第7章光纤通信新技术 7.1光纤放大器 7.2光波分复用技术 7.3光交换技术 7.4光孤子通信 7.5相干光通信技术 7.6光时分复用技术 7.7波长变换技术 返回主目录
7.1 光纤放大器 7.2 光波分复用技术 7.3 光交换技术 7.4 光孤子通信 7.5 相干光通信技术 7.6 光时分复用技术 7.7 波长变换技术 第 7 章 光纤通信新技术 返回主目录
第7章光纤通信新技术 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 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,光时分复用技术和波长变换技术等
第7章 光纤通信新技术 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，光时分复用技术和波长变换技术等
7.1.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155μm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 发展史上一个重要的里程碑
7.1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 发展史上一个重要的里程碑
7.11掺铒光纤放大器工作原理 图71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71(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
7.1.1 图7.1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7.1(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
4F9/2 uzuzzu4 0 65um Z2z20.801 4111/2244777z098um 吸收 zzdzzzz 1.53um 1.48pm 光信号 泵浦 2 增益 1481.501.521.541.56 波长 图7.1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)EDA的吸收和增益频谱
图 7.1 (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 5m2 )
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Fr尽可能跃迁到激发态,图7.1(b)示出EDFA增益和吸收 频谱。 图72(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7.1(b)示出EDFA增益和吸收 频谱。 图7.2(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%
转换效率 6092.6% 30 增益系数 40 6.3 dB/mW 0 020406080 051015 输入泵浦光功率/mW 输入泵浦光功率/mW 图72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
图7.2 (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 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)
7.1.2掺铒光纤放大器的构成和特性 图73(a)为光纤放大器构成原理图,图73(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(CEDF)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6dB/mW以上
7.1.2 图7.3(a)为光纤放大器构成原理图，图7.3(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1480 μm的InGaAsP多量子 阱(MQW)激光器， 输出光功率高达100 mW, 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 光隔离果波分复用器 光隔离器 热 输入隔离器输入WDM 光输入 +5V 电源0V 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 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73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框图
图7.3 (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 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)
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74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 耗大。 图7.4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