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   光纖通信在進(jìn)行長距離傳輸時，由于光纖中存在損耗和色散.使得光信號能量降低、光脈沖發(fā)生展寬。因此每隔一定距離就需設(shè)置一個中繼器，以便對信號進(jìn)行放大和再生，然后送入光纖繼續(xù)傳輸。傳統(tǒng)采用的方案是光一電一光的中繼器，其工作原理是先將接收到的微弱光信號經(jīng)光電檢測器轉(zhuǎn)換成電流信號，然后對此電信號進(jìn)行放大、均衡、判決等使信號再生，最后再通過半導(dǎo)體激光器完成電光轉(zhuǎn)換，重新發(fā)送到下一段光纖中去。在光纖通信系統(tǒng)傳輸速率不斷提高的現(xiàn)代通信中，這種光一電一光的中繼變換處理方式的成本迅速增加.已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代通信傳輸?shù)囊蟆?br />

       長時間以來，人們一直在尋找用光放大的方法來替代傳統(tǒng)的中繼方式，并延長中繼距離。光放大器能直接放大光信號，無須轉(zhuǎn)換成電信號，對信號的格式和速率具有高度的透明性.使得整個光纖通信傳輸系統(tǒng)更加簡單和靈活。它的出現(xiàn)和實(shí)用化在光纖通信中引起一場革命。

       目前研成功制出的光放大器有半導(dǎo)體光放大器和光纖放大器兩大類。每一類又有不同的應(yīng)用結(jié)構(gòu)和形式。

1.半導(dǎo)體光放大器

       半導(dǎo)體光放大器的結(jié)構(gòu)如圖9.32所示。半導(dǎo)體光放大器是一個具有或不具有端面反射的半導(dǎo)體激光器。其結(jié)構(gòu)和工作原理與半導(dǎo)體激光器非常相似。當(dāng)給器件加偏置電流時，電流可以使半導(dǎo)體增益物質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生自發(fā)輻射•當(dāng)外光場入射時會發(fā)生受激輻射。受激輻射產(chǎn)生信號增益。當(dāng)然自發(fā)輻射本身也將被放大并產(chǎn)生隨機(jī)起伏的放大器噪聲，稱為ASE（被放大的自發(fā)輻射）噪聲。

圖32   半導(dǎo)體guang光放大器結(jié)構(gòu)

      半導(dǎo)體光放大器的特點(diǎn)是：尺寸很小；增益較高，一般在15?30dB；頻帶寬，一般為50?70nm。存在的主要問題是與光纖的耦合損耗大，為5?8dB；由于增益與偏振態(tài)、溫度等因素有關(guān)，因此穩(wěn)定性差；在高速光信號的放大上，仍存在問題；輸出功率小，噪聲系數(shù)較大。

2.光纖放大器

       光纖放大器分為稀土摻雜光纖放大器和利用非線性效應(yīng)制作的常規(guī)光纖放大器。

       稀土摻雜光纖放大器是利用光纖中稀土摻雜物質(zhì)引起的增益機(jī)制實(shí)現(xiàn)光放大的。摻雜的稀土元素有餌（Er）、錯（Pr）、餌億（Er：Yb）共摻雜等。其中摻餌光纖放大器（EDFA）的工作波長為1550nm波段；摻錯光纖放大器（PDFA）的工作波長為1300nm波段。

       EDFA的工作波長為1550nm,與光纖的低損耗窗口一致，是最具吸引力和最為成熟的光纖放大器。它的典型結(jié)構(gòu)如圖33所示。它包括光路結(jié)構(gòu)和輔助電路部分。光路部分由摻餌光纖、泵浦光源、光耦合器、光隔離器和光濾波器組成。輔助電路主要有電源、自動控制部分和保護(hù)電路。

圖33   EDFA的典型結(jié)構(gòu)

       摻鉗光纖是EDFA的核心，它以石英光纖作基礎(chǔ)材料.在光纖芯子中摻入一定比例的稀土元素一餌離子（Er3+）。這樣形成了一種特殊的光纖，這種光纖在一定的泵浦光激勵下，處于低能級的Er3+可以吸收泵浦光的能量，向高能級躍遷。Er3+的能級結(jié)構(gòu)圖如圖9.34所示。由于Er3+在高能級上的壽命很短，很快以無輻射的形式躍遷到亞穩(wěn)態(tài)（4昂〃能級），在該能級上，Er3+有較長的壽命，從而在亞穩(wěn)態(tài)和和基態(tài)之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。當(dāng)1550nm波段的光信號通過這段摻銅光纖時，亞穩(wěn)態(tài)的Er3+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，大大增加了信號光中的光子數(shù)量.實(shí)現(xiàn)了信號光在摻餌光纖中的放大。

      EDFA中的泵浦光源為信號光的放大提供足夠的能量，它使處于低能級的EF+被提升到高能級上，使摻供光纖達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。一般釆用的泵浦光源是半導(dǎo)體激光二極管,其泵浦波長有800nm、980nm和1480nm三種。其中應(yīng)用最多的是980nm的泵浦光源,因?yàn)?80nm的泵源具有噪聲低、泵浦效率高、驅(qū)動電流小、增益平坦性好等優(yōu)點(diǎn)。