创新技术讲座光纤放大器光波分复用技术光交换技术光孤子通信相干光通信技术光时分复用技术波长变换技术一、光纤放大器掺铒光纤(EDF)中，铒离子(Er3+)有三个能级：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。图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4.激发态不稳定，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，信号光得到放大。泵浦光能量转换为信号光。图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图3-2实用光纤放大器外形图及其构成方框图EDFA特性：在泵浦光功率一定的条件下，输入信号光功率较小时，放大器增益不随输入信号光功率变化，基本保持不变。当信号光功率增加到一定值(一般为—20dBm)，增益随信号光功率增加而下降，输出信号光功率达到饱和。图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掺铒光纤放大器的优点和应用4.频带宽，在1550nm窗口，频带宽度为20～40nm，可进行多信道传输，有利于增加传输容量。图5光纤放大器的应用形式(a)中继放大器；(b)前置放大器和后置放大器二、光波分复用技术图6中心波长在1.3μm和1.55μm的硅光纤低损耗传输窗口(插图表示1.55μm传输窗口的多信道复用)在光纤两个低损耗传输窗口：波长为1.31μm(1.25～1.35μm)的窗口，相应的带宽为中心波长和相应的波段宽度，c为真空中光速)为17700GHz；波长为1.55μm(1.50～1.60μm)的窗口，相应带宽为12500GHz。两个窗口合在一起，总带宽超过30THz。用WDM和DWDM区分是1310/1550nm简单复用还是在1550nm波长区段内密集复用。1310/1550nm复用超出EDFA的增益范围，用WDM来代替DWDM。2.WDM系统的基本形式2.单纤双向传输：双向WDM传输是指光通路在一根光纤上同时向两个不同的方向传输，所用波长相互分开，以实现双向全双工的通信。图7双纤单向WDM传输图8单纤双向WDM传输其中Pi为发送进输入端口的光功率；P0为从输出端口接收到的光功率。2.串扰抑制度：指其他信道的信号耦合进某一信道，并使该信道传输质量下降的影响程度。4.反射系数：在WDM器件的给定端口的反射光功率Pr与入射光功率Pj之比，即WDM系统的基本结构图9实际WDM系统的基本结构经过一定距离传输后，用掺铒光纤放大器(EDFA)对光信号进行中继放大。根据具体情况，将EDFA用作“线放(LA)”,“功放(BA)”和“前放(PA)”。光监控信道(OSC)：监控系统内各信道的传输情况；WDM技术的主要特点光滤波器与光波分复用器图10光滤波器的三种应用(a)单纯的滤波应用；(b)波分复用器中应用；(c)波长路由器中应用有较低的插入损耗，且损耗与输入光的偏振态无关。图11由波分复用器构成静态路由器图12光滤波器的1dB带宽a：用于将光分离为不同波长的单色光。WDM系统中光栅用在解复用器中，分离出各个波长。图13光栅(a)透射光栅；(b)反射光栅图14透射光栅的工作原理a：传输媒质的周期性微扰可看作布喇格光栅；微扰常引起媒质折射率周期性的变化。一个波的能量可耦合到另一个波中。Λ为光栅周期.图15布喇格光栅的反射谱(a)均匀折射率情形；(b)变迹折射率情形3.光纤光栅短周期光纤光栅称光纤布喇格光栅，其周期可和光波长相比较。WDM系统中，光纤布喇格光栅可用作滤波器、光分插复用器和色散补偿器。图16基于光纤光栅结构的光分插复用器(a)简单光分；(b)光分插图17长周期光纤光栅的透射谱Λ为光栅周期。一般情况，两个正向传输模的传输常数相差很小，为发生耦合，要求Λ是一个相当大值。长周期光纤光栅适合作带阻滤波器，主要用于掺铒光纤放大器(EDFA)中作滤波器,使EDFA增益平坦化。图18FP滤波器若用自由空间波长λ表示，则图19FP滤波器的功率传递函数F-P滤波器两个紧邻通带间的光谱范围称自由光谱范围(FSR)，用FWHM表示传递函数的半高宽，比值FSR/FWHM称作F-P滤波器的精细度F,则5.多层介质薄膜滤波器图20三腔介质薄膜谐振腔滤波器图21单腔、双腔、三腔介质薄膜滤波器的传输谱图22基于多层介质薄膜滤波器的波分复用/解复用器6.马赫-曾德尔干涉仪图23马赫-曾德尔干涉仪(MZI)(a)结构图；(b)方框图；(c)四级MZIMZI作解复用器时，有一个输入，假设从输入端口1输入，经过第一个定向耦合器后，功率平均分配到两臂上，但在两臂上的信号有π/2的相差，下臂的信