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1、原荣 编著 光纤通信（第 3 版） 1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
2、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
3、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（15 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（ = 2040 nm，或f = 2.665.32 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 数小第 6 章 复习思考题
4、参考答案 2 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 3040 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
5、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
6、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 E
7、1 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 之差必须是相当原荣 编著 光纤通信（第 3 版） 3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6-8 ED
8、FA 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 3040 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 3040 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
9、 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 EDF
10、A 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 来量度，如n式（6.1.13）所示，即（6.3.1）spn2F式中， 是自
11、发辐射系数，或者称铒离子反转系数， ，这里 是处于spn s21N1N基态的离子数， 是激活态的离子数。EDFA 的噪声指数要比理想值 3 dB 大2N第 6 章 复习思考题参考答案 4 6-9 EDFA 在 光 纤 通 信 系 统 中 有 哪 几 种 应 用 方 式 ？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
12、（SOA ）的一样都很宽（15 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（ = 2040 nm，或f = 2.665.32 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
13、）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 ，并考虑到 时，使用 F-P 干涉理论可以求得该放大器的放大倍数21Rmv为FPAG（6.2.2）2axFPA1)(vRG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 就达到mFPAG峰值，当 偏离 时， 下降得很快，如图 6.2.1（b）所示。由图可见，当半导体mFPG解理面与空气的反射率 时，F-P 放大器在谐振频
14、率处的峰值最大；反射率越小，增32.0R益也越小；当 时，就变为行波放大器，其增益频谱特性是高斯曲线。原荣 编著 光纤通信（第 3 版） 5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答：减小 LD 界理端面反射反馈，使 ，就可以制出行波半导体光放42107.R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 就 可 以 使 反 射 率 小 至 ， 从 而 使 LD 变 为 SOA。1046-12 什 么 是 分 布 式 拉 曼 放 大
15、 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
16、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 自第 6 章 复习思考题参考答案 6 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 放 大 器 饱 和 并 减 小 信 号 增 益 。 其 结 果
