRS)或受激布里淵散射(SBS)，形成對信號光的相干放大。非線性OFA可相應分為拉曼光纖放大器(SRA)和布里淵光纖放大器(BRA)。目前研製出的SRA尚未商用化。
OFA的研製始於80年代，並在90年代初取得重大突破。在現代光通信系統設計中，如何有效地提高光信號傳輸距離，減少中繼站數目，降低系統成本，一直是人們不斷探索的目標。OFA是解決這一問題的關鍵器件，它的研製和改進在全球範圍內仍方興未艾。
隨著密集波分復用(DWDM)技術、光纖放大技術，包括摻鉺光纖放大器(EDFA)、分布喇曼光纖放大器(DRFA)、半導體放大器(SOA)和光時分復用(OTDM)技術的發展和廣泛套用，光纖通信技術不斷向著更高速率、更大容量的通信系統發展，而先進的光纖製造技術既能保持穩定、可靠的傳輸以及足夠的富餘度，又能滿足光通信對大寬頻的需求，並減少非線性損傷。
光放大器的作用
放大電路是電子技術中廣泛使用的電路之一，其作用是將微弱的輸入信號（電壓、電流、功率）不失真地放大到負載所需要的數值。放大電路種類：（1）電壓放大器：輸入信號很小，要求獲得不失真的較大的輸出壓，也稱小信號放大器；（2）功率放大器：輸入信號較大，要求放大器輸出足夠的功率，也稱大信號放大器。放大電路的作用：放大電路是電子技術中廣泛使用的電路之一，其作用是將微弱的輸入信號（電壓、電流、功率）不失真地放大到負載所需要的數值。
放大電路種類
（1）電壓放大器：輸入信號很小，要求獲得不失真的較大的輸出壓，也稱小信號放大器；（2）功率放大器：輸入信號較大，要求放大器輸出足夠的功率，也稱大信號放大器。光放大器的工作不需要轉換光信號到電信號，然後再轉回光信號。這個特性導致光放大器比再生器有兩大優勢。第一，光放大器支持任何比特率和信號格式，因為光放大器簡單地放大所收到的信號。這種屬性通常被描述為光放大器對任何比特率以及信號格式是透明的；第二，光放大器不僅支持單個信號波長放大－像再生器，而且支持一定波長範圍的光信號放大。而且，只有光放大器能夠支持多種比特率、各種調製格式和不同波長的時分復用和波分復用網路。實際上，只有光放大器特別是EDFA的出現， WDM 技術才真正在光纖通信中扮演重要角色。EDFA 是現在最流行的光放大器，它的出現把波分復用和全光網路的理論變成現實。
主要類型
兩種主要類型的光放大器在使用：半導體光放大器（SOA）和光纖光放大器（FOA）。半導體光放大器實質上是半導體雷射器的活性介質。換句話說，一個半導體放大器是一個沒有或有很少光反饋的雷射二極體。
光纖放大器與半導體放大器的不同
光纖放大器的活性介質（或稱增益介質）是一段特殊的光纖或傳輸光纖，並且和泵浦雷射器相連；當信號光通過這一段光纖時，信號光被放大。光纖放大器又可以分為摻稀土離子光纖放大器（Rare Earth Ion Doped Fiber Amplifier）和非線性光纖放大器。像半導體放大器一樣，摻稀土離子光纖放大器的工作原理也是受激輻射；而非線性光纖放大器是利用光纖的非線性效應放大光信號。實用化的光纖放大器有摻鉺光纖放大器（EDFA）和光纖拉曼放大器（Raman Fiber Amplifier）。
互阻放大器的結構
在雷射雷達、雷射陀螺信號處理等套用中經常使用雪崩光電二極體等來探測光信號，從而提取出感興趣的信息。將二極體產生的電流信號轉換為電壓信號需要採用圖2所示的互阻放大器結構。
圖中運放的正向端直接接地，Dphoto是接收信號用的光電二極體，反饋電阻Rf決定增益的大小，Vbias是反向偏置電壓，它能夠提高光電管相應的線性度，減小結電容，增大電路頻寬。為了研究互阻放大器的頻率特性，有必要使用光電管Dphoto的等效電路模型。
互阻放大器的特性
可選轉換增益
可選拐角頻率
電容式輸入源補償
可調功耗設定
可選輸入參考電壓
互阻放大器的套用
互阻放大器用於將外部電流轉換為電壓。典型套用包括使用光二極體等電流輸出進行的感測器測量。TIA的轉換增益單位為歐姆，其可用範圍在 20 K 到 1.0 M 歐姆之間。光二極體等電流輸出感測器的輸出電容通常較大。這就需要在 互阻放大器中加入並聯反饋電容，以保證穩定性。互阻放大器具有一個可程式的反饋電容，可以滿足這一需要，並提供頻寬限制，可降低寬頻帶噪聲。
