第六章光纤通信新技术 6光放大器 62光波分复用技术 63光交换技术 64光孤子通信 65相干光通信 66全光通信 奩心
第六章 光纤通信新技术 6.1光放大器 6.2光波分复用技术 6.3光交换技术 6.4光孤子通信 6.5相干光通信 6.6全光通信网
光纤通信发展的目标是提高通信能力和通信质量, 降低价格,满足社会需要。进入20世纪90年代以后,光 纤通信成为一个发展迅速、技术更新快、新技术不断 涌现的领域。本章主要介绍一些已经实用化或者有重要 应用前景的新技术,如光放大技术,光波分复用技术, 光交换技术,光孤子通信,相干光通信,全光通信网等
光纤通信发展的目标是提高通信能力和通信质量， 降低价格，满足社会需要。进入20世纪90年代以后，光 纤通信成为一个发展迅速、 技术更新快、新技术不断 涌现的领域。本章主要介绍一些已经实用化或者有重要 应用前景的新技术，如光放大技术，光波分复用技术， 光交换技术，光孤子通信，相干光通信，全光通信网等
6.1光纤放大器 光放大器有半导体光放大器和光纤放大器两种类型。半导体 光放大器的优点是小型化,容易与其他半导体器件集成;缺点 性能与光偏振方向有关,器件与光纤的耦合损耗大。光纤放大 器的性能与光偏振方向无关,器件与光纤的耦合损耗很小,因 而得到广泛应用 光纤放大器实际上是把工作物质制作成光纤形状的固体激光 器,所以也称为光纤激光器。 20世纪80年代末期,波长为1.5pm的掺铒(Er)光纤放大器 (EDFA: Erbium Doped Fiber amplifier)研制成功并投入实用 把光纤通信技术水平推向一个新高度,成为光纤通信发展史上 个重要的里程碑
6.1光 纤 放 大 光放大器有半导体光放大器和光纤放大器两种类型。半导体 光放大器的优点是小型化，容易与其他半导体器件集成； 缺点 是性能与光偏振方向有关，器件与光纤的耦合损耗大。光纤放大 器的性能与光偏振方向无关，器件与光纤的耦合损耗很小， 因 而得到广泛应用。 光纤放大器实际上是把工作物质制作成光纤形状的固体激光 器，所以也称为光纤激光器。 20世纪80年代末期，波长为1.55 μm的掺铒(Er)光纤放大器 (EDFA： Erbium Doped Fiber Amplifier)研制成功并投入实用， 把光纤通信技术水平推向一个新高度，成为光纤通信发展史上一
6.1.1掺铒光纤放大器工作原理 下图示出掺铒光纤放大器(EDFA)的工作原理,说明了光 信号为什么会放大的原因。从图611-1(a)可以看到,在掺铒 光纤(EDF)中,铒离子(Er3+)有三个能级:其中能级1代表基 态,能量最低;能级2是亚稳态,处于中间能级;能级3代表 激发态,能量最高。当泵浦(Pump,抽运)光的光子能量等于 能级3和能级1的能量差时,铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到 激发态(1→3)。但是激发态是不稳定的,Er3+很快返回到能 级2。如果输入的信号光的光子能量等于能级2和能级1的能量 差,则处于能级2的Er3+将跃迁到基态(2→1),产生受激辐射 光,因而信号光得到放大
6.1.1 下图示出掺铒光纤放大器(EDFA)的工作原理，说明了光 信号为什么会放大的原因。从图6.1.1-1(a)可以看到，在掺铒 光纤(EDF)中，铒离子(Er3+)有三个能级： 其中能级1代表基 态， 能量最低；能级2是亚稳态，处于中间能级；能级3代表 激发态， 能量最高。当泵浦(Pump, 抽运)光的光子能量等于 能级3和能级1的能量差时，铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到 激发态(1→3)。但是激发态是不稳定的，Er3+很快返回到能 级2。如果输入的信号光的光子能量等于能级2和能级1的能量 差，则处于能级2的Er3+将跃迁到基态(2→1)，产生受激辐射 光，因而信号光得到放大
4F。222280.65um 10 0. Oum 人 6 9/2 41/2ym098pm 吸收 4113/22dz 1 3 um 4 1.48um 光信号 2回 泵浦 增益 415122z加1 1481.501.521.541.56 波长 (b) 图61.1-1掺铒光纤放大器的工作原理 (a)硅光纤中铒离子的能级图;(b)EDFA的吸收和增益频谱
4F9 / 2 4I9 / 2 4I11 / 2 4I13 / 2 4I15 / 2 1.48 m 泵 浦 0.65 m 0.80 m 0.98 m 1.53 m 1 2 3 光 信 号 1.48 1.50 1.52 1.54 1.56 0 2 4 6 0 2 4 6 8 10 吸 收 增 益 波 长 / m 损耗或增益 /( dB·m － 1 ) (b) (a) 截 面 / (×10 － 2 5 m2 ) 图6.1.1-1 (a) 硅光纤中铒离子的能级图；(b) EDFA的吸收和增益频谱
但是激发态是不稳定的,Er3很快返回到能级2。如果输 入的信号光的光子能量等于能级2和能级1的能量差,则处于 能级2的E将跃迁到基态(2→1),产生受激辐射光,因而信 号光得到放大。由此可见,这种放大是由于泵浦光的能量转 换为信号光的结果。为提高放大器增益,应提高对泵浦光的 吸收,使基态Er3尽可能跃迁到激发态,图61.1-1(b)示出 EDFA增益和吸收频谱 图61.1-2(a)示出输出信号光功率和输入泵浦光功率的关 系,由图可见,泵浦光功率转换为信号光功率的效率很高, 达到926%。当泵浦光功率为60mW时,吸收效率[(信号输 入光功率信号输出光功率)泵浦光功率]为88%
但是激发态是不稳定的，Er3+很快返回到能级2。如果输 入的信号光的光子能量等于能级2和能级1的能量差，则处于 能级2的Er3+将跃迁到基态(2→1)， 产生受激辐射光，因而信 号光得到放大。由此可见，这种放大是由于泵浦光的能量转 换为信号光的结果。为提高放大器增益， 应提高对泵浦光的 吸收， 使基态Er3+尽可能跃迁到激发态，图6.1.1-1(b)示出 EDFA增益和吸收频谱。 图6.1.1-2(a)示出输出信号光功率和输入泵浦光功率的关 系， 由图可见，泵浦光功率转换为信号光功率的效率很高， 达到92.6%。当泵浦光功率为60 mW时，吸收效率［(信号输 入光功率-信号输出光功率)/泵浦光功率］为88%
80 40 转换效率 60 示该图片 增益系数 6. 3 dB V mW 10 辑 0 020406080 520 输入泵浦光功率/mW 输入泵浦光功率/mW 图61.1-2掺铒光纤放大器的特性 (a)输出信号光功率与泵浦光功率的关系;(b)小信号增益与泵浦光功率的关系 下面看一下掺铒光纤放大器光放大原理的动态示意图
0 0 20 40 60 80 20 40 60 80 转换效率 92.6％ 输入泵浦光功率 / mW 输出信号光功率 / mW 0 20 0 10 30 40 5 10 15 20 增益系数 6.3 dB / mW 输入泵浦光功率 / mW 增 益 / dB (a) (b) 图6.1.1-2 (a) 输出信号光功率与泵浦光功率的关系；(b) 小信号增益与泵浦光功率的关系 下面看一下掺铒光纤放大器光放大原理的动态示意图
6.1.2掺铒光纤放大器的构成和特性 图612-1(a)为光纤放大器构成原理图,图6.1.2-1(b)为实用 光纤放大器构成方框图。掺铒光纤(EDF)和高功率泵浦光源是关 键器件,把泵浦光与信号光耦合在一起的波分复用器和置于两 端防止光反射的光隔离器也是不可缺少的。 设计高增益掺铒光纤(EDF)是实现光纤放大器的技术关键, EDF的增益取决于Er3的浓度、光纤长度和直径以及泵浦光功 率等多种因素,通常由实验获得最佳增益。对泵浦光源的基本 要求是大功率和长寿命。波长为1480μm的 IngaasP多量子阱 (MQW)激光器,输出光功率高达100mW,泵浦光转换为信号光 效率在6dBmW以上
6.1.2 图6.1.2-1(a)为光纤放大器构成原理图，图6.1.2-1(b)为实用 光纤放大器构成方框图。掺铒光纤(EDF)和高功率泵浦光源是关 键器件，把泵浦光与信号光耦合在一起的波分复用器和置于两 端防止光反射的光隔离器也是不可缺少的。 设计高增益掺铒光纤(EDF)是实现光纤放大器的技术关键， EDF的增益取决于Er 3+的浓度、光纤长度和直径以及泵浦光功 率等多种因素，通常由实验获得最佳增益。对泵浦光源的基本 要求是大功率和长寿命。波长为1480μm的InGaAsP多量子阱 (MQW)激光器，输出光功率高达100mW, 泵浦光转换为信号光 效率在6 dB/mW以上
泵浦 掺铒光纤 输入信号 输出信号 光隔离器波分复用器 光隔离器 输入隔离器 输入WDM 光输入 +5V 电源-5V 泵浦LD 监视和泵浦监视 监视 告警电路和控制电路 激光器驱动输入 掺铒 PD探测器泵浦LD 光纤 光输出 输出耦合器输出隔离器输出WDM 图61.2-1光纤放大器构成方框图 (a)光纤放大器构成原理图;(b)实用光纤放大器外形图及其构成方
输入信号 光隔离器 波分复用器 泵 浦 掺铒光纤 光隔离器 输出信号 (a) 监视和 告警电路 泵浦监视 和控制电路 泵 浦LD PD 探测器 泵 浦LD 输入隔离器 输 入WDM 输出耦合器 输出隔离器 输 出WDM 掺 铒 光 纤 热 沉 光输入 ＋ 5 V 0 V － 5 V 电 源 监 视 激光器驱动输入 光输出 (b) 图6.1.2-1 (a) 光纤放大器构成原理图；(b) 实用光纤放大器外形图及其构成方框图
波长为980nm的泵浦光转换效率更高,达10dB/mW, 而且噪声较低,是未来发展的方向。对波分复用器的基本要 求是插入损耗小,熔拉双锥光纤耦合器型和干涉滤波型波分 复用器最适用。光隔离器的作用是防止光反射,保证系统稳 定工作和减小噪声,对它的基本要求是插入损耗小,反射损 耗大。 图6.1.2-2是EDFA商品的特性曲线,图中显示出增益、噪 声指数和输出信号光功率与输入信号光功率的关系。在泵浦 光功率一定的条件下,当输入信号光功率较小时,放大器增 益不随输入信号光功率而变化,基本上保持不变。当信号光 功率增加到一定值(一般为-20dBm)后,增益开始随信号光 功率的增加而下降,因此出现输出信号光功率达到饱和的现
波长为980 nm的泵浦光转换效率更高，达10 dB/mW， 而且噪声较低，是未来发展的方向。对波分复用器的基本要 求是插入损耗小，熔拉双锥光纤耦合器型和干涉滤波型波分 复用器最适用。光隔离器的作用是防止光反射，保证系统稳 定工作和减小噪声，对它的基本要求是插入损耗小，反射损 图6.1.2-2是EDFA商品的特性曲线，图中显示出增益、 噪 声指数和输出信号光功率与输入信号光功率的关系。在泵浦 光功率一定的条件下，当输入信号光功率较小时，放大器增 益不随输入信号光功率而变化，基本上保持不变。 当信号光 功率增加到一定值(一般为-20 dBm) 后，增益开始随信号光 功率的增加而下降， 因此出现输出信号光功率达到饱和的现