【正文】 纖放大器 (EDFA)對光信號(hào)進(jìn)行中繼放大 。 7. 偏振相關(guān)損耗：由于偏振態(tài)的變化造成插入損耗的最大變化值。 10 l g ( ) ( 2)ijijipC dBp??其中 Pi是波長為 λi的光信號(hào)的輸入光功率 ， Pij是波長為 λi的光信號(hào)串入到波長為 λj信道的光功率 。 雙向 WDM系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用要求較高 ， 但可減少使用光纖和線路放大器的數(shù)量 。 在接收端通過光解復(fù)用器將不同波長的信號(hào)分開 ， 完成多路光信號(hào)傳輸?shù)娜蝿?wù) 。 反之 ， 經(jīng)同一傳輸光纖送來的多波長信號(hào)分解為各個(gè)波長分別輸出的器件稱為解復(fù)用器 (也叫分波器 )。 1310/1550 nm復(fù)用超出 EDFA的增益范圍 ， 用 WDM來代替 DWDM。 兩個(gè)窗口合在一起 ， 總帶寬超過 30THz。 圖 5 光纖放大器的應(yīng)用形式 (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LD PD中繼放大器( a )LD PD后置放大器( b )前置放大器光纖二、 光波分復(fù)用技術(shù) ?光波分復(fù)用原理 1. WDM的概念 光波分復(fù)用 (WDM)是在一根光纖中同時(shí)傳輸多個(gè)波長光信號(hào)的技術(shù) 。 EDFA主要優(yōu)點(diǎn)： 4. 頻帶寬，在 1550nm窗口，頻帶寬度為 20～ 40nm，可進(jìn)行多信道傳輸，有利于增加傳輸容量。 飽和輸出光功率大， 約為 10～ 16 dBm。 輸入信號(hào)光隔離器波分復(fù)用器泵浦 摻鉺光纖光隔離器輸出信號(hào)( 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(dòng)輸入光輸出( b )圖 31 光纖放大器構(gòu)成方框圖 圖 32 實(shí)用光纖放大器外形圖及其構(gòu)成方框圖 輸入信號(hào)光隔離器波分復(fù)用器泵浦摻鉺光纖光隔離器輸出信號(hào)( 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(dòng)輸入光輸出( b )EDFA特性： 在泵浦光功率一定的條件下 ， 輸入信號(hào)光功率較小時(shí) ， 放大器增益不隨輸入信號(hào)光功率變化 ， 基本保持不變 。 波分復(fù)用器要求插入損耗小 ， 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 。如果輸入的信號(hào)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，信號(hào)光得到放大。但激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定， Er3+很快返回到能級 2。 光纖放大器是把工作物質(zhì)制作成光纖形狀的固體激光器 ， 稱光纖激光器 。創(chuàng)新技術(shù)講座 （ 1） 光通信新技術(shù) ? 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(shí)分復(fù)用技術(shù) ? 波長變換技術(shù) 一、 光 纖 放 大 器 1. 半導(dǎo)體光放大器的優(yōu)點(diǎn)是小型化 ， 易與其他半導(dǎo)體器件集成； 缺點(diǎn)是性能與光偏振方向有關(guān) ，器件與光纖的耦合損耗大 。 20世紀(jì) 80年代末期 ， 推出摻鉺光纖放大器 。 3. 若輸入信號(hào)光的光子能量等于能級 2和能級 1的能量差，處于能級 2的 Er3+將躍遷到基態(tài) (2→1) ，產(chǎn)生受激輻射光，信號(hào)光得到放大。泵浦光能量轉(zhuǎn)換為信號(hào)光。 對泵浦光源的基本要求是大功率和長壽命 。 當(dāng)信號(hào)光功率增加到一定值 (一般為 —20dBm)， 增益隨信號(hào)光功率增加而下降 ， 輸出信號(hào)光功率達(dá)到飽和 。 增益特性與光偏振狀態(tài)無關(guān)。 若加 1310nm摻鐠光纖放大器 (PDFA)， 頻帶可增加一倍 。 基本原理：在發(fā)送端將不同波長的光信號(hào)組合起來 (復(fù)用 )， 并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進(jìn)行傳輸 ，在接收端將組合波長的光信號(hào)分開 (解復(fù)用 )， 作進(jìn)一步處理 ， 恢復(fù)出原信號(hào)后送入不同的終端 ， 稱光波分復(fù)用技術(shù) 。 ???? ????? 和,/ 2Cf在同一窗口中信道間隔較小的波分復(fù)用稱密集波分復(fù)用 (DWDM)。 在光層中 ， 相鄰光纖鏈路中的波長通道連接形成跨越多個(gè) OXC和 OADM的光通路 ， 完成端到端的信息傳送 ， 光通路可根據(jù)需要靈活 、 動(dòng)態(tài)地建立和釋放 ， 即為 WDM全光網(wǎng)絡(luò) 。 兩種器件互易 (雙向可逆 )， 即將解復(fù)用器的輸出端和輸入端反過來用 ， 為復(fù)用器 。 2. 單纖雙向傳輸：雙向 WDM傳輸是指光通路在一根光纖上同時(shí)向兩個(gè)不同的方向傳輸，所用波長相互分開， 以實(shí)現(xiàn)雙向全雙工的通信。 圖 7 雙纖單向 WDM傳輸 光發(fā)射機(jī)?光發(fā)射機(jī)復(fù)用器 光纖放大器 解復(fù)用器光接收機(jī)光接收機(jī)?1n?1?n?1… ?n1n光接收機(jī)?光接收機(jī)解復(fù)用器 光纖放大器 復(fù)用器光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)?1′n ′?1… ?n?1?n1′n ′圖 8 單纖雙向 WDM傳輸 光發(fā)射機(jī)?光發(fā)射機(jī)光接收機(jī)光接收機(jī)?1n?1?n?1… ?n1n光接收機(jī)?光接收機(jī)復(fù)用/ 解復(fù)用器光纖放大器光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)?1 ′n ′?n ＋ 1… ?2 n1 ′n ′復(fù)用/ 解復(fù)用器?n ＋ 1?2 n其中 Pi為發(fā)送進(jìn)輸入端口的光功率； P0為從輸出端口接收到的光功率。 其中 Pj為發(fā)送進(jìn)輸入端口的光功率 ， Pr為從同一個(gè)輸入端口接收到的返回光功率 。 WDM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) WDM系統(tǒng)的組成：光發(fā)射機(jī) 、 光中繼放大 、 光接收機(jī) 、 光監(jiān)控信道和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng) 。 根據(jù)具體情況 ， 將 EDFA用作“ 線放 (LA)”, “功放 (BA)”和 “ 前放 (PA)”。 光監(jiān)控信道 (OSC)：監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)各信道的傳輸情況； 網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)：通過光監(jiān)控信道物理層傳送開銷字節(jié)到其他結(jié)點(diǎn)或接收來自其他結(jié)點(diǎn)的開銷字節(jié)對 WDM系統(tǒng)進(jìn)行管理 ， 實(shí)現(xiàn)配置管理 、 故障管理 、 性能管理和安全管理等功能 ， 與上層管理系統(tǒng)相連 。 2. WDM技術(shù)使用各波長的信道相互獨(dú)立，可傳輸特性和速率完全不同的信號(hào)。 波長路由器用于波長選路網(wǎng)絡(luò) ， 它有兩個(gè)輸入端口和兩個(gè)輸出端口 ， 每路輸入都載有一組 WDM信號(hào) 。 靜態(tài)路由器可用波分復(fù)用器構(gòu)成 。 平直程度常用 1 dB帶寬衡量 。 其中 m為整數(shù) ， 當(dāng) a和 θi一定時(shí) ， 不同 θd對應(yīng)不同的波長 λ， 像面上不同點(diǎn)對應(yīng)不同的波長 。 隨入射光波的波長偏離布喇格波長 ， 反射率降低 . 0 0 02( ) 2 ( 8 )?? ? ?? ? ? ??d：反射型濾波器中 ， 假設(shè)傳播常數(shù)為 β0的光波從左向右傳播 ， 如果滿足條件： 光能可耦合到沿它的反方向傳播的具有相同波長的反射光中。 對于全光纖器件 ， 主要優(yōu)點(diǎn)有：插入損耗低 ， 易于與光纖耦合 ， 對偏振不敏感 。 2. 光纖布喇格光柵 (FBG)是反射型光纖光柵，光柵使正向傳輸模同反向傳輸模之間發(fā)生耦合，光柵的波矢等于傳輸模波矢的 2倍，光柵的周期應(yīng)等于傳輸光波在光纖內(nèi)部的波長的一半， 這種光纖光柵只對在布喇格波長及其附近很窄的波長范圍內(nèi)的光發(fā)生反射，不影響其它波長的光通過。 在光分器基礎(chǔ)上加一個(gè)耦合器 ，可實(shí)現(xiàn)光的分插功能 。 一般情況 ， 兩個(gè)正向傳輸模的傳輸常數(shù)相差很小 ， 為發(fā)生耦合 ， 要求 Λ是一個(gè)相當(dāng)大值 。 可作干涉儀及 WDM系統(tǒng)中作濾波器 。 FP濾波器兩個(gè)緊鄰?fù)◣чg的光譜范圍稱自由光譜范圍 (FSR)， 用 FWHM表示傳遞函數(shù)的半高寬 ， 比值FSR/FWHM稱作 FP濾波器的精細(xì)度 F, 則 ( 12)RF R??1. 改變腔的長度； 2. 改變腔內(nèi)介質(zhì)的折射率 。 濾波器特點(diǎn)：通帶頂部平坦 ， 邊緣尖銳 ， 溫度變化時(shí)性能穩(wěn)定 ， 插入損耗低 ， 對光的偏振不敏感 ， 濾波器多個(gè)級聯(lián)可做波分復(fù)用器 。 MZI以集成光波導(dǎo)形式出現(xiàn) ，用兩個(gè) 3dB定向耦合器連接兩條不同長度的光通路 。 圖 23 馬赫 曾德爾干涉儀 (MZI) (a) 結(jié)構(gòu)圖； (b) 方框圖； (c) 四級 MZI 輸入 1輸入 2路程差， ? L輸出 1輸出 2( a )M Z I( ? L )輸入 1輸入 2輸出 1輸出 2( b )M Z I( ? L )M Z I(2 ? L )M Z I(3 ? L )M Z I(4 ? L )輸入 1輸入 2輸出 1輸出 2( c )1. MZI作解復(fù)用器時(shí) ， 有一個(gè)輸入 ， 假設(shè)從輸入端口1輸入 ， 經(jīng)過第一個(gè)定向耦合器后 ， 功率平均分配到兩臂上 ， 但在兩臂上的信號(hào)有 π/2的相差 ， 下臂的信號(hào)比上臂滯后 π/2。 通過適當(dāng)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)波的解復(fù)用 。 (前 4個(gè)為每單個(gè) MZI的傳遞函數(shù)， 最后一個(gè)為級聯(lián)后 4級 MZI的傳遞函數(shù) 圖 24 MZI的傳遞函數(shù) 第一級第二級第三級第四級所有級的級聯(lián)?0 / ? 7. 陣列波導(dǎo)光柵 陣列波導(dǎo)光柵 (AWG)是 MZI的推廣和一般形式 ， 由兩個(gè)多端口耦合器和連接它們的陣列波導(dǎo)構(gòu)成 。 圖 25 陣列波導(dǎo)光柵 (AWG) 輸出耦合器輸入耦合器輸出波導(dǎo)陣列波導(dǎo)輸入波導(dǎo)圖 26 基于 AWG的靜態(tài)波長路由器 A W G?1, ?2, ?3, ?41 1 1 1?1, ?2, ?3, ?42 2 2 2?1, ?2, ?3, ?43 3 3 3?1, ?2, ?3, ?44 4 4 4?1, ?2, ?3, ?41 2 3 4?1, ?2, ?3, ?44 1 2 3?1, ?2, ?3, ?43 4 1 2?1, ?2, ?3, ?42 3 4 11. 設(shè) AWG的輸入端口數(shù)和輸出端口數(shù)均為 n， 輸入耦合器為 n m形式 ， 輸出耦合器為 m n形式 ，輸入和輸出耦合器間由 m個(gè)波導(dǎo)連接 ， 每相鄰波導(dǎo)的長度差均為 ΔL。其基本原理是聲與光的相互作用。 圖 27 集成光波導(dǎo) AOTF 輸入 1輸入 2輸出 1輸出 2TE ＋ TM TETMTM TE TE ＋ TM輸入偏振器聲傳感器聲波輸出偏振器圖 28 簡化的 AOTF 偏振器聲傳感器 聲波輸入 輸出TMTE濾波器可通過沿光波的傳播方向或逆著光波的傳播方向發(fā)射一列聲波完成 。 若 nTEnTM=Δn ( 17 )n? ? ? ? ?適當(dāng)選擇聲波波長 Λ， 經(jīng)模式轉(zhuǎn)換又位于 AOTF通帶內(nèi)的波長被選擇 。 器件越長 (聲光相互作用長度越長 )，濾波器通帶就越窄；調(diào)諧速度與器件長度成反比，由聲波通過器件的時(shí)間決定。 (b) 同時(shí)交換波長 λ1和 λ4 A O TF?1, ?21 1?1, ?22 2?1, ?22 1?1, ?21 2RF1( a )A O TFRF1, R F4?1, ?2, ?3, ?41 1 1 1?1, ?2, ?3, ?42 2 2 2?1, ?2, ?3, ?42 1 1 2?1, ?2, ?3, ?41 2 2 1( b )三、光 交 換 技 術(shù) 光交換有三種方式： 空分光交換、 時(shí)分光交換和波分光交換。 典型光開關(guān)是用鈦擴(kuò)散在鈮酸鋰 (Ti:LiNbO3)晶片上形成兩條相距很近的光波導(dǎo)構(gòu)成 ， 通過對電壓的控制改變輸出通路 。 時(shí)隙互換：把時(shí)分復(fù)用幀中各個(gè)時(shí)隙的信號(hào)互換位置 。 圖 32 時(shí)分光交