光纤通信课后习题解答 第7章光放大器参考题答案

第七章 光放大器 复习思考题答案 1 光放大器在光纤通信中有哪些重要用途？ 答：（1）利用光放大器代替原有的光电光再生中继器，能够大幅度延长系统传输距离。 （2）在波分复用系统中，它一方面可以同时实现多波长的低成本放大，另一方面，可 以补偿波分复用器，波分解复用器、光纤光缆等无源器件带来的损耗。 （3）光放大器在接入网中使用，可以补偿由于光分支增加带来的损耗，使得接入网服 务用户增加，服务半径扩大。 （4）光孤子通信必须依靠光放大器放大光信号，使光脉冲能量大到可以在光纤中满足 孤子传输条件，从而实现接近无穷大距离的电再生段传输。 （5）光放大器在未来的光网络中必将发现越来越多的新用途。 2 光放大器按原理可分为几种不同的类型？ 答：光放大器按原理不同大体上有三种类型。 （1）掺杂光纤放大器，就是将稀土金属离子掺于光纤纤芯，稀土金属离子在泵浦源的 激励下，能够对光信号进行放大的一种放大器。 （2）传输光纤放大器，就是利用光纤中的各种非线性效应制成的光放大器。 （3）半导体激光放大器，其结构大体上与激光二极管（Laser Diode，LD ）相同。如 果在法布里派罗腔（Fabry-Perot cavity，F-P ）两端面根本不镀反射膜或者镀增透膜则形 成行波型光放大器。半导体光放大器就是行波光放大器。 3 光放大器有哪些重要参数？ 答：光放大器参数主要有（1）增益；（2）增益带宽；（3）饱和输出光功率；（4） 噪声指数。 4 简述掺杂光纤放大器的放大原理。 答：在泵浦源的作用下，掺杂光纤中的工作物质粒子由低能级跃迁到高能级，得到了 粒子数反转分布，从而具有光放大作用。当工作频带范围内的信号光输入时，信号光就会 得到放大，这就是掺杂光纤放大器的基本工作原理。只是掺杂光纤放大器细长的纤形结构 使得有源区能量密度很高，光与物质的作用区很长，有利于降低对泵浦源功率的要求。 5 EDFA 有哪些优缺点？ 答：EDFA 之所以得到迅速的发展，源于它的一系列优点： （1）工作波长与光纤最小损耗窗口一致，可在光纤通信中获得广泛应用。 （2）耦合效率高。因为是光纤型放大器，易于与光纤耦合连接，也可用熔接技术与传 输光纤熔接在一起，损耗可降至 0.1dB，这样的熔接反射损耗也很小，不易自激。 （3）能量转换效率高。激光工作物质集中在光纤芯子，且集中在光纤芯子中的近轴部 分，而信号光和泵浦光也是在近轴部分最强，这使得光与物质作用很充分。 （4）增益高，噪声低。输出功率大，增益可达 40dB，输出功率在单向泵浦时可达 14dBm，双向泵浦时可达 17dBm，甚至可达 20dBm，充分泵浦时，噪声系数可低至 34dB，串话也很小。 （5）增益特性不敏感。首先是 EDFA 增益对温度不敏感，在 100C 内增益特性保持 稳定，另外，增益也与偏振无关。 （6）可实现信号的透明传输，即在波分复用系统中可同时传输模拟信号和数字信号， 高速率信号和低速率信号，系统扩容时，可只改动端机而不改动线路。 EDFA 也有固有的缺点： （1）波长固定，只能放大 1.55m 左右的光波，换用其他基质的光纤时，铒离子能级 也只能发生很小的变化，可调节的波长有限，只能换用其它元素。 （2）增益带宽不平坦，在 WDM 系统中需要采用特殊的手段来进行增益谱补偿。 6 EDFA 有光纤通信中哪些应用？ 答：EDFA 在光纤通信中可以作用（1）光功率放大器；（2）光前置放大器；（3）光 线路放大器；（4）本地网光放大器 7 EDFA 有哪些泵浦方式？ 答：（1）同向泵浦；（2）反向泵浦；（3）双向泵浦 8 简述喇曼光放大器的放大原理。 答：当入射激光功率增加到一定值时，光纤呈现非线性，入射激光发生散射，将一部 分入射功率转移到另一较低的频率，如果这个低频光与高频光相比的频率偏移量由介质的 振动模式所决定，这就是光纤中的受激喇曼散射。受激喇曼散射时 strokes 光显著增强，强 度甚至可以和入射光功率相比拟，且具有一定的方向性和相干性。这时候如果泵浦光和信 号光（信号光波长在泵浦光的喇曼增益带宽内）通过光耦合器输入光纤，当这两束光在光 纤中一起传输时，泵浦光的能量通过 SRS 效应转移给信号光，使信号光得到放大。泵浦光 和信号光分别在光纤的两端输入，在反向传输的过程中同时能实现弱信号的放大，这就是 喇曼光纤放大器的工作原理。 9 喇曼光纤放大器可分为哪两种，它们各有什么特点？ 答：光纤喇曼放大器可分为两类：分立式喇曼放大器（Raman Amplifier，RA）和分布 式喇曼放大器（Distributed Raman Fiber，DRA） 。 分立式喇曼放大器所用的光纤增益介质比较短，一般在 10km 以内，泵浦功率要求很 高，一般在几瓦到几十瓦特，可产生 40dB 以上的高增益，像 EDFA 一样用来对信号光进 行集中放大，因此主要用于 EDFA 无法放大的波段。 分布式喇曼放大器要求的光纤比较长，可达 100km 左右，泵浦源功率可降低至几百毫 瓦，主要辅助 EDFA 用于 WDM 通信系统的中继放大。分布式光纤喇曼技术可大大降低信 号的入射功率，同时保持适当的光信噪比。 10. 喇曼光纤放大器的有哪些优缺点？ 答：FRA 具有以下优点。 （1）增益波长由泵浦光波长决定，只要泵浦源的波长适当，理论上可以得到任意波长 的信号放大，增益谱调节方式可通过优化配置泵浦光波长和强度来实现。这样的 FRA 就可 扩展到 EDFA 不能使用的波段，为波分复用进一步增加容量拓宽了空间。 （2）增益介质可以为传输光纤本身，如此实现的 FRA 称为分布式放大，因为放大是 沿光纤分布作用而不是集中作用，光纤中各处的信号光功率都比较小，从而可降低各种光 纤非线性效应的影响，这一点与 EDFA 相比优势相当明显，因为增益介质是光纤本身，即 使泵浦源失效，也不会增加额外的损耗，而 EDFA 只能放大它能放大的波段，对不能放大 的波段由于光纤掺杂的作用会大大增加信号光的损耗，将来如果发展到全波段，只能用波 分复用器将信号分开，让它放大它只能放大的波段，其它波段则需要另外的光放大器。使 得 EDFA 插入损耗小的优点消失。在分布式 FRA 却能够在线放大，不需要引入其它介质。 （3）噪声指数低，可提升原系统的信噪比。它配合 EDFA 使用可大大提升传输系统 的性能。降低输入信号光功率或增加中继距离。 （4）喇曼增益谱比较宽，在普通光纤上单波长泵浦可实现 40nm 范围的有效增益， ； 如果采用多个泵浦源，则可容易地实现宽带放大。 （5）FRA 的饱和功率比较高，有利于提高信号的输出光功率。 （6）喇曼放大的作用时间为飞秒（10 15 s）级，可实现超短脉冲的放大。 FRA 主要有以下缺点。 （1）喇曼光纤放大器所需要的泵浦光功率高，分立式要用几瓦到几十瓦，分布式要用 到几百毫瓦，正是因为这些因素才限制了 FRA 的发展。不过目前已经有了功率达几十瓦的 高功率半导体激光器。不过目前价格还比较昂贵。它也是决定 FRA 能否迅速商品化的主要 前提。 （2）作用距离太长，增益系数偏低，分立式 FRA 作用距离为几公里，放大可达 40dB，分布式喇曼放大器作用距离为几十到上百公里，增益只有几个 dB 到十几个 dB，这 就决定了它只能适合于长途干线网的低噪声放大。 （3）对偏振敏感，泵浦光与信号光方向平行时增益最大，垂直时增益最小为 0，由于 目前使用的普通光纤都不保偏，模式混扰的原因使得表现为增益偏振无关。 11喇曼光纤放大器使用过程一定要注意安全，我们在平时维护过程中应从哪几个方 面引起注意？ 答：喇曼光纤放大器一般有几组不同波长高功率激光器同时泵浦，泵浦总功率甚至超 过 30dBm，所以在使用时特别要注意光缆线路安全、仪表设备安全和人身安全。 目前商用的喇曼放大器一般都是后向泵浦，泵浦光从信号光的输入端反向输出，这 与我们平时维护其他设备完全不同。后向泵浦光功率一般很高，超出了机房一般光功率 计，包括光谱分析仪的测试范围，不要试图直接测试泵浦光的输出功率。泵浦光波长在光 纤里传输损耗较小，如果喇曼光纤放大器没有断开，100km 之外的光时域分析仪 （OTDR）的光检测器件完全可能被烧毁。 裸眼短时间可容忍的激光功率为 1mW，400mW 的漫反射光都可能对人眼造成伤害，无论机房维护还是光缆施工，都不要 去直视或使用显微镜观察带有激光的光纤端面。连接喇曼光纤放大器的尾纤端面要求为 APC 或更低反射损耗端面，而且要保证端面清洁，否则会烧毁尾纤，尾纤的弯曲半径过小 同样会烧毁尾纤。接近喇曼放大器端至少 25km 里的光缆固定熔接点要求熔接质量良好， 否则会烧坏熔接点或者降低喇曼光纤放大器的增益。 12. 简述布里渊放大器的光放大原理。 答：物体内部会持续产生微弱的声波，这种声波的频率很高（一般在 109Hz 左右） ，人 耳是听不见的，它对通过物质的光波会产生作用。根据光波的多普勒效应，推导出布里渊 散射公式： 2sin0vcp ps 0、 s、 p 分别代表入射光、散射光和超声波的频率， 代表超声波的速度，c 是光波 的传播速度，n 是物质的折射率， 为散射光传播方向和入射光传播方向之间的夹角。 当光场强度达到一定数值（ITU 规范中对 G652 光纤的门限功率建议在 1320nm 处为 6.4mW，1550nm 处为 5.3mW）时，由于材料和物质之间光的往复传播，就出现多级波长 间隔相等的受激布里渊光波。就石英光纤而言，这个频率间隔约在 11GHz 左右。 在光纤通信领域，SBS 未来最有可能的用途就是受激布里渊放大器。受激布里渊放大 器与受激喇曼（SRS）放大器相比，其增益要高 300 倍左右。目前它的应用主要受限于布 里渊频移量比较小（一般只有十几 GHz 左右） 。但是，随着复用波长数目的增加，有关它 的研究又多了起来，它可能成为高增益、低噪声的光纤放大器。 13. 简述 SOA 光放大原理。 答：半导体激光放大器，其结构大体上与激光二极管（Laser Diode，LD ）相同。如果 在法布里派罗腔（Fabry-Perot cavity，F-P ）两端面根本不镀反射膜或者镀增透膜则形成 行波型光放大器。半导体光放大器就是行波光放大器。 由于半导体放大器具有体积小、结构简单、功耗低、寿命长、易于同其它光器件和电 路集成、适合批量生产、成本低以及可实现增益兼开关功能等特性，在全光波长变换、光 交换、谱反转、时钟提取、解复用中的应用受到了广泛的重视，特别是目前应变量子阱材 料的半导体光放大器的研制成功，已引起人们对 SOA 的广泛研究兴趣。 14. EDFA 与 EDWA 有什么区别？ 答：掺铒波导放大器（EDWA）是由嵌入非晶体掺铒玻璃基片上的波导组成的。铒原 子在 1550nm 光纤窗口上提供增益。掺铒波导放大器固有的特点是结构紧凑，它不需要数 以米计的光纤，并且能够集成多种功能，其小巧的尺寸很适合于有限的空间。目前，最