光纤和光缆第7章光纤通信新技术.ppt

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1、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7.1　光纤放大器7.1.1　掺铒光纤放大器工作原理图7.1示出掺铒光纤放大器(EDFA)的工作原理，说明了光信号被放大的原因。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

2、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。由此可见，这种放大是由于泵浦光的能量转换为信号光能量的结果。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7.1　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)EDFA的吸收和增益频谱图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

3、功率的效率很高，达到92.6%。当泵浦光功率为60mW时，吸收效率［(信号输出光功率－信号输入光功率)/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，增益线性增加，增益系数为6.3dB/mW。图7.2　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7.1.2　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)为实用光纤放大器的构成方框图。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

4、用器和置于两端防止光反射的光隔离器也是不可缺少的。图7.3　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1.480μm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。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

5、。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、噪声系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象。图7.4　掺铒光纤放大器增益、噪声系数和输出光功率与

6、输入光功率的关系曲线表7.1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有许多优点，并已得到广泛应用。　　EDFA的主要优点有：　　(1)工作波长正好落在光纤通信最佳波段(1500～1600nm)；其主体是一段光纤(EDF)，与传输光纤的耦合损耗很小，只有0.1dB。　　(2)增益高，约为30～40dB;饱和输出光功率大，约为10～15dBm;增益特性与光偏振状态无关。　　(3)噪声系数小，一般为4～7dB;用于多波长信道传输时，隔离度大，串扰小，适用于波分复用系统。(4)频带宽，在1550nm

7、窗口，频带宽度为20～40nm，可进行多波长信道传输，有利于增加传输容量。　　如果加上1310nm掺镨光纤放大器(PDFA)，频带可以增加一倍。所以“波分复用+光纤放大器”被认为是充分利用光纤带宽增加传输容量最有效的方法。　　1550nmEDFA在各种光纤通信系统中得到广泛应用，并取得了良好效果。已经介绍过的副载波CATV系统，波分复用(WDM)或光频分复用(OFDM)系统，相干光系统以及光孤子通信系统，都应用了EDFA，并大幅度增加了传输距离。EDFA的应用，归纳起来可以分为三种形式，如图7.5所示。图7.5　光纤放大器的应用形式(a)中继放

8、大器；(b)前置放大器和后置放大器(1)中继放大器(LA，LineAmplifier)。在光纤