通信工程师传输与接入考试光放大器[1]

3.5 光放大器

在光放大器研制成功之前，主要采用光电混合中继器（或称再生器）放大光信号。再生器首先将光纤中送来的光信号转换为电信号，然后对电信号进行处理，最后将电信号转换为光信号送到光纤中去。根据不同的要求再生器可分为三种类型：只有放大和均衡功能的1R再生器，在1R再生器的基础上加上数字信号处理如整形的2R再生器，在2R再生器的基础上增加重新定时与判决功能的3R再生器。它们的功能如图3-9所示。

尽管再生器对于单波长低速率的通信是很适用的，但对于高速率的多个波长系统显然是相当复杂：每一波长就需一个再生器，如有W个波长就需要W个这样的再生器，造价是相当高的。另一方面，对于很高的数据速率，电放大器的实现代价也是很大的。图3一9三种再面功能示意图目前在长途干线和DWDM中广泛使用的光放大器是对单个或多个波长光信号直接放大，从功能上来看它属于1R再生器。

光放大器是提升衰减的光信号、延长光纤的传输距离的关键器件。光纤放大器有两类。一类是利用在光纤纤芯掺入稀土元素（如铒、镨等）构成的放大器，如掺铒光纤放大器（EDFA）、掺镨光纤（PDFA）放大器等；另一类是利用光纤中的非线性效应所构成的放大器，如受激布里渊散射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、增益波动、增益带宽、增益饱和以及噪声。

（1）增益是输出光功率与输入光功率的比值（dB为单位）。

（2）增益效率是增益对输入光功率的函数。

（3）增益带宽是放大器放大信号的冇效频率范围。

（4）增益饱和，增益饱和时增益随信号功率增加而减小。

（5）增益波动是增益带宽内的増益变化范lfl（以dB为单位）。

（6）与放大光信号有关的噪声包括两个方面：光场噪声和强度/光电流噪声。光场噪声中圾主要的噪声是光放大器中输出的ASE（放大的自发辐射）噪声。强度/光电流噪声是指与光束相联系的功率或光电流的波动，常见的强度噪声类型有：①散粒噪声；②信号与自发辐射差拍噪声；③自发辐射与自发辐射差拍噪声等。

下面对常用的光放大器进行简要的介绍。

1.掺铒光纤放大器（EDFA）

（1）EDFA的放大原理

铒（Er）是一种稀土元索，在制造光纤过程中，向其掺入一定童的三价铒离子，便形成了掺铒光纤（roFh如阁3-10所示，铒离子位于EDF的纤芯中央地带，将铒离子放在这里有利于其S大地吸收泵浦和信号能量，从而产生好的放大效果。

铒的能级图如图3-11所示，其发光原理寸用三能级系统来解释，基态为4115/2,激发态为4113/2,4I11/2o在泵浦光的激励下41|1/2能级上粒子数不断增加，又由于其上的粒子不稳定很快跃迁到亚稳态4113/2能级，从而实现了粒子数反转。当具有1550nm波长的光信号通过这段掺铒光纤时，亚稳态的粒子以受激辐射的形式跃迁到基态，并产生出和入射光信号中的光子一模一样的光子，从而大大增加了信号光中的光子数量，即实现了信号光在掺铒光纤的传输过程中不断被放大的功能，掺铒光纤放大器也由此得名。

在铒粒子受激辐射的过程中，有少部分粒子以自发辐射形式自己跃迁到基态，产生带宽极宽且杂乱无章的光子，并在传播中不断地得到放大，从而形成了自发辐射放大（ASE）噪声，并消耗了部分泵浦功率，因此，需增设光滤波器，以降低ASE噪声对系统的影响。目前，由于980nm和]480nm的泵浦效率高于其他波长的泵浦效率，因此得到了广泛的应用。

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