《光纖通信》原榮第三版第6章復(fù)習(xí)思考題參考答案

1、第6章復(fù)習(xí)思考題參考答案 # #原榮編著光纖通信（第3版） 第6章復(fù)習(xí)思考題參考答案 原榮編著光纖通信（第3版） #第6章復(fù)習(xí)思考題參考答案6-1EDFA的工作原理是什么？有哪些應(yīng)用方式答：現(xiàn)在我們具體說明泵浦光是如何將能量轉(zhuǎn)移給信號(hào)的。若摻鉺離子的能級(jí)圖用三能1.27eV980nm0.80eV信號(hào)光級(jí)表示，如圖6.3.2（a）所示，其中能級(jí)E1代表基態(tài)，能量最低，能級(jí)E2代表中間能級(jí)，能級(jí)E3代表激發(fā)態(tài)，能量最高。若泵浦光的光子能量等于能級(jí)E3與E1之差，摻雜離子吸收泵浦光后，從基態(tài)E1升至激活態(tài)E3。但是激活態(tài)是不穩(wěn)定的，激發(fā)到激活態(tài)能級(jí)E3的鉺離子很快返回到能級(jí)E2。若信號(hào)光的光子能量等

2、于能級(jí)E2和E1之差，則當(dāng)處于能級(jí)E2的鉺離子返回基態(tài)化時(shí)就產(chǎn)生信號(hào)光子，這就是受激發(fā)射，使信號(hào)光放大獲得增益。圖6.3.2（b）表示EDFA的吸收和增益光譜。為了提高放大器的增益，應(yīng)盡可能使基態(tài)鉺離子激發(fā)到能級(jí)E3。從以上分析可知，能級(jí)E2和E1之差必須是相當(dāng)于需要放大信號(hào)光的光子能量，而泵浦光的光子能量也必須保證使鉺離子從基態(tài)E1躍遷到激活態(tài)E3。1Ei1530nm10放人后980nm泵浦光的信號(hào)光纖放大器的工作原理1EDFA可作為光發(fā)射機(jī)功率增強(qiáng)放大器、接收機(jī)刖作為在線光中繼器使用。在光纖系統(tǒng)中可延長中繼距離、接收機(jī)前置放大器，或者取代光-電-光中繼器，毋特別適用于長途越洋通信。在公用電

3、話網(wǎng)和CATV分配網(wǎng)中，使用EDFA補(bǔ)償分配損耗，可做到信號(hào)無損耗的分配。另外，Edfa可在多信道系統(tǒng)中應(yīng)用,因?yàn)閑dfa的帶寬與半導(dǎo)體光放大器（soa）的一樣都很寬），使用光放大器可融時(shí)放大多個(gè)信道，只要多信道復(fù)合信號(hào)帶寬比放大器帶寬小就行。;|EDFA具有相當(dāng)大的帶寬（尢=2040nm，或f=2.665.32THz），這就意味著可用來放大短至皮秒級(jí)的光脈沖而無畸變。從光波系統(tǒng)的應(yīng)用觀點(diǎn)出發(fā)，EDFA的潛在應(yīng)用在于它們可放大ps級(jí)的脈沖而不發(fā)生畸變的能力。6-2EDFA有幾種泵浦方式？哪種方式轉(zhuǎn)換效率高？哪種噪聲系數(shù)小答：使用0.98m和1.48pm的半導(dǎo)體激光泵浦最有效。使用這兩種波長的光

4、泵浦EDFA時(shí)，只用幾毫瓦的泵浦功率就可獲得高達(dá)3040dB的放大器增益。采用1480nm的InGaAs多量子阱（MQW）激光泵浦源，其輸出功率可達(dá)100mW,該波長的泵浦增益系數(shù)較高。980nm波長對(duì)EDFA泵浦，效率高，噪聲低。6-3目前有幾種光放大器？哪幾種已商用化？請(qǐng)說出各自的優(yōu)缺點(diǎn)。答：目前有摻鉺光纖放大器（EDFA）、分布光纖拉曼放大器（DRA）、半導(dǎo)體光放大器（SOA）、光纖布里淵放大器和摻錯(cuò)光纖放大器，其中摻鉺光纖放大器（EDFA）、分布光纖拉曼放大器（DRA）、半導(dǎo)體光放大器（SOA）、技術(shù)已經(jīng)成熟，眾多公司已有商品出售。6-4什么是摻鉺光纖放大器答：使用鉺離子作為增益介質(zhì)的

5、光纖放大器稱為摻鉺光纖放大器（EDFA）。鉺離子在光纖制作過程中被摻入光纖芯中，使用泵浦光直接對(duì)光信號(hào)放大，提供光增益。6-5畫出EDFA的結(jié)構(gòu)示意圖，并簡述各部分的作用答：圖6.3.1（a）為一個(gè)實(shí)用光纖放大器的構(gòu)成方框圖。光纖放大器的關(guān)鍵部件是摻鉺光纖和高功率泵浦源，作為信號(hào)和泵浦光復(fù)用的波分復(fù)用器（WDM），以及為了防止光反饋和減小系統(tǒng)噪聲在輸入和輸出端使用的光隔離器。泵浦摻鉤光纖-0輸入倍j廠圖6.3.1EDFA6-6EDFA有幾種泵浦光隔離器答：EDFA有980nm光源泵浦和1480nm光源泵浦兩種方式，980益效率為10dB/mW，用1480nm光源泵浦時(shí)為5.1dB/mW。幺日成

6、圖波分復(fù)用器源泵浦時(shí)增6-7簡述EDFA的工作原理答：若摻鉺離子的能級(jí)圖用三能級(jí)表示，如圖6.3.2（a）所示，其中能級(jí)E1代表基態(tài)，能量最低，能級(jí)e2代表中間能級(jí)，能級(jí)e3代表激發(fā)態(tài)，能量最高。若泵浦光的光子能量等于能級(jí)E3與E1之差，摻雜離子吸收泵浦光后，從基態(tài)E1升至激活態(tài)E3。但是激活態(tài)是不穩(wěn)定的，激發(fā)到激活態(tài)能級(jí)e3的鉺離子很快返回到能級(jí)e2。若信號(hào)光的光子能量等于能級(jí)e2和E1之差，則當(dāng)處于能級(jí)E2的鉺離子返回基態(tài)E1時(shí)就產(chǎn)生信號(hào)光子，這就是受激發(fā)射，使信號(hào)光放大獲得增益。圖6.3.2（b）表示EDFA的吸收和增益光譜。為了提高放大器的增益,應(yīng)盡可能使基態(tài)鉺離子激發(fā)到能級(jí)E3。從以

7、上分析可知，能級(jí)E2和E1之差必須是相當(dāng)于需原榮編著光纖通信（第3版）10原榮編著光纖通信（第3版）10 # 原榮編著光纖通信（第3版） #要放大信號(hào)光的光子能量，而泵浦光的光子能量也必須保證使鉺離子從基態(tài)E1躍遷到激活態(tài)E3。3+已丫能級(jí)1.27eV3980nm0.80eV信號(hào)光Ed1530nm980nm泵浦光1550nm圖6.3.2摻鉺光TV放大后的信號(hào)光纖放大器的工作原理1原榮編著光纖通信（第3版）10原榮編著光纖通信（第3版）10 # #原榮編著光纖通信（第3版） #原榮編著光纖通信（第3版）10原榮編著光纖通信（第3版）10 #原榮編著光纖通信（第3版） #的主要特性?說明其含義6-

8、8EDFA0答：EDFA的主要特性指標(biāo)有泵浦特性、增益頻譜、小信號(hào)增益、增益飽和（或壓縮）特性和放大器噪聲。-.使用0.98m和1.48訃m的半導(dǎo)體激光泵浦EDFA，只用幾毫瓦的泵浦功率就可獲得高達(dá)3040dB的放大器增益。.EDFA的增益頻譜曲線形狀取決于光纖芯內(nèi)摻雜劑的濃度，將鋁與鍺同時(shí)摻入鉺光纖可獲得比純摻鍺更平坦的增益頻譜，增益帶寬曲線半最大值帶寬（FWHM）冋達(dá)3040nm。EDFA的增益與鉺離子濃度、摻鉺光纖長度、芯徑和泵浦功率有關(guān)，對(duì)于給定的放大器長度L,放大器增益最初隨泵浦功率按指數(shù)函數(shù)增加，如圖6.3.7（a）所示，但是當(dāng)泵浦功率超過一定值后，增益增加就變得緩慢。對(duì)于給定的泵

9、浦功率，放大器的最大增益對(duì)應(yīng)一個(gè)最佳光纖長度，如圖6.3.7（b）所示，并且當(dāng)L超過這個(gè)最佳值后增益很快降低，其原因是鉺光纖的剩余部分沒有被泵浦，反而吸收了已放大的信號(hào)。在EDFA泵浦功率一定的情況下，輸入功率較小時(shí)，放大器增益不隨入射光信號(hào)的增加而變化，表現(xiàn)為恒定不變，如圖6.3.8所示。當(dāng)輸入信號(hào)功率增大到一定值后（一般為-20dBm左右），增益開始隨信號(hào)功率的增加而下降，這是入射信號(hào)導(dǎo)致EDFA出現(xiàn)增益飽和的緣故。放大器噪聲是系統(tǒng)性能的最終限制因素。放大器的噪聲一般用噪聲指數(shù)F來量度，如式n6.1.13）所示，即F，2n（6.3.1）nsp式中，nsp是自發(fā)輻射系數(shù)，或者稱鉺離子反轉(zhuǎn)系數(shù)

10、，nsp=N2Z-N1，這里N是處于基態(tài)的離子數(shù)，N2是激活態(tài)的離子數(shù)。EDFA的噪聲指數(shù)要比理想值3dB大6-9EDFA在光纖通信系統(tǒng)中有哪幾種應(yīng)用方式？第6章復(fù)習(xí)思考題參考答案原榮編著光纖通信（第3版） # 原榮編著光纖通信（第3版） #答：EDFA可作為光發(fā)射機(jī)功率增強(qiáng)放大器、接收機(jī)前置放大器，或者取代光-電-光中繼器作為在線光中繼器使用。在光纖系統(tǒng)中可延長中繼距離，特別適用于長途越洋通信。在公用電話網(wǎng)和CATV分配網(wǎng)中，使用EDFA補(bǔ)償分配損耗，可做到信號(hào)無損耗的分配。另外，EDFA可在多信道系統(tǒng)中應(yīng)用，因?yàn)镋DFA的帶寬與半導(dǎo)體光放大器（SOA）的一樣都很寬（15THz），使用光放大

11、器可同時(shí)放大多個(gè)信道，只要多信道復(fù)合信號(hào)帶寬比放大器帶寬小就行。EDFA具有相當(dāng)大的帶寬（尢=2040nm，或紂=2.665.32THz），這就意味著可用來放大短至皮秒級(jí)的光脈沖而無畸變。從光波系統(tǒng)的應(yīng)用觀點(diǎn)出發(fā)，EDFA的潛在應(yīng)用在于它們可放大ps級(jí)的脈沖而不發(fā)生畸變的能力。6-10簡述半導(dǎo)體光放大器（SOA）的工作原理答：光放大器通過受激發(fā)射放大入射光信號(hào)，其機(jī)理與激光器相同。光放大器只是一個(gè)沒有反饋的激光器，其核心是當(dāng)放大器被光或電泵浦時(shí)，使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)獲得光增益，如圖6.1.1a）所示。注入電流輸出光信號(hào)有源區(qū)輸入光信號(hào)圖6.1.1光放大器原理和增益分布曲線第6章復(fù)習(xí)思考題參考答案原榮編

12、著光纖通信（第3版） 原榮編著光纖通信（第3版） #但是，半導(dǎo)體激光器在解理面存在反射（反射系數(shù)約為32.%），具有相當(dāng)大的反饋。當(dāng)偏流低于閾值時(shí)，它們被作為放大器使用，但是必須考慮在法布里-珀羅（F-P）腔體界面上的多次反射。這種放大器就稱為F-P放大器。_當(dāng)R1，R2，并考慮到v，v時(shí)，使用F-P干涉理論可以求得該放大器的放大倍數(shù)GC為:(6.2.2)小/、G-R）2G）FPA1RgC）1當(dāng)入射光信號(hào)的頻率（）與腔體諧振頻率中的一個(gè)（）相等時(shí)，增益G（）就達(dá)到mmFPA峰值，當(dāng)ro（y）偏離時(shí)，G（）下降得很快，如圖6.2.1（b）所示。由圖可見，當(dāng)半導(dǎo)體mGFPA解理面與空氣的反射率R,

13、0.32時(shí)，F(xiàn)-P放大器在諧振頻率處的峰值最大；反射率越小，增益也越??；當(dāng)r,0時(shí)，就變?yōu)樾胁ǚ糯笃?，其增益頻譜特性是高斯曲線。注入電流器（SOA）。使條狀有源區(qū)與正常的解理面傾斜或在有源層端面和解理面之間插入透明窗口區(qū)就可以使反射率小至叩，從而使LD變?yōu)镾OA。,的不同答：與EDFA利用摻鉺光纖作為它的增益介質(zhì)不同，分布式光纖拉曼放大器（DRA）利用系統(tǒng)中的傳輸光纖作為它的增益介質(zhì)。分布式光纖拉曼放大器（DRA）的增益頻譜只由泵浦波長決定，而與摻雜物的能級(jí)電平無關(guān)，所以只要泵浦波長適當(dāng)，就可以在任意波長獲得信號(hào)光的增益。而沒有像EDFA那樣的放大波段的限制。如果用色散補(bǔ)償光纖作放大介質(zhì)構(gòu)成拉

14、曼放大器，那么光傳輸路徑的色散補(bǔ)償和損耗補(bǔ)償可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)。光纖拉曼放大器已成功地應(yīng)用于DWDM系統(tǒng)和無中繼海底光纜系統(tǒng)中。6-13EDFA級(jí)聯(lián)需要考慮哪些問題答：光放大器級(jí)聯(lián)可克服長距離通信系統(tǒng)（如海底光纜系統(tǒng)）的光纖損耗，從而可省去光信號(hào)的周期性光-電-光再生。設(shè)計(jì)一個(gè)在線放大器級(jí)聯(lián)光波系統(tǒng)，要求考慮放大器噪聲、光纖色散以及光纖非線性。放大器噪聲以兩種方式影響系統(tǒng)性能。首先，級(jí)聯(lián)中的每個(gè)放大器產(chǎn)生的放大自發(fā)輻射ASE）噪聲，通過剩下的傳輸線路傳送，并被后面的放大器與信號(hào)一起放大。該放大后的自發(fā)輻射噪聲在到達(dá)接收機(jī)之前累積并影響系統(tǒng)性能。其次，當(dāng)ASE電平逐漸增大時(shí)，它開始使光放大器飽和并減小信號(hào)增益。其結(jié)果是沿傳輸線路信號(hào)功率下降而ASE電平上升，在接收端SNR甚至下降更多。數(shù)值模擬表明，該系統(tǒng)在一定意義上處于自調(diào)整狀態(tài)，即總功率（信號(hào)功率和ASE功率之和）維持相對(duì)恒定。由于光纖色散和光纖非線性的累積影響，實(shí)際上，實(shí)現(xiàn)總傳輸距離Lt超過幾千千米的光纖系統(tǒng)是困難的。