光前通信7讲义.ppt

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;第7章 光纤通信新技术;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，说明了光信号为什么会放大的原因。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。 ; 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 ; 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7.2(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， EDF的增益取决于Er 3+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 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。 ; 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; 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，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-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。; 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;表7.1列出国外几家公司EDFA商品的技术参数。 表7.1掺铒光纤放大器技术参数 ; 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(1500～1600 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。 (2) 增益高，约为30～40 dB; 饱和输出光功率大， 约为10～15 dBm; 增益特性与光偏振状态无关。 (3) 噪声指数小， 一般为