光纖通信新技術(shù)課件

光纖通信新技術(shù)51、山氣日夕佳，飛鳥(niǎo)相與還。52、木欣欣以向榮，泉涓涓而始流。53、富貴非吾愿，帝鄉(xiāng)不可期。54、雄發(fā)指危冠，猛氣沖長(zhǎng)纓。55、土地平曠，屋舍儼然，有良田美池桑竹之屬，阡陌交通，雞犬相聞。光纖通信新技術(shù)光纖通信新技術(shù)51、山氣日夕佳，飛鳥(niǎo)相與還。52、木欣欣以向榮，泉涓涓而始流。53、富貴非吾愿，帝鄉(xiāng)不可期。54、雄發(fā)指危冠，猛氣沖長(zhǎng)纓。55、土地平曠，屋舍儼然，有良田美池桑竹之屬，阡陌交通，雞犬相聞。7.1光纖放大器7.2光波分復(fù)用技術(shù)7.3光交換技術(shù)7.4光孤子通信7.5相干光通信技術(shù)7.6光時(shí)分復(fù)用技術(shù)7.7波長(zhǎng)變換技術(shù)第7章光纖通信新技術(shù)返回主目錄第7章光纖通信新技術(shù)

光纖通信發(fā)展的目標(biāo)是提高通信能力和通信質(zhì)量，降低價(jià)格，滿足社會(huì)需要。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，光纖通信成為一個(gè)發(fā)展迅速、技術(shù)更新快、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)的領(lǐng)域。本章主要介紹一些已經(jīng)實(shí)用化或者有重要應(yīng)用前景的新技術(shù)，如光放大技術(shù)，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，光時(shí)分復(fù)用技術(shù)和波長(zhǎng)變換技術(shù)等。在網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)籠罩全球的時(shí)代，如今的少年，他們對(duì)于電腦對(duì)于網(wǎng)絡(luò)從小耳濡目染，很有見(jiàn)的，有時(shí)也許比我們想像得懂得更多，所以面對(duì)一屆更比一屆強(qiáng)的學(xué)生，我們將如何調(diào)整教學(xué)方法，低負(fù)高效地來(lái)實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)課技能的學(xué)習(xí)，更好地提高學(xué)生的技能水平，變得尤為重要，這也是我們所追求的目標(biāo)和為之努力的方向。對(duì)于一個(gè)任教初中信息技術(shù)已經(jīng)有十多年的教師來(lái)說(shuō)，自己是從心底里感受著我們的學(xué)生一屆更比一屆技能嫻熟。記得當(dāng)初剛?cè)谓虝r(shí)，很慶幸我所任教的學(xué)校，有20臺(tái)電腦，是當(dāng)時(shí)北京一個(gè)中學(xué)在“手拉手”活動(dòng)中捐贈(zèng)的，界面還是英文的，兩三個(gè)學(xué)生共用一臺(tái)電腦，上課學(xué)習(xí)需要命令才能進(jìn)入。十多年過(guò)去了，現(xiàn)在的學(xué)生享受著人手一機(jī)的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，舒適的環(huán)境，多媒體的教學(xué)網(wǎng)絡(luò)教室，個(gè)個(gè)操作嫻熟，讓人感嘆科技時(shí)代的巨大變化。十多年的教學(xué)生涯，讓我更多思考的是，雖然初中階段信息技術(shù)作為一門輔助課程，一周只有一兩節(jié)，但是它所賦予學(xué)生的能力卻是很重要，是學(xué)生學(xué)習(xí)和生活的幫手，已觸及到我們生活中的各個(gè)領(lǐng)域，無(wú)可替代。所以如何讓學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)學(xué)到高效的操作技能為其所用，一直是我所追求的教學(xué)目標(biāo)。本人一直認(rèn)為這是一門畢生有用的生活技能，有幸作為技能的傳授者，有責(zé)任盡自己最大的能力，讓學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)學(xué)到更多更實(shí)用的操作技能，幫助學(xué)習(xí)生活，筆者就自己十多年的經(jīng)驗(yàn)說(shuō)說(shuō)如何在初中階段低負(fù)高效地進(jìn)行信息技術(shù)的技能學(xué)習(xí)。一、豐富生動(dòng)的導(dǎo)課，讓學(xué)生帶著興趣走進(jìn)每一節(jié)課每次上課之前，我都會(huì)進(jìn)行生動(dòng)有趣的導(dǎo)課，然后將完整的成品生動(dòng)地展示在學(xué)生面前，用來(lái)激發(fā)他們更大的興趣，讓學(xué)生有想去做的動(dòng)力，想挑戰(zhàn)自己的沖動(dòng)，這樣才有可能將本節(jié)課的技能學(xué)得更好。二、帶著小任務(wù)去學(xué)習(xí)教師提前將任務(wù)分成幾個(gè)小節(jié)，以便學(xué)生更好地完成。每節(jié)課的任務(wù)都會(huì)分層進(jìn)行，逐步完成，簡(jiǎn)單的步驟要求展示在大屏幕上，學(xué)生有信心自己完成；有難度的教師細(xì)致演示或有能力的學(xué)生上臺(tái)演示。使每個(gè)作品都降低了門檻，只要有心，誰(shuí)都可以學(xué)懂學(xué)通。三、分小組進(jìn)行各種課堂活動(dòng)當(dāng)一個(gè)作品完成時(shí)，我們進(jìn)行分小組比賽，賞析、講評(píng)、打分。作品完成之后，每組由小組長(zhǎng)選出1-2個(gè)優(yōu)秀作品，與其他小組比賽，大家相互賞析，其他各組進(jìn)行講評(píng)，然后打分，評(píng)出優(yōu)秀一級(jí)給予表?yè)P(yáng)，并在記分冊(cè)中記分，學(xué)期末合計(jì)后給予全組獎(jiǎng)勵(lì)。這樣更激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)力。四、學(xué)?作品步驟時(shí)要采用多種方式在講解步驟時(shí)有多種途徑：1.教師和學(xué)生一起看讀書中的“操作指南”來(lái)共同完成；2.可以使用我們微機(jī)室中的多媒體教室軟件，通過(guò)“屏幕廣播”到每個(gè)學(xué)生電腦中來(lái)演示分解步驟，層層深入；3.教師也可提前制作“微課”來(lái)發(fā)送到學(xué)生電腦中，學(xué)生可自學(xué)本節(jié)課內(nèi)容，有看不懂的地方可向教師請(qǐng)教，學(xué)得快的學(xué)生，可看更多視頻來(lái)進(jìn)行學(xué)習(xí)，這種授課方式有利于水平較高的學(xué)生學(xué)習(xí)。五、在布置任務(wù)時(shí)，盡量與實(shí)際相結(jié)合如：講解完Word圖文混排時(shí)，任務(wù)可布置為為自己家鄉(xiāng)的旅游景點(diǎn)設(shè)計(jì)一張門票，這樣有實(shí)際意義的任務(wù)，學(xué)生更愿意去嘗試創(chuàng)作；再如學(xué)完Flash后，可布置為自己的家人、朋友、師長(zhǎng)制作一張精美的電子動(dòng)畫賀卡，表達(dá)對(duì)家人的關(guān)愛(ài)等等，這樣更有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)力和自主創(chuàng)新的能力。六、推薦學(xué)生參加各種信息技術(shù)作品比賽，提高學(xué)生的能力和自信心讓學(xué)生有機(jī)會(huì)多參加一些省、市、縣級(jí)的信息技術(shù)比賽，不僅能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)力，同時(shí)也可提升自身的自信心，為學(xué)好信息技術(shù)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。教師本身也可在班級(jí)或年級(jí)內(nèi)提供一個(gè)舞臺(tái)，讓各班之間進(jìn)行PK，在小范圍內(nèi)組織比賽，也能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)力，更有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力。七、適當(dāng)運(yùn)用比喻教師在講課時(shí)適當(dāng)運(yùn)用比喻，有助于學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握。比如，講文件在磁盤中分門別類的存放，我們可以拿生活中如何利用書架分門別類放置我們的書籍為例。又如，在講網(wǎng)絡(luò)時(shí)，關(guān)于域名和IP地址，我是這樣講的：世界上的人很多，我們?cè)趺磥?lái)區(qū)分彼此呢？我們可以通過(guò)用自己的名字和用身份證號(hào)兩種途徑，我們可以使用身份證號(hào)來(lái)唯一指定某人，但是，身份證號(hào)太難記了，日常生活中，我們用名字來(lái)指定某人。網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)也一樣，為了區(qū)分彼此，他們也有名字――我們稱之為域名，同樣他們也有自己的“身份證號(hào)”――IP地址，IP地址可以唯一指定一臺(tái)計(jì)算機(jī)，但是，記住它不太容易，平時(shí)，我們只用域名來(lái)指定網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)。這樣，學(xué)生們很輕松地就揭去了域名、IP地址的神秘面紗。在知識(shí)和技能的海洋中，教與學(xué)都是多樣的，目的卻只有一個(gè)，讓我們新時(shí)代的學(xué)生，更快更好地適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展。讓學(xué)生在低負(fù)高效的課堂中學(xué)到一技之長(zhǎng)，是我們信息技術(shù)課堂的目標(biāo)和努力方向，作為知識(shí)和技能的傳授者，我們?yōu)閷W(xué)生付出責(zé)無(wú)旁貸。前言：音樂(lè)教育是指通過(guò)音樂(lè)知識(shí)的傳授和歌唱欣賞等音樂(lè)技能的訓(xùn)練，利用富于情感的音樂(lè)形象對(duì)學(xué)生進(jìn)行美學(xué)教育。它對(duì)于學(xué)生世界觀的形成、創(chuàng)造力的培養(yǎng)和情操的陶冶等都具有獨(dú)特的作用。然而由于城鄉(xiāng)教育發(fā)展的不平衡以及有關(guān)人員對(duì)音樂(lè)教育的忽視，農(nóng)村音樂(lè)教育現(xiàn)狀與現(xiàn)代化教育的要求相差甚遠(yuǎn)，因此，作為一名專業(yè)的農(nóng)村小學(xué)音樂(lè)教師，如何最大限度地?cái)[脫農(nóng)村音樂(lè)教育現(xiàn)狀的困擾，發(fā)揮音樂(lè)應(yīng)有的作用，把音樂(lè)帶進(jìn)學(xué)生成長(zhǎng)的足跡里，將成為今后工作研究的重中之重。一、目前農(nóng)村小學(xué)音樂(lè)的現(xiàn)狀1、教育思想觀念落后。當(dāng)前，素質(zhì)教育是我國(guó)教育改革的主旋律，但這并未從根本上轉(zhuǎn)變大多數(shù)農(nóng)村小學(xué)領(lǐng)導(dǎo)及教師的教學(xué)觀念，在人們的觀念里依然以主課成績(jī)?yōu)榻虒W(xué)的重心，而音樂(lè)課沒(méi)有統(tǒng)考，被人們認(rèn)為是可有可無(wú)的課程，更有甚者認(rèn)為音樂(lè)課會(huì)妨礙成績(jī)，這種觀念嚴(yán)重阻礙了學(xué)生素質(zhì)的全面發(fā)展。2、教育教學(xué)設(shè)施落后。農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)落后，財(cái)政收人困難，對(duì)農(nóng)村音樂(lè)教育的不重視，這些都導(dǎo)致了農(nóng)村音樂(lè)教育教學(xué)設(shè)施的缺乏和落后。在大多數(shù)的農(nóng)村學(xué)校里，師資隊(duì)伍里缺少?專業(yè)的音樂(lè)教師，甚至沒(méi)有獨(dú)立的音樂(lè)教室，教學(xué)條件得：不到保障，這樣缺乏音樂(lè)教具和設(shè)施的教學(xué)其質(zhì)量是非：常難以保證的。3、教師專業(yè)素質(zhì)低，教育教學(xué)方法單一。由于地方對(duì)小學(xué)音樂(lè)課的不重視，專業(yè)音樂(lè)教師師：資隊(duì)伍缺乏，而多由其他課程的老師兼任，音樂(lè)課程教學(xué)：多以聽(tīng)唱教學(xué)為主，因此，音樂(lè)專業(yè)知識(shí)的傳授缺乏專業(yè)：性和系統(tǒng)性，教學(xué)質(zhì)量無(wú)法保障。音樂(lè)教學(xué)采取傳統(tǒng)的教：唱式的教學(xué)方法，即老師一句一句地教，學(xué)生一句一句地：學(xué)，學(xué)生只是被動(dòng)地接受老師傳授的知識(shí)，課堂生硬沒(méi)有：活力，無(wú)法發(fā)揮音樂(lè)教育的作用。二、改良農(nóng)村小學(xué)音樂(lè)教育現(xiàn)狀的措施1、提升認(rèn)識(shí)，改革觀念，強(qiáng)化小學(xué)音樂(lè)教學(xué)。提升認(rèn)識(shí)，改革觀念，強(qiáng)化小學(xué)音樂(lè)教學(xué)，不斷提升青少年學(xué)生的美育綜合素養(yǎng)，在一定程度加強(qiáng)了學(xué)生思想道德建設(shè)的高效措施和方法，所以應(yīng)該不斷的提升對(duì)于農(nóng)村小學(xué)音樂(lè)教育的充分認(rèn)識(shí)，更加關(guān)心和扶持農(nóng)村小學(xué)音樂(lè)教育事業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。必須要依據(jù)音樂(lè)課程相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)置音樂(lè)課，經(jīng)常舉行相關(guān)的音樂(lè)藝術(shù)實(shí)踐活動(dòng)，這樣才能夠?yàn)閷W(xué)校音樂(lè)教育的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。深化改革，提升質(zhì)量，隨著新課程改革的不斷深入，當(dāng)前的音樂(lè)教育理念，方法以及評(píng)價(jià)機(jī)制已經(jīng)很難順應(yīng)新課程改革發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)。影響到音樂(lè)教育審美功能的發(fā)揮，限制這小學(xué)音樂(lè)教育事業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展和進(jìn)步。所以必須要更新理念[1]，推廣全新的教學(xué)手段，改變教學(xué)意識(shí)，全面發(fā)揮出學(xué)生的積極主動(dòng)性，提升學(xué)生實(shí)踐能力，開(kāi)拓學(xué)生的視野，提升學(xué)生的音樂(lè)素質(zhì)，使學(xué)生能夠全方位的發(fā)展。2、發(fā)揮評(píng)價(jià)的整體功能，提升教師綜合素養(yǎng)。提升教師綜合素養(yǎng)，注重質(zhì)量，大多數(shù)農(nóng)村小學(xué)音樂(lè)教師自身并沒(méi)有進(jìn)行專業(yè)化的音樂(lè)培訓(xùn)，即便教師具有較高的熱情以及積極性，不過(guò)因?yàn)樽陨淼慕?jīng)驗(yàn)不充分，所以在具體教學(xué)過(guò)程中很難達(dá)到應(yīng)有的教學(xué)效果。不過(guò)教師自身的綜合素養(yǎng)如果無(wú)法得到提升的話，奈于學(xué)校整體基礎(chǔ)設(shè)備不健全，領(lǐng)導(dǎo)沒(méi)有引起高度的注重等，都無(wú)法取得較好的音樂(lè)教學(xué)效果。所以，必須要吸納專門性的人才，對(duì)當(dāng)前的教師進(jìn)行專業(yè)化的培訓(xùn)顯得尤為重要。另外還必須要求音樂(lè)教師進(jìn)行規(guī)范教學(xué)，提升自我的教學(xué)手段和措施，最終提升農(nóng)村小學(xué)音樂(lè)教學(xué)的總體質(zhì)量。3、加強(qiáng)資金投入，完善音樂(lè)教學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施。加強(qiáng)投入，注重質(zhì)量，音樂(lè)教學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施是保障課程標(biāo)準(zhǔn)有效實(shí)施的基礎(chǔ)。不同地區(qū)政府以及學(xué)校必須要加強(qiáng)對(duì)于音樂(lè)教育方面的投入力度[2]，確保學(xué)校音樂(lè)教育教學(xué)的有效實(shí)施。另外還應(yīng)該加強(qiáng)音樂(lè)教學(xué)器材配備的投入力度，條件相對(duì)較好的學(xué)?？梢耘涮滓恍┰O(shè)備較好樂(lè)器以及教具，條件偏低的學(xué)校也應(yīng)該配置一些樂(lè)器以及教具，符合音樂(lè)教學(xué)的常規(guī)需求。學(xué)校必須要注重音樂(lè)專門性教師建設(shè)以及音樂(lè)設(shè)備的配置力度。學(xué)校圖書館和教研組必須要配置一定數(shù)量的音樂(lè)書籍以及音像資料，這樣可以讓教師進(jìn)行一定的參考和運(yùn)用。4、在音樂(lè)課中特別注意事項(xiàng)。（1）發(fā)揮偶像的帶動(dòng)作用：在多年的從教生涯中，我發(fā)現(xiàn)了一個(gè)現(xiàn)象：小學(xué)低年級(jí)階段，學(xué)生比較聽(tīng)老師的話，音樂(lè)教學(xué)比較容易，老師教，學(xué)生聽(tīng)，老師唱，學(xué)生學(xué)；學(xué)生進(jìn)入高年級(jí)階段后，慢慢開(kāi)始學(xué)會(huì)追星，喜歡時(shí)尚和流行的東西，而不喜歡課本音樂(lè)，對(duì)老師的教育也變得不理不睬。對(duì)于這種情況，我認(rèn)為可以從學(xué)生喜歡的明星入手，發(fā)揮明星的積極作用。（2）樹(shù)立學(xué)習(xí)音樂(lè)的信心：有些學(xué)生的音樂(lè)學(xué)習(xí)不突出，是因?yàn)橐庾R(shí)形態(tài)出現(xiàn)了偏差，學(xué)習(xí)音樂(lè)的態(tài)度不端正，也有些學(xué)生的學(xué)習(xí)效果不理想，是因?yàn)楹π呋蚝ε虏桓议_(kāi)口，覺(jué)得自己唱歌難聽(tīng)。對(duì)這類學(xué)生，筆者認(rèn)為，打破他們的自卑和恐懼心理，樹(shù)立學(xué)習(xí)音樂(lè)的信心，是音樂(lè)教學(xué)的第一步。（3）提升自身的職業(yè)素養(yǎng)：除了在學(xué)生身上做出努力，改變學(xué)生學(xué)習(xí)音樂(lè)的現(xiàn)狀，身為教師，肩負(fù)著為學(xué)生灌輸知識(shí)的重任，更不能懈怠，更要在自己身上下工夫，改變自己的現(xiàn)狀[3]，努力提升自己的教學(xué)水平和職業(yè)素養(yǎng)。我認(rèn)真研讀了《基礎(chǔ)教育課程改革綱要》，確保自己熟悉每一名教師需要完成的任務(wù)。在課余時(shí)間，我會(huì)不斷豐富自己，提升自己。除此之外，我還會(huì)利用自己的人際關(guān)系，打聽(tīng)城市小學(xué)的音樂(lè)課是如何進(jìn)行的，音樂(lè)教師采用何種先進(jìn)的教學(xué)方法，然后經(jīng)過(guò)加工處理，以最適合農(nóng)村學(xué)校實(shí)際和農(nóng)村學(xué)生的方式進(jìn)行音樂(lè)教學(xué)。三、結(jié)語(yǔ)綜上所述，本文主要從本文農(nóng)村小學(xué)音樂(lè)教學(xué)現(xiàn)狀入手，提出具體的改良農(nóng)村小學(xué)音樂(lè)教育的手段和措施。眾所周知，音樂(lè)教育自身具備了培養(yǎng)創(chuàng)造力的效果，音樂(lè)教育還具備了推動(dòng)學(xué)生身體健康的效果等等。因此全面的發(fā)揮出音樂(lè)教育在農(nóng)村綜合素質(zhì)教育中的作用，這不但是社會(huì)的吶喊，也是培養(yǎng)出更加綜合性人才的社會(huì)需求。光纖通信新技術(shù)51、山氣日夕佳，飛鳥(niǎo)相與還。光纖通信新技術(shù)光17.1光纖放大器7.2光波分復(fù)用技術(shù)7.3光交換技術(shù)7.4光孤子通信7.5相干光通信技術(shù)7.6光時(shí)分復(fù)用技術(shù)7.7波長(zhǎng)變換技術(shù)第7章光纖通信新技術(shù)返回主目錄7.1光纖放大器第7章光纖通信新技術(shù)返回主目錄2第7章光纖通信新技術(shù)

光纖通信發(fā)展的目標(biāo)是提高通信能力和通信質(zhì)量，降低價(jià)格，滿足社會(huì)需要。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，光纖通信成為一個(gè)發(fā)展迅速、技術(shù)更新快、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)的領(lǐng)域。本章主要介紹一些已經(jīng)實(shí)用化或者有重要應(yīng)用前景的新技術(shù)，如光放大技術(shù)，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，光時(shí)分復(fù)用技術(shù)和波長(zhǎng)變換技術(shù)等。第7章光纖通信新技術(shù)

光纖通信發(fā)展的目37.1光纖放大器

光放大器有半導(dǎo)體光放大器和光纖放大器兩種類型。半導(dǎo)體光放大器的優(yōu)點(diǎn)是小型化，容易與其他半導(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。光纖放大器的性能與光偏振方向無(wú)關(guān)，器件與光纖的耦合損耗很小，因而得到廣泛應(yīng)用。光纖放大器實(shí)際上是把工作物質(zhì)制作成光纖形狀的固體激光器，所以也稱為光纖激光器。

20世紀(jì)80年代末期，波長(zhǎng)為1.55μm的摻鉺(Er)光纖放大器(EDFA：ErbiumDopedFiberAmplifier)研制成功并投入實(shí)用，把光纖通信技術(shù)水平推向一個(gè)新高度，成為光纖通信發(fā)展史上一個(gè)重要的里程碑。7.1光纖放大器光放大器有4

7.1.1摻鉺光纖放大器EDFA工作原理

圖7.1摻鉺光纖放大器的工作原理(a)硅光纖中鉺離子的能級(jí)圖；(b)EDFA的吸收和增益頻譜7.1.1摻鉺光纖放大器EDFA工作原5

圖7.2摻鉺光纖放大器的特性(a)輸出信號(hào)光功率與泵浦光功率的關(guān)系；(b)小信號(hào)增益與泵浦光功率的關(guān)系

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7.1.2摻鉺光纖放大器的構(gòu)成和特性7.1.2摻鉺光纖放大器的構(gòu)成和特性7

圖7.3光纖放大器構(gòu)成方框圖(a)光纖放大器構(gòu)成原理圖；(b)實(shí)用光纖放大器外形圖及其構(gòu)成方框圖圖7.3光纖放大器構(gòu)成方8

波長(zhǎng)為980nm的泵浦光轉(zhuǎn)換效率更高，達(dá)10dB/mW，而且噪聲較低，是未來(lái)發(fā)展的方向。摻鉺光纖(EDF)和高功率泵浦光源是關(guān)鍵器件，把泵浦光與信號(hào)光耦合在一起的波分復(fù)用器和置于兩端防止光反射的光隔離器也是不可缺少的。對(duì)泵浦光源的基本要求是大功率和長(zhǎng)壽命。波長(zhǎng)為1480μm的InGaAsP多量子阱(MQW)激光器，輸出光功率高達(dá)100mW,泵浦光轉(zhuǎn)換為信號(hào)光效率在6dB/mW以上。波長(zhǎng)為980nm的泵浦光轉(zhuǎn)換效率更高，達(dá)9

圖7.4摻鉺光纖放大器增益、噪聲指數(shù)和輸出光功率與輸入光功率的關(guān)系曲線圖7.4摻鉺光纖放大器增益、噪聲指10

7.1.3摻鉺光纖放大器的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用EDFA有許多優(yōu)點(diǎn)，并已得到廣泛應(yīng)用。EDFA的主要優(yōu)點(diǎn)有：(1)工作波長(zhǎng)正好落在光纖通信最佳波段(1500～1600nm)；其主體是一段光纖(EDF)，與傳輸光纖的耦合損耗很小，可達(dá)0.1dB。

(2)增益高，約為30～40dB;飽和輸出光功率大，約為10～15dBm;增益特性與光偏振狀態(tài)無(wú)關(guān)。

(3)噪聲指數(shù)小，一般為4～7dB;用于多信道傳輸時(shí)，隔離度大，無(wú)串?dāng)_，適用于波分復(fù)用系統(tǒng)。7.1.3摻鉺光纖放大器的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用11

(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。

(4)頻帶寬，在1550nm窗口，頻帶寬度127.2光波分復(fù)用技術(shù)

在光纖通信系統(tǒng)中除了大家熟知的時(shí)分復(fù)用(TDM)技術(shù)外，還出現(xiàn)了其他的復(fù)用技術(shù)，例如光時(shí)分復(fù)用(OTDM)、光波分復(fù)用(WDM)、光頻分復(fù)用(OFDM)以及副載波復(fù)用(SCM)技術(shù)。本節(jié)主要講述WDM技術(shù)。7.2光波分復(fù)用技術(shù)

在光纖通信系統(tǒng)中除了大家熟知的時(shí)分13

7.2.1光波分復(fù)用原理

1.WDM的概念

光波分復(fù)用(WDM：WavelengthDivisionMultiplexing)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)。其基本原理是在發(fā)送端將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)組合起來(lái)(復(fù)用)，并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進(jìn)行傳輸，在接收端又將組合波長(zhǎng)的光信號(hào)分開(kāi)(解復(fù)用)，并作進(jìn)一步處理，恢復(fù)出原信號(hào)后送入不同的終端，因此將此項(xiàng)技術(shù)稱為光波長(zhǎng)分割復(fù)用，簡(jiǎn)稱光波分復(fù)用技術(shù)。7.2.1光波分復(fù)用原理14

圖7.6中心波長(zhǎng)在1.3μm和1.55μm的硅光纖低損耗傳輸窗口(插圖表示1.55μm傳輸窗口的多信道復(fù)用)圖7.6中心波長(zhǎng)在1.315光纖通信新技術(shù)課件1615001700nm

130015001700nm130017光纖通信新技術(shù)課件182.WDM系統(tǒng)的基本形式光波分復(fù)用器和解復(fù)用器是WDM技術(shù)中的關(guān)鍵部件，將不同波長(zhǎng)的信號(hào)結(jié)合在一起經(jīng)一根光纖輸出的器件稱為復(fù)用器(也叫合波器)。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)分別輸出的器件稱為解復(fù)用器(也叫分波器)。從原理上講，這種器件是互易的(雙向可逆)，即只要將解復(fù)用器的輸出端和輸入端反過(guò)來(lái)使用，就是復(fù)用器。因此復(fù)用器和解復(fù)用器是相同的(除非有特殊的要求)。WDM系統(tǒng)的基本構(gòu)成主要有以下兩種形式：

2.WDM系統(tǒng)的基本形式19(1)雙纖單向傳輸。單向WDM傳輸是指所有光通路同時(shí)在一根光纖上沿同一方向傳送。如圖7.7所示，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,…,λn通過(guò)光復(fù)用器組合在一起，并在一根光纖中單向傳輸。由于各信號(hào)是通過(guò)不同光波長(zhǎng)攜帶的，因而彼此之間不會(huì)混淆。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)。反方向通過(guò)另一根光纖傳輸?shù)脑砼c此相同。(1)雙纖單向傳輸。單向WDM傳輸是指所有光通路同時(shí)在一根20(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。如圖7.8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。(2)單纖雙向傳輸。雙向WDM傳輸是指光通路在一根光纖21

雙向WDM系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和應(yīng)用時(shí)必須要考慮幾個(gè)關(guān)鍵的系統(tǒng)因素，如為了抑制多通道干擾(MPI)，必須注意到光反射的影響、雙向通路之間的隔離、串?dāng)_的類型和數(shù)值、兩個(gè)方向傳輸?shù)墓β孰娖街岛拖嗷ラg的依賴性、光監(jiān)控信道(OSC)傳輸和自動(dòng)功率關(guān)斷等問(wèn)題，同時(shí)要使用雙向光纖放大器。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。

雙向WDM系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和應(yīng)用時(shí)必須要考慮幾個(gè)關(guān)22另外，通過(guò)在中間設(shè)置光分插復(fù)用器(OADM)或光交叉連接器(OXC)，可使各波長(zhǎng)光信號(hào)進(jìn)行合流與分流，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的上下路(Add/Drop)和路由分配，這樣就可以根據(jù)光纖通信線路和光網(wǎng)的業(yè)務(wù)量分布情況，合理地安排插入或分出信號(hào)。另外，通過(guò)在中間設(shè)置光分插復(fù)用器(OADM)或光交叉連接器(23

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

α=10lg

其中P0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。3.光波分復(fù)用器的性能參數(shù)α=24

(2)串?dāng)_抑制度。串?dāng)_是指其他信道的信號(hào)耦合進(jìn)某一信道，并使該信道傳輸質(zhì)量下降的影響程度，有時(shí)也可用隔離度來(lái)表示這一程度。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RL=-10(7.3)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。(2)串?dāng)_抑制度。串?dāng)_是指其他信道的信號(hào)耦25

(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R=10(7.4)

(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)。

(6)信道寬度。信道寬度是指各光源之間為避免串?dāng)_應(yīng)具有的波長(zhǎng)間隔。

(7)偏振相關(guān)損耗。偏振相關(guān)損耗(PDL:PolarizationdependentLoss)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。(4)反射系數(shù)。反射系數(shù)是指在WDM器件的給26

7.2.2WDM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)實(shí)際的WDM系統(tǒng)主要由五部分組成：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)，如圖7.9所示

7.2.2WDM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)27圖7.9實(shí)際WDM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)將EDFA用作“線放(LA：LineAmplifier)”#,“功放(BA)”和“前放(PA：Preamplifier)”。圖7.9實(shí)際WDM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)將EDFA用作“線放(28

7.2.3WDM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。

2.同時(shí)傳輸多種不同類型的信號(hào)由于WDM技術(shù)使用的各波長(zhǎng)的信道相互獨(dú)立，因而可以傳輸特性和速率完全不同的信號(hào)，完成各種電信業(yè)務(wù)信號(hào)的綜合傳輸，如PDH信號(hào)和SDH信號(hào)，數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)，多種業(yè)務(wù)(音頻、視頻、數(shù)據(jù)等)的混合傳輸?shù)取?.2.3WDM技術(shù)的主要特點(diǎn)29

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。另外，對(duì)已建成的光纖通信系統(tǒng)擴(kuò)容方便，只要原系統(tǒng)的功率余量較大，就可進(jìn)一步增容而不必對(duì)原系統(tǒng)作大的改動(dòng)。

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。3.節(jié)省線路投資30

5.高度的組網(wǎng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性WDM技術(shù)有很多應(yīng)用形式，如長(zhǎng)途干線網(wǎng)、廣播分配網(wǎng)、多路多址局域網(wǎng)?？梢岳肳DM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)。5.高度的組網(wǎng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性31

7.2.4光濾波器與光波分復(fù)用器

在前面介紹耦合器時(shí)，已經(jīng)簡(jiǎn)單地介紹了波分復(fù)用器(WDM)。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)。光濾波器在WDM系統(tǒng)中是一種重要元器件，與波分復(fù)用有著密切關(guān)系，常常用來(lái)構(gòu)成各種各樣的波分復(fù)用器和解復(fù)用器。

圖7.10光濾波器的三種應(yīng)用(a)單純的濾波應(yīng)用；(b)波分復(fù)用器中應(yīng)用；(c)波長(zhǎng)路由器中應(yīng)用7.2.4光濾波器與光波分復(fù)用器32如果一個(gè)波長(zhǎng)路由器的路由方式不隨時(shí)間變化，就稱為靜態(tài)路由器；路由方式隨時(shí)間變化，則稱之為動(dòng)態(tài)路由器。靜態(tài)路由器可以用波分復(fù)用器來(lái)構(gòu)成，如圖7.11所示。

波長(zhǎng)分插復(fù)用器可以看成是波長(zhǎng)路由器的簡(jiǎn)化形式，它只有一個(gè)輸入端口和一個(gè)輸出端口，再加上一個(gè)用于分插波長(zhǎng)的本地端口。如果一個(gè)波長(zhǎng)路由器的路由方式不隨時(shí)間變化，就稱為靜態(tài)路由33圖7.11由波分復(fù)用器構(gòu)成靜態(tài)路由器圖7.11由波分復(fù)用器構(gòu)成靜態(tài)路由器34

下面將介紹一些波長(zhǎng)選擇技術(shù)及其在WDM系統(tǒng)中的應(yīng)用。1.光柵光柵(Grating)廣泛地用來(lái)將光分離為不同波長(zhǎng)的單色光。在WDM系統(tǒng)中，光柵主要用在解復(fù)用器中，以分離出各個(gè)波長(zhǎng)。圖7.13是光柵的兩個(gè)例子，圖7.13(a)是透射光柵，圖7.13(b)是反射光柵。我們以透射光柵為例來(lái)說(shuō)明光柵的基本原理。如圖7.14所示，設(shè)兩個(gè)相鄰縫隙間的距離即柵距為a,光源離光柵平面足夠遠(yuǎn)(相對(duì)于a而言)，入射角為θi，衍射角為θd，通過(guò)兩相鄰縫隙對(duì)應(yīng)光線的光程差由()決定，而下面將介紹一些波長(zhǎng)選擇技術(shù)及其在WDM系35

圖7.13光柵(a)透射光柵；(b)反射光柵圖7.13光柵367.14透射光柵的工作原理7.14透射光柵的工作原理37光柵方程為a(sinθi-sinθd)=mλ其中m為整數(shù)，當(dāng)a和θi一定時(shí)，不同的θd對(duì)應(yīng)不同的波長(zhǎng)λ，也就是說(shuō)，像面上的不同點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同的波長(zhǎng)，于是可用作WDM中的解復(fù)用器。

2.布喇格光柵布喇格光柵(BraggGrating)廣泛用于光纖通信之中。一般情況下，傳輸媒質(zhì)的周期性微擾可以看作是布喇格光柵；這種微擾通常引起媒質(zhì)折射率周期性的變化。光柵方程為其中m為整數(shù)，當(dāng)a和θi一定時(shí)，不38

半導(dǎo)體激光器使用布喇格光波導(dǎo)作分布反饋可以獲得單頻輸出(如DFB激光器)；在光纖中，寫入布喇格光柵后可以用于光濾波器、光分插復(fù)用器和色散補(bǔ)償器。設(shè)兩列波沿著同一方向傳播，其傳播常數(shù)分別為β0和β1，如果滿足布喇格相位匹配條件：

其中Λ為光柵周期，則一個(gè)波的能量可以耦合到另一個(gè)波中去。在反射型濾波器中，我們假設(shè)傳播常數(shù)為β0的光波從左向右傳播，如果滿足條件：半導(dǎo)體激光器使用布喇格光波導(dǎo)作分布反饋可以獲39

則這個(gè)光波的能量可以耦合到沿它的反方向傳播的具有相同波長(zhǎng)的反射光中去。設(shè)β0=2πneff/λ0，其中λ0為輸入光的波長(zhǎng)，neff為波導(dǎo)或光纖的有效折射率。也就是說(shuō)，如果λ0=2neffΛ，光波將發(fā)生反射，這個(gè)波長(zhǎng)λ0就稱作布喇格波長(zhǎng)。隨著入射光波的波長(zhǎng)偏離布喇格波長(zhǎng)，其反射率就會(huì)降低，如圖7.15(a)所示。如果具有幾個(gè)波長(zhǎng)的光同時(shí)傳輸?shù)焦饫w布喇格光柵上，則只有波長(zhǎng)等于布喇格波長(zhǎng)的光才反射，而其它的光全部透射。

則這個(gè)光波的能量可以耦合到沿它的反方向傳播的40圖7.15(a)中的功率反射譜是針對(duì)折射率均勻周期性變化的光柵而言的，為了消除不需要的旁瓣，新研制成功了一種稱為變跡光柵(ApodizedGrating)的光柵，它與漸變折射率光纖有點(diǎn)類似，其折射率沿光柵纖芯到邊沿逐漸減小，變跡光柵的功率反射譜如圖7.15(b)所示。注意變跡光柵旁瓣的減少是以主瓣加寬為代價(jià)的。

圖7.15(a)中的功率反射譜是針對(duì)折射率均勻周期性變化的光41

圖7.15布喇格光柵的反射譜(a)均勻折射率情形；(b)變跡折射率情形圖7.15布喇格光柵的42

3.光纖光柵光纖光柵(FiberGrating)是一種非常有吸引力的全光纖器件，其用途非常廣泛，可用作光濾波器、光分插復(fù)用器和色散補(bǔ)償器。對(duì)于全光纖器件，其主要優(yōu)點(diǎn)有：插入損耗低，易于與光纖耦合，對(duì)偏振不敏感，溫度系數(shù)低，封裝簡(jiǎn)單，成本也較低。3.光纖光柵43λ1λ2…λn芯層包層Λ包層折射率n2芯層折射率n1感光折射率nλ1λ2…λnλ1λ2…λn芯層包層Λ包層折射率n2芯層折射率n144芯層包層+1級(jí)-1級(jí)紫外掩模寫入法相位掩模板芯層包層+1級(jí)-1級(jí)紫外掩模寫入法相位掩模板45光纖布喇格光柵(FBG：FiberBraggGrating)是一種反射型光纖光柵，光柵使正向傳輸模(單模光纖中即為基模)同反向傳輸模之間發(fā)生耦合，光柵的波矢應(yīng)等于傳輸模波矢的2倍，也就是說(shuō)，光柵的周期應(yīng)等于傳輸光波在光纖內(nèi)部的波長(zhǎng)的一半，這種光纖光柵只對(duì)在布喇格波長(zhǎng)及其附近很窄的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光發(fā)生反射，而不影響其它波長(zhǎng)的光通過(guò)。光纖布喇格光柵(FBG：FiberBraggGrati46

圖7.16基于光纖光柵結(jié)構(gòu)的光分插復(fù)用器(a)簡(jiǎn)單光分；(b)光分插圖7.16基于光纖光柵結(jié)構(gòu)的光分插復(fù)用器47

4.法布里-珀羅濾波器

法布里-珀羅(FP:FabryPerot)濾波器是由兩塊平行放置的高反射率的鏡面形成的腔構(gòu)成的，如圖7.18所示。這種濾波器也叫FP干涉儀，輸入光垂直到達(dá)第一個(gè)鏡面，從第二個(gè)鏡面出來(lái)的光就是輸出。這個(gè)器件傳統(tǒng)上用作干涉儀，現(xiàn)在也用在WDM系統(tǒng)中作濾波器。

F-Ｐ濾波器的功率傳遞函數(shù)TFP(f)與光的頻率f有關(guān)：TFP(f)=4.法布里-珀羅濾波器

48

圖7.18FP濾波器圖7.18FP濾波器49若用自由空間波長(zhǎng)λ表示，則TFP(λ)=這里A表示每個(gè)鏡面的吸收損耗，R為每個(gè)鏡面的反射率(假設(shè)兩個(gè)鏡相同)，光在腔內(nèi)單程傳播的時(shí)延為τ，腔內(nèi)介質(zhì)的折射率為n，腔長(zhǎng)為l,因此τ=nl/c，c為真空中光速。A=0及R=0.75、0.9和0.99時(shí)FP濾波器的功率傳遞函數(shù)如圖7.19所示。反射率R越大，相鄰信道的隔離就越好。若用自由空間波長(zhǎng)λ表示，則這里A表示每個(gè)鏡面50圖7.19FP濾波器的功率傳遞函數(shù)圖7.19FP濾波器的功率傳遞函數(shù)51功率傳遞函數(shù)TFP(f)是頻率f的周期函數(shù)，當(dāng)f滿足fτ=k/2，k為正整數(shù)時(shí)，傳遞函數(shù)TFP(f)的值處在波峰(通帶)上。FP濾波器的兩個(gè)緊鄰的通帶之間的光譜范圍稱作自由光譜范圍(FSR：FreeSpectralRange)，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:Finesse),則F-P濾波器選擇不同的波長(zhǎng)時(shí)一般有兩種方法：一種是改變腔的長(zhǎng)度；另一種是改變腔內(nèi)介質(zhì)的折射率。改變腔長(zhǎng)有機(jī)械移鏡和用壓電材料(PZT)兩種辦法。功率傳遞函數(shù)TFP(f)是頻率f的周期函數(shù)，當(dāng)52

5.多層介質(zhì)薄膜濾波器薄膜諧振腔濾波器(ThinFilmResonantCavityFilter)也是一個(gè)F-P干涉儀，只不過(guò)其反射鏡是采用多層介質(zhì)薄膜而已，常稱為多層介質(zhì)薄膜濾波器(MultilayerDielectricThinFilmFilter)。這種濾波器用作帶通濾波器，只允許特定波長(zhǎng)的光通過(guò)而讓其它所有波長(zhǎng)的光反射，腔的長(zhǎng)度決定要通過(guò)的波長(zhǎng)。薄膜諧振多腔濾波器(ThinFilmResonantMulticavityFilter)的結(jié)構(gòu)如圖7.20所示，由反射介質(zhì)薄膜隔開(kāi)的兩個(gè)或多個(gè)腔構(gòu)成。改成多腔后與單腔相比，通帶頂部更加平坦，邊緣更為尖銳，如圖7.21所示。這種濾波器多個(gè)級(jí)聯(lián)后，就可以做成波分復(fù)用器，如圖7.22所示。由于這種濾波器通帶頂部平坦，邊緣尖銳，溫度變化時(shí)性能穩(wěn)定，插入損耗低，對(duì)光的偏振不敏感，所以在系統(tǒng)應(yīng)用中是非常有吸引力的，如今已經(jīng)廣泛用在商業(yè)系統(tǒng)中。5.多層介質(zhì)薄膜濾波器53圖7.20三腔介質(zhì)薄膜諧振腔濾波器圖7.20三腔介質(zhì)薄膜諧振腔濾波器54圖7.21單腔、雙腔、三腔介質(zhì)薄膜濾波器的傳輸譜圖7.21單腔、雙腔、三腔介質(zhì)薄膜濾波器的傳輸譜55圖7.22基于多層介質(zhì)薄膜濾波器的波分復(fù)用/解復(fù)用器圖7.22基于多層介質(zhì)薄膜濾波器的波分復(fù)用/解復(fù)用器56

6.馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(MZI:MachZehnderInterferometer)使用兩條不同長(zhǎng)度的干涉路徑來(lái)決定不同的波長(zhǎng)輸出。MZI通常以集成光波導(dǎo)的形式出現(xiàn)，即用兩個(gè)3dB定向耦合器來(lái)連接兩條不同長(zhǎng)度的光通路，如圖7.23(a)所示，襯底通常采用硅(Si)，波導(dǎo)區(qū)采用二氧化硅(SiO2)。一個(gè)MZI可用圖7.23(b)表示。MZI可用來(lái)作濾波器和波分復(fù)用器。雖然多層介質(zhì)薄膜濾波器在窄帶濾波方面性能較好，但在寬帶濾波方面MZI非常有用，例如用來(lái)分開(kāi)1.31μm和1.55μm兩個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào)。當(dāng)然，通過(guò)級(jí)聯(lián)幾個(gè)MZI也可以做成窄帶濾波器，如圖7.23(c)所示，但是這將導(dǎo)致?lián)p耗大大增加。6.馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x57圖7.23馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(MZI)(a)結(jié)構(gòu)圖；(b)方框圖；(c)四級(jí)MZI圖7.23馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(MZI)(a)結(jié)構(gòu)58MZI可用來(lái)作濾波器和波分復(fù)用器。雖然多層介質(zhì)薄膜濾波器在窄帶濾波方面性能較好，但在寬帶濾波方面MZI非常有用，例如用來(lái)分開(kāi)1.31μm和1.55μm兩個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào)。當(dāng)然，通過(guò)級(jí)聯(lián)幾個(gè)MZI也可以做成窄帶濾波器，如圖7.23(c)所示，但是這將導(dǎo)致?lián)p耗大大增加。從原理上講，級(jí)聯(lián)幾個(gè)MZI后性能較好，但是在實(shí)際工作中存在波長(zhǎng)隨溫度和時(shí)間的變化而漂移的現(xiàn)象，串?dāng)_性能遠(yuǎn)不如理想情況，級(jí)聯(lián)后的窄帶MZI的通帶不平坦，相反地，多層介質(zhì)多腔薄膜濾波器的通帶和阻帶都比較平坦?，F(xiàn)在簡(jiǎn)單分析MZI的工作原理?？紤]MZI作為一個(gè)解復(fù)用器的情況。這時(shí)只有一個(gè)輸入，假設(shè)從輸入端口1輸入，經(jīng)過(guò)第一個(gè)定向耦合器后，功率平均分配到兩臂上，但是在兩臂上的信號(hào)有了π/2的相差，下臂上的信號(hào)比上臂滯后π/2。MZI可用來(lái)作濾波器和波分復(fù)用器。雖然多層介59如果下臂與上臂的長(zhǎng)度差為ΔL，則下臂信號(hào)的相位進(jìn)一步滯后βΔL,β為光在MZI介質(zhì)中的傳輸常數(shù)。在第二個(gè)定向耦合器的輸出1處，來(lái)自下臂的信號(hào)又比來(lái)自上臂的信號(hào)延遲了π/2，因此，在輸出1處，兩信號(hào)總的相位差為+βΔL+。同理，在輸出2處，兩信號(hào)總的相位差為+βΔL-=βΔL。在輸入1的所有波長(zhǎng)中，滿足βΔL=kπ(k為奇數(shù))條件的波長(zhǎng)，由輸出1輸出；滿足βΔL=kπ(k為偶數(shù))條件的波長(zhǎng)由輸出2輸出。而β=,n為介質(zhì)折射率，λ為光波長(zhǎng)，通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)就可以實(shí)現(xiàn)波的解復(fù)用。如果兩臂長(zhǎng)度差為ΔL，只是輸入1輸入，則單個(gè)MZI的功率傳遞函數(shù)為如果下臂與上臂的長(zhǎng)度差為ΔL，則下臂信號(hào)的60T11(f)T12(f)=其中f為光頻率。如果將MZI級(jí)聯(lián)就構(gòu)成多級(jí)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(MultistageMachZehnderInterferometer)。圖7.23(c)示出4級(jí)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x，其中每個(gè)MZI以及級(jí)聯(lián)后整個(gè)4級(jí)MZI的傳遞函數(shù)曲線如圖7.24所示。T11(f)=其中f為光頻率。61

(前4個(gè)為每單個(gè)MZI的傳遞函數(shù)，最后一個(gè)為級(jí)聯(lián)后4級(jí)MZI的傳遞函數(shù))圖7.24MZI的傳遞函數(shù)(前4個(gè)為每單個(gè)MZI的傳遞函數(shù)，最后一個(gè)為級(jí)聯(lián)62前面討論了MZI用作1×2解復(fù)用器情況，由于MZI是一種互易器件，因此也可用作2×1復(fù)用器。

7.陣列波導(dǎo)光柵陣列波導(dǎo)光柵(AWG:ArrayedWaveguideGrating)是MZI的推廣和一般形式。如圖7.25所示，它由兩個(gè)多端口耦合器和連接它們的陣列波導(dǎo)構(gòu)成。AWG可用作n×1波分復(fù)用器和1×n波分解復(fù)用器。與多級(jí)MZI相比，AWG損耗低，通帶平坦，容易集成在一塊襯底上。AWG也可用作靜態(tài)波長(zhǎng)路由器，如圖7.26所示。前面討論了MZI用作1×2解復(fù)用器情況，由于M63圖7.25陣列波導(dǎo)光柵(AWG)圖7.25陣列波導(dǎo)光柵(AWG)64圖7.26基于AWG的靜態(tài)波長(zhǎng)路由器圖7.26基于AWG的靜態(tài)波長(zhǎng)路由器65下面我們簡(jiǎn)單地分析一下AWG的工作原理。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，輸入和輸出耦合器之間由m個(gè)波導(dǎo)連接，每相鄰波導(dǎo)的長(zhǎng)度差均為ΔL。MZI是AWG在n=m=2情形下的特例。輸入耦合器將某個(gè)輸入端口的輸入信號(hào)分成m部分，它們之間的相對(duì)相位由從輸入波導(dǎo)到陣列波導(dǎo)在輸入耦合器中傳輸?shù)木嚯x來(lái)決定，輸入波導(dǎo)i和陣列波導(dǎo)k之間的距離用dinik表示，陣列波導(dǎo)k的長(zhǎng)度比陣列波導(dǎo)(k-1)的長(zhǎng)度長(zhǎng)ΔL，同樣，陣列波導(dǎo)k和輸出波導(dǎo)j之間的距離用doutkj表示。因此，光信號(hào)從輸入波導(dǎo)i到輸出波導(dǎo)j，經(jīng)歷了i與j之間m條不同通路后的相對(duì)相位為下面我們簡(jiǎn)單地分析一下AWG的工作原理。設(shè)AW66其中n1為輸入和輸出耦合器的折射率，n2為陣列波導(dǎo)的折射率，λ為光信號(hào)的波長(zhǎng)。在輸入波導(dǎo)i的光信號(hào)的波長(zhǎng)中，滿足Φijk為2π的整數(shù)倍的波長(zhǎng)將在輸出波導(dǎo)j輸出。于是，通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)，可以做成1×n波分解復(fù)用器和n×1波分復(fù)用器。如果設(shè)計(jì)輸入耦合器和輸出耦合滿足dinik=dini+kδini和doutkj=doutj+kδoutj在輸入波導(dǎo)i輸入的那些波長(zhǎng)中若滿足:n1δini+n2ΔL+n1δoutj=pλ，p為整數(shù)，則波長(zhǎng)為λ的光將在輸出波導(dǎo)j輸出。其中n1為輸入和輸出耦合器的折射率，n2為陣67

8.聲光可調(diào)諧濾波器聲光可調(diào)諧濾波器(AOTF:AcoustoOpticTunableFilter)是一種多用途器件，是目前已知的惟一能夠同時(shí)選擇多個(gè)波長(zhǎng)的可調(diào)諧濾波器，并且可用來(lái)構(gòu)造波長(zhǎng)路由器。AOTF的基本原理是聲與光的相互作用，圖7.27是AOTF的集成光波導(dǎo)形式。一個(gè)簡(jiǎn)化的AOTF如圖7.28所示，波導(dǎo)材料是一種雙折射物質(zhì)，僅能支持最低階TE模和TM模。假設(shè)輸入光完全是TE模，一個(gè)只能選擇TM模的偏振器放在波導(dǎo)的輸出端。如果在被選擇的波長(zhǎng)附近的一個(gè)窄譜范圍內(nèi)的光能量轉(zhuǎn)換為TM模式，而其余光能量仍保持TE模式，這樣就可以制成一個(gè)波長(zhǎng)選擇性濾波器。8.聲光可調(diào)諧濾波器68圖7.27集成光波導(dǎo)AOTF圖7.27集成光波導(dǎo)AOTF69圖7.28簡(jiǎn)化的AOTF圖7.28簡(jiǎn)化的AOTF70一個(gè)簡(jiǎn)化的AOTF如圖7.28所示，波導(dǎo)材料是一種雙折射物質(zhì)，僅能支持最低階TE模和TM模。假設(shè)輸入光完全是TE模，一個(gè)只能選擇TM模的偏振器放在波導(dǎo)的輸出端。如果在被選擇的波長(zhǎng)附近的一個(gè)窄譜范圍內(nèi)的光能量轉(zhuǎn)換為TM模式，而其余光能量仍保持TE模式，這樣就可以制成一個(gè)波長(zhǎng)選擇性濾波器。這種濾波器的實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)沿著光波的傳播方向或逆著光波的傳播方向發(fā)射一列聲波來(lái)完成。聲波傳播引起媒質(zhì)的密度周期性變化，其變化周期等于聲波波長(zhǎng)，這相當(dāng)于形成了一個(gè)布喇格光柵。設(shè)TE和TM模的折射率分別為nTE和nTM，當(dāng)滿足布喇格條件一個(gè)簡(jiǎn)化的AOTF如圖7.28所示，波導(dǎo)材料是71時(shí)，光波從一種模式耦合到另一種模式，其中Λ為聲波波長(zhǎng)，λ為光波長(zhǎng)。滿足布喇格條件在波長(zhǎng)λ附近的窄譜范圍內(nèi)的光將從TE模轉(zhuǎn)換為TM模，如果這種器件的輸入光只是TE模，輸出只選擇TM模，那么就可以作為一個(gè)窄帶濾波器使用。如果記nTE-nTM=Δn，則布喇格條件可寫為λ=Λ·Δn(7.17)時(shí)，光波從一種模式耦合到另一種模式，其中Λ為聲波波長(zhǎng)，λ為光72在LiNbO3晶體中，Δn=0.07。若適當(dāng)選擇聲波波長(zhǎng)Λ，則經(jīng)過(guò)模式轉(zhuǎn)換又位于AOTF通帶內(nèi)的波長(zhǎng)能夠被選擇。例如，為了選擇1.55μm波長(zhǎng)，若Δn=0.07，則聲波波長(zhǎng)大約為22μm，在LiNbO3晶體中聲速大約為3.75km/s，對(duì)應(yīng)的聲波頻率為3.75km/s÷22μm≈170MHz。由于產(chǎn)生該聲波的射頻頻率容易調(diào)諧，所以這種濾波器也很容易調(diào)諧。圖7.28的AOTF與偏振有關(guān)，因?yàn)檫@里假設(shè)輸入光完全是TE模。圖7.27是一種與偏振無(wú)關(guān)的AOTF，其實(shí)現(xiàn)方式和與偏振無(wú)關(guān)的隔離器相類似，將輸入光信號(hào)分解為TE和TM兩個(gè)分量，分別通過(guò)AOTF后再在輸出端組合在一起。在LiNbO3晶體中，Δn=0.07。若適73布喇格條件決定要選擇的波長(zhǎng)，而這種濾波器的通帶寬度則由聲光相互作用的長(zhǎng)度決定，聲光相互作用的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，通帶就越窄。AOTF的功率傳遞函T(λ)=(7.18)其中Δλ=λ-λ0,λ0為滿足布喇格條件的光波波長(zhǎng)，ε=λ20/(l·Δn)為濾波器通帶寬度的一種量度，l為器件長(zhǎng)度(準(zhǔn)確說(shuō)是聲光相互作用的長(zhǎng)度)，濾波器的半高寬FWHM=0.8ε，如圖7.29所示。這說(shuō)明器件越長(zhǎng)(聲光相互作用長(zhǎng)度越長(zhǎng))，濾波器的通帶就越窄；然而調(diào)諧速度與器件長(zhǎng)度成反比，因?yàn)檎{(diào)諧速度主要由聲波通過(guò)器件的時(shí)間決定。布喇格條件決定要選擇的波長(zhǎng)，而這種濾波器的通74圖7.29AOTF的功率傳遞函數(shù)圖7.29AOTF的功率傳遞函數(shù)75與偏振無(wú)關(guān)的AOTF可用作2×2波長(zhǎng)路由器，滿足布喇格條件的波長(zhǎng)被交換，如圖7.30(a)所示，這里波長(zhǎng)λ1滿足布喇格條件。如果同時(shí)發(fā)射幾個(gè)聲波，就有幾個(gè)光波長(zhǎng)同時(shí)滿足布喇格條件，那么在單個(gè)器件上就可同時(shí)完成幾個(gè)波長(zhǎng)的交換，如圖7.30(b)所示，這里交換的波長(zhǎng)是λ1和λ4。前面所指的都是靜態(tài)波長(zhǎng)路由器，也可以通過(guò)改變聲波的頻率作為動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)路由器，適當(dāng)?shù)丶?jí)聯(lián)2×2路由器可以構(gòu)成多輸入多輸出路由器。如今，AOTF還沒(méi)有完全實(shí)用化的原因主要有兩個(gè)：一是存在較大串?dāng)_，二是通帶相對(duì)較寬。與偏振無(wú)關(guān)的AOTF可用作2×2波長(zhǎng)路由器，滿76

圖7.30基于AOTF的波長(zhǎng)路由器(a)交換波長(zhǎng)λ1;(b)同時(shí)交換波長(zhǎng)λ1和λ4

圖7.30基于AOTF的波777.3光交換技術(shù)

目前的商用光纖通信系統(tǒng)，單信道傳輸速率已超過(guò)10Gb/s，實(shí)驗(yàn)WDM系統(tǒng)的傳輸速率已超過(guò)3.28Tb/s。但是，由于大量新業(yè)務(wù)的出現(xiàn)和國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，今后通信網(wǎng)絡(luò)還可能變得擁擠。原因是在現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)中，高速光纖通信系統(tǒng)僅僅充當(dāng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸手段，網(wǎng)絡(luò)中重要的交換功能還是采用電子交換技術(shù)。傳統(tǒng)電子交換機(jī)的端口速率只有幾Mb/s到幾百M(fèi)b/s，不僅限制了光纖通信網(wǎng)絡(luò)速率的提高，而且要求在眾多的接口進(jìn)行頻繁的復(fù)用/解復(fù)用，光/電和電/光轉(zhuǎn)換，因而增加了設(shè)備復(fù)雜性和成本，降低了系統(tǒng)的可靠性。7.3光交換技術(shù)

目前的商用光纖通信78雖然采用異步轉(zhuǎn)移模式(ATM)可提供155Mb/s或更高的速率，能緩解這種矛盾，但電子線路的極限速率約為20Gb/s。要徹底解決高速光纖通信網(wǎng)存在的矛盾，只有實(shí)現(xiàn)全光通信，而光交換是全光通信的關(guān)鍵技術(shù)。光交換主要有三種方式：空分光交換、時(shí)分光交換和波分光交換。雖然采用異步轉(zhuǎn)移模式(ATM)可提供15579

7.3.1空分光交換空分光交換的功能是使光信號(hào)的傳輸通路在空間上發(fā)生改變。空分光交換的核心器件是光開(kāi)關(guān)。光開(kāi)關(guān)有電光型、聲光型和磁光型等多種類型，其中電光型光開(kāi)關(guān)具有開(kāi)關(guān)速度快、串?dāng)_小和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，有很好的應(yīng)用前景。典型光開(kāi)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)成的，并通過(guò)對(duì)電壓的控制改變輸出通路。圖7.31(a)是由4個(gè)1×2光開(kāi)關(guān)器件組成的2×2光交換模塊。1×2光開(kāi)關(guān)器件就是Ti:LiNbO3定向耦合器型光開(kāi)關(guān)，只是少用了一個(gè)輸入端而已。7.3.1空分光交換80這種2×2光交換模塊是最基本的光交換單元，它有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，通過(guò)電壓控制，可以實(shí)現(xiàn)平行連接和交叉連接，如圖7.31(b)所示。圖7.31(c)是由16個(gè)1×2光開(kāi)關(guān)器件或4個(gè)2×2光交換單元組成的4×4光交換單元。這種2×2光交換模塊是最基本的光交換單元，它81

圖7.31空分光交換(a)2×2光交換單元；(b)平行連接和交叉連接；(c)4×4光交換單元圖7.382

7.3.2時(shí)分光交換時(shí)分光交換是以時(shí)分復(fù)用為基礎(chǔ)，用時(shí)隙互換原理實(shí)現(xiàn)交換功能的。時(shí)分復(fù)用是把時(shí)間劃分成幀，每幀劃分成N個(gè)時(shí)隙，并分配給N路信號(hào)，再把N路信號(hào)復(fù)接到一條光纖上。在接收端用分接器恢復(fù)各路原始信號(hào)，如圖7.32(a)所示。

所謂時(shí)隙互換，就是把時(shí)分復(fù)用幀中各個(gè)時(shí)隙的信號(hào)互換位置。如圖7.32(b)，首先使時(shí)分復(fù)用信號(hào)經(jīng)過(guò)分接器，在同一時(shí)間內(nèi)，分接器每條出線上依次傳輸某一個(gè)時(shí)隙的信號(hào)；然后使這些信號(hào)分別經(jīng)過(guò)不同的光延遲器件，獲得不同的延遲時(shí)間；最后用復(fù)接器把這些信號(hào)重新組合起來(lái)。圖7.32(c)示出時(shí)分光交換的空分等效。7.3.2時(shí)分光交換83

圖7.32時(shí)分光交換(a)時(shí)分復(fù)用原理；(b)時(shí)隙互換原理；(c)等效的空分交換圖7.32時(shí)84

7.3.3波分光交換波分光交換(或交叉連接)是以波分復(fù)用原理為基礎(chǔ)，采用波長(zhǎng)選擇或波長(zhǎng)變換的方法實(shí)現(xiàn)交換功能的。圖7.33(a)和(b)分別示出波長(zhǎng)選擇法交換和波長(zhǎng)變換法交換的原理框圖。設(shè)波分交換機(jī)的輸入和輸出都與N條光纖相連接，這N條光纖可能組成一根光纜。每條光纖承載W個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào)。從每條光纖輸入的光信號(hào)首先通過(guò)分波器(解復(fù)用器)WDMX分為W個(gè)波長(zhǎng)不同的信號(hào)。所有N路輸入的波長(zhǎng)為λi(i=1,2,…,W)的信號(hào)都送到λi空分交換器，在那里進(jìn)行同一波長(zhǎng)N路(空分)信號(hào)的交叉連接，到底如何交叉連接，將由控制器決定。7.3.3波分光交換85

圖7.33波分交換的原理框圖(a)波長(zhǎng)選擇法交換；(b)波長(zhǎng)變換法交換圖7.33波分交換的原理框圖86然后，以W個(gè)空分交換器輸出的不同波長(zhǎng)的信號(hào)再通過(guò)合波器(復(fù)用器)WMUX復(fù)接到輸出光纖上。這種交換機(jī)當(dāng)前已經(jīng)成熟，可應(yīng)用于采用波長(zhǎng)選路的全光網(wǎng)絡(luò)中。但由于每個(gè)空分交換器可能提供的連接數(shù)為N×N,故整個(gè)交換機(jī)可能提供的連接數(shù)為N2W，比下面介紹的波長(zhǎng)變換法少。波長(zhǎng)變換法與波長(zhǎng)選擇法的主要區(qū)別是用同一個(gè)NW×NW空分交換器處理NW路信號(hào)的交叉連接，在空分交換器的輸出必須加上波長(zhǎng)變換器，然后進(jìn)行波分復(fù)接。這樣，可能提供的連接數(shù)為N2W2，即內(nèi)部阻塞概率較小。波長(zhǎng)變換器將在7.7節(jié)介紹。然后，以W個(gè)空分交換器輸出的不同波長(zhǎng)的信號(hào)再877.4光孤子通信光孤子(Soliton)是經(jīng)光纖長(zhǎng)距離傳輸后，其幅度和寬度都不變的超短光脈沖(ps數(shù)量級(jí))。光孤子的形成是光纖的群速度色散和非線性效應(yīng)相互平衡的結(jié)果。利用光孤子作為載體的通信方式稱為光孤子通信。光孤子通信的傳輸距離可達(dá)上萬(wàn)公里，甚至幾萬(wàn)公里，目前還處于試驗(yàn)階段。我們知道，光纖通信的傳輸距離和傳輸速率受到光纖損耗和色散的限制。光纖放大器投入應(yīng)用后，克服了損耗的限制，增加了傳輸距離。此時(shí)，光纖傳輸系統(tǒng)，尤其是傳輸速率在Gb/s以上的系統(tǒng)，光纖色散引起的脈沖展寬，對(duì)傳輸速率的限制，成為提高系統(tǒng)性能的主要障礙。7.4光孤子通信光孤子(Solito88為了增加傳輸距離，在光纖線路上，每隔一定的距離，可設(shè)置一個(gè)光纖放大器，以周期地補(bǔ)充光功率的損耗。但是多個(gè)光纖放大器產(chǎn)生的噪聲累積又妨礙了傳輸距離的增加，因而要求提高傳輸信號(hào)的光功率，這樣便產(chǎn)生非線性效應(yīng)。非線性效應(yīng)對(duì)光纖通信有害也有利，事實(shí)表明，克服其害還不如利用其利。光纖非線性效應(yīng)和色散單獨(dú)起作用時(shí)，在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)都要產(chǎn)生脈沖展寬，對(duì)傳輸速率的提高是有害的。但是如果適當(dāng)選擇相關(guān)參數(shù)，使兩種效應(yīng)相互平衡，就可以保持脈沖寬度不變，因而形成光孤子。為了增加傳輸距離，在光纖線路上，每隔一定的距89

7.4.1光孤子的形成在討論光纖傳輸理論時(shí)，假設(shè)了光纖折射率n和入射光強(qiáng)(光功率)無(wú)關(guān)，始終保持不變。這種假設(shè)在低功率條件下是正確的，獲得了與實(shí)驗(yàn)良好一致的結(jié)果。然而，在高功率條件下，折射率n隨光強(qiáng)而變化，這種特性稱為非線性效應(yīng)。在強(qiáng)光作用下，光纖折射率n可以表示為n=n0+|E|2(7.19)式中，E為電場(chǎng)，n0為E=0時(shí)的光纖折射率，約為1.45。這種光纖折射率n隨光強(qiáng)|E|2而變化特性，稱為克爾(Kerr)效應(yīng)，7.4.1光孤子的形成90=10-22(m/V)2，稱為克爾系數(shù)。雖然光纖中電場(chǎng)較大，為106(V/m)，但總的折射率變化Δn=n-n0=|E|2還是很小(10-10)。即使如此，這種變化對(duì)光纖傳輸特性的影響還是很大的。設(shè)波長(zhǎng)為λ、光強(qiáng)為|E|2的光脈沖在長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖中傳輸，則光強(qiáng)感應(yīng)的折射率變化Δn(t)=E(t)|2，由此引起的相位變化為Δφ(t)=(7.20)這種使脈沖不同部位產(chǎn)生不同相移的特性，稱為自相位調(diào)制(SPM)。=10-22(m/V)91如圖7.34所示，在脈沖上升部分，|E|2增加，>0，得到Δω<0，頻率下移；在脈沖頂部，|E|2不變，=0，得到Δω=0，頻率不變；在脈沖下降部分，|E|2減小，Δnt<0，得到Δω>0，頻率上移。頻移使脈沖頻率改變分布，其前部(頭)頻率降低，后部(尾)頻率升高。這種情況稱脈沖已被線性調(diào)頻，或稱啁啾(Chirp)。設(shè)光纖無(wú)損耗，在光纖中傳輸?shù)囊颜{(diào)波為線性偏振模式，其場(chǎng)可以表示為E(r,z,t)=R(r)U(z,t)exp［-i(ω0t-β0z)］式中，R(r)為徑向本征函數(shù)，U(z,t)為脈沖的調(diào)制包絡(luò)函數(shù)，ω0為光載波頻率，β0為調(diào)制頻率ω=ω0時(shí)的傳輸常數(shù)。如圖7.34所示，在脈沖上升部分，|E|92圖7.34脈沖的光強(qiáng)頻率調(diào)制圖7.34脈沖的光強(qiáng)頻率調(diào)制93式中，P為光功率，Aeff為光纖有效截面積。由此可見(jiàn)，β不僅是折射率的函數(shù)，而且是光功率的函數(shù)。在β0和P=0附近，把β展開(kāi)成級(jí)數(shù)，得到β(ω,P)=β0+β′0(ω-ω0)+″0(ω-ω0)2+β2P(7.24)式中,β′0=，Vg為群速度，即脈沖包絡(luò)線的運(yùn)動(dòng)速度。β″0=２βω2ω=ω0，比例于一階色散，描述群速度與頻率的關(guān)系。β2=。令β2P=稱為非線性長(zhǎng)度，表示非線性效應(yīng)對(duì)光脈沖傳輸特性的影響。式中，P為光功率，Aeff為光纖有效截面積。94式(7.24)雖然略去高次項(xiàng)，但仍較完整地描述了光脈沖在光纖中傳輸?shù)奶匦?，式中右邊第三?xiàng)和第四項(xiàng)最為重要，這兩項(xiàng)正好體現(xiàn)了光纖色散和非線性效應(yīng)的影響。如果β″0<0，同時(shí)β2P>0，適當(dāng)選擇相關(guān)參數(shù)，使兩項(xiàng)絕對(duì)值相等，光纖色散和非線性效應(yīng)便相互抵消，因而輸入脈沖寬度保持不變，形成穩(wěn)定的光孤子?，F(xiàn)在我們回顧一下光纖色散。波長(zhǎng)為λ的光纖色散系數(shù)C(λ)的定義為式(7.24)雖然略去高次項(xiàng)，但仍較完整地描95式中,τ=dβ／dω=1/Vg為群延時(shí)，Vg為群速度；ω=2πf=2πc/λ為光載波頻率，c為光速；β″0=d2β/dω2,比例于一階色散。式(7.25)描述的單模光纖色散特性如圖7.35所示，圖中λD為零色散波長(zhǎng)。在λ<λD時(shí)，C(λ)<0,β″0>0，稱為光纖正常色散區(qū)；在λ>λD時(shí)，C(λ)>0,β″0<0，稱為光纖反常色散區(qū)。圖7.36示出光脈沖在反常色散光纖中傳輸時(shí)，由于非線性效應(yīng)產(chǎn)生的啁啾被壓縮或展寬。對(duì)反常色散光纖，群速度與光載波頻率成正比，在脈沖中載頻高的部分傳播得快，而載頻低的部分則傳播得慢。式中,τ=dβ／dω=1/Vg為群延時(shí)，V96圖7.35單模光纖的色散特性圖7.35單模光纖的色散特性97圖7.36脈沖在反常色散光纖中傳輸因啁啾效應(yīng)可被壓縮或展寬圖7.36脈沖在反常色散光纖中傳輸因啁啾效應(yīng)可被壓縮或98對(duì)正常色散光纖，結(jié)論正相反。因此，具有正啁啾的光脈沖通過(guò)反常色散光纖時(shí)，脈沖前部(頭)頻率低，傳播得慢，而后部(尾)頻率高，傳播得快。這種脈沖形象地被稱為“紅頭紫尾”光脈沖。在傳播過(guò)程中，“紫”尾逐漸接近“紅”頭，因而脈沖被壓縮，如圖7.36(a)。相反，具有負(fù)啁啾的光脈沖通過(guò)反常色散光纖時(shí)，前部(頭)傳播得快，后部(尾)傳播得慢，“紫”頭和“紅”尾逐漸分離，結(jié)果脈沖被展寬，如圖7.36(b)所示。由此可見(jiàn)，適當(dāng)選擇相關(guān)參數(shù)，可以使光脈沖寬度保持不變。對(duì)正常色散光纖，結(jié)論正相反。因此，具有正啁啾99

7.4.2光孤子通信系統(tǒng)的構(gòu)成和性能圖7.37(a)示出光孤子通信系統(tǒng)構(gòu)成方框圖。光孤子源產(chǎn)生一系列脈沖寬度很窄的光脈沖，即光孤子流，作為信息的載體進(jìn)入光調(diào)制器，使信息對(duì)光孤子流進(jìn)行調(diào)制。被調(diào)制的光孤子流經(jīng)摻鉺光纖放大器和光隔離器后，進(jìn)入光纖進(jìn)行傳輸。為克服光纖損耗引起的光孤子減弱，在光纖線路上周期地插入EDFA，向光孤子注入能量，以補(bǔ)償因光纖傳輸而引起的能量消耗，確保光孤子穩(wěn)定傳輸。在接收端，通過(guò)光檢測(cè)器和解調(diào)裝置，恢復(fù)光孤子所承載的信息。7.4.2光孤子通信系統(tǒng)的構(gòu)成和性能100圖7.37光孤子通信系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(a)光孤子通信系統(tǒng)構(gòu)成方框圖；(b)循環(huán)光纖間接光孤子實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖圖7101光孤子源是光孤子通信系統(tǒng)的關(guān)鍵。要求光孤子源提供的脈沖寬度為ps數(shù)量級(jí)，并有規(guī)定的形狀和峰值。光孤子源有很多種類，主要有摻鉺光纖孤子激光器、鎖模半導(dǎo)體激光器等目前，光孤子通信系統(tǒng)已經(jīng)有許多實(shí)驗(yàn)結(jié)果。例如，對(duì)光纖線路直接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在傳輸速率為10Gb/s時(shí)，傳輸距離達(dá)到1000km；在傳輸速率為20Gb/s時(shí)，傳輸距離達(dá)到350km。對(duì)循環(huán)光纖間接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(參看圖7.37(b))，傳輸速率為2.4Gb/s，傳輸距離達(dá)12000km；改進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，傳輸速率為10Gb/s，傳輸距離達(dá)106km。光孤子源是光孤子通信系統(tǒng)的關(guān)鍵。要求光孤子源提102事實(shí)上，對(duì)于單信道光纖通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，光孤子通信系統(tǒng)的性能并不比在零色散波長(zhǎng)工作的常規(guī)(非光孤子)系統(tǒng)更好。循環(huán)光纖間接實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，零色散波長(zhǎng)常規(guī)系統(tǒng)的傳輸速率為2.4Gb/s時(shí)，傳輸距離可達(dá)21000km，而為5Gb/s時(shí)可達(dá)14300km。然而，零色散波長(zhǎng)系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)單信道傳輸，而光孤子系統(tǒng)則可用于WDM系統(tǒng)，使傳輸速率大幅度增加，因而具有事實(shí)上，對(duì)于單信道光纖通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，光孤子通1037.5相干光通信技術(shù)

目前已經(jīng)投入使用的光纖通信系統(tǒng)，都是采用光強(qiáng)調(diào)制-直接檢測(cè)(IMDD)方式。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)制和解調(diào)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，因而成本較低。但是這種方式?jīng)]有利用光載波的頻率和相位信息，限制了系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提高。相干光通信，像傳統(tǒng)的無(wú)線電和微波通信一樣，在發(fā)射端對(duì)光載波進(jìn)行幅度、頻率或相位調(diào)制；在接收端，則采用零差檢測(cè)或外差檢測(cè)，這種檢測(cè)技術(shù)稱為相干檢測(cè)。和IMD方式相比，相干檢測(cè)可以把接收靈敏度提高20dB，相當(dāng)于在相同發(fā)射功率下，若光纖損耗為0.2dB/km，則傳輸距離增加100km。7.5相干光通信技術(shù)

目前已經(jīng)投入使用的光104同時(shí)，采用相干檢測(cè)，可以更充分利用光纖帶寬。我們已經(jīng)看到，在光頻分復(fù)用(OFDM)中，信道頻率間隔可以達(dá)到10GHz以下，因而大幅度增加了傳輸容量。所謂相干光，就是兩個(gè)激光器產(chǎn)生的光場(chǎng)具有空間疊加、相互干涉性質(zhì)的激光。實(shí)現(xiàn)相干光通信，關(guān)鍵是要有頻率穩(wěn)定、相位和偏振方向可以控制的窄線譜激光器。同時(shí)，采用相干檢測(cè)，可以更充分利用光纖帶寬。105

7.5.1相干檢測(cè)原理

圖7.38示出相干檢測(cè)原理方框圖，光接收機(jī)接收的信號(hào)光和本地振蕩器產(chǎn)生的本振光經(jīng)混頻器作用后，光場(chǎng)發(fā)生干涉。由光檢測(cè)器輸出的光電流經(jīng)處理后，以基帶信號(hào)的形式輸出。單模光纖的傳輸模式是基模HE11模，接收機(jī)接收的信號(hào)光其光場(chǎng)可以寫成ES=ASexp［-i(ωSt+φS)］(7.26)式中,AS、ωS和φS分別為光載波的幅度、頻率和相位。同樣，本振光的光場(chǎng)可以寫成EL=ALexp［-i(ωLt+φL)］(7.27)7.5.1相干檢測(cè)原理

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圖7.38相干檢測(cè)原理方框圖圖7.38相干檢測(cè)原理方框圖107式中,AL、ωL和φL分別為本振光的幅度、頻率和相位。保持信號(hào)光的偏振方向不變，控制本振光的偏振方向，使之與信號(hào)光的偏振方向相同。本振光的中心角頻率ωL應(yīng)滿足ωL=ωS-ωIF或ωL=ωS+ωIF(7.28)式中，ωIF是中頻信號(hào)的頻率。這時(shí)光檢測(cè)器輸出的光功率P與光強(qiáng)|ES+ＥL|2成比例，即P=K|ES+EL|2(7.29)式中，K為常數(shù)。由式(7.26)～式(7.29)，根據(jù)模式理論和電磁理論計(jì)算的結(jié)果，輸出光功率近似為式中,AL、ωL和φL分別為本振光的幅度、108P(t)≈PS+PL+