什么是光放大器，它是如何增强光子学的信号的？

光放大器通过消除对光电转换的需求，实现了光信号的直接放大，改变了光通信技术。它们的多功能应用和持续的进步有助于发展高速、长距离的光通信网络。本文概述了光放大器的重要性，并研究了它们如何在光子学中优化信号强度。
 

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光放大器：概述
光放大器对输入的信号光进行放大，而不将其转换为电信号，以确保光信号的有效和直接传输，而不会出现信号衰减。它们将输入信号作为光纤或自由空间中的高斯光束，并使用增益介质（电或光泵）来放大信号。

光放大器在光纤通信、消费电子、电力系统和医学方面有多种应用。例如，它们在发射器中被用作功率放大器，提高传输功率；在接收器中被用作前置放大器，提高灵敏度并延长传输距离。

光放大器通过扩大带宽和能力，使高速、长距离传输成为可能，从而彻底改变了光纤通信。此外，它们在密集型波分复用（DWDM）系统中表现出色，能够同时放大多个通道。

光放大器可分为三个主要类别：掺铒光纤放大器、半导体光放大器和拉曼光放大器。每种类型都具有独特的优势，并被用于光通信系统的各种应用。

光子学中信号放大的重要性
光纤传输在1,550纳米左右的波长上表现出最小的损耗，每公里小于0.2dB。然而，当光纤长度超过10公里时（取决于光纤的性质），这种损耗就变得非常大，不能被忽视。

光放大器通过直接放大光信号而不将其转换为电信号来帮助克服这一问题。这消除了对额外转换单元的需求，并允许更快的传输速率。

光放大器如何增强信号？
光放大器的工作原理随用于放大的机制而不同。

掺铒光纤放大器的三能级系统
掺铒光纤放大器（EDFA）是一种使用掺铒光纤来增强光信号的光放大器。它的工作原理是基于一个三能级系统，即铒离子被泵浦激光激发并在不同的能量状态之间转换。这种转变导致了光子的发射，从而放大了光信号。

EDFA的放大过程包括刺激和自发发射。自发发射的结果是在所需的波长范围内发射光子，但它也给信号增加了噪音。刺激发射发生在一个入射光子刺激另一个光子的发射，从而导致光场的放大。

EDFAs常用于海底和地面系统，用于各种波长的放大，特别是1550纳米左右。

拉曼光放大器
拉曼光放大器（ROA）通过受激拉曼散射（SRS）放大光信号。通过将泵浦功率引入携带信号的光纤，ROA通过非弹性碰撞放大信号，并刺激额外的信号光子的发射。

与其他光纤放大器不同，ROA可以通过调整泵浦频率来灵活选择放大频段，从而在光通信系统中获得更宽的可用带宽。此外，它们可以将放大范围从传统的C波段和L波段扩展到S波段和U波段，甚至更远，这使它们对长距离传输系统很有价值。

ROA提供广泛的放大作用，并可使用不同频率的多个泵进行优化。

半导体光放大器
半导体光放大器（SOA）是一种通过激发发射放大光信号的紧凑型设备。它消除了半导体激光器的谐振器结构，允许外部光线进入进行放大。

SOA具有与半导体激光器类似的结构，有一个波导和一个p-n结。当对p-n结施加正向偏压时，就会发生少数载流子注入，形成载流子群的反转，产生光增益。通过将光信号引入正向偏压SOA内的波导，足够的注入电流可以建立刺激发射占主导地位的条件，从而产生光放大。

SOA提供具有成本效益的解决方案，并减少了对偏振的依赖。因此，它们正在取代数据中心中的EDFA，并在光通信中具有更广泛的应用。

最近的研究和发展
无噪音的紧凑型光放大器彻底改变了通信方式
光通信已经实现了以最小的功率损失进行长距离的信息传输。然而，现有的光放大器引入了过多的噪音，降低了信号质量。查尔姆斯理工大学的研究人员已经用他们的创新解决方案克服了这一障碍。

在他们发表在《科学进展》上的研究中，研究人员设计了一种有可能彻底改变空间和光纤通信的光放大器。与以前的放大器不同，这种新装置具有卓越的性能，尺寸紧凑，并且不会引入多余的噪声。

该光放大器是基于克尔效应，它在放大光的同时不会造成明显的多余噪声。虽然这个原理以前已经被证明过，但这项研究展示了第一个紧凑的实现。新的放大器被集成到一个很小的芯片中，只有几毫米，这使得它比以前笨重的版本小得多，也更实用。

由于尺寸小，这些光放大器可以少用，降低成本，而且它们以连续波模式工作，提高了效率。这些进步使放大器在商业上具有吸引力，并为量子计算机、传感器系统和来自卫星的地球监测提供了新的可能性。

光子学新时代的光学参数放大器
光参数放大器已经成为光纤中长距离信号传输的一项有前途的技术。与其他光放大器不同，它们依靠光纤的非线性特性，提供宽频带增益，而不局限于特定的转换。

然而，参数放大器与二氧化硅的弱克尔非线性作斗争，需要高泵浦功率。在集成光子平台上实现连续波操作一直是一个重大挑战。
 

克服这些障碍，由EPFL的Johann Riemensberger博士领导的研究人员设计了一种基于光子芯片的新型行波放大器。该成果发表在《nature》杂志上。

利用超低损耗的氮化硅光子集成电路，研究人员在电信波段实现了显著的片上和光纤到光纤的净增益。因此，研究人员可以优化波导色散，将参数增益带宽扩大到200纳米以上。

氮化硅的低吸收损耗使得仅用750毫瓦的泵浦功率就能获得超过70分贝的最大参数增益，甚至超过了最好的基于光纤的放大器的能力。

这一进展为扩展光通信、激光放大和LiDAR系统以及促进经典和量子信号的各种探测和感应应用提供了可能性。

未来展望

光放大器有望实现更高的放大效率，在更大的波长范围内工作，采用先进的泵浦技术，探索非线性放大效应，实现高速放大，并结合先进的信号处理能力。

参考资料
 

Ye, Z., Zhao, P., Twayana, K., Karlsson, M., Torres-Company, V., & Andrekson, P. A. (2021). Overcoming the quantum limit of optical amplification in monolithic waveguides. Science Advances, 7(38), eabi8150. https://doi.org/10.1126/sciadv.abi8150

Riemensberger, J., Kuznetsov, N., Liu, J., He, J., Wang, R. N., & Kippenberg, T. J. (2022). A photonic integrated continuous-travelling-wave parametric amplifier. Nature, 612(7938), 56-61. https://doi.org/10.1038/s41586-022-05329-1

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作者：Owais Ali

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