【正文】 是關(guān)鍵器件， EDFA的增益與摻鉺光纖中鉺離子濃度、光纖長(zhǎng)度和直徑有關(guān)，還與泵浦光源的光功率成正比。 光隔離器的作用是 : 防止光反向傳播，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作和減小噪聲 對(duì)光隔離器的的基本要求是： 插入損耗小，反射損耗大。 信號(hào)光能量分布 泵浦光能量分布 兩個(gè)分布相同不易發(fā)生增益飽和從而 轉(zhuǎn)換效率較高 ，但引入的 量子噪聲大。 泵浦光功率 反向泵浦 雙向泵浦 輸 出 光 功 率 同向泵浦 (a)轉(zhuǎn)換效率的比較 Fn 輸出光功率 雙向泵浦 反向泵浦 同向泵浦 (b)噪聲系數(shù)與放大器輸出功率的關(guān)系 不同泵浦方式下轉(zhuǎn)換效率及噪聲特性比較 隨著輸出功率的增加，粒子反轉(zhuǎn)數(shù)將下降，結(jié)果是使噪聲系數(shù)增大。 監(jiān)視和 告警電路 泵浦監(jiān)視 和控制電路 泵浦 LD P D 探測(cè)器 泵浦 LD 輸入隔離器 輸入 WDM 輸出耦合器 輸出隔離器 輸出 WDM 摻鉺 光纖 熱 沉 光輸入 ＋ 5 V 0 V － 5 V 電源 監(jiān)視 激光器驅(qū)動(dòng)輸入 光輸出 實(shí)用 EDFA外形圖及其構(gòu)成方框圖 摻鉺光纖放大器的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用 ? EDFA的主要優(yōu)點(diǎn)有： ? 工作波長(zhǎng)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(dá) 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(wú)關(guān)。 ? 頻帶寬 ，在 1550 nm窗口，頻帶寬度為 20～ 40 nm， 可進(jìn)行多信道傳輸，有利于增加傳輸容量。 ?所以 “波分復(fù)用 +光纖放大器”被認(rèn)為是充分利用光纖帶寬增加傳輸容量最有效的方法。 ?已經(jīng)介紹過(guò)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。 ? 中繼放大器 （ LA： Line Amplifier）在光纖線路上每隔一定的距離設(shè)置一個(gè)光纖放大器，以延長(zhǎng)干線網(wǎng)的傳輸距離） ? 前置放大器 （ PA： Preamplifier) 置于光接收機(jī)的前面，放大非常微弱的光信號(hào)，以改善接收靈敏度。 ? 后置放大器 （ BA： Booster Amplifier) 置于光接收機(jī)的后面，以提高發(fā)射機(jī)功率。 圖 (b) 光纖放大器的應(yīng)用形式 前置放大器 和 后置放大器 LD PD 后置放大器 前置放大器 光纖 光波分復(fù)用技術(shù) ?隨著人類(lèi)社會(huì)信息時(shí)代的到來(lái)，對(duì)通信的需求呈現(xiàn)加速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。 ?為了適應(yīng)通信網(wǎng)傳輸容量的不斷增長(zhǎng)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)。 光波分復(fù)用原理 ?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(shí)傳輸多個(gè)波長(zhǎng)光信號(hào)的一項(xiàng)技術(shù)。 圖 中心波長(zhǎng)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(zhǎng) / n m衰減 / (dB ? 兩個(gè)窗口合在一起，總帶寬超過(guò) 30THz。 ? 由于目前一些光器件與技術(shù)還不十分成熟，因此要實(shí)現(xiàn)光信道十分密集的 光頻分復(fù)用 (OFDM)還較為困難。 ?目前該系統(tǒng)是在 1550 nm波長(zhǎng)區(qū)段內(nèi)，同時(shí)用 8，16或更多個(gè)波長(zhǎng)在一對(duì)光纖上 (也可采用單光纖 )構(gòu)成的光通信系統(tǒng)，其中各個(gè)波長(zhǎng)之間的間隔為 nm、 nm或更低，約對(duì)應(yīng)于 200 GHz, 100 GHz或更窄的帶寬。 ?由于 1310/1550 nm的復(fù)用超出了 EDFA的增益范圍，只在一些專(zhuān)門(mén)場(chǎng)合應(yīng)用，所以 經(jīng)常用 WDM這個(gè)更廣義的名稱(chēng)來(lái)代替 DWDM。 ?目前， “摻鉺光纖放大器 (EDFA)+密集波分復(fù)用 (WDM)+非零色散光纖 (NZDSF，即 纖 )+光子集成 (PIC)”正成為國(guó)際上長(zhǎng)途高速光纖通信線路的主要技術(shù)方向。 ? 在這個(gè)光層中，相鄰光纖鏈路中的波長(zhǎng)通道可以連接起來(lái)，形成一個(gè)跨越多個(gè) OXC和 OADM的光通路，完成端到端的信息傳送，并且這種光通路可以根據(jù)需要靈活、動(dòng)態(tài)地建立和釋放，這就是目前引人注目的、 新一代的 WDM全光網(wǎng)絡(luò)。 ?反之，經(jīng)同一傳輸光纖送來(lái)的多波長(zhǎng)信號(hào)分解為各個(gè)波長(zhǎng)分別輸出的器件稱(chēng)為 解復(fù)用器 (也叫分波器 )。 ?因此復(fù)用器和解復(fù)用器是相同的 (除非有特殊的要求 )。 ?(1) 雙纖單向傳輸。 ?如圖 ，在發(fā)送端將載有各種信息的、具有不同波長(zhǎng)的已調(diào)光信號(hào) λ1,λ2,…,λ n通過(guò)光復(fù)用器組合在一起，并在一根光纖中單向傳輸。 ?在接收端通過(guò)光解復(fù)用器將不同波長(zhǎng)的信號(hào)分開(kāi)， 完成多路光信號(hào)傳輸?shù)娜蝿?wù)。 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 ′波分解復(fù)用器 100 GHz間隔的 WDM信道頻譜 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圖 單纖雙向 WDM傳輸 ? (2) 單纖雙向傳輸。如圖 所示，所用波長(zhǎng)相互分開(kāi)， 以實(shí)現(xiàn)雙向全雙工的通信。 ?所以雙向 WDM系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用相對(duì)說(shuō)來(lái)要求較高，但與單向 WDM系統(tǒng)相比，雙向 WDM系統(tǒng)可以減少使用光纖和線路放大器的數(shù)量。 3. 光波分復(fù)用器的性能參數(shù) ?光波分復(fù)用器是波分復(fù)用系統(tǒng)的重要組成部分，為了確保波分復(fù)用系統(tǒng)的性能， 對(duì)波分復(fù)用器的基本要求是： ? 插入損耗小 ? 隔離度大 ? 帶內(nèi)平坦，帶外插入損耗變化陡峭 ? 溫度穩(wěn)定性好 ? 復(fù)用通路數(shù)多 ? 尺寸小等 (1) 插入損耗 插入損耗是指由于增加光波分復(fù)用器 /解復(fù)用器而產(chǎn)生的附加損耗 ， 定義為該無(wú)源器件的輸入和輸出端口之間的光功率之比 ， 即 其中 Pi為發(fā)送進(jìn)輸入端口的光功率； Po為從輸出端口接收到的光功率。 對(duì)于解復(fù)用器 其中 Pi是波長(zhǎng)為 λi的光信號(hào)的輸入光功率 ， Pij是波長(zhǎng)為 λi的光信號(hào)串入到波長(zhǎng)為 λj信道的光功率 。 (3) 回波損耗 回波損耗是指從無(wú)源器件的輸入端口返回的光功率與輸入光功率的比 ， 即 (4) 反射系數(shù) 反射系數(shù)是指在 WDM器件的給定端口的反射光功率 Pr與入射光功率 Pj之比 ， 即 jrppR lg10? () (5) 工作波長(zhǎng)范圍 工作波長(zhǎng)范圍是指 WDM器件能夠按照規(guī)定的性能要求工作的波長(zhǎng)范圍 (λmin到 λmax)。 (7) 偏振相關(guān)損耗 偏振相關(guān)損耗 (PDL: Polarizationdependent Loss)是指由于偏振態(tài)的變化所造成的插入損耗的最大變化值 。 光轉(zhuǎn)發(fā)器 1?光合波器光轉(zhuǎn)發(fā)器 nBA?1?n1n光纖光監(jiān)控信道接收/ 發(fā)送LA光纖接收 1光分波器接收 nPA?1?n1n光監(jiān)控信道發(fā)送器?s?s?s?s光監(jiān)控信道接收器?網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)光中繼放大 光接收機(jī)光發(fā)射機(jī)?光發(fā)射機(jī) 位于 WDM系統(tǒng)的發(fā)送端。 ?OTU對(duì)輸入端的信號(hào)波長(zhǎng)沒(méi)有特殊要求，可以兼容任意廠家的 SDH信號(hào)，其輸出端滿足，即標(biāo)準(zhǔn)的光波長(zhǎng)和滿足長(zhǎng)距離傳輸要求的光源；利用合波器合成多路光信號(hào)； 通過(guò) 光功率放大器 (BA： Booster Amplifier)放大輸出多路光信號(hào)。 ?在應(yīng)用時(shí)可根據(jù)具體情況， 將 EDFA用作 “線放(LA： Line Amplifier)”, “功放 (BA)”和 “前放(PA： Preamplifier)”。與此同時(shí)，還要考慮到不同數(shù)量的光信道同時(shí)工作的各種情況，保證光信道的增益競(jìng)爭(zhēng)不影響傳輸性能。 接收機(jī)不但要滿足一般接收機(jī)對(duì)光信號(hào) 靈敏度、過(guò)載功率 等參數(shù)的要求，還要能承受有一定光噪聲的信號(hào)。 ?幀同步字節(jié)、公務(wù)字節(jié) 和 網(wǎng)管所用的開(kāi)銷(xiāo)字節(jié)等都是通過(guò)光監(jiān)控信道來(lái)傳送的。 波長(zhǎng)計(jì)劃 分類(lèi) ? 簡(jiǎn)單 WDM（簡(jiǎn)稱(chēng) WDM）： 1310nm/1550nm，用于 PON接入網(wǎng)絡(luò) ? CWDM（ Coarse WDM）： 傳統(tǒng)的 CWDM: 850nm窗口，主要用于多模光纖的接入網(wǎng)中 WWDM (Wide WDM): 10GE WAN 城域 CWDM:主要用于城域網(wǎng) ? DWDM (Dense WDM ）主要用于長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng) 簡(jiǎn)單 WDM： 主要用于采用單纖雙向傳輸方式的光纖接入網(wǎng)中（如 PON），在上下行方向采用不同的波長(zhǎng)， 1310nm為上行波長(zhǎng)（用戶到中心局）； 1550nm為下行波長(zhǎng) (用戶到中心局 )。寬帶城域網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題逐漸成為通信網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。采用 CWDM技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效手段。 ?實(shí)驗(yàn)室已實(shí)現(xiàn)了 82 40 Gb/s( Tb/s)的速率，傳輸距離達(dá) 3 100 km=300 km。 ?② 日本 NEC: 160 20 Gb/s= Tb/s， 利用歸零信號(hào)沿色散平坦光纖，經(jīng)過(guò)增益寬度為 64 nm的光纖放大器，傳輸距離達(dá) 1500 km。 ④ 日本 NTT： 30路 Gb/s， 利用歸零信號(hào)， 經(jīng)過(guò)增益寬度為 50 nm的光纖放大器，傳輸距離達(dá) 3 125 km=375 km。 ⑥ 美國(guó) Mciworld和加拿大 Nortel: 100路 10 Gb/s=1 Tb/s， 沿 NZDF光纖在 C和 L波帶傳輸 4段， 約 200 km。 2022年 6月，烽火科技所承擔(dān)的國(guó)家 863計(jì)劃重大科研項(xiàng)目“ 3T可擴(kuò)展到 80 40G DWDM傳輸系統(tǒng)設(shè)備工程化與試驗(yàn)”成功通過(guò)國(guó)家科技部的鑒定驗(yàn)收。 WDM技術(shù)的主要特點(diǎn) ?1. 充分利用光纖的巨大帶寬資源 ?光纖具有巨大的帶寬資源 (低損耗波段 )， WDM技術(shù)使一根光纖的傳輸容量比單波長(zhǎng)傳輸增加幾倍至幾十倍甚至幾百倍， 從而增加光纖的傳輸容量，降低成本，具有很大的應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 ?3. 節(jié)省線路投資 ?采用 WDM技術(shù)可使 N個(gè)波長(zhǎng)復(fù)用起來(lái)在單根光纖中傳輸，也可實(shí)現(xiàn)單根光纖雙向傳輸，在長(zhǎng)途大容量傳輸時(shí)可以節(jié)約大量光纖。 ?4. 降低器件的超高速要求 ?隨著傳輸速率的不斷提高，許多光電器件的響應(yīng)速度已明顯不足，使用 WDM技術(shù)可降低對(duì)一些器件在性能上的極高要求，同時(shí)又可實(shí)現(xiàn)大容量傳輸。可以利用 WDM技術(shù)選擇路由，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換和故障恢復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)未來(lái)的透明、 靈活、經(jīng)濟(jì)且具有高度生存性的光網(wǎng)絡(luò)。 ?在這一部分我們將介紹各種各樣的波長(zhǎng)選擇技術(shù)， 即 光濾波技術(shù) 。 ?圖 光濾波器的三種應(yīng)用： ? 單純的濾波應(yīng)用 (圖 (a)) ? 波分復(fù)用 /解復(fù)用器中應(yīng)用 (圖 (b)) ? 波長(zhǎng)路由器中應(yīng)用 (圖 (c))。 如果用 來(lái)標(biāo)記第 i輸入鏈路上的波長(zhǎng) λj, 則路由器的輸入端口 1上的波長(zhǎng)記為 、 、 、 , 輸入端口 2上的波長(zhǎng)記為 、 、 、 。 12? 13?11? 14?22?23? 21? 24?在本例中 ， 波長(zhǎng)路由器只有兩個(gè)輸入端口和兩個(gè)輸出端口 ， 每一路上只有 4個(gè)波長(zhǎng) ， 但是在一般情況下 ， 輸入和輸出的端口數(shù)是 N(≥2)， 并且每