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半导体光纤放大器(SOA)

半导体光纤放大器(SOA)

半导体光纤放大器(SOA)可以应用在任何系列的应用中,比如波长转换、信号再生、脉冲再成形和功率限制等。因为它能够高度集成和大批量制造,当企业需要节省空间和电力时就变得更受欢迎。SOA 在长途运输乃至地铁等高速应用中都已广泛应用,并接入了光网络。 

特点

SOA 根据应用和要求,具有不同的封装,满足不同的商业需求。

SOA 的基本工作原理与基于受激发射的半导体光学激光器相同,不同之处在于它没有任何反射反馈。传输媒介首先通过外部电流进行模拟,这样电子就跳到更高的一个能级。之后,特定频率的入射光子与被刺激的电子相互作用,迫使其返回到其自然的较低能级。在此过程中损失的能量产生了一个新光子,具有相同相位、频率、极化和入射光子方向。

使用电泵电流来激发 SOA 有源区域中的电子。当光信号通过有源区域时,会使这些电子以光子的形式失去能量并返回到基态。受激光子具有与光信号相同的波长,从而放大光信号。

用于表征 SOA 的关键参数是增益、增益带宽、饱和输出功率和噪声。增益是输入信号被放大的因数,是输出功率与输入功率的比值(单位为 dB)。该单元的光学增益由 SOA 电流控制。较高的增益导致更高的输出光信号。增益带宽定义放大功能带宽的范围。需要宽的增益带宽来放大宽范围的信号波长。

饱和输出功率是放大后可达到的最大输出功率,并且放大功率无法超过此功率。重要的是,SOA 具有高功率饱和电平以保持在线性工作区域中并具有较高的动态范围。噪声定义为信号带宽内的不需要的信号,它是由放大器中进行物理处理而产生的。称为噪声系数的参数用于衡量噪声的影响,通常为 5dB 左右。

SOA 的基本工作原理与基于受激发射的半导体光学激光器相同,不同之处在于它没有任何反射反馈。传输媒介首先通过外部电流进行模拟,这样电子就跳到更高的一个能级。之后,特定频率的入射光子与被刺激的电子相互作用,迫使其返回到其自然的较低能级。在此过程中损失的能量产生了一个新光子,具有相同相位、频率、极化和入射光子方向。

使用电泵电流来激发 SOA 有源区域中的电子。当光信号通过有源区域时,会使这些电子以光子的形式失去能量并返回到基态。受激光子具有与光信号相同的波长,从而放大光信号。

用于表征 SOA 的关键参数是增益、增益带宽、饱和输出功率和噪声。增益是输入信号被放大的因数,是输出功率与输入功率的比值(单位为 dB)。该单元的光学增益由 SOA 电流控制。较高的增益导致更高的输出光信号。增益带宽定义放大功能带宽的范围。需要宽的增益带宽来放大宽范围的信号波长。

饱和输出功率是放大后可达到的最大输出功率,并且放大功率无法超过此功率。重要的是,SOA 具有高功率饱和电平以保持在线性工作区域中并具有较高的动态范围。噪声定义为信号带宽内的不需要的信号,它是由放大器中进行物理处理而产生的。称为噪声系数的参数用于衡量噪声的影响,通常为 5dB 左右。

通过 SOA 放大 100G LR4

SOA 对 1310 nm 波长光传输系统至关重要。1310nm 范围的波长衰减高于 1550nm 波段,因此就亟需放大。正常的掺铒光纤放大器(EDFA)无法运行,因为它会放大 1550nm 范围的信号而阻断 1310nm 的信号。高速 100GBASE-LR4 以太网收发器,在被 800GHz 信道间距分离的 1310nm 区域,同样使用 4 种 28Gbps 波分复用器(WDM)同向传播信号。这种收发器的接收范围指定在至多 10km。

超过 10km 的应用,推荐用 100GBASE-ER4 以太网,其传输范围可达 40km。ER4 收发器可以用 SOA 加工,也可以在收发器内部的收发器组件处用雪崩光电探测器(APD)加工,以使收发器敏感性更佳并提高功率预算。商用 ER4 收发器有 CFP 和 CFP2 两种封装。但是,由于小型封装的功率和空间限制,100G ER4 收发器并不现实,因此没有 CFP4 或 QSFP28 封装。此外,开关和路由器都已经开始转到高密度的 QSFP 28 端口,以使容量最大化而占用空间、功率损耗和最终成本都最小。这就有力地使 ER4 收发器对这一系统来说显得平淡无奇。

SOA 被用作一种光纤预放大器,即:它被用在收发器前面,来增强进入的微弱信号。对这种情况下,在需要长距离(>10km)时,对 100G LR4 信号的外部放大,是最佳的解决方案。这不仅可以达到放大的目的,还可以随心所欲地使用任何收发器封装和交换机端口类型。100G LR4 收发器有不同的封装,如图 3 所示(下部)。能够看出,LR4 收发器同样有 CFP4 和 QSFP 28 两种较小的封装。

SOA 作为一种便捷的即插即用替代品,并由于其独特的高集成属性,可以以高密度的线路卡进行开发。由于不同封装的 100G LR4 收发器,实际的接收范围会有些微的差异,需要改变放大器的电泵电流来,调节增益来满足匹配的应用。只需要简单地添加 SOA, 100G LR4 CFP 的接收范围就可以轻易地延伸到约 40km。  

用一个特殊的 1310 nm+DWDM 多路复用器,可以把经 SOA 强化的 LR4 信号与 40 倍 10Gbps DWDM 信号多路复用,将速率在地铁网络距离内容量提高到 500Gbps。在这种情况下,传输距离是>10km,并取决于多路复用器损耗、光纤损耗和收发器封装,最大的传输距离可以估算出来。还要记住一点,相比 EDFA,SOA 会放大 1310nm 频谱,反之也会阻断所有 1550nm 信号。