对于一个长距离的通讯系统来说，高密度波长多工（Dense Wavelength Divis ion Multiplexing；DWDM）是近年来在技术上已发展成熟并且可以提供大量频宽的技术，理论上若我们以40Gbps传输速度，在光纤骨干中塞入C band中的四十个通道，那这系统中就将会有TG/s级的传输频宽。基本上，DWDM系统是由光发射器（Transmitter）、光接收器（Receiver）、光多工器（Multiplexer）、光解多工器（Demultiplexer）、光放大器（Optical amplifier）、光增加/卸载多工器等元件所组成。
其中光放大器是长距离传输系统不可或缺的重要元件。因为光讯号在光系统中行进一定会衰减，没有光放大器，讯号是不可能传输到几百甚至几千公里处。并且现今DWDM系统的波长频道分布取决于光放大器的工作波长范围，例如系统用掺铒光纤放大器（Erbium doped fiber amplifier），波长范围约为1530nm到1610nm，用的是光纤拉曼放大器（Fiber Raman amplifier）或半导体光放大器（semiconductor optical amplifier），那系统的波长范围可从1300nm到1600nm，可见光放大器在DWDM系统中，扮演非常重要的角色，现今系统，大多用掺铒光纤放大器，对于此种放大器，目前有很多量测法，将会在后面探讨，而其他如拉曼放大器、半导体光放大器，通常用源内差法（ Interpolation with source subtraction；ISS）的方式量测。
光放大器的种类
光放大器的种类，主要可以分为两种，圆型（Circular type）和非圆型（Non-circular type），对于圆型光放大器，目前常被拿来应用和讨论的有掺铒光纤放大器、拉曼放大器（Raman amplifier）；而非圆型光放大器，常见的则是半导体光放大器和掺铒波导放大器（Erbium doped waveguide amplifier）。本文主要是介绍掺铒光纤放大器的特性和光放大器量测系统。若我们以光放大器在光纤系统的应用位置来看，又可以分为推进放大器（Booster amplifier）、中继放大器（In-line amplifier）、前置放大器（Pre-amplifier）。推进放大器通常放置在光发射器之后，目的是将信号大幅放大使其能传输到较远的距离，所以输出功率是重要规格。中继放大器是放在光传输系统中间部分，通常间距为70～80公里，主要目的是补偿功率的衰减。主要规格是信号增益（Signal gain）和杂讯指数（Noise figure）。前置放大器是放在光接收器的前端，其信号增益并不需要很大，但是杂讯指数要低，才不会造成误码率上升。
掺铒光纤放大器
基本的掺铒光纤放大器之结构是油泵激雷射(Pump Laser)、耦合器(Coupler)、掺铒光纤及一个隔绝器(Isolator)所构成,如(图一)。
泵激雷射将1480nm或980nm的能量打入掺铒光纤后，将被铒离子吸收，就会使得内部的电子产生跃迁到亚稳态（metastable state），若此时没有讯号光源耦合进入掺铒光纤，掺铒光纤将自行释放能量，这个现象叫做自发辐射（Spontaneous Emission），其能带约从1520nm到1570nm，若此时有讯号光源进入（在放大能带中）则会产生激发辐射（Stimulation Emission）使其在亚稳态的电子跃迁到基态，放出和讯号光源的波长，极化态一样的光子，这就是放大讯号的机制。如(图二)。
对于自发辐射，它的能带分布约是从1520nm到1570nm，并且是非极化、非同方向和非同调的光子，这些光子在光纤中又会对其他亚稳态的电子造成激发辐射，因此随着光纤两侧被不断放大，但有一部份因方向无法耦合于光纤中而消失。这种自发辐射被放大的现象，我们叫做放大自发辐射（Amplified Spontaneous Emission）。在量测放大器的杂讯指数时，就必须先量测到放大自发辐射，再由公式计算出来。
掺铒光纤放大器的特性
对于掺铒光纤放大器的特性，首先我们先看它的输出光谱，如(图三)，虚线部分是输入讯号不存在时的放大自发辐射光谱，实线部分是因有输入讯号，而其大部分激发态电子能量作用于放大入射讯号，使得放大自发辐射的效应变小，所形成的光谱。
掺铒光纤放大器的时域特性，对量测也是非常重要的，在所有量测法中，时域消光法（Time Domain Extinction），和杂讯增益法（Noise Gain Profile）就是利用掺铒光纤放大器的时域特性来量测放大自发辐射光谱。例如：对于掺铒光纤放大器给予500Hz的调变讯号，可以在光示波器看到如(图四)的结果。注意在雷射状态为off时，其时间常数（time costant）为0.2ms～0.8ms，所以若看0.01ms的位址，其相当于讯号刚被切掉，但是掺铒光纤放大器所输出的放大自发辐射光谱相当于讯号还存在时的放大自发辐射光谱。如此，我们利用这点，用光频谱分析仪把放大自发辐射量出来。
光放大器的量测参数
光放大器的测量参数常见的有光增益或信号增益、杂讯指数、输出功率及平坦度。其中信号增益、杂讯指数是常拿来评鉴放大器好坏的重要指标。
- (1)光增益：光增益（Gain）为光放大器的重要量测项目之一，其基本定义为光输入信号功率和光输出信号功率的比值，一般换算成dB表示。
| 《公式一:Gain（dB）＝10 log10（Sout/Sin）》 |
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- (2)杂讯指数：也是光放大器的重要量测项目之一，基本上和电的杂讯指数定义是一样的。为输入信号的讯杂比和输出信号的讯杂比之比值。
- 经过推导后，对于掺铒光纤放大器，常用来计算杂讯指数的式子是：
- 其中ρ ASE为ASE的能量密度、G为信号增益、h为浦朗克常数、ν为光频率。
- (3)输出功率：就是用光谱分析仪或光功率计去量光放大器的输出功率。
- 增益平坦：量出光增益之后，其最大值和最小值的差。
关于掺铒光纤放大器的一些特性，包括光谱烧孔和极化烧孔效应，可能引起的量测误差与其他光放大器量测的要领，将在下一篇文章中，做进一步的说明与介绍。 （作者为台湾安捷伦科技技术顾问）
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