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4.2.2 雪崩光电二极管（APD）
在长途光纤通信系统中，仅有毫瓦级的光功率从光发送机输出后，经光纤的长途传输，到达接收端的光信号十分微弱，一般仅有几个纳瓦。如果采用PIN光电二极管检测，那么输出的光电流仅有几个纳安，为了使光接收机的判决电路正常工作，必须对这个电流多级放大。由于在放大信号的过程中不可避免地会引入各种电路噪声，从而使光接收机的信噪比降低，灵敏度下降。为了克服PIN光电二极管的上述缺点，在光纤通信系统还采用一种具有内部电流放大作用的光电二极管，即雪崩二极管（APD）。雪崩二极管是利用光生载流子在耗尽区内的雪崩倍增效应，从而产生光电流的倍增作用。所谓雪崩倍增效应是指PN结外加高反向偏压后，在耗尽区内形成一个强电场。当耗尽区吸收光子时，激发出来的光生载流子被强电场加速，以极高的速度与耗尽区的晶格发生碰撞，产生新的光生载流子，并形成链锁反应，从而使光电流在光电二极管内部获得倍增。
雪崩二极管的增益和响应速度都优于PIN发光二极管，但其噪声特性差。
4.3 光放大器
我们知道光纤有一定的衰耗，光信号沿光纤传播将会衰减，传输距离受衰减的制约。因此，为了使信号传得更远，我们必须增强光信号。传统的增强光信号的方法是使用再生器。但是，这种方法存在许多缺点，首先，再生器只能工作在确定的信号比特率和信号格式下，不同的比特率和信号格式需要不同的再生器；其次，每一个信道需要一个再生器，网络的成本很高。于是，人们希望有一种不使用再生器也可以增强光信号的方法，即光放大技术。
4.3.1 光放大器概述
光放大器简单地增强光信号，如图1-10。
图1-10 光放大器
2004-01-12
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光放大器的工作不需要转换光信号到电信号，然后再转回光信号。这个特性导致光放大器比再生器有两大优势。第一，光放大器支持任何比特率和信号格式，因为光放大器简单地放大所收到的信号。这种属性通常被描述为光放大器对任何比特率以及信号格式是透明的；第二，光放大器不仅支持单个信号波长放大－像再生器，而且支持一定波长范围的光信号放大。而且，只有光放大器能够支持多种比特率、各种调制格式和不同波长的时分复用和波分复用网络。实际上，只有光放大器特别是EDFA的出现， WDM 技术才真正在光纤通信中扮演重要角色。EDFA 是现在最流行的光放大器，它的出现把波分复用和全光网络的理论变成现实。
现在有两种主要类型的光放大器在使用：半导体光放大器（SOA）和光纤光放大器（FOA）。半导体光放大器实质上是半导体激光器的活性介质。换句话说，一个半导体放大器是一个没有或有很少光反馈的激光二极管。 光纤放大器与半导体放大器不同，光纤放大器的活性介质（或称增益介质）是一段特殊的光纤或传输光纤，并且和泵浦激光器相连；当信号光通过这一段光纤时，信号光被放大。光纤放大器又可以分为掺稀土离子光纤放大器（Rare Earth Ion Doped Fiber Amplifier）和非线性光纤放大器。像半导体放大器一样，掺稀土离子光纤放大器的工作原理也是受激辐射；而非线性光纤放大器是利用光纤的非线性效应放大光信号。实用化的光纤放大器有掺铒光纤放大器（EDFA）和光纤拉曼放大器（Raman Fiber Amplifier）。 EDFA（Erbium Doped Fiber Amplifier）掺铒光纤放大器作为新一代光通信系统的关键部件，具有增益高、输出功率大、工作光学带宽较宽、与偏振无关、噪声指数较低、放大特性与系统比特率和数据格式无关等优点。它是大容量DWDM系统中必不可少的关键部件。
根据EDFA在DWDM光传输网络中的位置，可以分功率放大器（Booster Amplfier)，简称BA；线路放大器（Line Amplifier)，简称LA；前置放大器（preamplifier)，简称PA。
光纤拉曼放大器的增益波长由泵浦光波长决定，只要泵浦源的波长适当，理论上可得到任意波长的信号放大，其增益介质为传输光纤本身、噪声指数低。当与常规EDFA混合使用时可大大降低系统的噪声指数，增加传输跨距。
4.3.2 掺铒光纤（EDF）
掺铒光纤是光纤放大器的核心，它是一种内部掺有一定浓度Er3+的光纤，为了阐明其放大原理，需要从铒离子的能级图讲起。铒离子的外层电子具有三
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能级结构（图1-11中E1、E2和E3），其中E1是基态能级，E2是亚稳态能级，E3是高能级，如图1-11所示。
E3激发态驰豫泵浦光1550nm信号光1550nm信号光E1 基态E2 亚稳态 图1-11 EDFA能级图
当用高能量的泵浦激光器来激励掺铒光纤时，可以使铒离子的束缚电子从基态能级大量激发到高能级E3上。然而，高能级是不稳定的，因而铒离子很快会经历无辐射衰减（即不释放光子）落入亚稳态能级E2。而E2能级是一个亚稳态的能带，在该能级上，粒子的存活寿命较长，受到泵浦光激励的粒子，以非辐射跃迁的形式不断地向该能级汇集，从而实现粒子数反转分布。当具有1550nm波长的光信号通过这段掺饵光纤时，亚稳态的粒子以受激辐射的形式跃迁到基态，并产生出和入射信号光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饵光纤传输过程中的不断被放大的功能。
4.3.3 EDFA增益平坦控制
在DWDM系统中，复用的光通路数越来越多，需要串接的光放大器数目也越来越多，因而要求单个光放大器占据的谱宽也越来越宽。
然而，普通的以纯硅光纤为基础的掺饵光纤放大器（EDFA）的增益平坦区很窄，仅在1549至1561nm之间，大约12nm的范围，在1530至1542nm之间的增益起伏很大，可高达8dB左右。这样，当DWDM系统的通路安排超出增益平坦区时，在1540nm附近的通路会遭受严重的信噪比劣化，无法保证正常的信号输出。
为了解决上述问题，更好地适应DWDM系统的发展，人们开发出以掺铝的硅光纤为基础的增益平坦型EDFA放大器，大大地改善了EDFA的工作波长带宽，平抑了增益的波动。目前的成熟技术已经能够做到1dB增益平坦区并且几乎扩展到整个铒通带（1525nm~1560nm），基本解决了普通EDFA的
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增益不平坦问题。未掺铝的EDFA和掺铝的EDFA的增益曲线对比如图1-12所示。
1525nm-1565nm 不掺铝的EDFA增益增益1525nm-1565nm 掺铝的EDFA
图1-12 EDFA增益曲线平坦性的改进
技术上，将EDFA光放大器增益曲线中1525nm~1540nm范围称做蓝带区，将1540nm~1565nm范围称做红带区，一般来说，当传输的容量小于40Gbit/s时，优先使用红带区。
? 说明：技术细节
EDFA增益不平坦和平坦性能比较如图3-8所示。
放大器增益不平坦的级联放大放大器增益平坦的级联放大图1-13 EDFA增益平坦示意图
4.3.4 EDFA的增益锁定
EDFA的增益锁定是一个重要问题，因为WDM系统是一个多波长的工作系统，当某些波长信号失去时，由于增益竞争，其能量会转移到那些未丢失的信号上，使其它波长的功率变高。在接收端，由于电平的突然提高可能引起误码，而且在极限情况下，如果8路波长中7路丢失时，所有的功率都集中
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到所剩的一路波长上，功率可能会达到17dBm左右，这将带来强烈的非线性或接收机接收功率过载，也会带来大量误码。
EDFA的增益锁定有许多种技术，典型的有控制泵浦光源增益的方法。EDFA内部的监测电路通过监测输入和输出功率的比值来控制泵浦源的输出，当输入波长某些信号丢失时，输入功率会减小，输出功率和输入功率的比值会增加，通过反馈电路，降低泵浦源的输出功率，保持EDFA增益（输出/输入）不变，从而使EDFA的总输出功率减少，保持输出信号电平的稳定。如图1-14所示。
INPUTOUTPUTTAPPINP U M PTAPPIN非线性控制 图1-14 控制泵浦光源增益锁定技术
另外还有饱和波长的方法。在发送端，除了8路工作波长外，系统还发送另一个波长作为饱和波长，在正常情况下，该波长的输出功率很小，当线路的某些信号丢失时，饱和波长的输出功率会自动增加，用以补偿丢失的各波长信号的能量，从而保持EDFA输出功率和增益保持恒定，当线路的多波长信号恢复时，饱和波长的输出功率会相应减少，这种方法直接控制饱和波长激光器的输出，速度较控制泵浦源要快一些。
? 说明：技术细节
EDFA增益不锁定和锁定性能比较：
掉波>1dB上波>1dB
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