聊聊《光纤通信》原荣第三版第6章复习思考题参考答 ...

guozhiwei · 发表于 2023-8-11 10:14:01

　　原荣编著《光纤通信（第3版）》

　　第6章复习思考题

　　参考答案

　　6-1  EDFA的工作原理是什么？有哪些应用方式深部位移监测站的最新消息欢迎进入网站了解，网站有专业的客服人员进行详细的解答！

　　答：现在我们具体说明泵浦光是如何将能量转移给信号的。若掺铒离子的能级图用三能级表示，如图6.3.2（a）所示，其中能级E1代表基态，能量最低，能级E2代表中间能级，能级E3代表激发态，能量最高。若泵浦光的光子能量等于能级E3与E1之差，掺杂离子吸收泵浦光后，从基态E1升至激活态E3。但是激活态是不稳定的，激发到激活态能级E3的铒离子很快返回到能级E2。若信号光的光子能量等于能级E2和E1之差，则当处于能级E2的铒离子返回基态E1时就产生信号光子，这就是受激发射，使信号光放大获得增益。图6.3.2（b）表示EDFA的吸收和增益光谱。为了提高放大器的增益，应尽可能使基态铒离子激发到能级E3。从以上分析可知，能级E2和E1之差必须是相当于需要放大信号光的光子能量，而泵浦光的光子能量也必须保证使铒离子从基态E1跃迁到激活态E3。

　　图6.3.2  掺铒光纤放大器的工作原理

　　EDFA可作为光发射机功率增强放大器、接收机前置放大器，或者取代光-电-光中继器作为在线光中继器使用。在光纤系统中可延长中继距离，特别适用于长途越洋通信。在公用电话网和CATV分配网中，使用EDFA补偿分配损耗，可做到信号无损耗的分配。

　　另外，EDFA可在多信道系统中应用，因为EDFA的带宽与半导体光放大器（SOA）的一样都很宽（1~5 THz），使用光放大器可同时放大多个信道，只要多信道复合信号带宽比放大器带宽小就行。

　　EDFA具有相当大的带宽（=20~40 nm，或?f=2.66~5.32 THz），这就意味着可用来放大短至皮秒级的光脉冲而无畸变。从光波系统的应用观点出发，EDFA的潜在应用在于它们可放大ps级的脉冲而不发生畸变的能力。

　　6-2  EDFA有几种泵浦方式？哪种方式转换效率高？哪种噪声系数小

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　　第6章  复习思考题参考答案

　　答：使用0.98 ?m和1.48 ?m的半导体激光泵浦最有效。使用这两种波长的光泵浦EDFA时，只用几毫瓦的泵浦功率就可获得高达30~40 dB的放大器增益。采用1 480 nm的InGaAs多量子阱（MQW）激光泵浦源，其输出功率可达100 mW，该波长的泵浦增益系数较高。980 nm波长对EDFA泵浦，效率高，噪声低。

　　6-3  目前有几种光放大器？哪几种已商用化？请说出各自的优缺点。

　　答：目前有掺铒光纤放大器（EDFA）、分布光纤拉曼放大器（DRA）、半导体光放大器（SOA）、光纤布里渊放大器和掺镨光纤放大器，其中掺铒光纤放大器（EDFA）、分布光纤拉曼放大器（DRA）、半导体光放大器（SOA）、技术已经成熟，众多公司已有商品出售。

　　6-4  什么是掺铒光纤放大器

　　答：使用铒离子作为增益介质的光纤放大器称为掺铒光纤放大器（EDFA）。铒离子在光纤制作过程中被掺入光纤芯中，使用泵浦光直接对光信号放大，提供光增益。

　　6-5  画出EDFA的结构示意图，并简述各部分的作用

　　答：图6.3.1（a）为一个实用光纤放大器的构成方框图。光纤放大器的关键部件是掺铒光纤和高功率泵浦源，作为信号和泵浦光复用的波分复用器（WDM），以及为了防止光反馈和减小系统噪声在输入和输出端使用的光隔离器。

　　图6.3.1  EDFA组成图

　　6-6  EDFA有几种泵浦方式？

　　答：EDFA有980 nm光源泵浦和1 480 nm光源泵浦两种方式，980 nm光源泵浦时增益效率为10 dB/mW，用1 480 nm光源泵浦时为5.1 dB/mW。

　　6-7  简述EDFA的工作原理

　　答：若掺铒离子的能级图用三能级表示，如图6.3.2（a）所示，其中能级E1代表基态，能量最低，能级E2代表中间能级，能级E3代表激发态，能量最高。若泵浦光的光子能量等于能级E3与E1之差，掺杂离子吸收泵浦光后，从基态E1升至激活态E3。但是激活态是不稳定的，激发到激活态能级E3的铒离子很快返回到能级E2。若信号光的光子能量等于能级E2和E1之差，则当处于能级E2的铒离子返回基态E1时就产生信号光子，这就是受激发射，使信号光放大获得增益。图6.3.2（b）表示EDFA的吸收和增益光谱。为了提高放大器的增益，应尽可能使基态铒离子激发到能级E3。从以上分析可知，能级E2和E1之差必须是相当于需

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　　原荣编著《光纤通信（第3版）》

　　要放大信号光的光子能量，而泵浦光的光子能量也必须保证使铒离子从基态E1跃迁到激活态E3。

　　图6.3.2  掺铒光纤放大器的工作原理

　　6-8  EDFA的主要特性指标是什么？说明其含义

　　答：EDFA的主要特性指标有泵浦特性、增益频谱、小信号增益、增益饱和（或压缩）特性和放大器噪声。

　　使用0.98 ?m和1.48 ?m的半导体激光泵浦EDFA，只用几毫瓦的泵浦功率就可获得高达30~40 dB的放大器增益。

　　EDFA的增益频谱曲线形状取决于光纤芯内掺杂剂的浓度，将铝与锗同时掺入铒光纤可获得比纯掺锗更平坦的增益频谱，增益带宽[曲线半最大值带宽（FWHM）]可达30～40 nm。

　　EDFA的增益与铒离子浓度、掺铒光纤长度、芯径和泵浦功率有关，对于给定的放大器长度L，放大器增益最初随泵浦功率按指数函数增加，如图6.3.7（a）所示，但是当泵浦功率超过一定值后，增益增加就变得缓慢。对于给定的泵浦功率，放大器的最大增益对应一个最佳光纤长度，如图6.3.7（b）所示，并且当L超过这个最佳值后增益很快降低，其原因是铒光纤的剩余部分没有被泵浦，反而吸收了已放大的信号。

　　在EDFA泵浦功率一定的情况下，输入功率较小时，放大器增益不随入射光信号的增加而变化，表现为恒定不变，如图6.3.8所示。当输入信号功率增大到一定值后（一般为 ?20 dBm左右），增益开始随信号功率的增加而下降，这是入射信号导致EDFA出现增益饱和的缘故。

　　放大器噪声是系统性能的最终限制因素。放大器的噪声一般用噪声指数Fn来量度，如式（6.1.13）所示，即

　　Fn?2nsp                         （6.3.1）

　　式中，

　　nsp是自发辐射系数，或者称铒离子反转系数，

　　nsp?N2?N2?N1?，这里N1是处于基

　　态的离子数，N2是激活态的离子数。EDFA的噪声指数要比理想值3 dB大

　　6-9  EDFA在光纤通信系统中有哪几种应用方式？

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　　第6章  复习思考题参考答案

　　答：EDFA可作为光发射机功率增强放大器、接收机前置放大器，或者取代光-电-光中继器作为在线光中继器使用。在光纤系统中可延长中继距离，特别适用于长途越洋通信。在公用电话网和CATV分配网中，使用EDFA补偿分配损耗，可做到信号无损耗的分配。

　　另外，EDFA可在多信道系统中应用，因为EDFA的带宽与半导体光放大器（SOA）的一样都很宽（1~5 THz），使用光放大器可同时放大多个信道，只要多信道复合信号带宽比放大器带宽小就行。

　　EDFA具有相当大的带宽（=20~40 nm，或?f=2.66~5.32 THz），这就意味着可用来放大短至皮秒级的光脉冲而无畸变。从光波系统的应用观点出发，EDFA的潜在应用在于它们可放大ps级的脉冲而不发生畸变的能力。

　　6-10  简述半导体光放大器（SOA）的工作原理

　　答：光放大器通过受激发射放大入射光信号，其机理与激光器相同。光放大器只是一个没有反馈的激光器，其核心是当放大器被光或电泵浦时，使粒子数反转获得光增益，如图6.1.1（a）所示。

　　图6.1.1  光放大器原理和增益分布曲线

　　但是，半导体激光器在解理面存在反射（反射系数约为32 %），具有相当大的反馈。当偏流低于阈值时，它们被作为放大器使用，但是必须考虑在法布里-珀罗（F-P）腔体界面上的多次反射。这种放大器就称为F-P放大器。

　　当R1?R2，并考虑到v?vm时，使用F-P干涉理论可以求得该放大器的放大倍数GFPA?为

　　?1?R?2G                      （6.2.2）

　　?1?RG?v2当入射光信号的频率与腔体谐振频率中的一个相等时，增益G?就达到

　　FPAmm峰值，当偏离?m时，G?下降得很快，如图6.2.1（b）所示。由图可见，当半导体

　　FPAmaxGFPA(?)解理面与空气的反射率R?0.32时，F-P放大器在谐振频率处的峰值最大；反射率越小，增益

　　也越小；当R?0时，就变为行波放大器，其增益频谱特性是高斯曲线。

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　　原荣编著《光纤通信（第3版）》

　　图6.2.1  法布里-玻罗（F-P）半导体光放大器

　　6-11  如何使LD变为SOA

　　?4答：减小LD界理端面反射反馈，使R1R2?0.17?10，就可以制出行波半导体光放大

　　器（SOA）。使条状有源区与正常的解理面倾斜或在有源层端面和解理面之间插入透明窗口区

　　?4就可以使反射率小至10，从而使LD变为SOA。

　　6-12  什么是分布式拉曼放大器？有何应用？并简述它与EDFA的不同

　　答：与EDFA利用掺铒光纤作为它的增益介质不同，分布式光纤拉曼放大器（DRA）利用系统中的传输光纤作为它的增益介质。分布式光纤拉曼放大器（DRA）的增益频谱只由泵浦波长决定，而与掺杂物的能级电平无关，所以只要泵浦波长适当，就可以在任意波长获得信号光的增益。而没有像EDFA那样的放大波段的限制。

　　如果用色散补偿光纤作放大介质构成拉曼放大器，那么光传输路径的色散补偿和损耗补偿可以同时实现。光纤拉曼放大器已成功地应用于DWDM系统和无中继海底光缆系统中。

　　6-13  EDFA级联需要考虑哪些问题

　　答：光放大器级联可克服长距离通信系统（如海底光缆系统）的光纤损耗，从而可省去光信号的周期性光-电-光再生。设计一个在线放大器级联光波系统，要求考虑放大器噪声、光纤色散以及光纤非线性。

　　放大器噪声以两种方式影响系统性能。首先，级联中的每个放大器产生的放大自发辐射（ASE）噪声，通过剩下的传输线路传送，并被后面的放大器与信号一起放大。该放大后的自发辐射噪声在到达接收机之前累积并影响系统性能。其次，当ASE电平逐渐增大时，它开始使光

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