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。

 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。

 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。

 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。

 DVS系統原理圖