第5章光放大器
光纤通信系统与应用(胡庆)复习总结
红色：重点、绿色：了解第1章1、光纤通信的基本概念：以光波为载频，用光纤作为传输介质的通信方式。
光纤通信工作波长在于近红外区：0.85～2.00μm的波长区，对应频率: 167～375THz。
对于SiO2光纤，在上述波长区内的三个低损耗窗口，是目前光纤通信的实用工作波长，即0.85μm、 1.31μm 1.55μm及 1.625μm2、光纤通信系统的基本组成：P5 图1-3目前采用比较多的系统形式是强度调制/直接检波（IM/DD）的光纤数字通信系统。
该系统主要由光发送设备（光发射机）、光纤传输线路、光接收设备（光接收机）、光中继器以及各种耦合器件组成。
各部件功能：电发射机：对来自信源的信号进行模/数转换和多路复用处理；光发送设备：实现电/光转换；光接收机：实现光/电转换；光中继器：将经过光纤长距离衰减和畸变后的微弱光信号放大、整形、再生成具有一定强度的光信号，继续送向前方，以保证良好的通信质量。
3、光纤通信的特点：（可参照P1、2）优点：（1），传输容量大。
（2）传输损耗小，中继距离长。
（3）保密性能好：光波仅在光纤芯区传输，基本无泄露。
（4）抗电磁干扰能力强：光纤由电绝缘的石英材料制成，不受电磁场干扰。
（5）体积小、重量轻。
（6）原材料来源丰富、价格低廉。
缺点：1）弯曲半径不宜过小；2）不能远距离传输；3）传输过程易发生色散。
4、适用光纤：P11G.652 和G.654：常规单模光纤，色散最小值在1310nm处，衰减最小值在1550nm 处。
常见的结构有阶跃型和下凹型单模光纤。
G.653：色散位移光纤，色散最小值在1550nm处，衰减最小值在1550nm处。
难以克服FWM混频等非线性效应带来的影响。
G.655：非零色散光纤，色散在1310nm处较小，不为0；衰减最小值在1550nm处。
可以尽量克服FWM混频等非线性效应带来的影响。
补充：1、1966年7月，英籍华人（高锟）博士从理论上分析证明了用光纤作为传输介质以实现光通信的可能性。
第5章光电倍增管
1）阴极灵敏度测试图
Sk
Ik
电子
K
D1
D10
0V
A
－100V～－300V 照射到光电阴极上的光通量约为10-5～10-2lm
2）阳极光照灵敏度测试
10-10~10-6 lm E A
Sp
IA
G
各倍增极和阳极
都加上适当电压；
注明整管所加的
V
电压
2．电流增益
阳极电流与阴极电流之比称为电流增益M（内增益）
第5章 光电子发射探测器
具有外光电效应的材料 －－光电子发射体
光电子发射探测器中的光电子发射体 －－又称为光电阴极
光电阴极是完成光电转换的重要部件，其性能 好坏直接影响整个光电发射器件的性能！！！
第5章 光电子发射探测器
5.1 光电阴极 5.2 光电管和光电倍增管结构原理 5.3 光电倍增管的主要特性参数 5.4 光电倍增管的工作电路
1．灵敏度 3．光电特性
2．电流增益 4．光谱特性
5．伏安特性
6．时间特性
7．暗电流
8．疲劳特性
9．噪声
1．灵敏度
灵敏度是衡量光电倍增管探测 光信号能力的一个重要参数。
光电倍增管的灵敏度：
SKSK((?))=IKI?/K?λ?/ Φ
单位：
阴极灵敏度 －－μA/lm或μA/W 阳极灵敏度 －－A/lm 或 A/W
5.2.1 光电管
1、结构
真空光电管由玻壳、 光电阴极和阳极三部 分组成
真空光电管构造示意图
充气型光电管：
光电管的特点：光电阴极面积
大，灵敏度较高，一般积分灵 敏度可达20～200μA/lm；暗电 流小，最低可达10-14A；光电 发射弛豫过程极短。
非线性光纤光学-第五章-光孤子
➢ 孤子的物理理解： ✓ 光孤子由色度色散和自相位调制的结合而形成。 ✓ 通过选择适当的波长和脉冲形状，激光产生孤子波形， 孤子波形通过
自相位调制抵消掉色度色散，从而保持波形不变。 ✓ 色度色散和啁啾(chirp)彼此抵消，从而产生孤子。
光孤子的数学描述
➢ 非线性薛定谔方程(NLS) 从数学上描述光孤子需要用到前面介绍的NLS，
✓ 随着波分复用技术的出现，色散管理技术被普遍采用，它通过周期性色散图从 总体上降低GVD，而在局部GVD则保持较高值。β2的周期性变化形成另一个光栅， 可以显著影响调制不稳定性。在强色散管理情况下（相对大的GVD变化），调制 不稳定性增益的峰值和带宽均减小。
✓ 调制不稳定性在几个方面影响WDM系统的性能。研究表明，四波混频的共振增强 对WDM系统有害，特别是当信道间隔接近调制不稳定性增益最强的频率时，使系 统性能明显劣化。积极的一面是，这种共振增强能用于低功率、高效的波长变 换
A z
i 2
2
2 A T 2
1 6
3
3 A T 3
i
|
A |2
A
2
A
为了简化孤子解，首先忽略光纤损耗和三阶色散，并引入归一化参量
U A , z , T
P0
LD
T0
输入脉冲宽度
归一化的方程为：
峰值功率
LD
T02
| 2
色散长度 |
i U
sgn(2
)
1 2
2U
2
N2
U 2U
N 2 LD
P0T02
第五章 光孤子
1.调制不稳定性 2.光孤子 3.其他类型孤子 4.孤子微扰 5.高阶效应
1.调制不稳定性
2024-2025学年新教材高中物理第5章传感器1认识传感器教案新人教版选择性必修第二册
3.实验器材：
-准备不同类型的传感器实物，如光敏电阻、热敏电阻、压力传感器等，以便于学生观察和学习。
-确保传感器实验套件充足，包括传感器、信号放大器、显示装置等，以便学生进行实际操作。
-准备实验所需的连接线、电源、测量仪器（如万用表）等辅助工具。
3.随堂测试：
-设计针对传感器基础知识、特性参数和实际应用的随堂测试，以评估学生对本节课重点内容的掌握情况。
-分析测试结果，了解学生的知识盲点和理解误区，为后续教学提供参考。
4.实验操作评价：
-观察学生在实验操作中的规范性和安全性，评估学生对实验原理的理解和实验技能的掌握。
-检查实验报告的撰写质量，包括实验数据的记录、分析和结论的推导。
-湿度监测与改善建议：学生需要描述如何使用湿度传感器监测植物生长环境的湿度，并提出根据监测结果调整浇水或增加湿度的措施。
-学会了与他人合作，能够在小组讨论中发挥自己的优势，共同解决问题。
3.情感态度与价值观：
-增强了对物理学科的兴趣，认识到传感器在现代科技中的重要性，激发了进一步学习的欲望。
-培养了创新意识和实践精神，敢于提出自己的观点，勇于尝试新的解决方案。
-提升了环保意识和社会责任感，了解到传感器在环境保护、资源节约等方面的应用价值。
教学评价与反馈
1.课堂表现：
-观察学生在课堂上的参与度、提问回答的积极性和准确性，以及学生对传感器知识点的理解和掌握程度。
-关注学生在课堂上的注意力集中情况，以及他们对传感器案例分析的感兴趣程度。
2.小组讨论成果展示：
-评估各小组讨论的深度和广度，以及提出的解决方案的创新性和实用性。
-检查小组成果展示的逻辑性和清晰度，以及学生在展示过程中的表达能力和沟通技巧。
第5章 光放大器
（1） 宽的增益平坦度（30 nm）。如对1500 nm波 长 区 的 宽 带 信 号 放 大， 最 高 带 宽 已 达 到80 nm， 是 EDFA最佳数据的两倍。在1530～1610 nm的波长区， 得到了20 dB以上的增益，增益平坦度达1.5 dB。 （2） 放大波段向长波长移动。硅和氟EDFA大约
拉曼光纤放大器的主要问题在于所需泵浦的种类， 其次是如何使放大器本身作为一个谐振腔来获得高数 量级的拉曼效应。 目前， 拉曼光纤放大器的小信号增 益为30 dB， 饱和输出功率为+25 dBm， 特别适于作光 功率放大级。
5.4 其他光纤放大器
1. 掺镨光纤放大器（PDFA） EDFA光纤放大器只能对1550 nm波段的光信号进 行放大，为了能对1310 nm波段的光信号进行放大， 人们在光纤中掺入镨。PDFA具有高的增益（约30 dB） 和高的饱和功率（20 dBm），适用于EDFA不能放大
放 大器
电 光变 换 (E /O )
光纤
光 的范 围
电 的范 围
光 的范 围
图5.1 传统的中继器原理框图
尽管这种方式对于单个波长且数据速率不太高的 通信很适用， 但对于高速率的多个波长系统显然是相 当复杂的， 每一波长就需一个再生器， 如有N个波长 就需要N个这样的再生器，造价是相当高的。另一方面， 对于很高的数据速率，电放大器的实现难度很大。 因 此， 人们试图对光信号直接放大， 如果这种放大的带 宽较宽， 则可以同时对多个波长进行放大，因而只需 一个放大器即可。 人们经过很大的努力， 终于研制成
模光纤的构造一样， 如图5.3所示。 铒离子位于EDF的
纤芯中央地带， 将铒离子放在这里有利于其最大地吸 收泵浦和信号能量， 从而产生好的放大效果。
光放大器工作原理
光放大器工作原理
光放大器是一种用于放大光信号的设备，其工作原理基于光的受激辐射效应。
光放大器通常由具有谐振腔的光介质和激发源组成。
当外界光信号通过激发源注入到光介质中时，光介质中的原子或分子会吸收光能并处于激发态。
接下来，在光介质中近邻的原子或分子也会因为受到激发态的原子或分子的辐射而被受激辐射，使得它们跃迁到较低的激发态。
在辐射过程中，这些受激辐射产生的光子与外界光信号具有相同的频率和相位。
一些跃迁到较低激发态的原子或分子会经历非辐射跃迁过程，回到基态并释放出多余的能量。
这些能量释放出的光子形成背景信号，但并不具有与外界光信号的相位和频率相一致的特性。
在谐振腔的作用下，激发态的原子或分子会来回穿梭，使得它们与外界光信号相互作用，并释放出与外界光信号相位一致、频率相同的光子。
通过在谐振腔中引入一些可调节的光学增益介质，可以进一步增强光信号的强度。
通过不断地进行受激辐射和非辐射跃迁，将光信号放大到较大的幅度。
最后，放大后的光信号可以通过输出端口传输到后续的光学器件或接收器进行进一步的处理或接收。
总而言之，光放大器工作原理利用受激辐射效应和谐振腔的作用，通过放大外界光信号并保持其相位和频率不变，实现对光
信号的放大。
这种原理在光通信、光传感和激光器等领域有着广泛的应用。
第5章 光交叉连接设备解读
4. 模块性 因通信业务量的不断增长，考虑到建设OXC的成本， 人们希望OXC结构应该具有模块性（包括波长模块性和 链路模块性），以便于将来的升级和扩容。模块性是指 当建网初期业务量比较小时，需要OXC的交叉连接容量 不大，只需小容量的OXC；而当几年后业务量增加时， 在不改动现有OXC结构连接的情况下，只需增加模块就 可实现节点吞吐量的扩容。如果除了增加新模块外，不 需改动现有OXC结构，就能增加节点的输入／输出链路 数，则称这种结构具有链路模块性。这种节点可以很方 便地通过增加节点的链路数来进行网络扩容。这样可以 减少建网初期费用，又不会造成以后业务量增加时更换 OXC所造成的浪费。
OXC依据它所具有的功能可以出现在光网络的许多位 置，如网络的边缘和网络的内部等，它们应用在不同的位 置时，功能会有所差异。 1．光交叉连接 OXC具有强大的网络重组和业务疏导交换能力。它具有 多个标准的光纤接口，它可以把输入端的来自任一光纤信 号(或其各波长信号)可控地连接到输出端的任一光纤(或其 各波长)中去，并且这一过程是完全在光域中进行的。通 过使用光交叉连接设备，可以有效地解决现有的数字交叉 连接(DXC)设备的电子瓶颈问题。 随着光网络的发展，实现多粒度的交叉连接的需求日 渐迫切。OXC目前的发展趋势是向多粒度、多层次交叉连 接的方向发展，实现光纤级、波长级和子波级的交叉连接。
5．3 OXC的主要性能
1．交叉连接容量 交叉连接容量的大小取决于OXC的端口数。OXC具有透 明的传输代码格式和比特率，可以对不同传输代码格式 和不同比特速率等级的信号进行交叉连接，所以OXC的 端口数是衡量OXC的交换能力的重要标志。不同网络对 OXC交换能力的要求不同。OXC的端口数量少的可有 2×2，4×4 ；多的可达1024×1024。2001年OFC会议上， Lucent公司报导已实现1296× 1296个端口MEMS，每个 端口上输入40× 40Gbit/s =1.6Tbit/s的WDM信号，总的 交叉能力达到2.07Pbit/s .
《医疗器械概论》 第二篇第5章 医用光学仪器
第一节 光学基础
1.光学基础
人类对光的利用
望远镜、显微镜、光谱仪、光学计量仪器和技术、照相机（摄像机）、激光等。
光在医学中的应用
眼科光学仪器 显微镜 医用内窥镜 医用激光仪器 红外热像
光学系统的光学零件主要由透镜、柱镜、 反射镜及平行平板等组成。
2.显微电视图像系统
为了满足一机多用的要求，显微镜还设有为各种特殊用途而附加的装置， 如摄影，投影，荧光光源等带有摄影装置的显微镜叫做摄影显微镜。
电视显微镜和电荷耦合器显微镜是以电视摄像靶或电荷耦合器作为接收元 件的显微镜，在显微镜的实相面处装入电视摄像靶或电荷耦合器取代人眼 作为接收器，通过这些光电器件将光学图像转换成电信号，然后对之进行 尺寸检测、颗粒计数等工作。
第五章 医用光学仪器
THANKS
谢谢观看
（1）硬性内镜。 （2）纤维内镜。 （3）电子内镜。
第三节 医用内镜
1.医用内镜的组成原理
硬性内镜 硬性内镜的发展已经历了漫长的历史。早在1795年Bozzine就首次制造 出一个以烛光为光源的硬件内镜，可观察到直肠和子宫内腔。 硬性内镜以金属管为外壳，内装有物镜，目镜、棱镜、反光镜等光学元 件的硬性直管性内镜。 其种类主要有腹腔镜、宫腔镜、尿道膀恍镜、关节镜、胸腔镜、脑颅镜、 直肠镜、鼻窦镜等。
一个光学系统可以由一个或几个部件组 成，每个部件可以由一个或几个透镜组成， 组成的部件称为光组。
实际工作中，常把几个光组组合在一起， 通常两个光组的组合最常见，也是最基本的 组合。
光学系统
第一节 光学基础
2.光学系统
光学系统的基本组成 – 透镜
正透镜：凸透镜，中心厚，边缘薄，使光线会聚,也叫会聚透镜 会聚作用：出射光线相对于入射光线向光轴方向折转
光放大器的原理
光放大器的原理
光放大器是一种能够增强光信号强度的电子器件。
其原理基于激光作用下的光激发和能级跃迁。
光放大器的工作基于激光器共振腔内具有放大介质，常见的放大介质有光纤、半导体等。
当输入的光信号经过激光器共振腔中的放大介质时，放大介质中的能级跃迁会产生辐射跃迁，使得输入的光信号被放大。
具体来说，光放大器中的放大介质内部存在一个被激发的能级和一个低能级，这两个能级之间存在能级差。
当外界的光信号通过激光器共振腔时，处于低能级的电子会受到光信号的激发而跃迁到被激发的高能级。
然后，这些处于高能级的电子会通过辐射跃迁回到低能级，同时释放出与激发信号具有相同频率、相同相位的光子。
这些额外释放的光子将与输入的光信号进行叠加，并且由于能级跃迁过程是随机的，它们的相位和方向也是随机的。
然而，由于激光器共振腔的准谐振特性，只有与激光器共振腔的光模匹配的光子才能得到增强。
因此，在经过多次往返共振腔后，激光器中的光信号将得到显著的增强。
总的来说，光放大器的原理基于通过激光器共振腔中的放大介质，利用能级跃迁和辐射跃迁的过程将输入的光信号逐步放大。
利用激发电子跃迁产生的光子进行叠加增强，最终实现光信号的放大。
2024-2030全球与中国光放大器市场现状及未来发展趋势
2023年全球光放大器市场销售额达到了10.3亿美元，预计2030年将达到16.67亿美元，年复合增长率（CAGR）为7.2%（2024-2030）。
地区层面来看，中国市场在过去几年变化较快，2023年市场规模为百万美元，约占全球的%，预计2030年将达到百万美元，届时全球占比将达到%。
全球光放大器（Optical Amplifiers）核心企业主要分布在北美、欧洲、中国、日本等地区。
其中头部企业有Finisar (II-VI Incorporated)、VIAVI Solutions Inc.、武汉光迅科技股份有限公司、Lumentum和无锡市德科立光电子技术有限公司等，其中前三大企业占有约45%的市场份额。
中国是全球最大的市场，占有大约38%的市场份额，之后是北美和欧洲。
就产品而言，EDFA（掺铒光纤放大器）是最大的细分市场，占有率超过55%。
就应用而言，通信是最大的市场，占有率超过44%。
本报告研究全球与中国市场光放大器的产能、产量、销量、销售额、价格及未来趋势。
重点分析全球与中国市场的主要厂商产品特点、产品规格、价格、销量、销售收入及全球和中国市场主要生产商的市场份额。
历史数据为2019至2023年，预测数据为2024至2030年。
主要厂商包括：II-VILumentum光迅科技Keopsys德科立CiscoIPG昂纳科技Nuphoton TechnologiesAmonics Ltd.InphenixBktel photonicsThorlabsEmcore康冠光电按照不同产品类型，包括如下几个类别：EDFA（掺铒光纤放大器）SOA（半导体光放大器）非线性光放大器按照不同应用，主要包括如下几个方面：广播/有线电视通信数据中心其他重点关注如下几个地区北美欧洲中国日本本文正文共10章，各章节主要内容如下：第1章：报告统计范围、产品细分及主要的下游市场，行业背景、发展历史、现状及趋势等第2章：全球总体规模（产能、产量、销量、需求量、销售收入等数据，2019-2030年）第3章：全球范围内光放大器主要厂商竞争分析，主要包括光放大器产能、销量、收入、市场份额、价格、产地及行业集中度分析第4章：全球光放大器主要地区分析，包括销量、销售收入等第5章：全球光放大器主要厂商基本情况介绍，包括公司简介、光放大器产品型号、销量、收入、价格及最新动态等第6章：全球不同产品类型光放大器销量、收入、价格及份额等第7章：全球不同应用光放大器销量、收入、价格及份额等第8章：产业链、上下游分析、销售渠道分析等第9章：行业动态、增长驱动因素、发展机遇、有利因素、不利及阻碍因素、行业政策等第10章：报告结论报告目录1 光放大器市场概述1.1 产品定义及统计范围1.2 按照不同产品类型，光放大器主要可以分为如下几个类别1.2.1 全球不同产品类型光放大器销售额增长趋势2019 VS 2023 VS 20301.2.2 EDFA（掺铒光纤放大器）1.2.3 SOA（半导体光放大器）1.2.4 非线性光放大器1.3 从不同应用，光放大器主要包括如下几个方面1.3.1 全球不同应用光放大器销售额增长趋势2019 VS 2023 VS 20301.3.2 广播/有线电视1.3.3 通信1.3.4 数据中心1.3.5 其他1.4 光放大器行业背景、发展历史、现状及趋势1.4.1 光放大器行业目前现状分析1.4.2 光放大器发展趋势2 全球光放大器总体规模分析2.1 全球光放大器供需现状及预测（2019-2030）2.1.1 全球光放大器产能、产量、产能利用率及发展趋势（2019-2030）2.1.2 全球光放大器产量、需求量及发展趋势（2019-2030）2.2 全球主要地区光放大器产量及发展趋势（2019-2030）2.2.1 全球主要地区光放大器产量（2019-2024）2.2.2 全球主要地区光放大器产量（2025-2030）2.2.3 全球主要地区光放大器产量市场份额（2019-2030）2.3 中国光放大器供需现状及预测（2019-2030）2.3.1 中国光放大器产能、产量、产能利用率及发展趋势（2019-2030）2.3.2 中国光放大器产量、市场需求量及发展趋势（2019-2030）2.4 全球光放大器销量及销售额2.4.1 全球市场光放大器销售额（2019-2030）2.4.2 全球市场光放大器销量（2019-2030）2.4.3 全球市场光放大器价格趋势（2019-2030）3 全球与中国主要厂商市场份额分析3.1 全球市场主要厂商光放大器产能市场份额更多详情，请W: chenyu-zl，获取报告样品和报价行业分析专家，8年行业研究经验，逻辑性强，数据敏感度较高。
光放大器
第六章光放大器6.1 光放大器简介6.2 半导体光放大器6.3 掺铒光纤放大器(EDFA)任何光纤通信系统的传输距离都受到光纤损耗或色散的限制，因此，在长距离传输系统中，每隔一定距离就需设置一个中继器以保证信号的质量。
中继器是将传输中衰减的光信号转变为电信号，并放大、整形和定时处理，恢复信号的形状和幅度，然后再变换为光信号(光－电－光过程)，再继续由光纤传输。
这种方式的中继器结构复杂，价格昂贵，尤其对DWDM 系统，若采用光－电－光混合中继方式，则首先要对光信号进行解复用，然后对每一信道信号进行中继再生，再将各信道信号复用到光纤中进行传输，这样将需要大量中继设备，成本很高。
宽带宽的的各放大器可以对多信道信号同时放大而不需进行解复用，光放大器的问世推动了DWDM技术的快速发展。
•放大器带宽：放大器增益（放大倍数）降至最大放大倍数一半处的全宽度（FWHM ）⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−∆=∆2ln 2ln 0L g g A νν0ωω=()ωG ()ωg 当 时， 和均达到最大值。
由图可知，放大器带宽比介质带宽窄得多。
右图为归一化增益和 随归一化失谐变化的曲线。
R τωω)(0−()ωG ()ωg Rτωω)(0−0G G 0g g 其实，只考虑了单纵模的情形。
(见下文后，回头再来理解。
)2. 增益饱和与饱和输出功率增益饱和是对放大器放大能力的一种限制。
由上式知，放大系数 在接近 时显著减小。
s P 当增大至可与 相比拟时，放大系数 随信号功率增加而降低，这种现象称为增益饱和。
P )(ωG 在前述讨论的基础上，设输入光信号频率位于增益峰值( )处，可推得(见马军山《光纤通信原理与技术》)：0ωω=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⋅−−=s out P P G G G G 1exp 0s P out P G 饱和输出功率：放大器增益降至最大小信号增益值一半时的输出功率。
20G G =令 得到饱和输出功率为：s s out P G G P 22ln 00−=例 G 0>>2(如：增益为30dB, G 0=1000), P s out ≈0.69Ps, 表明放大器的饱和输出功率比增益介质的饱和功率低约3030%.%.三. 光放大器的类型光放大器主要有三类：（1）半导体光放大器(SOA, Semiconductor Optical Amplifier)注：有文献也把半导体光放大器写为SLA(Semiconductor Laser Amplifier)（2）掺稀土元素(铒Er、铥Tm、镨Pr、钕Nd等)的光纤光放大器，主要是掺铒光纤放大器(EDFA,Erbium-Doped Fiber Amplifier)。
梁瑞生《现代光纤通信技术及应用》课后习题及参考答案
第1章概述1－1、什么是光纤通信？参考答案：光纤通信(Fiber-optic communication)是以光作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信方式，其先将电信号转换成光信号，再透过光纤将光信号进行传递，属于有线通信的一种。
光经过调变后便能携带资讯。
光纤通信利用了全反射原理，即当光的注入角满足一定的条件时，光便能在光纤内形成全反射，从而达到长距离传输的目的。
1－2、光纤通信技术有哪些特点？参考答案：(1)无串音干扰，保密性好。
(2)频带极宽，通信容量大。
(3)抗电磁干扰能力强。
(4)损耗低，中继距离长。
(5)光纤径细、重量轻、柔软、易于铺设。
除以上特点之外，还有光纤的原材料资源丰富，成本低;温度稳定性好、寿命长等特点。
1－3、光纤通信系统由哪几部分组成？简述各部分作用。
参考答案：光纤通信系统最基本由光发送机、光接收机、光纤线路、中继器以及无源器件组成。
其中光发送机负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号，光纤线路负责传输信号，而光接收机负责接收光信号，并从中提取信息，然后转变成电信号，最后得到对应的话音、图象、数据等信息。
(1)光发送机：由光源、驱动器和调制器组成，实现电/光转换的光端机。
其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。
(2)光接收机：由光检测器和光放大器组成，实现光/电转换的光端机。
其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端机去。
(3)光纤线路：其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。
(4)中继器：由光检测器、光源和判决再生电路组成。
它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减;另一个是对波形失真的脉冲进行整形。
(5)无源器件：包括光纤连接器、耦合器等，完成光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合。
第五章 光放大器
第五章光放大器5.1 光放大器一般概念一、中继距离所谓中继距离是指传输线路上不加放大器时信号所能传输的最大距离。
当信号在传输线上传输时，由于传输线的损耗会使信号不断衰减，信号传输的距离越长，其衰减程度就越多，当信号衰减到一定程度后，对方就收不到信号。
为了延长通信的距离往往要在传输线路上设置一些放大器，也称为中继器，将衰减了的信号放大后再继续传输，显然，中继器越多，传输线的成本就越高，通信的可靠性也会降低，若某一中继器出现故障，就会影响全线的通信。
在通信系统设计中，传输线路的损耗是要考虑的基本因素，下表列出了电缆和光纤每千可见，光纤的传输损耗较之电缆要小很多，所以能实现很长的中继距离。
在1550nm波长区，光纤的衰减系统可低至0.2dB/km，它对降低通信成本，提高通信的可靠性及稳定性具有特别重大的意义。
二、光放大器光信号沿光纤传输一定距离后，会因为光纤的衰减特性而减弱，从而使传输距离受到限制。
通常，对于多模光纤，无中继距离约为20多公里，对于单模光纤，不到80公里。
为了使信号传送的距离更大，就必须增强光信号。
光纤通信早期使用的是光－电－光再生中继器，需要进行光电转换、电放大、再定时脉冲整形及电光转换，这种中继器适用于中等速率和单波长的传输系统。
对于高速、多波长应用场合，则中继的设备复杂，费用昂贵。
而且由于电子设备不可避免地存在着寄生电容，限制了传输速率的进一步提高，出现所谓的“电子瓶颈”。
在光纤网络中，当有许多光发送器以不同比特率和不同格式将光发送到许多接收器时，无法使用传统中继器，因此产生了对光放大器的需要。
经过多年的探索，科学家们已经研制出多种光放大器。
光放大器的作用如图5.1所示。
图5.1与传统中继器比较起来，它具有两个明显的优势，第一，它可以对任何比特率和格式的信号都加以放大，这种属性称之为光放大器对任何比特率和信号格式是透明的。
第二，它不只是对单个信号波长，而是在一定波长范围内对若干个信号都可以放大。
《光纤通信》习题解答
第1章1.光通信的优缺点各是什么？答：优点有：通信容量大；传输距离长；抗电磁干扰；抗噪声干扰；适应环境；重量轻、安全、易敷设；；寿命长。
缺点：接口昂贵；强度差；不能传送电力；需要专用的工具、设备以及培训；未经受长时间的检验。
2.光通信系统由哪几部分组成，各部分功能是什么？答：通信链路中最基本的三个组成部分是光发射机、光接收机和光纤链路。
各部分的功能参见1.3节。
3.假设数字通信系统能够在载波频率1%的比特率下工作，试问在5GHz的微波载波和1.55μm的光载波上能传输多少路64kb/s的音频信道？答：5GHz×1％/64k＝781路（3×108/1.55×10-6）×1％/64k＝3×107路4.SDH体制有什么优点？答：主要为字节间插同步复用、安排有开销字节用于性能监控与网络管理，因此更加适合高速光纤线路传输。
5.简述未来光网络的发展趋势及关键技术。
答：未来光网络的发展趋势为全光网，关键技术为多波长传输和波长交换技术。
6.简述WDM的概念。
答：WDM的基本思想是将工作波长略微不同，各自携带了不同信息的多个光源发出的光信号，一起注入同一根光纤，进行传输。
这样就充分利用光纤的巨大带宽资源，可以同时传输多种不同类型的信号，节约线路投资，降低器件的超高速要求。
7.解释光纤通信为何越来越多的采用WDM+EDFA方式。
答：WDM波分复用技术是光纤扩容的首选方案，由于每一路系统的工作速率为原来的1/N，因而对光和电器件的工作速度要求降低了，WDM合波器和分波器的技术与价格相比其他复用方式如OTDM等，有很大优势；另一方面，光纤放大器EDFA的使用使得中继器的价格和数量下降，采用一个光放大器可以同时放大多个波长信号，使波分复用（WDM）的实现成为可能，因而WDM＋EDFA方式是目前光纤通信系统的主流方案。
8.WDM光传送网络（OTN）的优点是什么？答：（1）可以极提高光纤的传输容量和节点的吞吐量，适应未来高速宽带通信网的要求。
全光通信网课件第5章OXC
2023/12/24
《全光通信网》
① 无波长变换功能的OXC结构
波分解复用器
1
2
Nf
空间光开关矩阵
N×N
λ1
N×N
λ2 λM
N×N
发送模块 接收模块
波分复用器
，就能增加每条链路中复用的波长数。
2023/12/24
《全光通信网》
连接时间
OXC处理信息的颗粒度比较大，因此交叉连接、保护 和恢复操作都需要尽量提高速度，尽量减少交叉连接矩阵 的开关时间，减少保护倒换/恢复时间，这样才能尽量减 小对业务的影响。
广播发送能力
指输入光信道中的信号经过OXC节点后，可以被广 播发送到多个输出光通道中。
道，反映OXC的连接能力。
2023/12/24
《全光通信网》
阻塞性
交叉连接结构的构成可有：严格无阻塞、可重构 无阻塞和有阻塞三种。
模块性：指当业务量增加时，在不改动现有OXC结构连接
的情况下，只需增加模块就可实现节点吞吐量的扩容。 链路模块性：除增加新模块外，不需改动现有的OXC结
构，就能增加节点的输入/输出链路数； 波长模块性：除增加新模块外，不需改动现有OXC结构
扩展性差、封装不容易
保 护 、 OXC 、 OADM
封装不容易
OXC
《全光通信网》
1.基于空间交换的OXC结构
1)基于空间光开关矩阵和波分复用/解复用器对的OXC结构 基本原理：利用波分解复用器将链路中的WDM信号在空间上 分开，然后利用空间光开关矩阵在空间上实现交换。完成 空间交换后各波长信号直接经波分复用器复用到输出链路 中。可完成不同波长信号的分出和插入。
《光纤通信》第5章课后习题答案
1．光放大器包括哪些种类？简述它们得原理与特点。
EDFA有哪些优点？答：光放大器包括半导体光放大器、光纤放大器（由可分为非线性光纤放大器与掺杂光纤放大器）。
1）半导体光放大器它就是根据半导体激光器得工作原理制成得光放大器。
将半导体激光器两端得反射腔去除，就成为没有反馈得半导体行波放大器。
它能适合不同波长得光放大，缺点就是耦合损耗大，增益受偏振影响大，噪声及串扰大。
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2）光纤放大器（1）非线性光纤放大器强光信号在光纤中传输，会与光纤介质作用产生非线性效应，非线性光纤放大器就就是利用这些非线性效应制作而成。
包括受激拉曼放大器（SRA）与受激布里渊放大器（SBA）两种。
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（2）掺杂光纤放大器（常见得有掺铒与掺镨光纤放大器）在泵浦光作用下，掺杂光纤中出现粒子数反转分布，产生受激辐射，从而使光信号得到放大。
EDFA优点：高增益、宽带宽、低噪声及放大波长正好就是在光纤得最低损耗窗口等。
2．EDFA得泵浦方式有哪些？各有什么优缺点？答：EDFA得三种泵浦形式：同向泵浦、反向泵浦与双向泵浦。
同向泵浦：信号光与泵浦光经WDM复用器合在一起同向输入到掺铒光纤中，在掺铒光纤中同向传输；反向泵浦：信号光与泵浦在掺铒光纤中反向传输；双向泵浦：在掺铒光纤得两端各有泵浦光相向输入到掺铒光纤中。
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同向泵浦增益最低，而反向泵浦比同向泵浦可以提高增益3dB~5dB。
这就是因为在输出端得泵浦光比较强可以更多地转化为信号光。
而双向泵浦又比反向泵浦输出信号提高约3dB，这就是因为双向泵浦得泵功率也提高了3dB。
其次，从噪声特性来瞧，由于输出功率加大将导致粒子反转数得下降，因此在未饱与区，同向泵浦式EDFA 得噪声系数最小，但在饱与区，情况将发生变化。
不管掺铒光纤得长度如何，同向泵浦得噪声系数均较小。
最后，考虑三种泵浦方式得饱与输出特性。
同向 EDFA 得饱与输出最小。
双向泵浦 EDFA 得输出功率最大，并且放大器性能与输出信号方向无关，但耦合损耗较大，并增加了一个泵浦，使成本上升。
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泵浦 能带
快速非辐 射跃迁
亚稳态能带
吸收泵浦光 980nm 1480nm
产生噪声
光放大
自发辐射 受激吸收 受激辐射
基态 能带
1550nm
掺铒光纤放大器的基本结构
掺铒光纤：当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时，Er3+从低能级被激发到高 能级上，由于在高能级上的寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较低能级上， 并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。 半导体泵浦二极管：为信号放大提供足够的能量，使物质达到粒子数反转。 波分复用耦合器：将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。 光隔离器：使光传输具有单向性，放大器不受反射光影响，保证稳定工作。 光滤波器：滤除光放大器中ASE噪声，提高EDFA的信噪比。
5.2 掺铒光纤放大器EDFA
掺杂光纤放大器利用掺入石英光纤的稀土离子作为 增益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放大， 放大器的特性主要由掺杂元素决定,而不是由起主介 质作用的石英光纤决定。
工作波长为1550nm的铒(Er)掺杂光纤放大器(EDFA) 工作波长为1300nm的镨(Pr)掺杂光纤放大器(PDFA) 工作波长为1400nm的铥(Tm)掺杂光纤放大器(TDFA) 目前，EDFA最为成熟，是光纤通信系统必备器件。
光放大器（O-O）
多波长放大、低成本，只能实现1R中继
•3R再生功能
放大 消除波 形畸变 消除时 间抖动
光放大器的原理
光放大器的功能：提供光信号增益，以补偿光信 号在通路中的传输衰减，增大系统的无中继传输 距离。
在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数反 转（非线性光纤放大器除外），然后通过受激辐 射实现对入射光的放大。
EDFA的工作原理
EDFA采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用 下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大。
Input signal 1530nm-1570nm
Amplified output signal
980nm or 1480nm Power laser
(Pump)
Fiber containing erbium dopant
利用半导体制作的半导体光放大器（SOA）
几种光放大器的比较
放大器 类型
原理
激励 工作长 噪声 与光 与光 稳 方式 度 特性 纤耦 偏振 定
合 关系 性
掺稀土光 粒子数反 光 数米到 好 容易 无 好
纤放大器 转
数十米
(喇曼)光 光学非线 光 数千米 好 容易 大 好 纤放大器 性(喇曼)
效应
展宽带宽：C-band 40nm, L-band 再加40nm； 均衡功能：针对点对点系统的增益均衡，针对全
光网的功率均衡； 监控管理功能：在线放大器，全光网路由改变； 动态响应特性； 其它波段的光纤放大器，如Raman放大器。
第五章 光放大器
5.1 光放大器概述 5.2 掺铒光纤放大器EDFA 5.3 半导体光放大器SOA 5.4 拉曼光纤放大器RFA
光放大器是基于受激辐射或受激散射原理实现入 射光信号放大的一种器件。其机制与激光器完全 相同。实际上，光放大器在结构上是一个没有反 馈或反馈较小的激光器。
光放大器的类型
利用稀土掺杂的光纤放大器（EDFA、 PDFA、TDFA）
利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大 器（RFA、BFA）
信号光与波长较其为短的光波(泵浦光)同沿光纤传输，泵浦 光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能 级，并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号 光沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。
EDFA中的Er3+能级结构
铒离子简化 能级示意图
泵浦波长可以是520、650、800、980、1480nm
Multistag e EDFA
Remote Pnm的光损耗较小，所以 1480nm泵浦光又常用于遥泵方式。
EDFA的工作特性
光放大器的增益 放大器的噪声 EDFA的多信道放大特性 EDFA的大功率化 EDFA的宽带特性
三种泵浦方式的EDFA
LD
EDF
in APC
WDM EDF
out APC LD
in APC
WDM
out APC
LD1
EDF
in APC
WDM1
LD2 out
WDM2 APC
同向泵浦(前向泵浦) 型：好的噪声性能
反向泵浦(后向泵浦) 型：输出信号功率高
双向泵浦型：输出信 号功率比单泵浦源高 3dB，且放大特性与 信号传输方向无关
掺铒光纤放大器给光纤通信领域带来的革命
EDFA解决了系统容量提高的最大的限制——光 损耗
补偿了光纤本身的损耗，使长距离传输成为可能 大大增加了功率预算的冗余，系统中引入各种新
型光器件成为可能 支持了最有效的增加光通信容量的方式-WDM 推动了全光网络的研究开发热潮
为什么要用掺铒光纤放大器
半导体光 粒子数反 电 100m 差 很难 大 差
放大器
转
~1mm
光放大器的应用
线路放大(In-line)：周 期性补偿各段光纤损耗
功率放大(Boost)：增加 入纤功率,延长传输距离
前置预放大(Pre-Amplify): 提高接收灵敏度
局域网的功率放大器：补偿 分配损耗，增大网络节点数
研究新热点
第五章 光放大器
5.1 光放大器概述 5.2 掺铒光纤放大器EDFA 5.3 半导体光放大器SOA 5.4 拉曼光纤放大器RFA
5.1 光放大器概述
光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要 里程碑。
光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光－电 －光(O-E-O)变换方式。
装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道，在 WDM系统中复杂性和成本倍增，可实现1R、2R、3R 中继
工作频带正处于光纤损耗最低处(1525-1565nm)； 频带宽，可以对多路信号同时放大-波分复用； 对数据率/格式透明，系统升级成本低； 增益高(>40dB)、输出功率大(~30dBm)、噪声低
(4~5dB)； 全光纤结构，与光纤系统兼容； 增益与信号偏振态无关，故稳定性好； 所需的泵浦功率低(数十毫瓦)。