光纖通信劉增基西安電子科技大學(xué)出版社

7.1光放大器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2021/10/10星期日1ppt課件光放大器概述

摻鉺光纖放大器EDFA半導(dǎo)體光放大器SOA光纖拉曼放大器FRA2021/10/10星期日2ppt課件光放大器概述光放大器的出現(xiàn)，可視為光纖通信發(fā)展史上的重要里程碑。光放大器出現(xiàn)之前，光纖通信的中繼器采用光－電－光(O-E-O)變換方式。裝置復(fù)雜、耗能多、不能同時(shí)放大多個(gè)波長(zhǎng)信道，在WDM系統(tǒng)中復(fù)雜性和成本倍增，可實(shí)現(xiàn)1R、2R、3R中繼光放大器（O-O）多波長(zhǎng)放大、低成本，只能實(shí)現(xiàn)1R中繼再放大（re-amplifying）、再整形（re-shaping）和再定時(shí)（re-timing）2021/10/10星期日3ppt課件光放大器的原理光放大器的功能：提供光信號(hào)增益，以補(bǔ)償光信號(hào)在通路中的傳輸衰減，增大系統(tǒng)的無(wú)中繼傳輸距離。在泵浦能量（電或光）的作用下，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（非線性光纖放大器除外），然后通過(guò)受激輻射實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的放大。光放大器是基于受激輻射或受激散射原理實(shí)現(xiàn)入射光信號(hào)放大的一種器件。其機(jī)制與激光器完全相同。實(shí)際上，光放大器在結(jié)構(gòu)上是一個(gè)沒有反饋或反饋較小的激光器。2021/10/10星期日4ppt課件光放大器的類型利用稀土摻雜的光纖放大器（EDFA、PDFA）利用半導(dǎo)體制作的半導(dǎo)體光放大器（SOA）利用光纖非線性效應(yīng)制作的非線性光纖放大器（FRA、FBA）2021/10/10星期日5ppt課件幾種光放大器的比較放大器類型原理激勵(lì)方式工作長(zhǎng)度噪聲特性與光纖耦合與光偏振關(guān)系穩(wěn)定性摻稀土光纖放大器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)光數(shù)米到數(shù)十米好容易無(wú)好半導(dǎo)體光放大器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)電100m~1mm差很難大差光纖(喇曼)放大器光學(xué)非線性(喇曼)效應(yīng)光數(shù)千米好容易大好2021/10/10星期日6ppt課件光放大器的應(yīng)用線路放大(In-line)：周期性補(bǔ)償各段光纖損耗功率放大(Boost)：增加入纖功率,延長(zhǎng)傳輸距離前置預(yù)放大(Pre-Amplify):提高接收靈敏度局域網(wǎng)的功率放大器：補(bǔ)償分配損耗，增大網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)2021/10/10星期日7ppt課件研究新熱點(diǎn)展寬帶寬：C-band40nm,L-band再加40nm；均衡功能：針對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)的增益均衡，針對(duì)全光網(wǎng)的功率均衡；監(jiān)控管理功能：在線放大器，全光網(wǎng)路由改變；動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性；其它波段的光纖放大器，如Raman放大器。2021/10/10星期日8ppt課件光放大器概述摻鉺光纖放大器EDFA半導(dǎo)體光放大器SOA光纖拉曼放大器FRA2021/10/10星期日9ppt課件摻鉺光纖放大器EDFA摻雜光纖放大器利用摻入石英光纖的稀土離子作為增益介質(zhì)，在泵浦光的激發(fā)下實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的放大，放大器的特性主要由摻雜元素決定。工作波長(zhǎng)為1550nm的鉺(Er)摻雜光纖放大器(EDFA)工作波長(zhǎng)為1300nm的鐠(Pr)摻雜光纖放大器(PDFA)工作波長(zhǎng)為1400nm的銩(Tm)摻雜光纖放大器(TDFA)目前，EDFA最為成熟，是光纖通信系統(tǒng)必備器件。2021/10/10星期日10ppt課件摻鉺光纖放大器給光纖通信領(lǐng)域帶來(lái)的革命EDFA解決了系統(tǒng)容量提高的最大的限制——光損耗補(bǔ)償了光纖本身的損耗，使長(zhǎng)距離傳輸成為可能大大增加了功率預(yù)算的冗余，系統(tǒng)中引入各種新型光器件成為可能支持了最有效的增加光通信容量的方式-WDM推動(dòng)了全光網(wǎng)絡(luò)的研究開發(fā)熱潮2021/10/10星期日11ppt課件為什么要用摻鉺光纖放大器工作頻帶正處于光纖損耗最低處(1525-1565nm)；頻帶寬，可以對(duì)多路信號(hào)同時(shí)放大-波分復(fù)用；對(duì)數(shù)據(jù)率/格式透明，系統(tǒng)升級(jí)成本低；增益高(>40dB)、輸出功率大(~30dBm)、噪聲低(4~5dB)；全光纖結(jié)構(gòu)，與光纖系統(tǒng)兼容；增益與信號(hào)偏振態(tài)無(wú)關(guān)，故穩(wěn)定性好；所需的泵浦功率低(數(shù)十毫瓦)。2021/10/10星期日12ppt課件EDFA的工作原理EDFA采用摻鉺離子單模光纖為增益介質(zhì)，在泵浦光作用下產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在信號(hào)光誘導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)受激輻射放大。Inputsignal1530nm-1570nmAmplifiedoutputsignalPowerlaser(Pump)980nmor1480nmFibercontainingerbiumdopant信號(hào)光與波長(zhǎng)較其為短的光波(泵浦光)同沿光纖傳輸，泵浦光的能量被光纖中的稀土元素離子吸收而使其躍遷至更高能級(jí)，并可通過(guò)能級(jí)間的受激發(fā)射轉(zhuǎn)移為信號(hào)光的能量。信號(hào)光沿光纖長(zhǎng)度得到放大，泵浦光沿光纖長(zhǎng)度不斷衰減。2021/10/10星期日13ppt課件EDFA中的Er3+能級(jí)結(jié)構(gòu)泵浦波長(zhǎng)可以是520、650、800、980、1480nm波長(zhǎng)短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。鉺離子簡(jiǎn)化能級(jí)示意圖吸收泵浦光快速非輻射躍遷光放大受激輻射產(chǎn)生噪聲自發(fā)輻射受激吸收基態(tài)能帶泵浦能帶980nm1480nm亞穩(wěn)態(tài)能帶1550nm2021/10/10星期日14ppt課件摻鉺光纖放大器的基本結(jié)構(gòu)摻鉺光纖：當(dāng)一定的泵浦光注入到摻鉺光纖中時(shí)，Er3+從低能級(jí)被激發(fā)到高能級(jí)上，由于在高能級(jí)上的壽命很短，很快以非輻射躍遷形式到較低能級(jí)上，并在該能級(jí)和低能級(jí)間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。半導(dǎo)體泵浦二極管：為信號(hào)放大提供足夠的能量，使物質(zhì)達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。波分復(fù)用耦合器：將信號(hào)光和泵浦光合路進(jìn)入摻鉺光纖中。光隔離器：使光傳輸具有單向性，放大器不受發(fā)射光影響，保證穩(wěn)定工作。2021/10/10星期日15ppt課件三種泵浦方式的EDFALD2WDM2EDFAPCAPCinoutLD1WDM1LDWDMEDFAPCAPCinoutLDWDMEDFAPCAPCinout同向泵浦(前向泵浦)型：好的噪聲性能反向泵浦(后向泵浦)型：輸出信號(hào)功率高雙向泵浦型：輸出信號(hào)功率比單泵浦源高3dB，且放大特性與信號(hào)傳輸方向無(wú)關(guān)2021/10/10星期日16ppt課件MultistageEDFA由于光纖對(duì)1480nm的光損耗較小，所以1480nm泵浦光又常用于遙泵方式。RemotePumping2021/10/10星期日17ppt課件EDFA的工作特性光放大器的增益放大器的噪聲EDFA的多信道放大特性EDFA的大功率化2021/10/10星期日18ppt課件一、光放大器的增益增益G是描述光放大器對(duì)信號(hào)放大能力的參數(shù)。定義為：G與光放大器的泵浦功率、摻雜光纖的參數(shù)和輸入光信號(hào)有很復(fù)雜的關(guān)系。輸出信號(hào)光功率輸入信號(hào)光功率2021/10/10星期日19ppt課件小信號(hào)增益G＝30dB時(shí)，增益對(duì)輸入光功率的典型依存關(guān)系輸入光功率較小時(shí)，G是一常數(shù)，即輸出光功率PS,OUT與輸入光功率PS,IN成正比例。G0光放大器的小信號(hào)增益。G0飽和輸出功率：放大器增益降至小信號(hào)增益一半時(shí)的輸出功率。3dBPout,sat當(dāng)PS,IN增大到一定值后，光放大器的增益G開始下降。增益飽和現(xiàn)象。飽和區(qū)域2021/10/10星期日20ppt課件增益G與輸入光波長(zhǎng)的關(guān)系增益譜G(

)：增益G與信號(hào)光波長(zhǎng)

的關(guān)系。光放大器的增益譜不平坦。2021/10/10星期日21ppt課件對(duì)于給定的放大器長(zhǎng)度（EDF長(zhǎng)度），增益隨泵浦功率在開始時(shí)按指數(shù)增加，當(dāng)泵浦功率超過(guò)一定值時(shí)，增益增加變緩，并趨于一恒定值。小信號(hào)增益隨泵浦功率而變的曲線2021/10/10星期日22ppt課件小信號(hào)增益隨放大器長(zhǎng)度而變的曲線當(dāng)泵浦功率一定時(shí)，放大器在某一最佳長(zhǎng)度時(shí)獲得最大增益，如果放大器長(zhǎng)度超過(guò)此值，由于泵浦的消耗，最佳點(diǎn)后的摻鉺光纖不能受到足夠泵浦，而且要吸收已放大的信號(hào)能量，導(dǎo)致增益很快下降。因此，在EDFA設(shè)計(jì)中，需要在摻鉺光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，選擇合適的泵浦功率和光纖長(zhǎng)度，使放大器工作于最佳狀態(tài)。2021/10/10星期日23ppt課件二、放大器的噪聲所有光放大器在放大過(guò)程中都會(huì)把自發(fā)輻射（或散射）疊加到信號(hào)光上，導(dǎo)致被放大信號(hào)的信噪比（SNR）下降，其降低程度通常用噪聲指數(shù)Fn來(lái)表示，其定義為：主要噪聲源：放大的自發(fā)輻射噪聲（ASE），它源于放大器介質(zhì)中電子空穴對(duì)的自發(fā)復(fù)合。自發(fā)復(fù)合導(dǎo)致了與光信號(hào)一起放大的光子的寬譜背景。AmplifiedSpontaneousEmission2021/10/10星期日24ppt課件EDFA放大1540波長(zhǎng)信號(hào)時(shí)產(chǎn)生的影響ASE噪聲疊加在信號(hào)上，導(dǎo)致信噪比下降。寬譜光源2021/10/10星期日25ppt課件ASE噪聲ASE噪聲近似為白噪聲，噪聲功率譜密度為：自發(fā)發(fā)射因子或粒子數(shù)反轉(zhuǎn)因子對(duì)于原子都處于激發(fā)態(tài)或完全粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的光放大器，nsp=1;當(dāng)粒子數(shù)不完全反轉(zhuǎn)時(shí)，nsp>1；激發(fā)態(tài)的粒子數(shù)基態(tài)的粒子數(shù)2021/10/10星期日26ppt課件研究發(fā)現(xiàn)，接收機(jī)前接入光放大器后，新增加的噪聲主要來(lái)自ASE噪聲與信號(hào)本身的差拍噪聲。噪聲指數(shù)為：表明：即使對(duì)nsp=1的完全粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的理想放大器，被放大信號(hào)的SNR也降低了二倍（或3dB）。對(duì)大多數(shù)實(shí)際的放大器Fn均超過(guò)3dB，并可能達(dá)到6~8dB。希望放大器的Fn盡可能低。ASE噪聲2021/10/10星期日27ppt課件EDFA的級(jí)聯(lián)特性信道間增益競(jìng)爭(zhēng)，多級(jí)級(jí)連使用導(dǎo)致“尖峰效應(yīng)”2021/10/10星期日28ppt課件15441569典型的EDFA增益譜固有的增益不平坦，增益差隨級(jí)聯(lián)放大而積累增大各信道的信噪比差別增大各信道的接收靈敏度不同增益平坦增益譜的形狀隨信號(hào)功率而變，在有信道上、下的動(dòng)態(tài)情況下，失衡情況更加嚴(yán)重2021/10/10星期日29ppt課件BER接收光功率光功率波長(zhǎng)光功率波長(zhǎng)光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)

N

1

2

3光接收機(jī)光接收機(jī)光接收機(jī)光接收機(jī)EDFA

1

N

3

22021/10/10星期日30ppt課件1.

濾波器均衡：采用透射譜與摻雜光纖增益譜反對(duì)稱的濾波器使增益平坦,如：薄膜濾波、紫外寫入長(zhǎng)周期光纖光柵、周期調(diào)制的雙芯光纖等。

只能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)增益譜的平坦，在信道功率突變時(shí)增益譜仍會(huì)發(fā)生變化。EDFA+均衡器→合成增益增益平坦/均衡技術(shù)(1)2021/10/10星期日31ppt課件2.

新型寬譜帶摻雜光纖：如摻鉺氟化物玻璃光纖（30nm平坦帶寬）、鉺/鋁共摻雜光纖（20nm）等，靜態(tài)增益譜的平坦，摻雜工藝復(fù)雜。3.聲光濾波調(diào)節(jié)：根據(jù)各信道功率，反饋控制放大器輸出端的多通道聲光帶阻濾波器，調(diào)節(jié)各信道輸出功率使之均衡，動(dòng)態(tài)均衡需要解復(fù)用、光電轉(zhuǎn)換、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)用性受限增益平坦/均衡技術(shù)(2)2021/10/10星期日32ppt課件4.預(yù)失真技術(shù)不靈活，傳輸鏈路變換后，輸入功率也要隨之調(diào)整增益平坦/均衡技術(shù)(3)2021/10/10星期日33ppt課件EDFA對(duì)信道的插入、分出或信道無(wú)光故障等因素引起的輸入光功率的變化（較低速變化）能產(chǎn)生響應(yīng)--瞬態(tài)特性瞬態(tài)特性使得剩余信道獲得過(guò)大的增益，并輸出過(guò)大的功率，而產(chǎn)生非線性，最終導(dǎo)致其傳輸性能的惡化--需進(jìn)行自動(dòng)增益控制增益鉗制2021/10/10星期日34ppt課件增益鉗制技術(shù)(1)電控：監(jiān)測(cè)EDFA的輸入光功率，根據(jù)其大小調(diào)整泵浦功率，從而實(shí)現(xiàn)增益鉗制，是目前最為成熟的方法。LDPumpInOut泵浦控制均衡放大器（電控）EDFA2021/10/10星期日35ppt課件增益鉗制技術(shù)(2)在系統(tǒng)中附加一波長(zhǎng)信道，根據(jù)其它信道的功率，改變附加波長(zhǎng)的功率，而實(shí)現(xiàn)增益鉗制。注入激光2021/10/10星期日36ppt課件WDM系統(tǒng)要求EDFA具有足夠高的輸出功率，以保證各信道獲得足夠的光功率。方法：多級(jí)泵浦221916輸出功率（dBm）15401570四、EDFA的大功率化(1)2021/10/10星期日37ppt課件EDFA的大功率化(2)=0.7%=1.3%纖芯內(nèi)包層外包層用于制作大功率EDFA的雙包層光纖結(jié)構(gòu)圖芯層：5m內(nèi)包層：50m芯層(摻鉺)，傳播信號(hào)層(SM)內(nèi)包層，傳播泵浦光(MM)雙包層光纖是實(shí)現(xiàn)EDFA的重要技術(shù)，信號(hào)光在中心的纖芯里以單模傳播，而泵浦光則在內(nèi)包層中以多模傳輸。2021/10/10星期日38ppt課件長(zhǎng)波段（L-band）摻鉺光纖放大器L波段的造價(jià)甚高的原因：低反轉(zhuǎn)水平，需長(zhǎng)摻鉺光纖，強(qiáng)泵浦，此波段其它光器件價(jià)格較高。2021/10/10星期日39ppt課件監(jiān)視和告警電路泵浦監(jiān)視和控制電路泵浦LDPD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＋5V0V－5V電源監(jiān)視激光器驅(qū)動(dòng)輸入光輸出圖7.3(b)圖7.3(b)實(shí)用光纖放大器外形圖及其構(gòu)成方框圖2021/10/10星期日40ppt課件光放大器概述摻鉺光纖放大器EDFA半導(dǎo)體光放大器SOA光纖拉曼放大器FRA2021/10/10星期日41ppt課件半導(dǎo)體光放大器SOAR1R2I半導(dǎo)體光放大器示意圖SOA也是一種重要的光放大器，其結(jié)構(gòu)類似于普通的半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體光放大器的放大特性主要決定于激光腔的反射特性與有源層的介質(zhì)特性。根據(jù)光放大器端面反射率和工作偏置條件，將半導(dǎo)體光放大器分為：----法布里－珀羅放大器(FP－SOA)----行波放大器(TW－SOA)2021/10/10星期日42ppt課件多峰值、帶寬窄，不適合通信系統(tǒng)應(yīng)用，只可用于一些信號(hào)處理。F-P半導(dǎo)體光放大器入射光從左端面進(jìn)入，通過(guò)具有增益的有源層，到達(dá)右端面后，部分從端面反射，然后反向通過(guò)有源層至左端面，部分光從左端面出射，其余部分又從端面反射，再次通過(guò)有源層，如此反復(fù)，使入射光得到放大。2021/10/10星期日43ppt課件行波半導(dǎo)體光放大器TW－SOA與FP－SOA的區(qū)別在于端面的反射率大小，TW－SOA具有極低的端面反射率，通常在0.1%以下。降低端面反射方法：傾斜有源區(qū)法、窗面結(jié)構(gòu)。TW－SOA的增益、增益帶寬和噪聲特性都可以滿足光纖通信的要求，但如下兩個(gè)缺點(diǎn)限制著它在光纖通信中的實(shí)際應(yīng)用：對(duì)光信號(hào)偏振態(tài)的敏感性；對(duì)光信號(hào)增益的飽和性。2021/10/10星期日44ppt課件SOA增益偏振相關(guān)性起因：由于半導(dǎo)體有源層的橫截面呈扁長(zhǎng)方形，對(duì)橫向（長(zhǎng)方形的寬邊方向）和豎向（長(zhǎng)方形的窄邊方向）的光場(chǎng)約束不同，光場(chǎng)在豎向的衍射泄漏強(qiáng)于橫向，因而豎向的光增益弱于橫向。因此光信號(hào)的偏振方向取橫向時(shí)的增益大，取豎向時(shí)的增益小。解決方法：采用寬、厚可比擬的有源層設(shè)計(jì)；使用方法著手。相同結(jié)構(gòu)SOA互相垂直并接，在輸入端采用偏振分束器將信號(hào)分成TE和TM偏振信號(hào),分別輸入至相互垂直的SOA，然后將兩只SOA放大的TE和TM偏振信號(hào)合成，得到與輸入光同偏振態(tài)的放大信號(hào)。輸入光信號(hào)往返兩次通過(guò)同一SOA，但反向通過(guò)前，采用法拉第旋轉(zhuǎn)器使返回光旋轉(zhuǎn)900相同結(jié)構(gòu)SOA互相垂直串接，所得增益將與偏振無(wú)關(guān)2021/10/10星期日45ppt課件SOA的應(yīng)用1.多信道放大中存在問(wèn)題噪聲大信道串?dāng)_(交叉增益調(diào)制XGM、四波混頻FWM)增益飽和引起信號(hào)畸變2.其他應(yīng)用：光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換（XGM,XPM,FWM）光開關(guān)：直接調(diào)制SOA的注入電流實(shí)現(xiàn)光的通斷。特點(diǎn)：高速、無(wú)損光信號(hào)處理器件。2021/10/10星期日46ppt課件SOAProduct2021/10/10星期日47ppt課件6.1光放大器概述6.2摻鉺光纖放大器EDFA6.3半導(dǎo)體光放大器SOA6.4光纖拉曼放大器FRA2021/10/10星期日48ppt課件光纖拉曼放大器FRA拉曼現(xiàn)象在1928年被發(fā)現(xiàn)。90年代早期，EDFA取代它成為焦點(diǎn)，F(xiàn)RA受到冷遇。隨著光纖通信網(wǎng)容量的增加，對(duì)放大器提出新的要求，傳統(tǒng)的EDFA已很難滿足，F(xiàn)RA再次成為研究的熱點(diǎn)。特別是高功率二極管泵浦激光器的迅猛發(fā)展，又為FRA的實(shí)現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。人們對(duì)FRA的興趣來(lái)源于這種放大器可以提供整個(gè)波長(zhǎng)波段的放大。通過(guò)適當(dāng)改變泵浦激光波長(zhǎng)，就可以達(dá)到在任意波段進(jìn)行寬帶光放大，甚至可在1270～1670nm整個(gè)波段內(nèi)提供放大。光在某種介質(zhì)中散射后頻率會(huì)發(fā)生變化2021/10/10星期日49ppt課件光纖拉曼放大器光纖(a)無(wú)泵激光的1550nm傳輸光功率(dB)波長(zhǎng)1550nm波長(zhǎng)光功率(dB)1550nm1450nm光纖(b)有泵激光的1550nm傳輸1550nm經(jīng)光纖傳輸衰減的光1450nm1550nm如果一個(gè)弱信號(hào)和一個(gè)強(qiáng)泵浦光同時(shí)在光纖中傳輸，并使弱信號(hào)波長(zhǎng)置于泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)，則弱信號(hào)即可被放大。這種基于SRS機(jī)制的光放大器稱為光纖拉曼放大器FRA。2021/10/10星期日50ppt課件FRA原理簡(jiǎn)介：物理機(jī)制：A.光纖拉曼散射效應(yīng)（SRS)一個(gè)入射光子（pump)的湮滅，產(chǎn)生一個(gè)下移stokes頻率的光子和另一個(gè)具有相當(dāng)能量和動(dòng)量的光學(xué)聲子B.與pump光子相差stokes頻率的信號(hào)光子，經(jīng)受激散射過(guò)程被放大FRA是靠非線性散射實(shí)現(xiàn)放大功能，不需要能級(jí)間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)光纖拉曼放大器原理簡(jiǎn)介(1)2021/10/10星期日51ppt課件頻率為

p和

s的泵浦光和信號(hào)光通過(guò)耦合器輸入光纖，當(dāng)這兩束光在光纖中一起傳輸時(shí)，泵浦光的能量通過(guò)SRS效應(yīng)轉(zhuǎn)移給信號(hào)光，使信號(hào)光得到放大。反向泵浦為主，也可同向泵浦支撐技術(shù):14

nm的大功率泵浦激光器，目前已取得實(shí)用化光纖拉曼放大器原理簡(jiǎn)介(2)2021/10/10星期日52ppt課件PropertiesofRamanScatteringinFibers特性：在所有類型光纖中都會(huì)發(fā)生峰值增益頻移~13THz(60-100nm)

增益具有偏振依賴性，當(dāng)泵浦光與信號(hào)光偏振方向平行時(shí)增益最大，垂直時(shí)增益最小為零增益譜很寬(125nm)但并不平坦2021/10/10星期日53ppt課件FRA以傳輸光纖作為放大介質(zhì)－分布式放大，從而實(shí)現(xiàn)一種“無(wú)損耗”傳輸（可降低入纖光功率，避免非線性效應(yīng)）光纖拉曼放大器－超低噪聲放大原理脈沖幅度z集中放大NonlinearEffectsNoiseHigh分布放大缺點(diǎn)：泵浦功率大(W),對(duì)光纖損害.2021/10/10星期日54ppt課件光纖拉曼放大器分布放大分立放大2021/10/10星期日55ppt課件機(jī)制：拉曼增益與泵浦波長(zhǎng)相關(guān)方法：多波長(zhǎng)泵浦增益：各個(gè)泵浦波長(zhǎng)拉曼增益譜的加權(quán)和（以dB為單位）光纖拉曼放大器－寬帶放大原理2021/10/10星期日56ppt課件光纖拉曼放大器的泵浦要求高能量輸出。消偏輸出和偏振混合輸出。（拉曼散射增益具有偏振依賴性）泵浦波長(zhǎng)至關(guān)重要。信號(hào)光在1300nm波段時(shí)，最佳泵浦波長(zhǎng)約在1220～1240nm，而在1550nm波段時(shí)，最佳泵浦波長(zhǎng)約在1440～1460nm左右處。高功率雙包層拉曼光纖激光器是最佳的泵浦源。2021/10/10星期日57ppt課件光纖拉曼放大器特性Advantages:理論上可以得到任意波長(zhǎng)的增益，前提是需要合適的泵浦源；分布或分立放大均能實(shí)現(xiàn)；使用光纖作為放大介質(zhì)意味著在線放大的可能，可以減少噪聲的積累。Disadvantages:泵浦功率高（500mW）2021/10/10星期日58ppt課件寬帶Raman+EDFA光放大器Raman放大器CbandEDFApumpfilterRamanFiber2021/10/10星期日59ppt課件Raman+EDFA光放大器增益曲線2021/10/10星期日60ppt課件7.2光波分復(fù)用技術(shù)

隨著人類社會(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)。發(fā)展迅速的各種新型業(yè)務(wù)(特別是高速數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù))對(duì)通信網(wǎng)的帶寬(或容量)提出了更高的要求。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)。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)。2021/10/10星期日61ppt課件

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)。光波分復(fù)用（WDM）的基本原理是：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(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)。2021/10/10星期日62ppt課件

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)2021/10/10星期日63ppt課件

光纖的帶寬有多寬？

如圖7.6所示，在光纖的兩個(gè)低損耗傳輸窗口：波長(zhǎng)為1.31μm(1.25～1.35μm)的窗口，相應(yīng)的帶寬(|Δf|=|-Δλc/λ2|,λ和Δλ分別為中心波長(zhǎng)和相應(yīng)的波段寬度，c為真空中光速)為17700GHz；波長(zhǎng)為1.55μm(1.50～1.60μm)的窗口，相應(yīng)的帶寬為12500GHz。兩個(gè)窗口合在一起，總帶寬超過(guò)30THz。如果信道頻率間隔為10GHz，在理想情況下，一根光纖可以容納3000個(gè)信道。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。在這種情況下，人們把在同一窗口中信道間隔較小的波分復(fù)用稱為密集波分復(fù)用(DWDM：DenseWavelengthDivisionMultiplexing)。2021/10/10星期日64ppt課件

目前該系統(tǒng)是在1550nm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1.6nm、0.8nm或更低，約對(duì)應(yīng)于200GHz,100GHz或更窄的帶寬。

WDM、DWDM和OFDM在本質(zhì)上沒有多大區(qū)別以往技術(shù)人員習(xí)慣采用WDM和DWDM來(lái)區(qū)分是1310/1550nm簡(jiǎn)單復(fù)用還是在1550nm波長(zhǎng)區(qū)段內(nèi)密集復(fù)用，但目前在電信界應(yīng)用時(shí)，都采用DWDM技術(shù)。由于1310/1550nm的復(fù)用超出了EDFA的增益范圍，只在一些專門場(chǎng)合應(yīng)用，所以經(jīng)常用WDM這個(gè)更廣義的名稱來(lái)代替DWDM。2021/10/10星期日65ppt課件WDM技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)升級(jí)、發(fā)展寬帶業(yè)務(wù)(如CATV，HDTV和IPoverWDM等)、充分挖掘光纖帶寬潛力、實(shí)現(xiàn)超高速光纖通信等具有十分重要意義，尤其是WDM加上EDFA更是對(duì)現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的吸引力。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G.655光纖)+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。

2021/10/10星期日66ppt課件

如果一個(gè)區(qū)域內(nèi)所有的光纖傳輸鏈路都升級(jí)為WDM傳輸，我們就可以在這些WDM鏈路的交叉(結(jié)點(diǎn))處設(shè)置以波長(zhǎng)為單位對(duì)光信號(hào)進(jìn)行交叉連接的光交叉連接設(shè)備(OXC)，或進(jìn)行光上下路的光分插復(fù)用器(OADM)，則在原來(lái)由光纖鏈路組成的物理層上面就會(huì)形成一個(gè)新的光層。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)。2021/10/10星期日67ppt課件

2.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)。2021/10/10星期日68ppt課件

WDM系統(tǒng)的基本構(gòu)成主要有以下兩種形式：雙纖單向傳輸和單纖雙向傳輸。

(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，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。2021/10/10星期日69ppt課件

圖7.7雙纖單向WDM傳輸2021/10/10星期日70ppt課件(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，以實(shí)現(xiàn)雙向全雙工的通信。圖7.8單纖雙向WDM傳輸2021/10/10星期日71ppt課件

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。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)。2021/10/10星期日72ppt課件

?

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：2021/10/10星期日73ppt課件

(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。(dB)(7.1)

(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。(7.2)2021/10/10星期日74ppt課件(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。

(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(7.4)2021/10/10星期日75ppt課件

(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:Polarization

dependentLoss)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。2021/10/10星期日76ppt課件

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)，如下圖所示。2021/10/10星期日77ppt課件

?光發(fā)射機(jī)位于WDM系統(tǒng)的發(fā)送端。在發(fā)送端首先將來(lái)自終端設(shè)備(如SDH端機(jī))輸出的光信號(hào)，利用光轉(zhuǎn)發(fā)器(OTU)把符合ITU-TG.957建議的非特定波長(zhǎng)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成符合ITU-TG.692建議的具有穩(wěn)定的特定波長(zhǎng)的光信號(hào)。

OTU對(duì)輸入端的信號(hào)波長(zhǎng)沒有特殊要求，可以兼容任意廠家的SDH信號(hào)，其輸出端滿足G.692的光接口，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：BoosterAmplifier)放大輸出多路光信號(hào)。2021/10/10星期日78ppt課件

?

用摻鉺光纖放大器(EDFA)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行中繼放大。在應(yīng)用時(shí)可根據(jù)具體情況，將EDFA用作“線放(LA：LineAmplifier)”,“功放(BA)”和“前放(PA：Preamplifier)”。在WDM系統(tǒng)中，對(duì)EDFA必須采用增益平坦技術(shù)，使得EDFA對(duì)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)具有接近相同的放大增益。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。在接收端，光前置放大器(PA)放大經(jīng)傳輸而衰減的主信道光信號(hào)，分波器從主信道光信號(hào)中分出特定波長(zhǎng)的光信號(hào)。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)，要有足夠的電帶寬。2021/10/10星期日79ppt課件

?光監(jiān)控信道(OSC：OpticalSupervisoryChannel)

監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)各信道的傳輸情況，在發(fā)送端，插入本結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的波長(zhǎng)為λs(1510nm)的光監(jiān)控信號(hào)，與主信道的光信號(hào)合波輸出；在接收端，將接收到的光信號(hào)分離，輸出λs(1510nm)波長(zhǎng)的光監(jiān)控信號(hào)和業(yè)務(wù)信道光信號(hào)。

幀同步字節(jié)、公務(wù)字節(jié)和網(wǎng)管所用的開銷字節(jié)等都是通過(guò)光監(jiān)控信道來(lái)傳送的。

?

網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)通過(guò)光監(jiān)控信道物理層傳送開銷字節(jié)到其他結(jié)點(diǎn)或接收來(lái)自其他結(jié)點(diǎn)的開銷字節(jié)對(duì)WDM系統(tǒng)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)配置管理、故障管理、性能管理和安全管理等功能，并與上層管理系統(tǒng)(如TMN)相連。2021/10/10星期日80ppt課件

目前國(guó)際上已商用的系統(tǒng)有：4×2.5Gb/s(10Gb/s),8×2.5Gb/s(20Gb/s),16×2.5Gb/s(40Gb/s),40×2.5Gb/s(100Gb/s),32×10Gb/s(320Gb/s),40×10Gb/s(400Gb/s)。實(shí)驗(yàn)室已實(shí)現(xiàn)了82×40Gb/s(3.28Tb/s)的速率，傳輸距離達(dá)3×100km=300km。OFC2000(OpticalFiberCommunicationConference)提供的情況有：

①BellLabs:82路×40Gb/s=3.28Tb/s在3×100km=300km的TrueWave(商標(biāo))光纖(即G.655光纖)上，利用C和L兩個(gè)波帶聯(lián)合傳輸；

②日本NEC:160×20Gb/s=3.2Tb/s，利用歸零信號(hào)沿色散平坦光纖，經(jīng)過(guò)增益寬度為64nm的光纖放大器，傳輸距離達(dá)1500km;2021/10/10星期日81ppt課件③日本富士通(Fujitsu):128路×10.66Gb/s，經(jīng)過(guò)C和L波帶注：C波帶為1525～1565nm，L波帶為1570～1620nm。，用分布喇曼放大(DRA:DistributedRamanAmplification),傳輸距離達(dá)6×140km=840km;

④日本NTT：

30路×42.7Gb/s，利用歸零信號(hào)，經(jīng)過(guò)增益寬度為50nm的光纖放大器，傳輸距離達(dá)3×125km=375km;⑤美國(guó)LucentTech:100路×10Gb/s=1Tb/s，各路波長(zhǎng)的間隔縮小到25GHz,利用L波帶，沿NZDF光纖(G.655光纖)傳輸400km;

⑥美國(guó)Mciworldcom和加拿大Nortel:100路×10Gb/s=1Tb/s，沿NZDF光纖在C和L波帶傳輸4段，約200km;

⑦美國(guó)Qtera和Qwest:

兩個(gè)波帶4路×10Gb/s和2路×10Gb/s沿NZDF光纖傳輸23×105km=2415km,這個(gè)試驗(yàn)雖然WDM路數(shù)不多，但在陸地光纜中卻是最長(zhǎng)距離。2021/10/10星期日82ppt課件

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?021/10/10星期日83ppt課件

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。2021/10/10星期日84ppt課件

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)。2021/10/10星期日85ppt課件

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。2021/10/10星期日86ppt課件波分復(fù)用器和解復(fù)用器主要應(yīng)用:

?

WDM終端

?

波長(zhǎng)路由器

?

波長(zhǎng)分插復(fù)用器(WavelengthAdd/DropMultiplexer,WADM)圖7.10為光濾波器的三種應(yīng)用：

?

單純的濾波應(yīng)用(圖7.10(a))

?

波分復(fù)用/解復(fù)用器中應(yīng)用(圖7.10(b))

?

波長(zhǎng)路由器中應(yīng)用(圖7.10(c))。2021/10/10星期日87ppt課件l1

光濾波器圖7.10(a)單純的濾波應(yīng)用l1,l2,l3,l4l,l,l2342021/10/10星期日88ppt課件

波分復(fù)用器l1l2l3l4圖7.10(b)波分復(fù)用器中應(yīng)用l1,l2,l3,l42021/10/10星期日89ppt課件

圖7.10(c)波長(zhǎng)路由器中應(yīng)用

波長(zhǎng)路由器l1,l2,l3,l4l1,l2,l3,l411112222l1,l2,l3,l42112l1,l2,l3,l41221

波長(zhǎng)路由器是波長(zhǎng)選路網(wǎng)絡(luò)(WavelengthRoutingNetwork)中的關(guān)鍵部件，其功能可由圖7.10(c)的例子說(shuō)明

它有兩個(gè)輸入端口和兩個(gè)輸出端口，每路輸入都載有一組λ1,λ2,λ3和λ4WDM信號(hào)。

一般情況下，輸入和輸出的端口數(shù)是N(≥2)，并且每一端口的波長(zhǎng)數(shù)是W(≥2)。2021/10/10星期日90ppt課件如果一個(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，如下圖所示。2021/10/10星期日91ppt課件

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。

對(duì)光濾波器的主要要求有：

(1)一個(gè)好的光濾波器應(yīng)有較低的插入損耗，并且損耗應(yīng)該與輸入光的偏振態(tài)無(wú)關(guān)。

在大多數(shù)系統(tǒng)中，光的偏振態(tài)隨機(jī)變化，如果濾波器的插入損耗與光的偏振有關(guān)(PDL:PolarizationdependentLoss),則輸出光功率將極其不穩(wěn)定。2021/10/10星期日92ppt課件

(2)一個(gè)濾波器的通帶應(yīng)該對(duì)溫度的變化不敏感。

溫度系數(shù)是指溫度每變化1℃的波長(zhǎng)漂移。一個(gè)WDM系統(tǒng)要求在整個(gè)工作溫度范圍(大約100℃)內(nèi)，波長(zhǎng)漂移應(yīng)該遠(yuǎn)小于相鄰信道的波長(zhǎng)間隔。

(3)在一個(gè)WDM系統(tǒng)中，隨著級(jí)聯(lián)的濾波器越來(lái)越多，系統(tǒng)的通帶就變得越來(lái)越窄。

為了確保在級(jí)聯(lián)的末端還有一個(gè)相當(dāng)寬的通帶，單個(gè)濾波器的通帶傳輸特性應(yīng)該是平直的，以便能夠容納激光器波長(zhǎng)的微小變化。單個(gè)濾波器的通帶的平直程度常用1dB帶寬來(lái)衡量，如圖7.12所示。2021/10/10星期日93ppt課件

圖7.12光濾波器的1dB帶寬2021/10/10星期日94ppt課件波長(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。2021/10/10星期日95ppt課件

圖7.13光柵(a)透射光柵；(b)反射光柵光柵平面影像平面l2l1qd1qd2qil1＋l2光柵平面影像平面l2l1qd1qd2qil1＋l2(a)(b)2021/10/10星期日96ppt課件(7.5)光程差光柵方程為:(7.6)2021/10/10星期日97ppt課件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。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。2021/10/10星期日98ppt課件

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：（7.7）（7.8）2021/10/10星期日99ppt課件

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。2021/10/10星期日100ppt課件

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。

2021/10/10星期日101ppt課件

圖7.15布喇格光柵的反射譜

(a)均勻折射率情形；(b)變跡折射率情形變跡光柵旁瓣的減少是以主瓣加寬為代價(jià)的。2021/10/10星期日102ppt課件

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

?

成本較低2021/10/10星期日103ppt課件光纖布拉格光柵濾波器的制作利用某種特殊光纖的光敏特性，就可在光纖中寫入光柵。

在傳統(tǒng)光纖的SiO2中摻入少量鍺(Ge)后就具有了光敏特性，再由紫外(UV)光照射，就可引起光纖纖芯的折射率變化。若用兩束相干的紫外光照射摻雜后的光纖纖芯，則照射光束的強(qiáng)度將沿著光纖長(zhǎng)度方向周期性地變化，強(qiáng)度高的地方纖芯折射率增加，強(qiáng)度低的地方纖芯折射率幾乎無(wú)任何變化，這樣就在光纖中寫入了光柵。2021/10/10星期日104ppt課件

光纖光柵可以分為短周期(short

period)光纖光柵和長(zhǎng)周期(long

period)光纖光柵。

短周期光纖光柵也稱光纖布喇格光柵，其周期可以和光波長(zhǎng)相比較，典型值大約0.5μm；長(zhǎng)周期光纖光柵的周期比光波長(zhǎng)大得多，從幾百微米到幾毫米不等。

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)。2021/10/10星期日105ppt課件

光纖布喇格光柵的特點(diǎn)是:

?

損耗低(0.1dB左右)

?

波長(zhǎng)準(zhǔn)確度高(可達(dá)±0.05nm)

?

鄰近信道串?dāng)_抑制較高(可達(dá)40dB)以及通帶頂部平坦

由于光纖長(zhǎng)度隨溫度變化稍微有些變化，光纖布喇格光柵的溫度系數(shù)的典型值為1.25×10-2nm/℃。這個(gè)溫度系數(shù)過(guò)高了,但這可以通過(guò)采用負(fù)熱膨脹系數(shù)的材料封裝來(lái)改善，改善過(guò)的光柵的溫度系數(shù)大約為0.07×10-2nm/℃，這意味著在整個(gè)工作溫度范圍(100℃)內(nèi)，中心波長(zhǎng)的漂移可以小到0.07nm。2021/10/10星期日106ppt課件

在WDM系統(tǒng)中，光纖布喇格光柵可用作濾波器、光分插復(fù)用器和色散補(bǔ)償器(DispersionCompensator)。

圖7.16(a)是一個(gè)簡(jiǎn)單的光分器，由一個(gè)三端口光環(huán)行器和一個(gè)光纖布喇格光柵構(gòu)成，由光柵反射回來(lái)的波長(zhǎng)λ2從環(huán)行器的端口3取出，余下的波長(zhǎng)繼續(xù)前行。在上面簡(jiǎn)單的光分器的基礎(chǔ)上加上一個(gè)耦合器，就可以實(shí)現(xiàn)光的分插功能，如圖7.16(b)所示。2021/10/10星期日107ppt課件

圖7.16(a)基于光纖光柵結(jié)構(gòu)的光分插復(fù)用器簡(jiǎn)單光分；l1l2l3l4113光纖布喇格光柵l1l3l4lll4(a)2l23l22021/10/10星期日108ppt課件圖7.16(b)基于光纖光柵結(jié)構(gòu)的光分插復(fù)用器光分插l23l1l2l3l41(b)光纖布喇格光柵2l2l1l3l4耦合器l22021/10/10星期日109ppt課件

長(zhǎng)周期光纖光柵的工作原理與光纖布喇格光柵稍微有些不同。

在光纖布喇格光柵中，纖芯中正向傳輸模的能量耦合到反向傳輸模上；而在長(zhǎng)周期光纖光柵中，纖芯中正向傳輸模的能量耦合到包層里的正向傳輸模上，包層模沿著光纖傳輸時(shí)極容易消逝掉，因此相應(yīng)波長(zhǎng)位置的光波被衰減，出現(xiàn)一些損耗峰。2021/10/10星期日110ppt課件

設(shè)纖芯中模的傳輸常數(shù)(假定為單模光纖)為β，p階包層模的傳輸常數(shù)為βpc，相位匹配條件為：

其中Λ為光柵周期。一般情況下，兩個(gè)正向傳輸模的傳輸常數(shù)相差很小，為了發(fā)生耦合，通常要求Λ是一個(gè)相當(dāng)大值，一般為幾百微米以上(光纖布喇格光柵大約為0.5μm)。（7.9）2021/10/10星期日111ppt課件

設(shè)纖芯和p階包層模的有效折射率分別為neff和npeff，由公式β=2πneff/λ可得：當(dāng)滿足λ=Λ(neff-npeff)時(shí)，λ為光波長(zhǎng)，纖芯模的能量便耦合到包層模上去。因此，如果我們知道了傳輸光的波長(zhǎng)和纖芯、包層模的有效折射率，就可以設(shè)計(jì)合適Λ值的長(zhǎng)周期光柵來(lái)滿足各種需要。

長(zhǎng)周期光纖光柵的制作方法與光纖布喇格光柵相同。

2021/10/10星期日112ppt課件圖7.17長(zhǎng)周期光纖光柵的透射譜

適合用作帶阻濾波器，主要用于摻鉺光纖放大器(EDFA）中作濾波器，使EDFA增益平坦化。2021/10/10星期日113ppt課件

4.法布里-珀羅濾波器

法布里-珀羅(FP:Fabry

Perot)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F-P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)：（7.10）2021/10/10星期日114ppt課件

圖7.18F-P濾波器輸入信號(hào)F-P濾波器反射2021/10/10星期日115ppt課件若用自由空間波長(zhǎng)λ表示，則：

TFP(λ)=（7.11）

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。2021/10/10星期日116ppt課件圖7.19

FP濾波器的功率傳遞函數(shù)2021/10/10星期日117ppt課件F-P濾波器特性自由譜區(qū)FSR(FreeSpectralRange)：相鄰兩個(gè)諧振頻率的間距。

FSR=C/2nd

n-中間介質(zhì)折射率；d-腔長(zhǎng)3dB帶寬F：傳輸系數(shù)的數(shù)值降為最大值的一半應(yīng)的頻帶寬度。R越大，F(xiàn)越窄精細(xì)度F(Finesse)：自由譜區(qū)與3dB帶寬之比。

R越大，精細(xì)度越大。2021/10/10星期日118ppt課件F-P濾波器選擇不同的波長(zhǎng)時(shí)一般有兩種方法：

?

改變腔的長(zhǎng)度

?

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。

位移隨所加電壓變化2021/10/10星期日119ppt課件啁啾光纖光柵—色散補(bǔ)償光纖光柵啁啾光纖光柵的柵格周期不是常數(shù)，而是沿軸向變化。不同的柵格周期對(duì)應(yīng)不同的布拉格反射波長(zhǎng)，不同波長(zhǎng)的入射光在啁啾光纖光柵的不同位置反射圖1啁啾光纖光柵．2021/10/10星期日120ppt課件

布拉格反射波長(zhǎng)隨光纖光柵的位置而變化，在某點(diǎn)Z處所對(duì)應(yīng)的布拉格反射波長(zhǎng)為：

獲得啁啾光纖光柵的方法有兩種：一種是改變光柵的有效折射率，另一種是改變光柵周期。啁啾光纖光柵的折射率隨z變化的示意圖2021/10/10星期日121ppt課件啁啾光纖光柵補(bǔ)償原理2021/10/10星期日122ppt課件

5.多層介質(zhì)薄膜濾波器

薄膜諧振腔濾波器(Thin

FilmResonantCavityFilter)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(MultilayerDielectricThin

FilmFilter)。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)。2021/10/10星期日123ppt課件多層介質(zhì)膜濾波器TFFMultilayerDielectricThin-FilmFilter多層介質(zhì)膜：通過(guò)某一波長(zhǎng)，阻止其它波長(zhǎng)2021/10/10星期日124ppt課件圖7.20三腔介質(zhì)薄諧振腔濾波器

薄膜諧振多腔濾波器(Thin

FilmResonantMulticavityFilter)的結(jié)構(gòu)如圖7.20所示，由反射介質(zhì)薄膜隔開的兩個(gè)或多個(gè)腔構(gòu)成。2021/10/10星期日125ppt課件圖7.21單腔、雙腔、三腔介質(zhì)薄膜濾波器的傳輸譜

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。2021/10/10星期日126ppt課件

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。2021/10/10星期日127ppt課件圖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2021/10/10星期日128ppt課件

6.馬赫-曾德爾干涉儀

馬赫-曾德爾干涉儀(MZI:Mach

ZehnderInterferometer)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。2021/10/10星期日129ppt課件圖7.23(a)馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)結(jié)構(gòu)圖輸入1輸入2路程差，DL輸出1輸出2(a)2021/10/10星期日130ppt課件MZI(DL)輸入1輸入2輸出1輸出2(b)圖7.23(b)馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)方框圖2021/10/10星期日131ppt課件輸入1輸入2輸出1輸出2MZI(DL)MZI(2DL)MZI(3DL)MZI(4DL)MZI可用來(lái)作濾波器和波分復(fù)用器。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1.31μm和1.55μm兩個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào)。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。2021/10/10星期日132ppt課件

MZI的工作原理。

考慮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。2021/10/10星期日133ppt課件Input1Output2Output1/2+L+/2=L+/2+L-/2=LL=2neffL

/=k

k為偶數(shù)Output2k為奇數(shù)Output12021/10/10星期日134ppt課件如果將MZI級(jí)聯(lián)就構(gòu)成多級(jí)馬赫-曾德爾干涉儀(MultistageMach

ZehnderInterferometer)。圖7.23(c)示出4級(jí)馬赫-曾德爾干涉儀，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。

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:2sin2LDbT11(f)T12(f)=(7.13)其中f為光頻率。2021/10/10星期日135ppt課件

(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)2021/10/10星期日136ppt課件利用傳輸矩陣進(jìn)行分析(1)長(zhǎng)度為d的耦合器的傳輸矩陣Mcoupler為：

C為耦合系數(shù)對(duì)于平分功率的3dB耦合器，Cd=/4：2021/10/10星期日137ppt課件中心區(qū)域，兩個(gè)波導(dǎo)的輸出具有

的相位差：注意：相位差可以由不同的路徑長(zhǎng)度(用L給出)或n1

n2時(shí)的折射率差產(chǎn)生。這里，考慮兩臂具有相同的折射率，并且n1=n2=neff(波導(dǎo)中的有效折射率)，于是：。式中

＝2neff/。對(duì)一給定的相位差，與之相對(duì)應(yīng)的傳輸矩陣為：利用傳輸矩陣進(jìn)行分析(2)2021/10/10星期日138ppt課件利用傳輸矩陣進(jìn)行分析(3)Ein,1Ein,2Eout,1Eout,2輸出與輸入光場(chǎng)的關(guān)系為：構(gòu)建一復(fù)用器，

1在Ein,1注入，

2在Ein,2注入，于是：Eout,1=j[Ein,1(

1)sin(

1

L/2)＋Ein,2(

2)cos(

2

L/2)]Eout,2=j[Ei