對於一個長距離的通訊系統來說，高密度波長多工（Dense Wavelength Divis ion Multiplexing；DWDM）是近年來在技術上已發展成熟並且可以提供大量頻寬的技術，理論上若我們以40Gbps傳輸速度，在光纖骨幹中塞入C band中的四十個通道，那這系統中就將會有TG/s級的傳輸頻寬。基本上，DWDM系統是由光發射器（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/卸載多工器等元件所組成。
其中光放大器是長距離傳輸系統不可或缺的重要元件。因為光訊號在光系統中行進一定會衰減，沒有光放大器，訊號是不可能傳輸到幾百甚至幾千公里處。並且現今DWDM系統的波長頻道分佈取決於光放大器的工作波長範圍，例如系統用摻鉺光纖放大器（Erbium doped fiber amplifier），波長範圍約為1530nm到1610nm，用的是光纖拉曼放大器（Fiber Raman amplifier）或半導體光放大器（semiconductor optical amplifier），那系統的波長範圍可從1300nm到1600nm，可見光放大器在DWDM系統中，扮演非常重要的角色，現今系統，大多用摻鉺光纖放大器，對於此種放大器，目前有很多量測法，將會在後面探討，而其他如拉曼放大器、半導體光放大器，通常用源內差法（Interpolation with source subtraction；ISS）的方式量測。
光放大器的種類
光放大器的種類，主要可以分為兩種，圓型（Circular type）和非圓型（Non-circular type），對於圓型光放大器，目前常被拿來應用和討論的有摻鉺光纖放大器、拉曼放大器（Raman amplifier）；而非圓型光放大器，常見的則是半導體光放大器和摻鉺波導放大器（Erbium doped waveguide amplifier）。本文主要是介紹摻鉺光纖放大器的特性和光放大器量測系統。若我們以光放大器在光纖系統的應用位置來看，又可以分為推進放大器（Booster amplifier）、中繼放大器（In-line amplifier）、前置放大器（Pre-amplifier）。推進放大器通常放置在光發射器之後，目的是將信號大幅放大使其能傳輸到較遠的距離，所以輸出功率是重要規格。中繼放大器是放在光傳輸系統中間部分，通常間距為70～80公里，主要目的是補償功率的衰減。主要規格是信號增益（Signal gain）和雜訊指數（Noise figure）。前置放大器是放在光接收器的前端，其信號增益並不需要很大，但是雜訊指數要低，才不會造成誤碼率上升。
摻鉺光纖放大器
基本的摻鉺光纖放大器之結構是由泵激雷射（Pump Laser）、耦合器（Coupler）、摻鉺光纖及一個隔絕器（Isolator）所構成，如(圖一)。
泵激雷射將1480nm或980nm的能量打入摻鉺光纖後，將被鉺離子吸收，就會使得內部的電子產生躍遷到亞穩態（metastable state），若此時沒有訊號光源耦合進入摻鉺光纖，摻鉺光纖將自行釋放能量，這個現象叫做自發輻射（Spontaneous Emission），其能帶約從1520nm到1570nm，若此時有訊號光源進入（在放大能帶中）則會產生激發輻射（Stimulation Emission）使其在亞穩態的電子躍遷到基態，放出和訊號光源的波長，極化態一樣的光子，這就是放大訊號的機制。如(圖二)。
對於自發輻射，它的能帶分佈約是從1520nm到1570nm，並且是非極化、非同方向和非同調的光子，這些光子在光纖中又會對其他亞穩態的電子造成激發輻射，因此隨著光纖兩側被不斷放大，但有一部份因方向無法耦合於光纖中而消失。這種自發輻射被放大的現象，我們叫做放大自發輻射（Amplified Spontaneous Emission）。在量測放大器的雜訊指數時，就必須先量測到放大自發輻射，再由公式計算出來。
摻鉺光纖放大器的特性
對於摻鉺光纖放大器的特性，首先我們先看它的輸出光譜，如(圖三)，虛線部分是輸入訊號不存在時的放大自發輻射光譜，實線部分是因有輸入訊號，而其大部分激發態電子能量作用於放大入射訊號，使得放大自發輻射的效應變小，所形成的光譜。
摻鉺光纖放大器的時域特性，對量測也是非常重要的，在所有量測法中，時域消光法（Time Domain Extinction），和雜訊增益法（Noise Gain Profile）就是利用摻鉺光纖放大器的時域特性來量測放大自發輻射光譜。例如：對於摻鉺光纖放大器給予500Hz的調變訊號，可以在光示波器看到如(圖四)的結果。注意在雷射狀態為off時，其時間常數（time costant）為0.2ms～0.8ms，所以若看0.01ms的位址，其相當於訊號剛被切掉，但是摻鉺光纖放大器所輸出的放大自發輻射光譜相當於訊號還存在時的放大自發輻射光譜。如此，我們利用這點，用光頻譜分析儀把放大自發輻射量出來。
光放大器的量測參數
光放大器的測量參數常見的有光增益或信號增益、雜訊指數、輸出功率及平坦度。其中信號增益、雜訊指數是常拿來評鑑放大器好壞的重要指標。
- (1)光增益：光增益（Gain）為光放大器的重要量測項目之一，其基本定義為光輸入信號功率和光輸出信號功率的比值，一般換算成dB表示。
| 《公式一:Gain（dB）＝10 log10（Sout/Sin）》 |
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- (2)雜訊指數：也是光放大器的重要量測項目之一，基本上和電的雜訊指數定義是一樣的。為輸入信號的訊雜比和輸出信號的訊雜比之比值。
- 經過推導後，對於摻鉺光纖放大器，常用來計算雜訊指數的式子是：
- 其中ρASE為ASE的能量密度、G為信號增益、h為浦朗克常數、ν為光頻率。
- (3)輸出功率：就是用光譜分析儀或光功率計去量光放大器的輸出功率。
- 增益平坦：量出光增益之後，其最大值和最小值的差。
關於摻鉺光纖放大器的一些特性，包括光譜燒孔和極化燒孔效應，可能引起的量測誤差與其他光放大器量測的要領，將在下一篇文章中，做進一步的說明與介紹。（作者為台灣安捷倫科技技術顧問）
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