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(hào)。再生器首先將光纖中送來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理，最后將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)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(hào)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(shí)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(duì)于單波長(zhǎng)低速率的通信是很適用的，但對(duì)于高速率的多個(gè)波長(zhǎng)系統(tǒng)顯然是相當(dāng)復(fù)雜：每一波長(zhǎng)就需一個(gè)再生器，如有W個(gè)波長(zhǎng)就需要W個(gè)這樣的再生器，造價(jià)是相當(dāng)高的。另一方面，對(duì)于很高的數(shù)據(jù)速率，電放大器的實(shí)現(xiàn)代價(jià)也是很大的。圖3一9三種再面功能示意圖目前在長(zhǎng)途干線和DWDM中廣泛使用的光放大器是對(duì)單個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)光信號(hào)直接放大，從功能上來(lái)看它屬于1R再生器。

光放大器是提升衰減的光信號(hào)、延長(zhǎng)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(dòng)、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(duì)輸入光功率的函數(shù)。

（3）增益帶寬是放大器放大信號(hào)的冇效頻率范圍。

（4）增益飽和，增益飽和時(shí)增益隨信號(hào)功率增加而減小。

（5）增益波動(dòng)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(hào)有關(guān)的噪聲包括兩個(gè)方面：光場(chǎng)噪聲和強(qiáng)度/光電流噪聲。光場(chǎng)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(qiáng)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(dòng)，常見(jiàn)的強(qiáng)度噪聲類型有：①散粒噪聲；②信號(hào)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(duì)常用的光放大器進(jìn)行簡(jiǎn)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(guò)程中，向其摻入一定童的三價(jià)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(hào)能量，從而產(chǎn)生好的放大效果。

鉺的能級(jí)圖如圖3-11所示，其發(fā)光原理寸用三能級(jí)系統(tǒng)來(lái)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(lì)下41|1/2能級(jí)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(jí)，從而實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)具有1550nm波長(zhǎng)的光信號(hào)通過(guò)這段摻鉺光纖時(shí)，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(hào)中的光子一模一樣的光子，從而大大增加了信號(hào)光中的光子數(shù)量，即實(shí)現(xiàn)了信號(hào)光在摻鉺光纖的傳輸過(guò)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(guò)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(wú)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(duì)系統(tǒng)的影響。目前，由于980nm和]480nm的泵浦效率高于其他波長(zhǎng)的泵浦效率，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

[1]  [2]  [3]