在光纤通信系统中，随着传输速率的增加，传统的O/E/O中继方式的成本迅速增加。长时间以来，一直在寻找光放大的方法来替代传统的O/E/O中继方式，并延长传输距离。光放大器能直接放大光信号，通过补偿传输中功率的损失而延长无电中继的传输距离，从而大大简化系统结构，降低系统成本。另外，光放大器能够同时透明地放大多路高速WDM信号，使得整个系统更加简单和灵活。

（一）光放大器简述

光放大器是可将微弱光信号直接进行光放大的器件。目前研制的光放大器分为光纤放大器（OFA）和半导体光放大器（SOA）两大类。

半导体光放大器SOA早期因受噪声、偏振相关性等因素的影响，性能达不到实用要求。但SOA结构简单、适于批量生产、成本低、寿命长、功耗小，还能与其他部件一块集成以及使用波长范围可望覆盖EDFA和PDFA的应用窗口。因此，SOA是进一步研究的重要器件。

光纤放大器（OpticalFiberAmplifier，OFA）是指运用于光纤通信线路中，实现信号放大的一种新型全光放大器。根据它在光纤线路中的位置和作用，一般分为中继放大、前置放大和功率放大3种。同传统的半导体光放大器（SOA）相比较，OFA不需要经过光电转换、电光转换和信号再生等复杂过程，可直接对信号进行全光放大，具有很好的“透明性”，特别适用于长途光通信的中继放大。可以说，OFA为实现全光通信奠定了一项技术基础。

（二）光纤放大器及其分类

根据放大机制不同，OFA可分为掺稀土OFA与非线性OFA两大类。

1．掺稀土OFA

这种光纤放大器在制作光纤时，采用特殊工艺，在光纤芯层沉积中掺入极小浓度的稀土元素，如铒、镨或铷等离子，可制作出相应的掺铒、掺镨或掺铷光纤。光纤中掺杂离子在受到泵浦光激励后跃迁到亚稳定的高激发态，在信号光诱导下，产生受激辐射，形成对信号光的相干放大。这种OFA实质上是一种特殊的激光器，它的工作腔是一段掺稀土粒子光纤，泵浦光源一般采用半导体激光器。

2．非线性OFA

非线性OFA是利用光纤的非线性效应实现对信号光放大的一种激光放大器。当光纤中光功率密度达到一定阈值时，将产生受激拉曼散射（SRS）或受激布里渊散射（SBS），形成对信号光的相干放大。非线性OFA可相应分为拉曼光纤放大器（SRA）和布里渊光纤放大器（BRA）。目前研制出的SRA尚未商用化。

（三）掺铒光纤放大器

铒（Er）是一种稀土元素（属于镧系元素），原子序数是68，原子量是167．3。掺铒光纤放大器EDFA（ErbiumDopedFiberAmplifier）是20世纪80年代后期发展起来的新型光纤通信产品。它的研制成功，打破了光纤通信传输距离受光纤损耗的限制，使全光通信距离延长至几千千米，给光纤通信带来了革命性的变化，被誉为光纤通信发展的一个“里程碑”。掺铒光纤放大器的工作光谱波段为1530～1560nm，与光纤通信的1550nm这个窗口完全匹配。

掺铒光纤放大器可以对光信号进行直接光放大，具有增益高、输出功率大、噪声低、响应速度快、对信号的编码格式没有要求等优点，因此在光纤传输系统中有广泛的用途。它可以用作光的功率放大器、中继放大器和前置放大器，可以用于数字的和模拟的光纤通信系统、CATV系统和光纤传输网络。

由于掺铒光纤放大器的出现，使无中继的光纤传输距离大大延长，使密集波分复用成为可能，使复杂的光纤网络的构造成为可行，也使光孤子技术等先进光纤通信技术取得突破性进展。

掺铒光纤放大器EDFA是由掺铒光纤、泵浦光源、波分复用器构成。

掺铒光纤（EDF）和高功率泵浦光源是EDFA的关键器件，把泵浦光与信号光耦合在一起的波分复用器和置于两端防止光反射的光隔离器也是不可缺少的。(www.daowen.com)

设计高增益掺铒光纤是实现光纤放大器的技术关键，EDFA的增益取决于E的浓度、光纤长度和直径以及泵浦光功率等多种因素，通常由实验获得最佳增益。

对波分复用器的基本要求：插入损耗小。熔拉双锥光纤耦合器型和干涉滤波型波分复用器最适用。光隔离器的作用：防止光反射，保证系统稳定工作和减小噪声。对光隔离器的基本要求：插入损耗小，反射损耗大。

EDFA的主要优点如下。

（1）工作波长正好落在光纤通信最佳波段（1500～1600nm）；其主体是一段光纤（EDF），与传输光纤的耦合损耗很小，可达0.1dB。

（2）增益高，为30～40dB；饱和输出光功率大，为10～15dBm；增益特性与光偏振状态无关。

（3）噪声指数小，一般为4～7dB（极限约为3dB）；用于多信道传输时，隔离度大，无串扰，适用于波分复用系统。

（4）频带宽，在1550nm窗口，频带宽度为20～40nm，可进行多信道传输，有利于增加传输容量。

（四）拉曼光纤激光放大器

EDFA是线路上使用最广泛的光放大器。但是EDFA尚存在诸多不足之处：首先是对于所利用单模光纤低损耗区的巨大带宽资源而言，明显存在着工作波段和带宽的局限性；其次是自发辐射噪声的影响，尤其是当系统级联时，自发辐射噪声的影响会大大降低系统接收机端的信噪比。光纤拉曼放大器（FRA）的出现弥补了EDFA的不足，逐渐引起人们的重视，有望在宽带长距离传输系统上广泛使用。

拉曼光纤放大器的原理是基于光纤中的非线性效应：受激拉曼散射（SRS）。拉曼现象早在1928年就被Chandrasekhara Raman爵士所发现。目前对SRS效应的研究已形成一套比较完整的理论体系。在许多非线性光学介质中，高能量（波长较短）的泵浦光散射，将一小部分入射功率转移到另一频率下移的光束，频率下移量由介质的振动模式决定，此过程称为拉曼效应。

研究发现，石英光纤具有很宽的受激拉曼散射（SRS）增益谱，并在13THz附近有一较宽的主峰。如果一个弱信号与一强泵浦光波同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，弱信号光即可得到放大，这种基于受激拉曼散射机制的光放大器即称为拉曼光纤放大器。

拉曼光纤放大器有以下3个突出的特点。

（1）其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。

（2）其增益介质为传输光纤本身。

（3）噪声系数低。

拉曼光纤放大器结合EDFA等稀土掺杂光纤放大器必将成为未来宽带、高速、远距离光纤通信传输的理想光放大形式。