通信工程師傳輸與接入考試光放大器[1]

3.5 光放大器

在光放大器研制成功之前，主要采用光電混合中繼器（或稱再生器）放大光信號。再生器首先將光纖中送來的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后對電信號進行處理，最后將電信號轉(zhuǎn)換為光信號送到光纖中去。根據(jù)不同的要求再生器可分為三種類型：只有放大和均衡功能的1R再生器，在1R再生器的基礎(chǔ)上加上數(shù)字信號處理如整形的2R再生器，在2R再生器的基礎(chǔ)上增加重新定時與判決功能的3R再生器。它們的功能如圖3-9所示。

盡管再生器對于單波長低速率的通信是很適用的，但對于高速率的多個波長系統(tǒng)顯然是相當(dāng)復(fù)雜：每一波長就需一個再生器，如有W個波長就需要W個這樣的再生器，造價是相當(dāng)高的。另一方面，對于很高的數(shù)據(jù)速率，電放大器的實現(xiàn)代價也是很大的。圖3一9三種再面功能示意圖目前在長途干線和DWDM中廣泛使用的光放大器是對單個或多個波長光信號直接放大，從功能上來看它屬于1R再生器。

光放大器是提升衰減的光信號、延長光纖的傳輸距離的關(guān)鍵器件。光纖放大器有兩類。一類是利用在光纖纖芯摻入稀土元素（如鉺、鐠等）構(gòu)成的放大器，如摻鉺光纖放大器（EDFA）、摻鐠光纖（PDFA）放大器等；另一類是利用光纖中的非線性效應(yīng)所構(gòu)成的放大器，如受激布里淵散射SBA放大器、受激拉曼散射SRA放大器。

光放大器的主要特性有：增益、增益效率、增益波動、增益帶寬、增益飽和以及噪聲。

（1）增益是輸出光功率與輸入光功率的比值（dB為單位）。

（2）增益效率是增益對輸入光功率的函數(shù)。

（3）增益帶寬是放大器放大信號的冇效頻率范圍。

（4）增益飽和，增益飽和時增益隨信號功率增加而減小。

（5）增益波動是增益帶寬內(nèi)的増益變化范lfl（以dB為單位）。

（6）與放大光信號有關(guān)的噪聲包括兩個方面：光場噪聲和強度/光電流噪聲。光場噪聲中圾主要的噪聲是光放大器中輸出的ASE（放大的自發(fā)輻射）噪聲。強度/光電流噪聲是指與光束相聯(lián)系的功率或光電流的波動，常見的強度噪聲類型有：①散粒噪聲；②信號與自發(fā)輻射差拍噪聲；③自發(fā)輻射與自發(fā)輻射差拍噪聲等。

下面對常用的光放大器進行簡要的介紹。

1.摻鉺光纖放大器（EDFA）

（1）EDFA的放大原理

鉺（Er）是一種稀土元索，在制造光纖過程中，向其摻入一定童的三價鉺離子，便形成了摻鉺光纖（roFh如閣3-10所示，鉺離子位于EDF的纖芯中央地帶，將鉺離子放在這里有利于其S大地吸收泵浦和信號能量，從而產(chǎn)生好的放大效果。

鉺的能級圖如圖3-11所示，其發(fā)光原理寸用三能級系統(tǒng)來解釋，基態(tài)為4115/2,激發(fā)態(tài)為4113/2,4I11/2o在泵浦光的激勵下41|1/2能級上粒子數(shù)不斷增加，又由于其上的粒子不穩(wěn)定很快躍遷到亞穩(wěn)態(tài)4113/2能級，從而實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)具有1550nm波長的光信號通過這段摻鉺光纖時，亞穩(wěn)態(tài)的粒子以受激輻射的形式躍遷到基態(tài)，并產(chǎn)生出和入射光信號中的光子一模一樣的光子，從而大大增加了信號光中的光子數(shù)量，即實現(xiàn)了信號光在摻鉺光纖的傳輸過程中不斷被放大的功能，摻鉺光纖放大器也由此得名。

在鉺粒子受激輻射的過程中，有少部分粒子以自發(fā)輻射形式自己躍遷到基態(tài)，產(chǎn)生帶寬極寬且雜亂無章的光子，并在傳播中不斷地得到放大，從而形成了自發(fā)輻射放大（ASE）噪聲，并消耗了部分泵浦功率，因此，需增設(shè)光濾波器，以降低ASE噪聲對系統(tǒng)的影響。目前，由于980nm和]480nm的泵浦效率高于其他波長的泵浦效率，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

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