光纤通信技术

第二篇光纤通信技术第一章概述第二章光器件介绍第三章光放大技术第四章复用技术第五章相干光通信技术第六章SDH技术第1章概论1·1光纤通信发展的历史和现状1·2光纤通信的优点和应用1·3光纤通信系统的基本组成1.1光纤通信的发展与现状早期的光通信早期利用光进行通信的例子可以追溯到中国周朝的“烽火台”

这种原始形式的光通信只能传递一些简单的事先约定好的信息

公元前200年左右,古希腊的Polybios发明了一种传输系统，不仅可以传递一些固定信息，还可以传递字母。αζλπφβημρΧγωυσθδιξτΨεκον左右大约每分钟可以传送8个字符，如果每个字符5Bit,传输速率为0.67bit/s图1.1贝尔电话系统到了1880年，贝尔发明了第一个光电话，这一大胆的尝试，可以说是现代光通信的开端。 在这里，将弧光灯的恒定光束投射在话筒的音膜上，随声音的振动而得到强弱变化的反射光束，这个过程就是调制。这个系统的传输距离很短，而且还受到其它因素的影响。虽然这个系统没有实用价值，但它证明用光波作为载波传送信息是可行的。以上几种通信都是利用大气作为光通道，光波传播易受气候的影响，在大雾天气，它的可见度距离很短，遇到下雨、下雪天也有影响。也就是这种通信不是全天候的。在光器件方面，1960年使用的是固体红宝石激光器，1961开发出氦-氖气体激光器，1970年美国贝尔实验室研制成功可以在室温下工作的半导体激光器。光纤通信 在大气光通信受阻之后，人们将研究的重点转入到地下光波通信的实验，先后出现过反射波导和透镜波导等地下通信的实验.这种系统存在严重的缺点这种系统理论上是可行的，但在实际应用上遇到了无法克服的困难现场施工时，校准和安装十分复杂为了不受地面活动的影响。只能在人车稀少的地方使用，或将波导深埋地下。在光传输介质方面，研究了以下三种光传输手段：（1）光在大气中传播。（2）光通过一系列透镜在管道中传输。（3）利用玻璃纤维传输光波。光纤通信应具备的条件要有理想的传输媒介要有理想的光源1966年，英籍华人高锟(K.C.Kao，当时工作于英国标准电信研究所)博士深入研究了光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题，发现这种玻璃纤维引起光损耗的主要原因是其中含有过量的铜、铁与锰等金属离子和其他杂质。当时光纤的损耗是1000dB/Km当时预言经过提纯和改善材料的均匀性，可以降低到几个dB/km1970年取得重大突破，美国康宁公司研制出了损耗20dB/km的石英光纤，这样的损耗已经能够与同轴电缆进行竞争了。随后一段时间损耗不断降低：1972年康宁公司降到4dB/km1973年美国贝尔试验室降到2.5dB/km1974年美国贝尔试验室降到1.1dB/km1976年日本电报电话公司等降到0.47dB/km1979年0.2dB/km1984年0.157dB/km1986年0.154dB/km光源取得进展1970美国贝尔实验室、日本电气公司和前苏联先后突破了半导体激光器在低温（-200℃）或脉冲激励条件下工作的限制，研制成功在室温下连续工作的半导体激光器——虽然激光器的寿命只有几小时，其为半导体激光器的发展奠定了基础。随后几年的发展1973年7000小时（短波长）1977年10万小时1976年日本电报电话公司研制城1.3μm

的激光器1979年美国电报电话公司和日本电报电话公司研制成功1.55μm的激光器这时低损耗的光纤和半导体激光器都已被研制出来，具备了光纤通信实用化的基础我国在光纤通信研究方面的进展我国1974年开始研究，1976年研制出多模光纤，1979年建成5.7km实验系统，1983年建成连接武汉3镇的8Mbits/s系统,1985年又扩容成34Mbits/s,开始实用。1991年起，不再建长途电缆通信系统，而大力发展光纤通信。“八五”期间，建成22条光缆干线、总长度33000km的“八纵八横”光纤通信干线传输网。1999年建成8×2.5Gbits/sDWDM系统。最近报道：我国已经领先研制出80×40Gb/sDWDM工程化与试验系统。可以实现4000万人（对）同时通话，或传输几万路超高清晰度数字电视。光纤通信的发展大致分成3个阶段第一阶段（1966－1976年）开发时期从基础研究到商业应用，实现了短波长（0.85μm）低速率的（45Mb/s或34Mb/s)多模光纤通信系统，无中继传输距离约10km即第一代光纤通信第二阶段（1976－1984年）以提高传送速率和增加传输距离为研究目标，属于大力推广应用时期光波波长从0.85μm1.31μm光纤具有较低的损耗和最低的色散即：第二代光纤通信第三阶段大容量超长距离为目标 －光纤从多模

单模－光波波长从0.85μm1.31μm1.55μm－无中继传输速率140Mb/s—565Mb/s－广泛应用于长途干线和跨洋通信即：第三代光纤通信光纤通信技术发展趋势继续增大通信容量和传输距离光同步数字体系得到了迅速应用和发展宽带业务本地用户光纤网和ATM引起世界重视光电集成技术迅速发展全光通信技术发展迅速1.2光纤通信的主要特性1.2.1光纤通信的优点1.光纤的容量大

光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统，其载波—光波具有很高的频率(约1014Hz)，因此光纤具有很大的通信容量。2.损耗低、中继距离长

目前，实用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光纤，此类光纤在1.55μm波长区的损耗可低到0.18dB/km，比已知的其他通信线路的损耗都低得多，因此，由其组成的光纤通信系统的中继距离也较其它介质构成的系统长得多。如果今后采用非石英光纤，并工作在超长波长(＞2μm)，光纤的理论损耗系数可以下降到10-3～10-5dB/km，此时光纤通信的中继距离可达数千，甚至数万公里。3.抗电磁干扰能力强

我们知道，电话线和电缆一般是不能跟高压电线平行架设的，也不能在电气铁化路附近铺设。4.保密性能好

对通信系统的重要要求之一是保密性好。然而，随着科学技术的发展，电通信方式很容易被人窃听：只要在明线或电缆附近(甚至几公里以外)设置一个特别的接收装置，就可以获取明线或电缆中传送的信息。更不用去说无线通信方式。5.体积小，重量轻6.节省有色金属和原材料1.2.2光纤通信的缺点

事物都是一分为二的，光纤通信有许多优点，因而发展很快，但光纤通信也有以下缺点。

1.抗拉强度低2.光纤连接困难3.光纤怕水1.2.3光纤通信的应用电信应用

长距离大容量系统干线数据通信

计算机网络通信方面视频图像通信

用于广播电视与共用天线（CATV）系统文稿电信号编码转变成便于传输的信号还原成原始电信号电信号打印文稿信源电发射机电接收机调制解调信宿传输媒介铜线传真机传真机一般通信系统的传输部分1.3

通信系统组成无线通信系统组成信源电发射机电接收机无线发射机无线接收机信宿无线传输媒机介调制解调光纤通信系统组成信源电发射机电接收机光发射机光接收机信宿光纤传输媒介调制解调光纤通信系统组成（合成）信源电发射机电接收机光发射机光接收机信宿光纤传输媒介信源的作用将用户信息（如声音、图像或文字等）转换成原始电信号这种原始的电信号称为基带信号这个基带信号被送入电发射机电发射机的作用就是把基带信号转换为适合信道传输的信号。如果这个转换需要调制，则称其输出信号为已调信号光发射机的作用不论是数字信号，还模拟信号将输入的电信号转换成光信号将转换后的光信号用近可能高效率耦合进入光纤光纤的作用作用尽可能少的失真尽可能小的衰耗将光信号传递到接收端光接收机光接收机的作用将光发射机送出来的光信号转换（还原）成为电信号电接收机的作用将光接收机传送过来的电信号还原为基带信号。电接收机的工作是与电发射机相反。信宿的作用将基带信号恢复成用户信息：如语音、图像，视频图像等基本光纤传输系统通过配置适当的光器件可以大大提高基本光纤传输系统的能力和性能例如：在光纤线路中插入光纤放大器，便可以组成光纤中继长途系统又如：通过配置光波分复用和解复用可以组成大容量波分复用系统第2章通信用光器件有源器件无源器件光源光检测器光放大器连接器耦合器波分复用器隔离器光开关调制器通信用光器件波长转换2.1光纤的结构、类型及性质2.1.0最早的光纤1930年德国的一个医科学生第一次制造出了用于传输图像的光纤(束),但是图像很模糊重新排列光纤顺序,没有意识到真正的原因成束的光纤相互接触,会在接触的地方使一根光纤中的光泄漏到另一根光纤中解决这个问题的是一个密歇根大学的一个本科生解决了这个问题---使用玻璃包层目前的光纤结构2.1.1光纤的结构光纤的作用就是将光能限制在光纤表面以内，并引导光能沿光纤轴向传播包层的作用减少散射损耗—散射损耗是由前纤芯表面介质不连续造成的。增加光纤的机械强度—光纤细而且脆防止在光纤与外界接触时光纤可能受到的污染。光纤折射率的取值光纤的包层折射率一定要小于纤芯折射率这时光纤能够传输光必要条件，它们之间的差别用相对折射率差△来表示。单模光纤

△=0.3%~0.6%多模光纤△=1%~2%取值范围2.1.2光纤的分类根据光纤的折射率构成的不同分成两类阶跃折射率光纤—纤芯折射率是均匀的梯度折射率光纤—纤芯折射率随着离纤芯的距离而改变根据传输的模式的多少有可将光纤为单模光纤（Step-IndexFiber,SIF）—只能传输一种模式多模光纤（Graded-IndexFiber,GIF）—同时传输多种模式根据损耗的大小低损耗光纤—使用玻璃石英作为纤芯材料，包层使用另一种玻璃或塑料高损耗光纤—纤芯使用塑料材料，包层也使用塑料光纤种类很多，这里只讨论作为信息传输波导用的由高纯度石英（SiO2）制成的光纤三种基本类型光纤的结构

(a)突变型多模光纤；(b)渐变型多模光纤；（c）单模光纤

多模光纤的优点－与单模比较由于多模光纤的纤芯较粗，容易将光功率注入光纤易于将相同的光纤连接在一起可以使用发光二极管LED作为光源，因为LED价格便宜，使用寿命长，电路简单多模光纤的主要缺点：它存在模间色散，因为每个模的传播速度略微不同。单模光纤的优点它的带宽很宽它的缺点是：必须使用半导体激光器作为光源，所以价格较贵，电路复杂操作不不如多模方便，因为纤芯较细主要用途：

突变型多模光纤只能用于小容量短距离系统。

渐变型多模光纤适用于中等容量中等距离系统。

单模光纤用在大容量长距离的系统。特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平

1.55μm色散移位光纤实现了10Gb/s容量的100km的超大容量超长距离系统。

色散平坦光纤适用于波分复用系统，这种系统可以把传输容量提高几倍到几十倍。

三角芯光纤有效面积较大，有利于提高输入光纤的光功率，增加传输距离。

偏振保持光纤用在外差接收方式的相干光系统，这种系统最大优点是提高接收灵敏度，增加传输距离。2.1.3光纤传输特性

产生信号畸变的主要原因是光纤中存在色散，损耗和色散是光纤最重要的传输特性：

损耗限制系统的传输距离色散则限制系统的传输容量

色散(Dispersion)是在光纤中传输的光信号，由于不同成分（模式，频率等）的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。光纤色散1.色散、带宽和脉冲展宽色散的种类模式色散材料色散波导色散模式色散由不同的传输模式时间延迟不同而产生，只在多模光纤中存在。与光纤的折射率分布有关（渐变光纤、突变光纤）与光纤材料折射率波长特性有关。材料色散由于光纤的折射率随波长而改变，模式内部部不同波长成分的光（实际光源不是纯单色光）的时间延迟不同而产生取决于光纤材料折射率的波长特性取决于光源的谱线宽度波导色散由波导的结构参数与波长有关而产生取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率差。

光纤损耗

损耗的存在光信号幅度减小限制系统的传输距离。在最一般的条件下，在光纤内传输的光功率P随距离z的变化，可以用下式表示(2.3)习惯上α的单位用dB/km，由式(2.2)得到损耗系数Po=Piexp(-αL)(2.2)设长度为L(km)的光纤，输入光功率为Pi，根据式(2.1)，输出光功率应为式中，α是损耗系数。(2.1)

1.损耗的机理

图2.5是单模光纤的损耗谱，图中示出各种机理产生的损耗与波长的关系，图2.5单模光纤损耗谱，示出各种损耗机理这些机理包括吸收损耗和散射损耗两部分

吸收损耗是由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。

散射损耗主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利(Rayleigh)散射和由光纤结构缺陷(如气泡)引起的散射产生的。

瑞利散射损耗是光纤的固有损耗，它决定着光纤损耗的最低理论极限。2.2光源

光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号转换为光信号。目前光纤通信广泛使用的光源主要有：半导体激光二极管或称激光器(LD)发光二极管或称发光管(LED)有些场合也使用固体激光器，例如掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器。

对光源的要求在光纤通信种考虑的几个因素决定着对光源的选择：①信号源的波长必须位于所用光纤的传输窗口；②功率应足够大，以便于接收机接收，但功率也不能过高，以免引光纤中非线性效应或使接收机过载；③光源的光谱不能太宽，因为色散限制了带宽；④光源还必须将光有效的耦合进光纤中。半导体激光器基本结构半导体激光器的结构多种多样，基本结构是图3.5示出的双异质结(DH)平面条形结构。这种结构由三层不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同的光波长。图中标出所用材料和近似尺寸。结构中间有一层厚0.1~0.3μm的窄带隙P型半导体，称为有源层；两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层。三层半导体置于基片(衬底)上，前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里-珀罗(FP)谐振腔。

图3.6示出DH激光器工作原理。由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压后，P层的空穴和N层的电子注入有源层。P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P层。同理，注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。

半导体激光器实物带尾纤的半导体激光器发光二极管(LED)的工作原理与激光器(LD)有所不同：

LD发射的是受激辐射光；

LED发射的是自发辐射光。发光二极管LED的结构LED的结构和LD相似，大多是采用双异质结(DH)芯片，把有源层夹在P型和N型限制层中间，不同的是LED不需要光学谐振腔，没有阈值。发光二极管有两种类型一类是正面发光型LED，另一类是侧面发光型LED其结构示于图3.14。和正面发光型LED相比，侧面发光型LED驱动电流较大，输出光功率较小，但由于光束辐射角较小，与光纤的耦合效率较高，因而入纤光功率比正面发光型LED大。

图3.14两类发光二极管(LED)(a)正面发光型；(b)侧面发光型与激光器LD相比，发光二极管的缺点：<1>发光二极管输出光功率较小；<2>谱线宽度较宽；<3>调制频率较低。发光二极管的优点：<1>发光二极管温度特性更稳定，并且电光转换噪声很小；<2>工作寿命长；<3>输出光功率线性范围宽；<4>制造工艺简单，价格低廉。<5>驱动电路简单因此，这种器件在低成本、高可靠性、小容量和短距离系统中发挥了重要作用。

LED与LD比较发光二极管具有如下工作特性(1)光谱特性

发光二极管发射的是自发辐射光，没有谐振腔对波长的选择，谱线较宽，如图。随着温度升高或驱动电流增大，谱线加宽，且峰值波长向长波长方向移动，短波长和长波长LED的移动分别为0.2~0.3nm/℃和0.3~0.5nm/℃。LED光谱特性

(2)光束的空间分布。

在垂直于发光平面上，正面发光型LED辐射图呈朗伯分布，即P(θ)=P0

cosθ，半功率点辐射角θ≈120°。侧面发光型LED，θ‖≈120°，θ⊥≈25°~35°。由于θ大，LED与光纤的耦合效率一般小于10%。

图3.16发光二极管(LED)的P-I特性(3)输出光功率特性。

发光二极管实际输出的光子数远远小于有源区产生的光子数，一般外微分量子效率ηd小于10%。两种类型发光二极管的输出光功率特性示于图3.16。驱动电流I较小时，P-I曲线的线性较好；

I过大时，由于PN结发热产生饱和现象，使P-I曲线的斜率减小。在通常工作条件下，LED工作电流为50~100mA，输出光功率为几mW，由于光束辐射角大，入纤光功率只有几百μW。LED的P__I特性曲线原理：由正向偏置电压产生的注入电流进行自发辐射而发光43210501001500℃25℃70℃电流/mA输出功率/mW信源电发射机电接收机光发射机光接收机信宿光纤传输媒介2.3光检测器电－光转换光－电转换实现光电转换的关键部件就是光电二极管(PD)

2.3.1光电二极管工作原理

光电二极管(PD)把光信号转换为电信号的功能，是由半导体PN结的光电效应实现的。在PN结界面上，由于电子和空穴的扩散运动，形成内部电场。内部电场使电子和空穴产生与扩散运动方向相反的漂移运动，最终使能带发生倾斜，在PN结界面附近形成耗尽层如下图。当入射光作用在PN结时hf≥Eg如果光子的能量大于或等于带隙(hf≥Eg)，便发生受激吸收，即价带的电子吸收光子的能量跃迁到导带形成光生电子-空穴对。在耗尽层，由于内部电场的作用，电子向N区运动，空穴向P区运动，形成漂移电流。 在耗尽层两侧是没有电场的中性区，由于热运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在电场作用下，形成和漂移电流相同方向的扩散电流。漂移电流分量和扩散电流分量的总和即为光生电流。当与P层和N层连接的电路开路时，便在两端产生电动势，这种效应称为光电效应。当连接的电路闭合时，N区过剩的电子通过外部电路流向P区。同样，P区的空穴流向N区，便形成了光生电流。当入射光变化时，光生电流随之作线性变化，从而把光信号转换成电信号。这种由PN结构成，在入射光作用下，由于受激吸收过程产生的电子-空穴对的运动，在闭合电路中形成光生电流的器件，就是简单的光电二极管(PD)。

由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收，因而光电转换效率低，响应速度慢。为改善器件的特性，在PN结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导体(称为I)，这种结构便是常用的PIN光电二极管。

PIN光电二极管的工作原理和结构见图2-9。中间的I层是N型掺杂浓度很低的本征半导体，用Π(N)表示；两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，用P+和N+表示。I层很厚，吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量电子-空穴对，因而大幅度提高了光电转换效率。两侧P+层和N+层很薄，吸收入射光的比例很小，I层几乎占据整个耗尽层，因而光生电流中漂移分量占支配地位，从而大大提高了响应速度。另外，可通过控制耗尽层的宽度w，来改变器件的响应速度。2.3.2

PIN光电二极管图2-9PIN光电二极管结构光电二极管的外型结构

光电二极管输出电流I和反偏压U满足一定关系。随着反向偏压的增加，开始光电流基本保持不变。当反向偏压增加到一定数值时，光电流急剧增加，最后器件被击穿，这个电压称为击穿电压UB。APD就是根据这种特性设计的器件。根据光电效应，当光入射到PN结时，光子被吸收而产生电子-空穴对。如果电压增加到使电场达到200kV/cm以上，初始电子(一次电子)在高电场区获得足够能量而加速运动。高速运动的电子和晶格原子相碰撞，使晶格原子电离，产生新的电子-空穴对。新产生的二次电子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增，见下图。所以这种器件就称为雪崩光电二极管(APD)。

2.3.3雪崩光电二极管(APD)

APD载流子雪崩式倍增示意图

APD的结构有多种类型，如图2-10示出的N+PΠP+结构被称为拉通型APD。在这种类型的结构中，当偏压加大到一定值后，耗尽层拉通到Π(P)层，一直抵达P+接触层，是一种全耗尽型结构。拉通型雪崩光电二极管(RAPD)具有光电转换效率高、响应速度快和附加噪声低等优点。

图2-10APD结构图2.4光无源器件

一个完整的光纤通信系统，除光纤、光源和光检测器外，还需要许多其它光器件，特别是无源器件。这些器件对光纤通信系统的构成、功能的扩展或性能的提高，都是不可缺少的。虽然对各种器件的特性有不同的要求，但是普遍要求插入损耗小、反射损耗大、工作温度范围宽、性能稳定、寿命长、体积小、价格便宜，许多器件还要求便于集成。本节主要介绍无源光器件的类型、原理和主要性能。

一、连接器和接头连接器用于设备之间的活动性连接这种连接不是永久性的连接；连接系统的一端，用于将光缆与发射机或接受机相连将室外光缆引入大楼的接插板上设备之间缺点就插入损耗大

一般在光纤的中间通常使用接头，在光缆的终端通常使用连接器连接器的结构连接器要求的加工精度很高，因为光纤很细，容许的公差很小。连接器面板当光缆引入室内后，往往接在如下图的面板上，便于操作和管理。连接器的种类ST连接器SC连接器FC连接器光纤连接器的种类很多，目前常用的类型是如下所列的三种。SC连接器—展开和装配形式ST连接器—展开和装配形式各种连接器实物图一般情况下，我们使用的连接器都带一段尾纤。跳线隔离器就是一种非互易器件，其主要作用是只允许光波往一个方向上传输，阻止光波往其他方向特别是反方向传输。

隔离器主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到该器件致使器件性能变坏。结构图可见：P26图2-16

二、光隔离器

三、

光开关有时，为了系统能够安全可靠的工作，设计了冗余系统，这样需要配置光开关。光开关光发射机光接收机光发射机光接收机光纤损坏光开关技术光机械开关微电子机械系统(MEMS)开关气泡开关电光开关液晶开关光机械开关光机械开关能移动光纤以改变光信号的方向。光纤的固定部分输出光纤机械连接可移动光纤其优点：插入损耗小、串扰小，适合各种光纤，技术成熟缺点：开关速度慢。光机械开关光机械开关还能移动光学器件以改变光信号的方向，如转动光学镜片来改变光信号的方向。光纤微电子机械系统（MEMS）开关MEMS开关利用非常小的可移动微反射镜改变光的方向。这种技术来于制作集成电子电路的光刻法。气泡开关在液体波导中利用液体中来回移动的气泡做开关电光开关利用物理材料的电光效应来做开关，这种材料（铌酸锂）随着外加电压的不同而改变折射率，折射率的改变会改变通过光波导的光的速度，从而两路波导信号在不同的输出端有信号输出。液晶开关液晶开关是通过改变光的偏振态来工作的。磁光效应光开关磁光效应是指线偏振光在磁性介质中传播时，受外磁场的作用其偏振面发生旋转的一种物理现象。旋光物质一般采用钇铁石榴石（YIG）晶体材料，当迎着磁场方向观察，偏振光总是按反时针方向旋转。磁光效应光开关原理法拉第旋转器和石英旋转器对光束偏振面的旋转分别为－45°和+45°从上端口输出；法拉第旋转器和石英旋转器对光束偏振面的旋转皆为+45°光从下端口输出。1×2磁光光开关2x2磁光光开关

3光放大技术光放大器的种类半导体光放大器原理及应用EDFA的工作原理、特性及应用3.1光纤放大器种类

光放大器有两种类型：半导体光放大器光纤放大器（掺铒光纤放大器和非线性光纤放大器）半导体光放大器将半导体激光器两端的反射镜去掉，就能对通过它的光进行放大，这就构成了半导体光放大器半导体光放大器种类法布里－泊罗半导体光放大器 把半导体激光器作为光放大器使用行波式光放大器 光在行进过程中将其放大的 高增益、高输出功率、宽频带等•

半导体光放大器的优点是：小型化，容易与其他半导体器件集成•

半导体光放大器的缺点是：

性能与光偏振方向有关，器件与光纤的耦合损耗大。光纤放大器的性能与光偏振方向无关，器件与光纤的耦合损耗很小，因而得到广泛应用。半导体光放大器的优缺点光纤放大器也是以激光原理为基础，在激光器里有一个谐振腔，光在谐振腔里振荡并产生激光，光纤放大器是没有端镜和谐振腔的，被放大的光仅仅通过放大器一次，通过把工作发光物质制作成光纤形状所以称为光纤激光器。严格的讲，光纤放大器与光纤激光器不同光纤放大器

掺铒光纤放大器工作原理

图示出掺铒光纤放大器(EDFA)的工作原理，说明了光信号放大的原因。从图可以看到，在掺铒光纤(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2-23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

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2-23(b)示出EDFA增益和吸收频谱。

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。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。掺铒光纤放大器的构成和特性

如图为光纤放大器构成原理图输入信号光隔离器波分复用器泵浦掺铒光纤光隔离器输出信号掺铒光纤(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。

掺铒光纤放大器的优点和应用

EDFA的主要优点有：

•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，可达0.1dB。•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。•噪声指数小，一般为4～7dB；用于多信道传输时，隔离度大，无串扰，适用于波分复用系统。•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。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，WDM或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。

图7.5(a)光纤放大器的应用形式中继放大器

LDPD中继放大器EDFA的应用，归纳起来可以分为三种形式，如图7.5所示。

•中继放大器（LA：LineAmplifier）在光纤线路上每隔一定的距离设置一个光纤放大器，以延长干线网的传输距离）

•前置放大器（PA：Preamplifier)置于光接收机的前面，放大非常微弱的光信号，以改善接收灵敏度。作为前置放大器，对噪声要求非常苛刻。

•后置放大器

（BA：BoosterAmplifier)置于光接收机的后面，以提高发射机功率。对后置放大器噪声要求不高，而饱和输出光功率是主要参数。图7.5(b)光纤放大器的应用形式前置放大器和后置放大器

LDPD后置放大器前置放大器光纤4光波分复用技术

随着人类社会信息时代的到来，对通信的需求呈现加速增长的趋势。发展迅速的各种新型业务(特别是高速数据和视频业务)对通信网的带宽(或容量)提出了更高的要求。为了适应通信网传输容量的不断增长和满足网络交互性、灵活性的要求，产生了各种复用技术。在光纤通信系统中除了大家熟知的时分复用(TDM)技术外，还出现了其他的复用技术：（1）光时分复用(OTDM)（2）光波分复用(WDM)（3）光频分复用(OFDM)（4）副载波复用(SCM)光波分复用原理

1.WDM的概念

光波分复用(WDM：WavelengthDivisionMultiplexing)技术是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术。光波分复用（WDM）的基本原理是：在发送端将不同波长的光信号组合起来(复用)，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开(解复用)，并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端，因此将此项技术称为光波长分割复用，简称光波分复用技术。

图7.6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)光纤的带宽有多宽？在硅光纤存在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(|Δf|=|-Δλc/λ2|,λ和Δλ分别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，相应的带宽为12500GHz。

两个窗口合在一起，总带宽超过30THz。如果信道频率间隔为10GHz，在理想情况下，一根光纤可以容纳3000个信道。由于一些光器件与技术还不十分成熟，因此要实现光信道十分密集的光频分复用(OFDM)还较为困难。在这种情况下，人们把在同一窗口中信道间隔较小的波分复用称为密集波分复用(DWDM：DenseWavelengthDivisionMultiplexing)。WDM－每条光纤传输2～4个波长，初期2个波长CWDM－粗波分复用，每条光纤传输4～8个波长DWDM－密集波分复用，支持8个以上，最新的系统支持上百个波长目前该系统是在1550nm波长区段内，同时用8，16或更多个波长在一对光纤上(也可采用单光纤)构成的光通信系统，其中各个波长之间的间隔为1.6nm、0.8nm或更低，约对应于200GHz,100GHz或更窄的带宽。

WDM、DWDM和OFDM在本质上没有多大区别以往技术人员习惯采用WDM和DWDM来区分是1310/1550nm简单复用还是在1550nm波长区段内密集复用，但目前在电信界应用时，都采用DWDM技术。由于1310/1550nm的复用超出了EDFA的增益范围，只在一些专门场合应用，所以经常用WDM这个更广义的名称来代替DWDM。

WDM技术对网络升级、发展宽带业务(如CATV，HDTV和IPoverWDM等)、充分挖掘光纤带宽潜力、实现超高速光纤通信等具有十分重要意义，尤其是WDM加上EDFA更是对现代信息网络具有强大的吸引力。目前，“掺铒光纤放大器(EDFA)+密集波分复用(WDM)+非零色散光纤(NZDSF，即G.655光纤)+光子集成(PIC)”正成为国际上长途高速光纤通信线路的主要技术方向。

如果一个区域内所有的光纤传输链路都升级为WDM传输，我们就可以在这些WDM链路的交叉(结点)处设置以波长为单位对光信号进行交叉连接的光交叉连接设备(OXC)，或进行光上下路的光分插复用器(OADM)，则在原来由光纤链路组成的物理层上面就会形成一个新的光层。在这个光层中，相邻光纤链路中的波长通道可以连接起来，形成一个跨越多个OXC和OADM的光通路，完成端到端的信息传送，并且这种光通路可以根据需要灵活、动态地建立和释放，这就是目前引人注目的、新一代的WDM全光网络。

2.WDM系统的基本形式光波分复用器和解复用器是WDM技术中的关键部件，将不同波长的信号结合在一起经一根光纤输出的器件称为复用器(也叫合波器)。反之，经同一传输光纤送来的多波长信号分解为各个波长分别输出的器件称为解复用器(也叫分波器)。从原理上讲，这种器件是互易的(双向可逆)，即只要将解复用器的输出端和输入端反过来使用，就是复用器。

因此复用器和解复用器是相同的(除非有特殊的要求)。

WDM系统的基本构成主要有以下两种形式：双纤单向传输单纤双向传输。

(1)双纤单向传输。