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拉曼光纤放大器原理拉曼光纤放大器（Raman Fiber Amplifier）是一种基于拉曼散射效应的光纤放大器。
它利用拉曼散射的原理，在光纤中实现光信号的增强。
拉曼散射是一种非线性光学现象，其基本原理是光与光子之间的相互作用。
当光传播在光纤中时，光子与介质中的分子或晶格振动发生耦合，从而使光子的能量转移到介质中的振动模式上。
如果光子能量与介质振动模式的能量相匹配，就会发生拉曼散射。
拉曼散射分为受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering, SRS）和自发拉曼散射（Spontaneous Raman Scattering, SBS）。
受激拉曼散射是指激发光和散射光的频率差等于介质的拉曼频移，而自发拉曼散射是指光子与介质中分子或振动模式发生相互作用，从而形成散射光。
拉曼光纤放大器的工作原理是利用拉曼散射中的受激拉曼散射效应。
当信号光（输入光）和泵浦光同时注入光纤中时，泵浦光的能量被转移到信号光上，从而使信号光的功率增大。
具体而言，当泵浦光与信号光频率差等于光纤中介质的拉曼频移时，就会发生受激拉曼散射。
泵浦光的能量转移到信号光上，使其增强。
拉曼光纤放大器的放大过程可以通过几个关键参数进行描述。
首先是增益带宽，它表示在特定的频率范围内，信号光能够得到明显的增益。
增益带宽取决于光纤的材料和波长。
其次是增益平坦度，它衡量信号光在增益带宽内的增益是否均匀。
增益平坦度对于传输多个波长的光信号非常重要。
最后是增益峰值，它表示在增益带宽内，信号光获得的最大增益。
增益峰值取决于泵浦光的功率和波长。
与其他光纤放大器相比，拉曼光纤放大器具有几个优点。
首先，它可以实现宽增益带宽和高增益峰值，适用于传输多个波长的光信号。
其次，它具有很高的稳定性和可靠性。
由于拉曼增益是通过光与介质相互作用实现的，不需要激光器或半导体放大器，因此拉曼光纤放大器具有长寿命和低功率损耗。
然而，拉曼光纤放大器也存在一些限制。
拉曼放大器的原理
拉曼放大器是一种利用拉曼散射的原理来增强光信号的技术，通常被用于光通信和光放大器中。
其原理基于拉曼散射，也称为拉曼效应，这是在光沿着光纤或其他介质传播时所观察到的现象。
拉曼散射是由分子或晶体的特定振动引起的光散射。
当光传播过介质中的分子或晶体时，光子相互作用，部分原子或分子的振动能转换成散射光的能量。
这种散射光的频率不同于原始光，而是通过拉曼散射过程产生的峰值，称为“拉曼峰”。
在拉曼放大器中，信号光通过光纤传输并与介质中的分子或晶体相互作用。
这将导致信号光的一部分能量转移到散射光。
通过收集散射光并将其送回到放大器中，拉曼放大器能够继续增强信号光。
拉曼放大器可以使用单频或多频信号，并可以工作在不同的波长范围内，包括C波段（1530-1565nm）、L波段（1565-1625nm）和S波段（1460-1530nm）。
拉曼放大器通常有高增益和低噪音，并且不需要额外的功率源。
可以通过优化拉曼放大器的设计和参数来获得更高的增益和更低的噪音。
例如，通过调整放大器中使用的介质的参数，可以控制散射光的频率和强度，并因此实现更好的放大效果。
类似地，使准直器和耦合器的设计符合拉曼放大器的要求，可以提高放大器的效率和性能。
总之，拉曼放大器是一种有效而且广泛使用的技术，它基于拉曼散射的原理来提供高增益和低噪音的放大。
通过优化设计和参数，可以实现更好的效果，使得该技术在光通信和光放大器中具备极高的应用价值。
拉曼光纤放大器（Raman）1．拉曼光放大器的工作机理所谓拉曼光纤放大器，就是巧妙地利用拉曼散射能够向较长波长的光转移能量的特点，适当选择泵浦光的发射波长与泵浦输出功率，从而实现对光功率信号的放大。
所谓拉曼散射效应，是指当输入到光纤中的光功率达到一定数值时（如500mw 即 27dBm以上），光纤结晶晶格中的原子会受到震动而相互作用，从而产生散射现象；其结果将较短波长的光能量向较长波长的光转移。
拉曼散射作为一种非线性效应本来是对系统有害的，因为它将较短波长的光能量转移到较长波长的光上，使WDM系统的各复用通道的光信号出现不平衡；但巧妙地利用它可以使泵浦光能量向在光纤中传输的光信号转移，实现对光信号的放大。
由于拉曼光放大器被放大光的波长主要取决于泵浦光的发射波长，所以适当选择泵浦光的发射波长，就可以使其放大范围落入我们所希望的光波长区域。
如选择泵浦光的发射波长为1240nm时，可对1310nm波长的光信号进行放大；选择泵浦光的发射波长为1450nm时，可对1550nm波长C波段的光信号进行放大；选择泵浦光的发射波长为1480nm时，则可对1550nm波长L波段的光信号进行放大等。
一般原则是，[url=/]魔兽sf[/url]泵浦光的发射波长低于要放大的光波长70 ~100nm。
如图3.3.6所示。
图3.3.6：泵浦光波长与拉曼放大光波长的关系2．拉曼光纤放大器的优缺点（1）．优点①．极宽的带宽拉曼光纤放大器具有极宽的增益频谱，在理论上它可以在任意波长产生增益。
当然，一者要选择适当的泵浦源；二者在如此宽的波长范围内，其增益特性可能不是非常平坦的。
实际上，我们可以使用具有不同波长的多个泵浦源，使拉曼光放大器总的平坦增益范围达到13TH z (约100nm )，从而覆盖石英光纤的1550nm 波长区的C+L 波段，如图 3.3.7所示。
这与EDFA 只能对1550nm 波长区C 波段（或L 波段）的光信号进行放大形成鲜明对比。
前言：随着通信业务需求的飞速增长，对光纤传输系统的容量和无中继传输距离的要求越来越高。
密集波分复用（DWDM）通信系统的速率和带宽不断提升，以10Gbit/s甚至更高速率为基础的密集波分复用系统必然成为主流的光传输系统。
掺铒光纤放大器（EDFA）由于其增益平坦性等局限性，已经不能完全满足光通信系统发展的要求。
而相对于掺铒光纤放大器，光纤拉曼放大器具有更大的增益带宽、灵活的增益谱区、温度稳定性好以及放大器自发辐射噪声低等优点，光纤拉曼放大器是唯一能在1292~1660nm的光谱上进行放大的器件。
并且，拉曼散射效应在所有类型的光纤上都存在，与各类光纤系统具有良好的兼容性，包括已铺设和新建的各种光纤链路。
拉曼现象早在1928年就被Chandrasekhara Raman所发现，在此之后就有人提出了利用这种效应来实现光的放大。
但在很长时间内拉曼光纤放大器未能获得广泛应用，甚至在EDFA出现后一度销声匿迹，关键原因在于缺乏合适的大功率泵浦激光器。
由于EDFA的广泛应用，它所用的1480nm大功率泵浦激光器得到了深入的研究和开发，这就使拉曼放大器成为可能。
总体上说解决RFA泵浦源共有3个解决方案：一是大功率LD及其组合，其特点是工作稳定、与光纤耦合效率高、体积小、易集成，是最佳的选择；二是拉曼光纤激光器；三是半导体泵浦固体激光器。
但后二者都存在稳定性及与光纤耦合的问题。
受激拉曼散射原理：在一些非线性介质中，高能量（高频率）的泵浦光散射，将一部分能量转移给另一频率的光束上，频率的下移量是分子的振动模式决定的。
用量子力学可以作如下解释：一个高能量的泵浦光子入射到介质中，被一个分子吸收。
电子先从基态跃迁至虚能级，虚能级的大小是由泵浦光的能量决定的。
然后，虚能级电子在信号光的感应作用下，回到振动态的高能级，同时发出一个和信号光相同频率，相同相位，相同方向的光，我们称之为斯托克斯光子。
从而进行信号光的放大。
拉曼光纤放大器相对于掺铒光纤放大器有明显不同：（1）理论上只要有合适的拉曼泵浦源，就可以对光纤窗口内任一波长的信号进行放大，因此它具有很宽的增益谱；（2）可以利用传输光纤本身作增益介质，此特点使光纤拉曼放大器可以对光信号的放大构成分布式放大，实现长距离的无中继传输和远程泵浦，尤其适用于海底光缆通讯等不方便建立中继站的场合；（3）可以通过调整各个泵浦的功率来动态调整信号增益平坦度；（4）具有较低的等效噪声指数，此特点使其与常规的掺铒光纤放大器混合使用时可大大降低系统噪声指数。
Extract from: Translate by: Allan 定义光纤拉曼放大器基于光学中的非线性效应——受激拉曼散射（SRS ），当适当波长的泵浦光以一定功率进入光纤后，光纤中信号将被放大。
综述本指南将给出复杂的波分复用（WDM ）系统中使用拉曼放大技术的介绍。
首先将介绍传统的波分复用系统，由此预测今后可能会出现的问题，介绍拉曼放大器能够起到的作用。
然后，将讨论有关SRS 中的一些现象和一个中继器的设计。
最后，将以几个具体的系统的例子来示范拉曼放大技术的典型应用。
1. 传统的WDM 系统一个典型的点-点的WDM 系统结构中包含以下大部分要素：● 若干光发射机● 一个光复用器● 传输用光线，如标准的单模光纤（SSMF ）● 光放大器，通常为EDFAs● 色散补偿设备，如色散补偿光纤（DCF ）或,啁啾布拉格光纤光栅（FGBs ） ● 一个光解复用器● 若干光接收器Figure 1示意了一个这样的WDM 系统。
Figure 1. 典型的WDM 传输连接由INTERNET 所带动的日益增加的服务需求给WDM 系统的设计提出新的挑战。
采用普通设计的系统将很快达到极限，新技术的采用越来越重要。
另外，为实现应用导向的商业发展提出的需求目标，未来的系统必须具有较现在系统更高的标准，如：波分复用系统中的拉曼放大设计指南∙通过增加信道传输率和信道数量来提高整个系统的数据传输能力∙更长的无中继传输距离，以节省系统在EDFAs上的开销∙减少信号失真，使信号能在更长的全光连接中传输有一些新的设计使我们更加接近这些标准，包括以下：∙新的传输窗口的开辟∙新型的光放大器，能覆盖极宽的带宽范围从而增大系统的传输能力∙双向WDM能够抑制光纤中的非线性线效应所有这些技术都会使用大量的模拟工具来模拟其中发生的物理现象和众多光学设备间的相互影响，从而得到对系统性能的总的影响。
2. 拉曼放大器所能提供的帮助拉曼效应在光纤中建设性的应用刚刚兴起。
拉曼光纤激光放大器简介一、引言光纤激光放大器根据增益介质的不同可分为两类：一类采用活性介质，如半导体材料和掺稀土元素（Nd，Sm，Ho，Er，Pr，Tm和Yb等）的光纤，利用受激辐射机制实现光的直接放大，如半导体激光放大器（SOA）和掺杂光纤放大器；另一类基于光纤的非线性效应实现光的放大，典型的为拉曼光纤激光放大器和布里渊光纤激光放大器。
目前技术上较为成熟的掺铒光纤放大器（EDFA）取代传统的光-电-光中继方式，实现了一根光纤中多路光信号的同时放大，大大降低了光中继的成本；同时可与传输光纤实现良好的耦合，具有高增益低噪声等优点。
因此成功地应用于波分复用(WDM)光通信系统，极大地增加了光纤中可传输的信息的容量和传输距离。
然而，EDFA尚存在诸多不足制处：首先是对于有效利用单模光纤低损耗区的巨大带宽资源而言，明显存在着工作波段和带宽的局限性。
其次是自发辐射噪声的影响，尤其是当系统级联时，自发辐射噪声的影响会大大降低系统接收机端的信噪比。
另外是EDFA的带宽总是有限的，全波段的EDFA带宽最多也就在80~100nm。
并且EDFA作为一种有源器件对于光网络和系统的建设和维护来说其费用都会非常高。
随着计算机网络及其它新的数据传输业务的迅猛发展，长距离光纤传输系统对通信容量和系统扩展的需求日益膨胀。
如何提高光纤传输系统容量、增加无电再生中继的传输距离，已经成为光纤通信领域研究的热点。
因此，拉曼光纤放大器逐渐引起人们的重视，在2001年的OFC上不乏有关拉曼光纤放大器的报导。
展会上推出关于拉曼光纤放大器的厂商也逐渐多了起来，拉曼光纤激光器也逐渐成为光通信领域中的新的热点。
虽然拉曼光纤激光器距离真正商用化还有一段距离，尤其是在国内，但适时推出拉曼光纤放大器不乏成为公司技术实力的一个象征。
二、发展历史拉曼光纤放大器的原理是基于光纤中的非线性效应：受激拉曼散射（SRS）。
拉曼现象早在1928年就被Chandrasekhara Raman爵士所发现。
DWDM系统拉曼放大器的原理及应用华为技术有限公司版权所有侵权必究修订记录目录1前言 (5)2拉曼放大器原理 (5)2.1受激拉曼散射概念 (5)2.2受激拉曼散射的应用 (5)2.3拉曼放大器的分类 (6)2.4拉曼放大器的特点 (7)3拉曼放大器的应用 (8)3.1拉曼放大器的特性 (8)3.1.1 2.2 拉曼放大器在DWDM中的应用 (9)4工程中应用注意事项 (10)4.1端面要保持清洁 (10)4.2光缆性能保证 (11)4.3其他注意事项 (11)关键词：拉曼放大器摘要：本资料详细描述了拉曼放大器基本理论及在DWDM系统中的应用。
缩略语清单：无。
参考资料清单：无。
DWDM系统拉曼放大器的原理及应用1 前言近年来，随着数据通信和INTERNET的发展，密集波分复用通信系统的带宽需求不断提高，拉曼放大器作为DWDM系统中的关键技术，已经成为光纤通信领域研究的热点。
由于其具有极宽的增益带宽，极低的噪声系数，拉曼放大器在超大容量高速长距离DWDM系统中得到广泛的应用，可以大幅度提升现有光纤系统的容量，增加无电再生中继的传输距离，降低系统的成本。
EDFA和拉曼放大器的有机结合，是目前的通信系统中比较成熟的一种方式。
2 拉曼放大器原理2.1 受激拉曼散射概念在常规光纤传输系统中，由于光功率并不大，因此光纤主要呈现线性传输特性。
然而随着光纤放大器的应用，光纤在一定条件下开始呈现出非线性特性，并最终成为限制系统性能的因素之一。
受激拉曼散射就是非线性效应中的一种。
当一定强度的光入射到光纤中时会引起光纤材料的分子振动，进而调制入射光强，产生间隔恰好为分子振动频率的边带。
低频边带称斯托克斯线，高频边带称反斯托克斯线，前者强度较高。
这样，当两个恰好频率间隔为斯托克斯频率的光波同时入射到光纤时，低频波将获得光增益；高频波将衰减，其能量转移到低频段上，这就是受激拉曼散射（SRS）。
由于受激拉曼散射SRS激发的是光频支声子，其产生的拉曼频移量一般在100GHz~200GHz，且门限值较大，在1550nm处约为27dBm，一般情况下不会发生。
但对于WDM系统，随着传输距离的增长和复用的波数的增加，EDFA放大输出的光信号功率会接近27dBm，SRS产生的机率会增加。
2.2 受激拉曼散射的应用高强度电磁场中任何电介质对光的响应都会变成非线性，光纤也不例外。
受激拉曼散射（SRS）是光纤中一个很重要的三阶非线性过程。
它可以看作是介质中分子振动对入射光（泵浦光）的调制，从而对入射光产生散射作用。
假设入射光的频率为ωl，介质的分子振动频率为ωv，则散射光的频率为：ωs＝ωl－ωvωas＝ωl＋ωv这种现象叫SRS。
在此过程中产生的频率为ωs的散射光叫斯托克斯光（Stokes），频率为ωas的散射光叫反斯托克斯光。
对斯托克斯光可以用物理现象描述如下：一个入射的光子消失，产生一个频率下移（约13THz）的光子（即stokes波），剩余能量则被介质以分子振动的形式吸收，完成振动态之间的跃迁，使能量和动量守恒。
普通的拉曼散射需要很强的激光功率。
但是在光纤波导中，光纤作为非线形介质，可将高强度的激光场与介质的相互作用限制在非常小的截面内，大大提高了入射光场的光功率密度，在低损耗光纤中，光场与介质的作用可以维持很长的距离，其间的能量耦合进行的很充分，使得在光纤中利用受激拉曼散射成为可能。
光纤拉曼放大器是SRS的一个重要应用。
由于石英光纤具有很宽的SRS增益谱，且在13THz附近有一较宽的主峰。
如果一个弱信号和一个强的泵浦波在光纤中同时传输，并且它们的频率之差处在光纤的拉曼增益谱范围内，弱信号光即可得到放大，这种基于SRS机制的光放大器即称为光纤拉曼放大器。
如图1所示即是拉曼放大器的增益谱示意图。
某一波长的泵浦光，在其频率下移约为13THz（在1550nm波段，波长上移约为100nm）的位置可以产生一个增益很宽的增益谱。
图1. 拉曼放大器增益谱示意图2.3 拉曼放大器的分类光纤拉曼放大器可分为两类：分立式拉曼放大器和分布式拉曼放大器。
前者结构中用专门的增益放大光纤进行增益放大，泵浦功率要求很高，一般在几到十几瓦特，可产生40dB以上的高增益，象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。
对于后者，传输光纤即为增益介质，一般几十公里，泵源功率可降低到几百毫瓦，主要与EDFA混合使用，另外与光信号的传输速度相比，拉曼放大器的放大过程是非常缓慢的，用于DWDM通信系统性能的提高，抑制非线性效应，提高信噪比。
这种分布式拉曼放大技术由于其一系列优点得到了广泛关注，并已经在通信系统中得到了应用。
我们的拉曼放大器就是分布式的,需要和EDFA配合使用。
2.4 拉曼放大器的特点光纤拉曼放大器有三个突出的特点：第一，利用受激拉曼散射可制作超宽带光纤放大器，由于拉曼放大器的增益波长由其泵浦光波长决定，只要泵浦源的波长适当，理论上可得到任意波长的信号放大；实际上，拉曼放大器可以适用从1300nm到1700nm的整个频段。
若拉曼放大器用不同的多个波长同时泵浦，还可以获得带宽达几十到100nm左右的超宽带放大波段。
如图2所示即为三波长泵浦组成的宽带光纤拉曼放大器的增益谱示意图。
另外，在波长较短的波段，拉曼放大器的增益有随着波长增加而增大的现象。
相反对于EDFA则从1560nm波长起，增益有随波长增加而减少的趋势。
于是，采用分布式拉曼光纤放大与掺铒光纤放大相结合可得到超宽带平坦的增益曲线。
例如将拉曼放大器与氟化物玻璃EDFFA两种光纤放大器的增益特性互补，可获得1530～1600nm的超宽带平坦增益特性。
图2. 多波长泵浦组成的宽带FRA增益谱示意图第二，在分布式拉曼光纤放大器中，其增益介质为传输光纤本身，使拉曼放大器可以对光信号进行在线放大，构成分布式放大，实现长距离的无中继传输和远程泵浦，尤其适用于海底光缆通信等不方便设立中继器的场合。
而且因为放大是沿光纤分布而不是集中作用，光纤中各处的信号光功率都比较小，从而可降低非线性效应尤其是四波混频效应的干扰，减轻信道间串扰的影响，这对于大容量超长距离WDM系统是十分适合的；第三，噪声指数低。
当拉曼放大器与常规EDFA混合使用时可大大降低系统的噪声指数，增加传输跨距。
3 拉曼放大器的应用3.1 拉曼放大器的特性光纤中受激拉曼散射谱（也就是拉曼增益谱）可以参见图3。
由于受激拉曼放大是偏振相关的，也就是当信号光和泵浦光的偏振方向一致时，信号光能够获得最大的增益，所以图中给出了信号光和泵浦光同偏振和正交时的增益谱。
实际的分布式拉曼放大器，由于其传输光纤很长，信号光和泵浦光的偏振方向都无法保持，基本上是随机的，所以整个拉曼放大器中的增益系数为：（同偏振时的增益+正交时的增益）/2；图3. 光纤中的受激拉曼增益谱正交偏振时几乎没有增益，所以整个拉曼放大器中的增益就是同偏振时增益的一半，而增益谱的形状基本上和同偏振时一样。
因此我们使用两个偏振垂直的泵浦光做为一组，以实现相应规格的增益。
同时，由于分布式拉曼放大器的增益介质是传输光纤自身，所以在不同类型的光纤中体现出的增益特性也各不相同。
G.655和G.652光纤在拉曼应用上的区别：1、增益不同。
G.655光纤的拉曼系数比G.652的大，因此在相同泵浦功率下，拉曼放大器在G.655光纤中的增益要比在G.652光纤中大。
2、在G.655光纤中，拉曼放大器的噪声比G.652光纤中大一些，但差别相对比较小。
3.1.1 2.2 拉曼放大器在DWDM中的应用在DWDM系统中，为了灵活的满足用户的多种需求，现在系统中应用的拉曼放大器有三种结构，RPC由两组波长泵浦组成，针对于C波段，应用于C波段系统中；RPA由三组波长泵浦组成，针对于C+L波段，应用于C+L波段系统中；RPL则是用于C波段系统向C+L波段系统升级的产品，由一组波长泵浦组成。
他们位于DWDM系统的接收端，通过向传输光纤发送大功率泵浦光使信号光在传输过程中得以放大。
在DWDM系统中，拉曼放大器不是孤立的，而是与特殊设计的EDFA混合应用。
如图4所示，拉曼放置在接收系统的最前端，把泵浦光送入传输光纤同时将放大的信号光分离出来输出到后续的EDFA中。
图4. 拉曼放大在DWDM系统中的位置1600G拉曼放大器系统规格1、拉曼放大器的工作带宽可宽达100nm，具体使用多大的工作带宽是由系统的具体配置来决定的。
2、增益平坦度指标是针对拉曼放大单元，即拉曼放大器与相应的EDFA配合提出的，在系统中，还考虑了相应传输光纤对平坦度的影响。
因此，和拉曼放大器配套使用的EDFA可以不要求具有增益预倾斜的功能。
3、拉曼放大器的有效增益是指拉曼放大器对通信信号的实际增益，而业内通常描述拉曼放大器增益的是开关增益，即拉曼放大器开与关状态下EDFA输出光功率的差值，要注意的是，此值与其有效增益相比，要大1dB左右。
4 工程中应用注意事项基于拉曼放大器的特点：采用传输光纤做为增益介质，以及很强的输出光功率，因此在工程中需要有一些特殊的注意事项。
4.1 端面要保持清洁拉曼放大器的输出功率很高，若光纤跳线端面存在灰尘，光纤端面上的污物会吸收光能量发热，很容易造成跳线损伤、烧毁，影响系统性能。
因此，一定要保证连接到输入端的跳线的端面清洁，同时拔插光纤头力度要适中，以免APC的光纤头损坏。
在拉曼放大器开工之前，请将放大器输入输出端跳线，尤其是输出端E2000/APC跳线及局方ODF架上与其联结的跳线接头利用擦纤器清洁一遍。
清洁的标准是跳线接头无灰尘，观测的方法是利用光纤端面显微镜观察。
要注意的是，观测前一定要确认跳线中是否无光，若有光请关断光源，否则，容易损伤眼睛及显微镜。
清洁过程中应注意，如果是用擦纤纸清洁，请不要重复使用，以免交差感染，如果跳线接头较脏，请用擦纤纸沾酒精擦拭，再用干净、无酒精的擦纤纸擦拭。
或者用擦纤器擦拭，同样要注意，擦纤器中TAP用完后，请不要重复利用。
再次提醒，请不要在存在光信号的情况下，直接用眼睛或通过显微镜来观测光纤端面！DWDM 系统拉曼放大器的原理及应用 文档密级：内部公开2005-3-24华为机密，未经许可不得扩散 第11页, 共11页 4.2 光缆性能保证拉曼放大器的增益介质即是传输光缆本身，因此，传输光缆的种类及质量对拉曼放大器的性能有很大影响。
光缆如果质量较差，特别是近拉曼放大器一端的质量较差－－有大的损耗点或者有较大的反射系数，将严重影响系统性能，甚至造成线路烧毁，因此，拉曼放大器开通前对光缆进行相应测试是必需的步骤。
同时，因为拉曼大器的80％增益在距离放大器的25Km 以内，所以在这25Km 光纤不能有太大的衰耗，更不能有衰耗的跳变，如不好的熔接点，接触不好的连接点。
