西电-光通信技术基础chap7

4F9 / 2 4I9 / 2 4I11 / 2 4I13 / 2 1.48 µm
0.65 µm 0.80 µm 3 0.98 µm 2 1.53 µm
－ 损损损增增 /( dB·m 1)
10
－ 截截 / (×10 25m2)
8 6 4 2 0 1.48
6
吸吸 增增
1.50 1.52 1.54 滤波 / µm (b) 1.56
LD PD
图7.5 (a)
光纤放大器的应用形式中继放大器 中继放大器 光纤放大器的应用形式中继放大器
后置放大器
前置放大器
LD
PD
光纤
图7.5 (b)
光纤放大器的应用形式前置放大器 前置放大器和 光纤放大器的应用形式前置放大器和后置放大器
7.2
的趋势。对通信的需求呈现加速增长
80
40 转转转误 92.6％ 30 增增增光 6.3 dB / mW
滤输制制光功误 / mW
60 40 20 0 0
增增 / dB
20 10 0 0 5
20 40 60 80 滤输输输光功误 / mW (a)
10 (b)
15
20
滤输输输光功误 / mW
掺铒光纤放大器的特性 图7.2掺铒光纤放大器的特性 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 输出信号光功率与泵浦光功率的关系；
7.2.1
光波分复用原理 光波分复用原理
1. WDM的概念 的概念 的概念 光波分复用(WDM： Wavelength Division Multiplexing)技术 ： 光波分复用 是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术。 光波分复用（WDM）的基本原理是：在发送端将不同波长 光波分复用（ ）的基本原理是： 的光信号组合起来(复用)，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中 进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开(解复用)，并作 进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端，因此将此项技术 称为光波长分割复用 简称光波分复用技术 光波长分割复用， 光波分复用技术。 光波长分割复用 光波分复用技术
7.1 光 纤 放 大 器
光放大器有半导体光放大器 光纤放大器 半导体光放大器和光纤放大器 半导体光放大器 光纤放大器两种类型。 • 半导体光放大器的优点是： 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 • 半导体光放大器的缺点是： 半导体光放大器的缺点是： 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。
图7.2(a)示出输出信号光功率 输入泵浦光功率 输出信号光功率和输入泵浦光功率 输出信号光功率 输入泵浦光功率的关系， 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%。 图7.2(b)是小信号条件下增益和泵浦光功率的关系，当泵浦 光功率小于6mW时，增益系数为6.3dB/mW。
7.1.2
掺铒光纤放大器的构成和特性 掺铒光纤放大器的构成和特性
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) 高功率泵浦光源 掺铒光纤(EDF)和高功率泵浦光源 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， 是实现光纤放大器的技术关键， 设计高增益掺铒光纤 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1480 对泵浦光源的基本要求是大功率和长寿命 。 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。
当泵浦 泵浦(Pump, 抽运)光的光子能量等于能级3和能级1的能量差 泵浦 时，铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到激发态 激发态(1→3)。 激发态 但是激发态 激发态是不稳定的，Er3+很快返回到能级2。 激发态 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 基态(2→1)，产生受激辐射光 受激辐射光，因而信 基态 受激辐射光 号光得到放大。 但是激发态 激发态是不稳定的，Er3+很快返回到能级2。 激发态 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 受激辐射光，因而信 受激辐射光 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 这种放大是由于泵浦光的能量转换为信号光的结 果。
7.1.1
掺铒光纤放大器工作原理 掺铒光纤放大器工作原理
图7.1示出掺铒光纤放大器 掺铒光纤放大器(EDFA)的工作原理，说明了光信 掺铒光纤放大器 号放大的原因。 从图7.1(a)可以看到，在掺铒光纤 掺铒光纤(EDF)中，铒离子(Er3+)有 掺铒光纤 三个能级： • 能级1代表基态 能量最低 基态， 基态 • 能级2是亚稳态 亚稳态，处于中间能级 亚稳态 • 能级3代表激发态 能量最高 激发态， 激发态
4 2 0
输输
光制制
1
4I15 / 2
(a)
掺铒光纤放大器的工作原理 图 7.1掺铒光纤放大器的工作原理 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 硅光纤中铒离子的能级图； 的吸收和增益频谱
为提高放大器增益， 应提高对泵浦光的吸收，使基态 3+尽 基态Er 基态 可能跃迁到激发态 激发态，图7.1(b)示出EDFA增益 吸收频谱 增益和吸收频谱 激发态 增益 吸收频谱。
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， 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。 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。
EDFA的应用， 归纳起来可以分为三种形式， 如图7.5所示。 •中继放大器 中继放大器 （LA：Line Amplifier）在光纤线路上每隔一定的 距离设置一个光纤放大器，以延长干线网的传输距离） •前置放大器 （PA：Preamplifier) 置于光接收机的前面，放大非 前置放大器 常微弱的光信号，以改善接收灵敏度。作为前置放大器，对噪声 要求非常苛刻。 •后置放大器 （BA： Booster Amplifier) 置于光接收机的后面， 后置放大器 以提高发射机功率。对后置放大器噪声要求不高，而饱和输出光 功率是主要参数。 中继放大器
35.0 30.0 25.0 增益 / dB 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 －5.0 －10.0 －40 I －35 －30 －25 －20 －15 －10 输入光功率 / dBm －5 0 I I 噪声指数 / dB 输出光功率 / dBm I I I I 增益 / dB
掺铒光纤放大器增益、 图7.4 掺铒光纤放大器增益、 噪声指数和输出光功率与输入光功率的关系曲线
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
图7.3(a)
图7.3(a)
光纤放大器构成原理图
热
沉 输入 WDM
光输入
＋5 V
输入隔离器
电源
监视
0V －5 V 监视和 告警电路 PD 探测器
泵浦 LD 泵浦监视 和控制电路 泵浦 LD 掺铒 光纤
激光器驱动输入
光输出 输出耦合器 输出隔离器 输出 WDM
图7.3(b)
图7.3(b)
实用光纤放大器外形图及其构成方框图
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： 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: 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 • 对光隔离器的的基本要求是： 对光隔离器的的基本要求是： 插入损耗小，反射损耗大。
发展迅速的各种新型业务(特别是高速数据和视频业务)对通 信网的带宽(或容量)提出了更高的要求。 为了适应通信网传输容量的不断增长和满足网络交互性、灵 活性的要求，产生了各种复用技术。 在光纤通信系统中除了大家熟知的时分复用 时分复用(TDM)技术外， 时分复用 还出现了其他的复用技术，例如光时分复用 光时分复用(OTDM)、光波分复 光时分复用 光波分复 用(WDM)、 光频分复用(OFDM)以及副载波复用 光频分复用 副载波复用(SCM)技术。 副载波复用
光纤放大器的实质是： 光纤放大 的实质是： 的实质是 把工作物质制作成光纤形状的固体激光器，所以也称为光 光 纤激光器。 纤激光器。
20世纪80年代末期，波长为1.55 µm的掺铒 掺铒(Er)光纤放大器 掺铒 光纤放大器 (EDFA： ErbiumDoped 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。
下表列出国外几家公司EDFA商品的技术参数。
7.1.3
掺铒光纤放大器的优点和应用
EDFA的主要优点有： 的主要优点有： 的主要优点有 • 工作波长正好落在光纤通信最佳波段 工作波长正好落在光纤通信最佳波段(1500～1600 nm)； 其主体是一段光纤(EDF)，与传输光纤的耦合损耗很小， 可达 0.1 dB。 • 增益高 增益高，约为30～40 dB; 饱和输出光功率大， 约为 30 40 10～15 dBm； 增益特性与光偏振状态无关。 • 噪声指数小 一般为4～7 dB； 用于多信道传输时， 噪声指数小， 隔离度大，无串扰，适用于波分复用系统。 • 频带宽 频带宽，在1550 nm窗口，频带宽度为20～40 nm， 可 进行多信道传输，有利于增加传输容量。