【正文】 復(fù)部分組成。 數(shù)字光接收機(jī)510 說明前置放大器和主放大器的功能區(qū)別答：接收機(jī)前端的光電探測(cè)器將微弱的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，緊隨其后的低噪聲前置放大器，放大光電二極管產(chǎn)生的微弱電信號(hào)，以供主放大器進(jìn)一步放大和處理。線性放大器由主放大器、均衡濾波器和自動(dòng)增益控制電路組成。自動(dòng)增益控制電路的作用是在接收機(jī)平均入射光功率很大時(shí)把放大器的增益自動(dòng)控制在固定的輸出電平上。低通濾波器的作用是減小噪聲，均衡整形電壓脈沖，避免碼間干擾。511 光接收機(jī)中存在哪些噪聲答：光接收機(jī)的兩種基本噪聲是散粒噪聲和熱噪聲，另外還有激光器引起的強(qiáng)度噪聲。512 通常數(shù)字光接收機(jī)要求BER是多少答：通常數(shù)字光接收機(jī)要求BER = 109。513 接收機(jī)靈敏度的定義是什么答：接收機(jī)靈敏度定義為保證比特誤碼率為時(shí)，要求的最小平均接收光功率（）。514 監(jiān)測(cè)光纖通信系統(tǒng)性能好壞通常采用什么最直觀簡(jiǎn)單的方法答：在實(shí)驗(yàn)室觀察碼間干擾判斷系統(tǒng)性能好壞的最直觀、最簡(jiǎn)單的方法是眼圖分析法。均衡濾波器輸出的隨機(jī)脈沖信號(hào)輸入到示波器的Y軸，用時(shí)鐘信號(hào)作為外觸發(fā)信號(hào)，就可以觀察到眼圖。眼圖的張開度受噪聲和碼間干擾的影響，當(dāng)輸出端信噪比很大時(shí)，張開度主要受碼間干擾的影響。因此，觀察眼圖的張開度就可以估計(jì)出碼間干擾的大小，這給均衡電路的調(diào)整提供了簡(jiǎn)單而適用的觀測(cè)手段。第6章 復(fù)習(xí)思考題參考答案61 EDFA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)圖用三能級(jí)表示，（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。（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。 摻鉺光纖放大器的工作原理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(zhǎng)中繼距離，特別適用于長(zhǎng)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（1~5 THz），使用光放大器可同時(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（Dl = 20~40 nm，或Df = ~ THz），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。62 EDFA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： mm的半導(dǎo)體激光泵浦最有效。使用這兩種波長(zhǎng)的光泵浦EDFA時(shí)，只用幾毫瓦的泵浦功率就可獲得高達(dá)30~40 dB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(zhǎng)的泵浦增益系數(shù)較高。980 nm波長(zhǎng)對(duì)EDFA泵浦，效率高，噪聲低。63 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鐠光纖放大器，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。64 什么是摻鉺光纖放大器答：使用鉺離子作為增益介質(zhì)的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。65 畫出EDFA的結(jié)構(gòu)示意圖，并簡(jiǎn)述各部分的作用答：（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。 EDFA組成圖66 EDFA有幾種泵浦方式？答：EDFA有980 nm光源泵浦和1 480 nm光源泵浦兩種方式，980 nm光源泵浦時(shí)增益效率為10 dB/mW，用1 480 dB/mW。67 簡(jiǎn)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，（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。（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。 摻鉺光纖放大器的工作原理68 EDFA的主要特性指標(biāo)是什么？說明其含義答：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。 mm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)30~40 dB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）]可達(dá)30～40 nm。 EDFA的增益與鉺離子濃度、摻鉺光纖長(zhǎng)度、芯徑和泵浦功率有關(guān)，對(duì)于給定的放大器長(zhǎng)度L，放大器增益最初隨泵浦功率按指數(shù)函數(shù)增加，（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)于給定的泵浦功率，放大器的最大增益對(duì)應(yīng)一個(gè)最佳光纖長(zhǎng)度，（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。當(dāng)輸入信號(hào)功率增大到一定值后（一般為 20 dBm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)來量度，如式（）所示，即 （）式中，是自發(fā)輻射系數(shù)，或者稱鉺離子反轉(zhuǎn)系數(shù)，這里是處于基態(tài)的離子數(shù)，是激活態(tài)的離子數(shù)。EDFA的噪聲指數(shù)要比理想值3dB大69 EDFA在光纖通信系統(tǒng)中有哪幾種應(yīng)用方式？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(zhǎng)中繼距離，特別適用于長(zhǎng)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（1~5 THz），使用光放大器可同時(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（Dl = 20~40 nm，或Df = ~ THz），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。610 簡(jiǎn)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，（a）所示。 光放大器原理和增益分布曲線但是，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（FP）腔體界面上的多次反射。這種放大器就稱為FP放大器。當(dāng)，并考慮到時(shí)，使用FP干涉理論可以求得該放大器的放大倍數(shù)為 （）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)，增益就達(dá)到峰值，當(dāng)偏離時(shí)，下降得很快，（b）所示。由圖可見，當(dāng)半導(dǎo)體解理面與空氣的反射率時(shí)，F(xiàn)P放大器在諧振頻率處的峰值最大；反射率越小，增益也越小；當(dāng)時(shí)，就變?yōu)樾胁ǚ糯笃?，其增益頻譜特性是高斯曲線。 法布里玻羅（FP）半導(dǎo)體光放大器611 如何使LD變?yōu)镾OA答：減小LD界理端面反射反饋，使，就可以制出行波半導(dǎo)體光放大器（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，從而使LD變?yōu)镾OA。612 什么是分布式拉曼放大器？有何應(yīng)用？并簡(jiǎn)述它與EDFA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(zhǎng)決定，而與摻雜物的能級(jí)電平無關(guān)，所以只要泵浦波長(zhǎng)適當(dāng)，就可以在任意波長(zhǎng)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。613 EDFA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(zhǎng)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)總傳輸距離超過幾千千米的光纖系統(tǒng)是困難的。通常放大器只補(bǔ)償光纖損耗，那么，在放大器級(jí)聯(lián)的光纖系統(tǒng)中，系統(tǒng)就由色散所限制。在WDM系統(tǒng)的應(yīng)用中，對(duì)EDFA性能的要求是相當(dāng)苛刻的，這是因?yàn)閱蝹€(gè)放大器增益的較小變化，將引起級(jí)聯(lián)放大器總增益的很大變化， dB的EDFA增益波動(dòng)，100個(gè)放大器在線級(jí)聯(lián)后，也會(huì)產(chǎn)生20 dB的增益差，使信道間的功率變化達(dá)100倍，這在實(shí)際應(yīng)用中是不能接受的。因此WDM系統(tǒng)的信道數(shù)，不僅受放大器帶寬限制，而且也受增益頻譜的不平坦限制。因此需要對(duì)EDFA的增益進(jìn)行均衡。