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光纖通信在進行長距離傳輸時，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置一個中繼器，以便對信號進行放大和再生，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光電檢測器轉換成電流信號，然后對此電信號進行放大、均衡、判決等使信號再生，最后再通過半導體激光器完成電光轉換，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體光放大器和光纖放大器兩大類。每一類又有不同的應用結構和形式。
1.半導體光放大器
半導體光放大器的結構如圖9.32所示。半導體光放大器是一個具有或不具有端面反射的半導體激光器。其結構和工作原理與半導體激光器非常相似。當給器件加偏置電流時，電流可以使半導體增益物質產生粒子數(shù)反轉，使電子從價帶躍遷到導帶，從而產生自發(fā)輻射•當外光場入射時會發(fā)生受激輻射。受激輻射產生信號增益。當然自發(fā)輻射本身也將被放大并產生隨機起伏的放大器噪聲，稱為ASE（被放大的自發(fā)輻射）噪聲。
圖32 半導體guang光放大器結構
半導體光放大器的特點是：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，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引起的增益機制實現(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。它的典型結構如圖33所示。它包括光路結構和輔助電路部分。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電路。
圖33 EDFA的典型結構
摻鉗光纖是EDFA的核心，它以石英光纖作基礎材料.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+的能級結構圖如圖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)反轉分布。當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，使摻供光纖達到粒子數(shù)反轉分布。一般釆用的泵浦光源是半導體激光二極管,其泵浦波長有800nm、980nm和1480nm三種。其中應用最多的是980nm的泵浦光源,因為980nm的泵源具有噪聲低、泵浦效率高、驅動電流小、增益平坦性好等優(yōu)點。
