光放大器和调制器： 启用高速通信技术

光放大器和调制器在不断增长的、相互联系的和相互依存的世界中如何快速传输数据和信息方面发挥着重要作用。因此，这两种光学元件性能的进步对于适应不断增长的光通信结构网络是至关重要的。

光调制器是一种可用于改变光的某种特性的工具。经常有一束光，如激光束的特性被改变。各种激光束特性的调制都可以受到影响。例如，它们可以是强度调制器、相位调制器、偏振调制器和空间光调制器，这取决于光的哪个方面被调制。下面列出了一些关于调制器的描述：

声光调制器 - 特定材料的声光效应被用于这种调制。它们被用来按需或持续地改变激光束的光学频率、空间方向或振幅。
干涉式调制器 - 大多数干涉式调制器，如马赫-泽恩德调制器，利用了干涉和电光效应。它们被广泛用于光子集成电路中的光数据传输。
电吸收调制器 - 这些调制器是基于半导体的强度调制器，在数据传输器的光纤通信中被采用，以及其他应用。
电光调制器 - 波克尔电池中的电光效应被电光调制器所利用。在超短脉冲放大器方面，除了改变光束的偏振、相位或功率外，它们还可用于脉冲选取。
光调制器的操作
在光调制过程中，激光被光调制器施加一个电信号，改变激光的功率和相位以产生一个光信号。电信号被光调制器改变为光信号，因为施加的电压可以改变光束的相位和强度。
图1显示了一个光调制器的图示。光调制器接收无信号的激光，并利用来自驱动放大器的电信号将其转变为光信号。采用高输出的驱动放大器来驱动光调制器，因为需要一个高压电信号来驱动调制器。
根据最新的国际通信标准，通信速率在不断提高，需要高功率和快速运行的驱动放大器。
硅是最广泛使用的半导体材料，它价格低廉，而且容易形成大规模集成电路。不幸的是，硅并不适合用作驱动放大器的半导体材料，因为用硅来产生快速的工作速度和高输出是有难度的。

图1：光调制器

驱动器放大器通常是由两个或更多的元件组成的复合半导体。复合半导体由于其高电子迁移率和宽带隙，是用于需要快速度和高输出的驱动放大器的最佳选择。
另一个好处是能够合成具有各种元素组合和组成比例的化合物半导体材料层，以实现快速晶体管。这种晶体管的一些例子是异质结双极晶体管（HBT）和高电子迁移率晶体管（HEMT）。氮化镓（GaN）、砷化镓（GaAs）、硅锗（SiGe）和磷化铟（InP）是普通化合物半导体材料的例子。
砷化镓、InP和SiGe适合于制造支持光通信以太网标准的驱动放大器，这些标准控制的速度为100和400Gbps。未来的通信基础设施预计将达到800Gbps的速率。不同的化合物半导体具有适用于不同要求的独特品质。大直径的SiGe可以用标准的硅半导体方法以低廉的成本生产，但生产这种材料以高速率运行是具有挑战性的。
尽管砷化镓经常被用于具有高输出和高速度的系统中，但它在处理未来的通信速率方面有局限性，而这是800-Gbps以太网所需要的70GHz或以上的工作频率。InP是实现未来高速通信的尖端光驱动放大器的理想半导体材料，因为它的晶体管可以比GaAs更快地运行。
光放大器
在1,550纳米的波长范围内，流经光纤的光的传输损耗低于每公里0.2分贝。然而，当光纤长度达到100多公里时，就不能不考虑传输损耗了。当通过长距离光缆的光信号变得非常弱时，就需要一个光放大器。
现代长距离光通信网络的一个重要组成部分--光放大器，可以放大光信号。光放大器的三个主要类别是：
掺铒光纤放大器（EDFA）--在称为EDFA的光放大器中，铒离子被引入到光纤的核心，是OFA的一种形式。它与偏振无关，具有高增益和低噪声，并可应用于1.55米或1.58米波段的光信号。
光纤拉曼放大器（FRA）--在FRA中，强大的激励光一旦到达光纤，就会产生基于受激拉曼散射的刺激发射。然后，该光在比激发光的波长长约100纳米的波长范围内被放大。激发光的波长可用于灵活地调整其宽广的放大波长范围。
半导体光放大器（SOA）--正如其名称所暗示的那样，一个半导体元件就是SOA。通过在半导体腔内进行抗反射处理，光信号通过刺激发射得到增强。
未来展望
如本报告所述，光调制器和放大器在推动和适应日益增长的光通信网络方面发挥着关键作用。更加有利的材料和增强的控制系统正在不断地被开发出来，以提高这些组件的性能。例如，一个SOA可以在很小的空间内制造，而且由于它减少了操作费用，它比EDFA更有经济效益。直到最近几年，SOA的输入光对偏振有极大的依赖性，尽管最近对减少偏振依赖性的研究有了进展。此外，SOA正在取代数据中心的EDFA，预计它们在光通信中的应用在未来会越来越多。

参考资料
Anritsu - Optical Device Guide. Various Optical Amplifiers (EDFA, FRA, and SOA) | antristsu.com. Available at: https://www.anritsu.com/en-au/sensing-devices/guide/optical-amplifier
Anritsu - Electronic Devices Guide. Optical Modulator Driver Amplifiers and Semiconductor Materials | antristsu.com. Available at: https://www.anritsu.com/en-gb/sensing-devices/guide/amp-semiconductor-material
Paschotta, R. Recent Developments in Optical Semiconductors. [Online] rp-photonics.com. Available at: https://www.rp-photonics.com/optical_modulators.html
作者：Ilamaran Sivarajah