【正文】 中的應(yīng)用受到一定限制。它在波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)中可以用作光子開(kāi)關(guān)和波長(zhǎng)變換器，在未來(lái)全光通信中也可用作補(bǔ)償無(wú)源損耗的重要器件。非線性光纖放大器有受激喇曼散射光纖放大器和受激布里淵散射光纖放大器，它們?cè)谄胀ü饫w中就能實(shí)現(xiàn)放大。（1）光纖喇曼放大器 受激喇曼散射SRS（Stimulated Raman Scattering）是光纖中很重要的非線性過(guò)程，它的非線性效應(yīng)，來(lái)源于受激非彈性散射，在此過(guò)程中光場(chǎng)把部分能量轉(zhuǎn)移給非線性介質(zhì)，介質(zhì)中分子振動(dòng)對(duì)入射泵浦光調(diào)制，使入射光產(chǎn)生散射作用，形成不同頻移的散射光，這種現(xiàn)象稱受激喇曼散射。如果一個(gè)弱信號(hào)和一個(gè)強(qiáng)的泵浦光在光纖中同時(shí)傳輸，并且他們的頻率只差正處于光纖的喇曼增益譜范圍內(nèi)，經(jīng)過(guò)喇曼散射過(guò)程，泵浦光將把能量轉(zhuǎn)移給信號(hào)波，把弱信號(hào)放大，則此光纖可用作放大器，稱為光纖喇曼放大器FRA（Fiber Raman Amplifier）。當(dāng)光纖受到比傳輸信號(hào)較短波長(zhǎng)的足夠大功率抽引后，能在很寬的信號(hào)波帶提供有用的功率增益，甚至在1270nm～1670nm整個(gè)長(zhǎng)波長(zhǎng)波段提供放大，增益達(dá)40dB，輸出功率為20dB。其優(yōu)點(diǎn)是傳輸線路與放大線路同為一體，因而放大器與線路的耦合損耗很小，噪聲較低，增益穩(wěn)定性較好。但需要很大的泵浦功率（數(shù)百毫瓦）和很長(zhǎng)的光纖（數(shù)百千米）。另外，光纖喇曼放大器的特性對(duì)光纖極化也十分敏感。（2）光纖布里淵散射放大器 受激布里淵散射SBS（Stimulated Brillouin Scattering）與受激喇曼散射的物理過(guò)程十分相似，它的非線性效應(yīng)也來(lái)源于受激非彈性散射。兩者的差別是受激喇曼散射的頻移量在光頻范圍，而受激布里淵散射的頻移量在聲頻范圍。由于光速比聲速大倍，故。光纖布里淵散射放大器FBA（Fiber Brillouin Amplifier）中一部分泵浦光的功率通過(guò)SBS過(guò)程轉(zhuǎn)移給光信號(hào)使信號(hào)光得到放大。FBA是一種高增益、低功率、窄帶寬的放大器。高增益、低功率放大性能使其可用在相干光通信系統(tǒng)中作為接收機(jī)前置放大器，提高接收機(jī)的靈敏度。但是由于在室溫下，聲子振動(dòng)導(dǎo)致FBA的噪聲指數(shù)過(guò)大（＞15dB），使這種應(yīng)用受到一定限制。FBA窄帶寬的放大特性，使其能放大信號(hào)的比特率一般比較低，一般小于100Mb/s。所以，普通光波通信系統(tǒng)很少應(yīng)用FBA。實(shí)際多信道系統(tǒng)中，SBS過(guò)程通常要限制信道間隔，還會(huì)限制信號(hào)功率和通信距離，因此應(yīng)設(shè)法降低這種影響。摻稀土元素的光纖放大器是利用在光纖中摻雜稀土元素引起的增益機(jī)制實(shí)現(xiàn)放大的。其優(yōu)點(diǎn)是工作波長(zhǎng)恰好落在光纖通信的最佳波長(zhǎng)1330nm～1600nm，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與線路的耦合損耗很小，噪聲低，增益高（約15dB～40dB），頻寬在1310nm和1550nm窗口各有40nm左右。光纖放大器的特性與光纖的極化狀態(tài)無(wú)關(guān)，所需泵浦功率也較低（數(shù)十毫瓦）。由于處于熱平衡狀態(tài)的物質(zhì)只能吸收光子，因此要使物質(zhì)能對(duì)光放大，就必須由外界向物質(zhì)提供能量（激勵(lì)或稱泵浦），從而使物質(zhì)處于非熱平衡狀態(tài)，使得受激輻射的光子數(shù)大于受激吸收的光子數(shù)，即實(shí)現(xiàn)粒子束反轉(zhuǎn)。泵浦過(guò)程就是光放大的必要條件。（1）EDFA的結(jié)構(gòu) 一個(gè)典型的摻鉺光纖放大器的基本機(jī)構(gòu)如圖所示，由摻鉺光纖、泵WDM泵浦LD弱信號(hào)輸入接頭泵+信號(hào)包層纖芯鉺離子泵場(chǎng)形信號(hào)場(chǎng)形接頭放大的信號(hào)輸出光纖放大器的基本結(jié)構(gòu)浦源和波分復(fù)用器組成。其中摻鉺光纖提供放大，泵浦源提供足夠強(qiáng)的泵浦功率，波分復(fù)用器起信號(hào)光與泵浦光的混合作用。摻鉺光纖的長(zhǎng)度根據(jù)泵浦功率和所需的放大器增益而定，通常長(zhǎng)度為10m～100m。輸入端有一個(gè)光隔離器，用于阻止放大器自發(fā)輻射噪聲ASE（Amplified Spontaneous Emission）沿光纖返回，輸出端也有一個(gè)光隔離器，用于防止可能的反饋以避免放大器發(fā)生激射，還可以設(shè)置一個(gè)光濾波器，慮除放大器噪聲，提高系統(tǒng)的信噪比。泵浦源一般為具有高可靠性和高輸出功率的半導(dǎo)體激光二極管LD，它可以提供數(shù)十至數(shù)百毫瓦的輸出功率。波分復(fù)用器WDM用于將980um或1480um的泵浦光與1550nm波段的信號(hào)光一起耦合至摻鉺光纖內(nèi)。同向泵浦結(jié)構(gòu)圖如圖所示。信號(hào)光輸入光耦合器泵浦光光隔離器摻鉺光纖光隔離器光濾波器信號(hào)光輸出同向泵浦根據(jù)需要，EDFA也可采用反向泵浦或雙向泵浦結(jié)構(gòu)，如圖所示。信號(hào)光輸入光隔離器摻鉺光纖光耦合器泵浦光光隔離器光濾波器信號(hào)光輸出（a）信號(hào)光輸入光隔離器光耦合器泵浦光摻鉺光纖光耦合器泵浦光光隔離器光濾波器信號(hào)光輸出（b）EDFA的泵浦方式（a）反向泵浦；（b）雙向泵浦（2）EDFA工作原理 EDFA的基本工作原理與半導(dǎo)體激光器LD相同，摻鉺光纖在泵浦源的作用下出現(xiàn)了粒子束反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生了受激輻射，從而使光信號(hào)得到放大。由于EDFA具有細(xì)長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)，光與物質(zhì)的作用區(qū)很長(zhǎng)，可以降低泵浦源功率的要求。摻鉺光纖是光纖放大器的核心，為了闡明其放大原理，需要從鉺離子的能級(jí)圖講起。鉺屬鑭系元素，原子序數(shù)為68，有3個(gè)價(jià)電子，它是以3價(jià)離子的形式參與工作的。鉺離子的外層電子具有三能級(jí)結(jié)構(gòu)（圖中、和），其中是基本能級(jí)，是亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，是高能級(jí)，如圖所示。泵光子信號(hào)光子受激輻射躍遷信號(hào)光子受激光子鉺離子的能級(jí)圖無(wú)輻射躍遷亞穩(wěn)態(tài)當(dāng)用高能量的泵浦激光器來(lái)激勵(lì)摻鉺光纖時(shí)，可以使鉺離子的束縛電子從基態(tài)能級(jí)大量激發(fā)到高能級(jí)上，然而，高能級(jí)是不穩(wěn)定的，因而鉺離子很快會(huì)經(jīng)歷無(wú)輻射衰減（即不釋放光子）落入亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)。受激電子將發(fā)出很寬光譜范圍的光，稱熒光帶。但泵浦光足夠強(qiáng)時(shí)，可以使能級(jí)和間形成電子的反轉(zhuǎn)分布，此時(shí)如果入射信號(hào)光的波長(zhǎng)恰好落在上述熒光帶，則當(dāng)泵浦光與信號(hào)光同時(shí)透過(guò)該摻鉺光纖時(shí)，熒光帶能量會(huì)轉(zhuǎn)移到信號(hào)光上，具有1550nm波長(zhǎng)的光信號(hào)通過(guò)這段摻鉺光纖時(shí)，亞穩(wěn)態(tài)的粒子以受激輻射的形式躍遷到基態(tài)，并產(chǎn)生出和入射光信號(hào)中的光子一摸一樣的光子，從而大大增加了信號(hào)光中的光子數(shù)量，即實(shí)現(xiàn)了信號(hào)光在摻鉺光纖的傳輸過(guò)程中不斷被放大的功能，即信號(hào)光可以通過(guò)受激輻射過(guò)程從離子系統(tǒng)獲取能量，從而不斷增強(qiáng)而獲得放大信號(hào)。由于泵浦光與信號(hào)光在光纖中均以導(dǎo)波形式傳輸，因而二者之間可以有效地交換能量，效率相當(dāng)高。在整個(gè)信號(hào)通道中沒(méi)有電接口，僅有的光纖放大器與線路之間的耦合損耗也小到完全可以忽略的程度，因而可以實(shí)現(xiàn)高增益寬頻帶放大特性。摻鉺光纖EDF是在細(xì)微的石英光纖中摻入固體激光工作物質(zhì)鉺離子，在光纖芯子軸線上的光強(qiáng)最強(qiáng)。所以摻雜時(shí)盡量使雜質(zhì)粒子集中在近軸區(qū)域，以使光與物質(zhì)的作用最充分，從而提高能量轉(zhuǎn)換效率。摻雜濃度一般以ppm()表示，也可以用mg/kg表示： （mg/kg）普通EDFA的放大帶寬只有約35nm(1530～1565nm),只覆蓋了石英單模光纖低損耗窗口的一部分。這樣就限制了能夠容納的波長(zhǎng)信道數(shù)。因此，要進(jìn)一步提高傳輸容量，增大光放大器的帶寬非常必要。目前的方法有：摻鉺氟化物光纖放大器（EDFFA），據(jù)報(bào)道可以實(shí)現(xiàn)75nm的放大帶寬，增益為18dB,增益差別為177。；碲化物EDFA，帶寬可達(dá)76nm，增益差別為177。1dB；控制摻鉺光纖的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度，放大1570nm～1600nm波段，稱為增益平移摻鉺光纖放大器（GSEDFA）；最近比較引人注目的是光纖喇曼放大器。石英光纖中的喇曼增益譜寬可達(dá)40Thz，主峰在13THz附近。利用這一特性，光纖可以用作寬帶放大器。但受激喇曼效應(yīng)的泵浦閾值較高，實(shí)現(xiàn)喇曼放大器的關(guān)鍵是高功率泵浦，如400mW。光纖喇曼放大器的優(yōu)點(diǎn)是：只要能得到所需的泵浦波長(zhǎng)就可以在任何波長(zhǎng)處提供增益；增益介質(zhì)是光纖，可以制成分布式的放大器；噪聲低。將喇曼放大器與EDFA組合起來(lái)，可以得到帶寬高于100nm的光放大器?，F(xiàn)在，EDFA很可靠地放大C波段或L波段，最新的寬帶WEDFA（Wideband EDFA）能同時(shí)放大C波段和L波段共80nm寬度，提供平坦的功率增益40dB和足夠大的輸出功率及良好的信噪比。（3）EDFA的特性指標(biāo)①功率增益表示光放大器的放大能力、增益大小與泵浦光以及光纖長(zhǎng)度等因素有關(guān)。 （dB）下圖表示了放大器的功率增益與泵浦功率及光纖長(zhǎng)度的關(guān)系。102046810010203040L=5m101520泵浦功率/mWEDFA的增益曲線增益/dB從上圖可以看出泵浦功率越強(qiáng)，光纖長(zhǎng)度越長(zhǎng)，放大器的功率增益越大。因此在給定的摻鉺光纖的情況下，應(yīng)選擇合適的泵浦功率和光纖長(zhǎng)度，以達(dá)到最大增益。，當(dāng)泵浦功率為5mW、摻鉺光纖長(zhǎng)度為30m時(shí)可獲得35dB的增益。②飽和輸出功率 EDFA的最大輸出功率常用3dB飽和輸出功率來(lái)表示，如圖所示。當(dāng)增益下降3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出功率值為3dB飽和輸出功率。③噪聲系數(shù) EDFA噪聲的主要來(lái)源有信號(hào)光的散射噪聲、信號(hào)光波與放大器自發(fā)輻射ASE（Amplified Emission）光波間的差拍噪聲、被放大的自發(fā)輻射光的散粒噪聲和光放大器自發(fā)輻射的不同頻率光波間的差拍噪聲等。其中信號(hào)光與放大器自發(fā)輻射光波間差拍噪聲影響較為嚴(yán)重。放大器噪聲特性可用噪聲系數(shù)F或NF（Noise Factor）來(lái)表示：3dB增益/dB光輸出功率/dBm3dB飽和輸出功率對(duì)于不同的泵浦波長(zhǎng)，噪聲系數(shù)有所不同?！?，其噪聲系數(shù)的最小值為3dB。④EDFA的帶寬 若果一個(gè)光纖放大器的增益與信號(hào)光的波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，則這個(gè)放大器的應(yīng)用價(jià)值就越高，因?yàn)檫@就放寬了單通道傳輸中波長(zhǎng)的容限，可以在不降低系統(tǒng)性能的情況下增加信道的數(shù)目。純的增益譜很窄。在中摻雜的同時(shí)再摻其他元素，例如摻Al、摻P、摻Al/P和摻Ga/Ge/Al/P等都可以使EDFS的增益曲線有明顯的改善效果。另外也可采用閃耀光纖光柵法或吸收光纖法等將EDFA的增益峰值（一般在1532nm處）吸收掉或反射掉。增益曲線平坦化的EDFA稱為平坦EDFA。目前EDFA產(chǎn)品增益可達(dá)30dB以上，噪聲系數(shù)一般為4dB～5dB，輸出功率一般為10dB～17dB，在1550nm窗口增益帶寬為20nm～40nm，廣泛應(yīng)用于多信道傳輸系統(tǒng)。（4）EDFA的主要優(yōu)缺點(diǎn)EDFA主要優(yōu)點(diǎn)有：工作波長(zhǎng)正好處在光通信最佳波段1500nm～1600nm，與光纖最小損耗窗口一致。EDFA與傳輸光纖的耦合損耗很小。能量轉(zhuǎn)換效率高，激勵(lì)的泵浦功率地，僅需幾十毫瓦，～1W的泵浦源進(jìn)行激勵(lì)。增益高，約為30dB～50dB；輸出功率在單泵浦約為10dBm～15dBm；在雙泵浦約為14dBm～25dBm。增益特性穩(wěn)定。EDFA增益對(duì)溫度不敏感，在范圍內(nèi)（最大可在范圍內(nèi)），增益特性保持穩(wěn)定，而增益還與偏振無(wú)關(guān)，在高速率多信道的傳輸系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。EDFA主要缺點(diǎn)有：EDFA是幾米長(zhǎng)的光纖，不能和其他半導(dǎo)體器件一起集成。EDFA存在放大的自發(fā)光輻射ASE，即使沒(méi)有輸入信號(hào)，由于光纖某些受激離子引起的輸出信號(hào)總是存在，這種輸出稱為自發(fā)噪聲。EDFA存在串音。EDFA鉺離子能級(jí)間的能極差決定了他的工作波長(zhǎng)是固定的。 DWDM發(fā)展前景第7章 全光網(wǎng)第8章 光纖通信測(cè)試 光通信領(lǐng)域測(cè)試光纖檢測(cè)的主要目的是保證通信系統(tǒng)連接的質(zhì)量，減少故障因素以及出現(xiàn)故障時(shí)容易找出光纖的故障點(diǎn)。檢測(cè)方法很多，主要分為人工簡(jiǎn)易測(cè)量和精密儀器測(cè)量。（1）人工簡(jiǎn)易測(cè)量 這種方法一般用于快速檢測(cè)光纖的通斷和施工時(shí)分辨所用的光纖是否合格。它是用一個(gè)簡(jiǎn)易光源（推薦紅外線鐳射手電）從光纖的一端打入可見(jiàn)光，從另一端觀察哪一根發(fā)光。這種方法雖然簡(jiǎn)便，但它不能定量測(cè)量光纖的衰減和光纖的斷點(diǎn)。（2）精密儀器測(cè)量 使用光功率計(jì)或光時(shí)域反射儀OTDR對(duì)光纖進(jìn)行定量測(cè)量，可測(cè)出光纖的衰減和接頭的衰減，甚至可測(cè)出光纖的斷點(diǎn)位置。這種測(cè)量可用來(lái)定量分析光纖網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障的原因和對(duì)光纖網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)價(jià)。光通信領(lǐng)域測(cè)試分為以下4個(gè)部分：（1）光纖光纜性能測(cè)試。（2）光器件測(cè)試。（3）光通信設(shè)備測(cè)試。（4）光通信系統(tǒng)測(cè)試。1. 光纖光纜性能測(cè)試光纖光纜是光信號(hào)傳輸?shù)拿劫|(zhì)，它是光通信的基礎(chǔ)。在這個(gè)領(lǐng)域國(guó)際電聯(lián)ITU制訂了一系列標(biāo)準(zhǔn)，、。，其他標(biāo)準(zhǔn)都是按光纖種類分類的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。在這些標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)范了該種光纖及由其組成的光纜的具體性能指標(biāo)。光纖的特性參數(shù)分為幾何特性參數(shù)（纖芯直徑、包層直徑、纖芯不圓度、包層不圓度、同心度誤差等）、光學(xué)特性參數(shù)（折射率分布、最大數(shù)值孔徑、模場(chǎng)直徑、截止波長(zhǎng)等）、傳輸特性（衰減、帶寬、群速度色散、偏振模色散等）。除此之外，對(duì)于高速、多信道、長(zhǎng)距離光通信系統(tǒng)。規(guī)范中未給出的光纖非線性也是光通信需要考慮的重要指標(biāo)。此外，光纜分為機(jī)械性能測(cè)試、環(huán)境性能測(cè)試、工程測(cè)試等。光纖和光纜的測(cè)試儀表大多建立在光學(xué)和電子學(xué)原理之上的，因此系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備昂貴。(1)光纖的色散和PMD測(cè)試 光通信系統(tǒng)工作于622Mb/s速率以下時(shí)，一般不需要考慮色散問(wèn)題。但是隨著系統(tǒng)的擴(kuò)容，速率越來(lái)越高，光纖色散和偏振模色散PMD的問(wèn)題就突顯出來(lái)。，必須準(zhǔn)確地知道光纖的色散系數(shù)，否則系統(tǒng)將無(wú)法正常工作，長(zhǎng)途及跨洋通信系統(tǒng)尤為重要。目前所講的單模光纖實(shí)際上并不是工作于單一模式，它的基模是兩個(gè)橢圓偏振模式，當(dāng)系統(tǒng)工作于10Gb/s時(shí)，由于兩個(gè)模式的時(shí)延差將導(dǎo)致信號(hào)脈沖的展寬及畸變，使系統(tǒng)產(chǎn)生誤碼，嚴(yán)重時(shí)將使系統(tǒng)無(wú)法正常工作。目前的技術(shù)還沒(méi)有實(shí)用的方法抵消其影響，只能將其控制在系統(tǒng)能容忍的范圍內(nèi)。因此，對(duì)PMD的測(cè)試也是很重要的。（2）光纖非線性測(cè)試 光纖的非線性主要有自相位調(diào)制效應(yīng)、交叉相位調(diào)制效應(yīng)、四波混頻效應(yīng)、受激布里淵效應(yīng)和受激喇曼效應(yīng)等。其中一些效應(yīng)將使信號(hào)脈沖展寬、波形畸變、信號(hào)之間串?dāng)_，使系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)惡化。合理的使用某些非線性效應(yīng)，又可以研制出新型的光器件，例如，利用受激喇曼效應(yīng)可制成寬帶光纖放大器等。