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 09:05:56

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。

 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。

 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。

 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。

 DVS系统原理图