【正文】 光纖放大器 光波分復(fù)用技術(shù) 光交換技術(shù) 光孤子通信 相干光通信技術(shù) 光時分復(fù)用技術(shù) 波長變換技術(shù) 第 7 章 光纖通信新技術(shù) 返回主目錄 第 7章 光纖通信新技術(shù) 光纖通信發(fā)展的目標是提高通信能力和通信質(zhì)量 ， 降低價格 ， 滿足社會需要 。 進入 20世紀 90年代以后 ， 光纖通信成為一個發(fā)展迅速 、 技術(shù)更新快 、 新技術(shù)不斷涌現(xiàn)的領(lǐng)域 。 本章主要介紹一些已經(jīng)實用化或者有重要應(yīng)用前景的新技術(shù) ， 如光放大技術(shù) ， 光波分復(fù)用技術(shù) ， 光交換技術(shù) ， 光孤子通信 ， 相干光通信 ， 光時分復(fù)用技術(shù)和波長變換技術(shù)等 。 纖 放 大 光放大器有半導(dǎo)體光放大器和光纖放大器兩種類型 。 半導(dǎo)體光放大器的優(yōu)點是小型化 ， 容易與其他半導(dǎo)體器件集成； 缺點是性能與光偏振方向有關(guān) ， 器件與光纖的耦合損耗大 。光纖放大器的性能與光偏振方向無關(guān) ， 器件與光纖的耦合損耗很小 ， 因而得到廣泛應(yīng)用 。 光纖放大器實際上是把工作物質(zhì)制作成光纖形狀的固體激光器 ， 所以也稱為光纖激光器 。 20世紀 80年代末期 ， 波長為 μm的摻鉺 (Er)光纖放大器 (EDFA： Erbium Doped Fiber Amplifier)研制成功并投入實用 ， 把光纖通信技術(shù)水平推向一個新高度 ， 成為光纖通信發(fā)展史上一個重要的里程碑 。 圖 (EDFA)的工作原理 ， 說明了光信號為什么會放大的原因 。 從圖 (a)可以看到 ， 在摻鉺光纖(EDF)中 ， 鉺離子 (Er3+)有三個能級： 其中能級 1代表基態(tài) ， 能量最低；能級 2是亞穩(wěn)態(tài) ， 處于中間能級；能級 3代表激發(fā)態(tài) ， 能量最高 。 當泵浦 (Pump, 抽運 )光的光子能量等于能級 3和能級 1的能量差時 ， 鉺離子吸收泵浦光從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)(1→ 3)。 但是激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的 ， Er3+很快返回到能級 2。 如果輸入的信號光的光子能量等于能級 2和能級 1的能量差 ， 則處于能級 2的 Er3+將躍遷到基態(tài) (2→ 1)， 產(chǎn)生受激輻射光 ， 因而信號光得到放大 。 圖 (a) 硅光纖中鉺離子的能級圖； (b) EDFA的吸收和增益頻譜 4F9 / 24I9 / 24I1 1 / 24I1 3 / 24I1 5 / 21 . 4 8 ? m泵浦0 . 6 5 ? m0 . 8 0 ? m0 . 9 8 ? m1 . 5 3 ? m123光信號1 . 4 8 1 . 5 0 1 . 5 2 1 . 5 4 1 . 5 602460246810吸收增益波長 / ? m損耗或增益 /( dBm－1 )( b )( a )截面 / (10－25m2) 但是激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的 ， Er3+很快返回到能級 2。 如果輸入的信號光的光子能量等于能級 2和能級 1的能量差 ， 則處于能級2的 Er3+將躍遷到基態(tài) (2→ 1)， 產(chǎn)生受激輻射光 ， 因而信號光得到放大 。 由此可見 ， 這種放大是由于泵浦光的能量轉(zhuǎn)換為信號光的結(jié)果 。 為提高放大器增益 ， 應(yīng)提高對泵浦光的吸收 ， 使基態(tài) Er3+盡可能躍遷到激發(fā)態(tài) ， 圖 (b)示出 EDFA增益和吸收頻譜 。 圖 (a)示出輸出信號光功率和輸入泵浦光功率的關(guān)系 ， 由圖可見 ， 泵浦光功率轉(zhuǎn)換為信號光功率的效率很高 ， 達到%。 當泵浦光功率為 60 mW時 ， 吸收效率 ［ (信號輸入光功率 信號輸出光功率 )/泵浦光功率 ］ 為 88%。 圖 (a) 輸出信號光功率與泵浦光功率的關(guān)系； (b) 小信號增益與泵浦光功率的關(guān)系 00 20 40 60 8020406080轉(zhuǎn)換效率9 2 . 6 ％輸 入 泵 浦 光 功 率 / m W輸出信號光功率 / mW02001030405 10 15 20增益系數(shù)6 . 3 d B / m W輸 入 泵 浦 光 功 率 / m W增益 / dB( a ) ( b ) 圖 (a)為光纖放大器構(gòu)成原理圖 ， 圖 (b)為實用光纖放大器構(gòu)成方框圖 。 摻鉺光纖 (EDF)和高功率泵浦光源是關(guān)鍵器件 ， 把泵浦光與信號光耦合在一起的波分復(fù)用器和置于兩端防止光反射的光隔離器也是不可缺少的 。 設(shè)計高增益摻鉺光纖 (EDF)是實現(xiàn)光纖放大器的技術(shù)關(guān)鍵 ， EDF的增益取決于 Er 3+的濃度 、 光纖長度和直徑以及泵浦光功率等多種因素 ， 通常由實驗獲得最佳增益 。 對泵浦光源的基本要求是大功率和長壽命 。 波長為 1480 μm的 InGaAsP多量子阱 (MQW)激光器 ， 輸出光功率高達 100 mW, 泵浦光轉(zhuǎn)換為信號光效率在 6 dB/mW以上 。 圖 (a) 光纖放大器構(gòu)成原理圖； (b) 實用光纖放大器外形圖及其構(gòu)成方框圖 輸入信號光隔離器波分復(fù)用器泵浦摻鉺光纖光隔離器輸出信號( a )監(jiān)視和告警電路泵浦監(jiān)視和控制電路泵浦 LDP D 探測器 泵浦 LD輸入隔離器 輸入 W D M輸出耦合器 輸出隔離器 輸出 W D M摻鉺光纖熱 沉光輸入＋ 5 V0 V－ 5 V電源監(jiān)視激光器驅(qū)動輸入光輸出( b ) 波長為 980 nm的泵浦光轉(zhuǎn)換效率更高 ， 達 10 dB/mW， 而且噪聲較低 ， 是未來發(fā)展的方向 。 對波分復(fù)用器的基本要求是插入損耗小 ， 熔拉雙錐光纖耦合器型和干涉濾波型波分復(fù)用器最適用 。 光隔離器的作用是防止光反射 ， 保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作和減小噪聲 ， 對它的基本要求是插入損耗小 ， 反射損耗大 。 圖 EDFA商品的特性曲線 ， 圖中顯示出增益 、 噪聲指數(shù)和輸出信號光功率與輸入信號光功率的關(guān)系 。 在泵浦光功率一定的條件下 ， 當輸入信號光功率較小時 ， 放大器增益不隨輸入信號光功率而變化 ， 基本上保持不變 。 當信號光功率增加到一定值 (一般為 20 dBm) ， 增益開始隨信號光功率的增加而下降 ， 因此出現(xiàn)輸出信號光功率達到飽和的現(xiàn) 。 圖 摻鉺光纖放大器增益 、 噪聲指數(shù)和輸出光功率與輸 入光功率的關(guān)系曲線 － 1 0 . 0－ 40－ 5 . 00 . 05 . 01 0 . 01 5 . 02 0 . 02 5 . 03 0 . 03 5 . 0－ 35 － 30 － 25 － 20 － 15 － 10 － 5 0IIIII I I噪聲指數(shù) / d B輸出光功率 / d B m增益 / d B輸入光功率 / d B m增益 / dB 表 EDFA商品的技術(shù)參數(shù) 。 表 EDFA有許多優(yōu)點 ， 并已得到廣泛應(yīng)用 。 EDFA (1)工作波長正好落在光纖通信最佳波段 (1500～ 1600 nm)； 其主體是一段光纖 (EDF)， 與傳輸光纖的耦合損耗很小 ， 可達 dB。 (2) 增益高 ， 約為 30～ 40 dB。 飽和輸出光功率大 ， 約為10～ 15 dBm。 增益特性與光偏振狀態(tài)無關(guān) 。 (3) 噪聲指數(shù)小 ， 一般為 4～ 7 dB。 用于多信道傳輸時 ， 隔離度大 ， 無串擾 ， 適用于波分復(fù)用系統(tǒng) 。 (4) 頻帶寬 ， 在 1550 nm窗口 ， 頻帶寬度為 20～ 40 nm， 可進行多信道傳輸 ， 有利于增加傳輸容量 。 如果加上 1310 nm摻鐠光纖放大器 (PDFA)， 頻帶可以增加一倍 。 所以 “ 波分復(fù)用 +光纖放大器 ” 被認為是充分利用光纖帶寬增加傳輸容量最有效的方法 。 1550 nm EDFA在各種光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用 ， 并取得了良好效果 。 已經(jīng)介紹過的副載波 CATV系統(tǒng) ， WDM或OFDM系統(tǒng) ， 相干光系統(tǒng)以及光孤子通信系統(tǒng) ， 都應(yīng)用了EDFA， 并大幅度增加了傳輸距離 。 EDFA的應(yīng)用 ， 歸納起來可以分為三種形式 ， 如圖 。 圖 (a) 中繼放大器； (b) 前置放大器和后置放大器 LD PD中繼放大器( a )LD PD后置放大器( b )前置放大器光纖 隨著人類社會信息時代的到來 ， 對通信的需求呈現(xiàn)加速增長的趨勢 。 發(fā)展迅速的各種新型業(yè)務(wù) (特別是高速數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù) )對通信網(wǎng)的帶寬 (或容量 )提出了更高的要求 。 為了適應(yīng)通信網(wǎng)傳輸容量的不斷增長和滿足網(wǎng)絡(luò)交互性 、 靈活性的要求 ， 產(chǎn)生了各種復(fù)用技術(shù) 。 在光纖通信系統(tǒng)中除了大家熟知的時分復(fù)用 (TDM)技術(shù)外 ， 還出現(xiàn)了其他的復(fù)用技術(shù) ， 例如光時分復(fù)用 (OTDM)、 光波分復(fù)用 (WDM)、 光頻分復(fù)用 (OFDM)以及副載波復(fù)用 (SCM)技術(shù) 。 本節(jié)主要講述 WDM技術(shù) 。 1. WDM的概念 光波分復(fù)用 (WDM： Wavelength Division Multiplexing)技術(shù)是在一根光纖中同時傳輸多個波長光信號的一項技術(shù) 。 其基本原理是在發(fā)送端將不同波長的光信號組合起來 (復(fù)用 )， 并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進行傳輸 ， 在接收端又將組合波長的光信號分開 (解復(fù)用 )， 并作進一步處理 ， 恢復(fù)出原信號后送入不同的終端 ， 因此將此項技術(shù)稱為光波長分割復(fù)用 ， 簡稱光波分復(fù)用技術(shù) 。 圖 中心波長在 μm和 μm的硅光纖低損耗傳輸窗口 (插圖表示 μm傳輸窗口的多信道復(fù)用 ) 80001 . 02 . 03 . 04 . 01000 1200 1400 1600 1800載波頻率信道間隔1 ~ 1 0 G H z波長 / n m衰減 / (dBkm－1)… 光纖的帶寬很寬 。 如圖 ， 在光纖的兩個低損耗傳輸窗口： 波長為 μm(～ )的窗口 ， 相應(yīng)的帶寬(|Δf |=|Δλc/λ2|, λ和 Δλ分別為中心波長和相應(yīng)的波段寬度 ， c為真空中光速 )為 17 700 GHz； 波長為 μm(～ μm)的窗口 ， 相應(yīng)的帶寬為 12 500 GHz。 兩個窗口合在一起 ， 總帶寬超過 30 THz。 如果信道頻率間隔為 10 GHz， 在理想情況下 ， 一根光纖可以容納 3000個信道 。 由于目前一些光器件與技術(shù)還不十分成熟 ， 因此要實現(xiàn)光信道十分密集的光頻分復(fù)用 (OFDM)還較為困難 。 在這種情況下 ， 人們把在同一窗口中信道間隔較小的波分復(fù)用稱為密集波分復(fù)用 (DWDM： Dense Wavelength Division Multiplexing)。 目前該系統(tǒng)是在 1550 nm波長區(qū)段內(nèi) ， 同時用 8， 16或更多個波長在一對光纖上 (也可采用單光纖 )構(gòu)成的光通信系統(tǒng) ，其中各個波長之間的間隔為 nm、 nm或更低 ， 約對應(yīng)于200 GHz, 100 GHz或更窄的帶寬 。 WDM、 DWDM和 OFDM在本質(zhì)上沒有多大區(qū)別 。 以往技術(shù)人員習(xí)慣采用 WDM 和DWDM來區(qū)分是 1310/1550 nm 簡單復(fù)用還是在 1550 nm波長區(qū)段內(nèi)密集復(fù)用 ， 但目前在電信界應(yīng)用時 ， 都采用 DWDM技術(shù) 。 由于 1310/1550 nm的復(fù)用超出了 EDFA的增益范圍 ， 只在一些專門場合應(yīng)用 ， 所以經(jīng)常用 WDM這個更廣義的名稱來代替DWDM。 WDM技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)升級 、 發(fā)展寬帶業(yè)務(wù) (如 CATV， HDTV 和 IP over WDM等 )、 充分挖掘光纖帶寬潛