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      SOA:光放大器和光開關的集成化 - 筱曉光子AOL實驗室③ 2022-08-01

      光放大器的問世是光通信發展史的一塊重要里程碑。在沒有光放大器的年代,想要克服遠程通信的光功率衰減問題,則必須要設立專門的中繼點,先將微弱的光信號轉化為電信號,將電信號在電路中放大,再將電信號調制到新的載波激光上繼續進行遠程傳輸,從而變相地實現了光放大。


      這種光-電-光的結構成本高,能耗大,而且只能針對單個信道。光放大器出現后,這種光-電-光系統只需要一個光放大器替代即可。它不但同時支持多個信道的直接放大,而且成本較低,結構也簡單。



      微信圖片_20220801090642.png



       光纖放大器原理圖 




      光放大器的功能是提供光信號的增益,對輸入的種子光功率進行放大,并盡可能地保持激光的其他參數不變。在泵浦作用下,光放大器的增益介質實現粒子數反轉,在種子光的作用下進行受激輻射,這就是光放大器的原理,拉曼放大器等非線性放大器除外。從某種意義上講,光放大器就是一臺沒有形成震蕩反饋激光器。




      市面上的光放大器主要分為三類:摻雜光纖放大器、半導體光放大器、光纖拉曼放大器。




      其中摻雜光纖放大器在不同波段又分為EDFA(1550 nm)、PDFA(1300 nm)、TDFA(1400 nm)、YDFA(1000 nm)等。如今,EDFA已憑借著它的高增益,高穩定性,成為了光纖通信中的必備模塊之一。半導體光放大器,簡稱SOA,它的結構和普通半導體激光二極管非常相似,也是一種重要的光放大器。SOA的放大增益在20dB左右,輸出飽和功率范圍在10dB左右,這兩個指標都不如摻雜光纖放大器。但是,SOA也有它的優勢:




      1、集成度高。這是SOA可以與光纖放大器抗衡的一大原因。它體積小,成本低,又具有半導體器件具備的可集成性,可以直接集成在很多器件的電路板上。


      微信圖片_20220801090659.png


       SOA產品圖 




      2、工作波段。SOA的工作波段主要在850 nm、1300 nm、1550 nm。雖然在1550 nm波段,EDFA已經非常成熟,但是在沒那么成熟的1300 nm、850 nm波段,SOA還是具有一席之地的。




      3、光開關。這也是SOA的產品特性之一。它除了能提供光增益以外,還可以同時作為一個高速光開關使用。打開電流泵浦,SOA放大光,關閉電流泵浦,SOA抑制光。如果我們將信息轉化為電流信號,還可以直接通過SOA對激光進行調制。為什么SOA可以作為光開關,EDFA卻不行呢?也不是不行,只是摻雜光纖中載流子壽命很長,SOA的調制速率是它所遠不能及的。




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       SOA光脈沖調制圖 




      SOA可以理解為一個高度集成化的光調制和光放大器串聯模塊,我們嘗試將其放在了光纖分布式振動傳感系統(DVS)中(詳見之前的公眾號文章),替代了原本的EDFA和AOM器件,降低了成本,簡化了系統結構,仍有不錯的實驗效果。




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       DVS系統原理圖 










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