在摻鉺光纖課件

1、 相干光通信、全光通信網(wǎng)、量子通信 光交換技術(shù)、光孤子通信 光波分復(fù)用技術(shù) 光纖放大器第7章光纖通信新技術(shù) 光時分復(fù)用、波長變換技術(shù) 相干光通信、全光通信網(wǎng)、量子通信 光交換技術(shù)、 在光放大器研制成功之前，主要采用光電混合中繼器（或稱再生器）放大光信號。首先將光纖中送來的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后對電信號進行放大，最后再將放大了的電信號轉(zhuǎn)換為光信號送到光纖中去，如圖7-1所示。根據(jù)不同的要求，可將再生器分為三種類型: 只有放大和均衡功能的1R再生器，用于模擬信號的傳輸; 2R再生器，即在1R的基礎(chǔ)上加上數(shù)字信號處理(如整形(Reshaping)的再生器；3R再生器，即在2R的基礎(chǔ)上再增加重新定時

2、與判決功能（Retiming）的再生器。它們的功能如圖7-2所示。 6.1 光放大器的作用與一般特性 在光放大器研制成功之前，主要采用光圖7-1 傳統(tǒng)的中繼器原理框圖 圖7-1 傳統(tǒng)的中繼器原理框圖 圖7-2 三種再生器的功能圖7-2 三種再生器的功能 盡管這種方式對于單個波長且數(shù)據(jù)速率不太高的通信很適用，但對于高速率的多個波長系統(tǒng)顯然是相當(dāng)復(fù)雜的，每一波長就需一個再生器，如有N個波長就需要N個這樣的再生器，造價是相當(dāng)高的。另一方面，對于很高的數(shù)據(jù)速率，電放大器的實現(xiàn)難度很大。因此，人們試圖對光信號直接放大，如果這種放大的帶寬較寬，則可以同時對多個波長進行放大， 因而只需一個放大器即可。人們經(jīng)

3、過很大的努力，終于研制成功了全光放大器，它可同時對多個波長進行放大。光放大器從功能上來看屬于1R再生器。 盡管這種方式對于單個波長且數(shù)據(jù)速光放大器的分類半導(dǎo)體光放大器 優(yōu)點是體積小，制造工藝成熟，便于與其他光器件集成，在波分復(fù)用系統(tǒng)中可用作光開關(guān)和波長變換器。工作波段可覆蓋1.3m和1.5 m波段。 缺點是與光纖耦合困難，耦合損耗大，對光的偏振特性敏感，噪聲及串?dāng)_較大。摻鉺光纖放大器 利用稀土金屬離子作為激光器工作物質(zhì)的一種放大器。非線性光纖放大器 包括受激拉曼光纖放大器和受激布里淵光纖放大器。光放大器的分類半導(dǎo)體光放大器 研究開發(fā)光纖通信的初期就已著手研制SOA了，但受噪聲、偏振相關(guān)性、連接

4、損耗、非線性失真等因素的影響，其性能達不到實用化要求。應(yīng)用量子阱材料的SOA具有結(jié)構(gòu)簡單，可批量生產(chǎn), 成本低, 壽命長, 功耗小等優(yōu)點，并且便于與其他部件一塊集成，可望制作出1310 nm和1540 nm波段的寬帶放大器，以覆蓋EDFA、PDFA的應(yīng)用窗口。SOA在波長變換器中的應(yīng)用現(xiàn)已引起廣泛重視，并將逐步得到應(yīng)用。 半導(dǎo)體光放大器SOA 研究開發(fā)光纖通信的初期就已著手研制SOA的放大原理 半導(dǎo)體光放大器的工作原理與所有的光放大器一樣，也是利用受激輻射來實現(xiàn)對入射光功率的放大的，產(chǎn)生受激輻射所需的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)機制與半導(dǎo)體激光器中使用的完全相同，即采用正向偏置的PN結(jié)，對其進行電流注入，實現(xiàn)粒

5、子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。SOA與半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)相似，但它沒有反饋機制，而反饋機制對產(chǎn)生相干的激光是很必要的。因此SOA只能放大光信號，但不能產(chǎn)生相干的光輸出。 SOA的放大原理 SOA有兩種主要結(jié)構(gòu)，即法布里-珀羅放大器(FPA)和非諧振的行波放大器(TWA)。在FPA中，形成PN結(jié)有源區(qū)的晶體的兩個解理面作為法布里-珀羅腔的部分反射鏡，其自然反射率達到32%。為了提高反射率，可在兩個端面上鍍多層介電薄膜。當(dāng)光信號進入腔內(nèi)后，它在兩個端面來回反射并得到放大，直至以較高的功率發(fā)射出去。FPA的制作容易，但要求注入電流和溫度的穩(wěn)定性較高，光信號的輸出對放大器的溫度和入射光的頻率變化敏感。 SOA有兩種主

6、要結(jié)構(gòu)，即法布里-珀羅放大 行波放大器TWA的結(jié)構(gòu)與FPA的基本相同，但兩個端面上鍍的是增透膜，習(xí)慣稱為防反射膜或涂層AR。鍍防反射涂層的目的是為了減少SOA與光纖之間的耦合損耗，因此有源區(qū)不會發(fā)生內(nèi)反射，但只要注入的電流在閾值以上，在腔內(nèi)仍可獲得增益，入射光信號只需通過一次TWA就會得到放大。TWA的功率輸出高，對偏振的靈敏度低，光帶寬寬，因而它比FPA使用得更廣。SOA最大的優(yōu)點是它使用InGaAsP來制造，因此體積小、緊湊，可以與其他半導(dǎo)體和元件集成在一起。 行波放大器TWA的結(jié)構(gòu)與FPA的基本相同，但(1) 它們與偏振有關(guān)， 因此需要保偏光纖。 (2) 它們具有可靠的高增益(20 dB

7、)。 (3) 它們的輸出飽和功率范圍是510 dBm。 (4) 它們具有大的帶寬。 (5) 它們工作在0.85m，1.30m和1.55m波長范圍。 (6) 它們是小型化的半導(dǎo)體器件，易于和其他器件集成。 (7) 幾個SOA可以集成為一個陣列。 但是，由于非線性現(xiàn)象(四波混頻)，SOA的噪聲指數(shù)高，串?dāng)_電平高。 SOA的主要特性(1) 它們與偏振有關(guān)， 因此需要保偏光纖。 SOA的主要特 1. 光信號放大器 因為在世界范圍內(nèi)已鋪設(shè)了大量的常規(guī)單模光纖，還有很多系統(tǒng)工作在1.30m波段，并需要周期性的在線放大器，而工作波長為1.30m的EDFA目前尚未達到實用化的水平，所以仍然需要SOA。 2.

8、光電集成器件 半導(dǎo)體放大器可與光纖放大器相抗衡的優(yōu)點是體積小、成本低以及可集成性, 即可以集成在含有很多其它光電子器件(例如激光器和檢測器)的基片上。 SOA的性能與應(yīng)用 1. 光信號放大器SOA的性能與應(yīng)用 3. 光開關(guān) 除了能提供增益外，半導(dǎo)體放大器在光交換系統(tǒng)中可以作為高速開關(guān)元件使用。 因為半導(dǎo)體在有泵浦時可以產(chǎn)生放大，而在沒有泵浦時產(chǎn)生吸收。其運轉(zhuǎn)很簡單，當(dāng)提供電流泵浦時信號通過，而需要信號阻斷時將泵浦源斷開。通過的信號因半導(dǎo)體中載流子數(shù)反轉(zhuǎn)而得到放大，而受阻的信號則因半導(dǎo)體沒有達到載流子反轉(zhuǎn)數(shù)而被吸收。值得注意的是，只有半導(dǎo)體放大器才能夠完成高速交換，在光纖放大器中由于載流子壽命太

9、長而難以做到這一點。 4. 全光波長變換器AOWC SOA的一個主要應(yīng)用是利用SOA中發(fā)生的交叉增益調(diào)制、交叉相位調(diào)制和四波混頻效應(yīng)來實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換。 3. 光開關(guān) 7.1.1 EDFA(Erbium-Doped Fiber Amplifier)的工作原理 鉺(Er)是一種鑭系稀土元素，原子序數(shù)是68，原子量為167.3，利用其4f能級。在制造光纖過程中，設(shè)法向其摻入一定量的三價鉺離子，便形成了摻鉺光纖(EDF)。除了所摻的鉺以外，這種光纖的構(gòu)造與通信中單模光纖的構(gòu)造一樣，如圖7-4所示。鉺離子位于EDF的纖芯中央地帶，將鉺離子放在這里有利于其最大地吸收泵浦和信號能量，從而產(chǎn)生好的放大效果。環(huán)繞

10、在纖芯外的折射率較低的玻璃包層則完善了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)并提供了抗機械強度的特性，保護層的加入則將光纖總直徑增大到250m。由于它的折射率較包層而言有所增加，因而它可將任何不希望在其包層中傳播的光轉(zhuǎn)移掉。 7.1光 纖 放 大 器 7.1.1 EDFA(Erbium-Doped Fib 在摻鉺光纖(EDF)中，鉺離子(Er3+)有三個能級。其發(fā)光原理可用三能級系統(tǒng)來解釋，基態(tài)為4I15/2，亞穩(wěn)態(tài)為4I13/2，激發(fā)態(tài)為4I11/2。在泵浦光的激勵下，4I11/2能級上的粒子數(shù)不斷增加，又由于其上的粒子不穩(wěn)定，很快躍遷到亞穩(wěn)態(tài)4I13/2能級，從而實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)具有1550 nm波長的光信號通過這

11、段摻鉺光纖時，亞穩(wěn)態(tài)的粒子以受激輻射的形式躍遷到基態(tài)，并產(chǎn)生出和入射光信號中的光子一模一樣的光子，從而大大增加了信號光中的光子數(shù)量，即實現(xiàn)了信號光在摻鉺光纖的傳輸過程中不斷被放大的功能，摻鉺光纖放大器也由此得名。 摻鉺光纖放大器放大原理 在摻鉺光纖(EDF)中，鉺離子(E 在鉺粒子受激輻射的過程中，有少部分粒子以自發(fā)輻射形式自己躍遷到基態(tài)，產(chǎn)生帶寬極寬且雜亂無章的光子，并在傳播中不斷地得到放大，從而形成了自發(fā)輻射放大ASE(Amplified Spontaneous Emission)噪聲，并消耗了部分泵浦功率，因此，需增設(shè)光濾波器以降低ASE噪聲對系統(tǒng)的影響。目前，由于980 nm和1480

12、 nm的泵浦效率高于其他波長的泵浦效率，因此它們得到了廣泛的應(yīng)用，并已完全商用化。 在鉺粒子受激輻射的過程中，有少部分粒子以自發(fā)7.1.2 摻鉺光纖放大器的構(gòu)成和特性 EDFA的基本組成，包括： 泵浦激光、波分復(fù)用(WDM)耦合器、光隔離器和摻鉺光纖(EDF)。這些基本組件可以組成許多不同拓撲結(jié)構(gòu)的放大器。為了獲得增益，光能必須注入摻鉺光纖中，我們把這種能量稱為泵浦，它以980 nm或1480 nm的波長傳送光能。泵浦的功率典型范圍是10400 mW。WDM合波/分波器能有效地將信號光和泵浦光耦合進/出摻鉺光纖。7.1.2 摻鉺光纖放大器的構(gòu)成和特性 圖7.3(b)為實用光纖放大器的構(gòu)成方框圖

13、。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。 光隔離器將系統(tǒng)所產(chǎn)生的任何反射回放大器的光減小到一個可接受的水平。如果沒有光隔離器，光反射將降低放大器的增益并附加噪聲，如圖7.3(a)所示。 在摻鉺光纖課件圖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)成方框圖 EDFA常用的結(jié)構(gòu)有三種，即同向泵浦、反向泵浦和雙向泵浦。(1) 同向泵浦是一種信號光與泵浦光以同一方向從摻鉺光纖的輸入端注入的結(jié)構(gòu)，也稱為前向泵浦。 (2) 反向泵浦是一種信

14、號光與泵浦光從兩個不同方向注入摻鉺光纖的結(jié)構(gòu)，也稱為后向泵浦。 (3) 雙向泵浦是同向泵浦與反向泵浦結(jié)合的方式，它們的原理框圖分別示于圖7-6(a)、 (b)、(c)。 EDFA常用的結(jié)構(gòu)有三種，即同向泵浦、反向泵浦和雙向泵浦。關(guān)鍵技術(shù)之一：摻鉺光纖光纖中摻入鉺離子形成的激光增益媒質(zhì)。 摻雜濃度：幾百ppm 芯徑 ： 4 m(8m) 長度 ： 5m20m設(shè)計高增益摻鉺光纖(EDF)是實現(xiàn)光纖放大器的技術(shù)關(guān)鍵，EDF的增益取決于Er3+的濃度、光纖長度和直徑以及泵浦光功率等多種因素，通常由實驗獲得最佳增益。關(guān)鍵技術(shù)之一：摻鉺光纖光纖中摻入鉺離子形成的激光增益媒質(zhì)。關(guān)鍵技術(shù)之二：泵浦激光器將摻鉺光

15、纖中的鉺離子從E1能級泵到E3能級，使其形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，為受激輻射創(chuàng)造條件。 980nm LD：首選。噪聲低。 1480nm LD：增益系數(shù)高。對泵浦光源的基本要求是大功率和長壽命。波長為1.480m的InGaAsP多量子阱(MQW)激光器，輸出光功率高達100mW, 泵浦光轉(zhuǎn)換為信號光效率在6 dB/mW以上。波長為 980 nm的泵浦光轉(zhuǎn)換效率更高，達10 dB/mW，而且噪聲較低，是未來發(fā)展的方向。對波分復(fù)用器的基本要求是插入損耗小，熔拉雙錐光纖耦合器型和干涉濾波型波分復(fù)用器最適用。光隔離器的作用是防止光反射，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作和減小噪聲，對它的基本要求是插入損耗小，反射損耗大。 關(guān)鍵技術(shù)

16、之二：泵浦激光器將摻鉺光纖中的鉺離子從E1能級泵到圖7.4是EDFA商品的特性曲線，圖中顯示出增益、 噪聲系數(shù)和輸出信號光功率與輸入信號光功率的關(guān)系。在泵浦光功率一定的條件下，當(dāng)輸入信號光功率較小時，放大器增益不隨輸入信號光功率而變化，基本上保持不變。當(dāng)信號光功率增加到一定值(一般為20 dBm) 后，增益開始隨信號光功率的增加而下降，因此出現(xiàn)輸出信號光功率達到飽和的現(xiàn)象。 增益飽和: 一般情況下輸入信號應(yīng)該足夠大， 以便能引起放大器的飽和增益。飽和時的增益隨信號功率增加而減小。 圖7.4是EDFA商品的特性曲線，圖中顯示出增益、 噪聲7.1.3摻鉺光纖放大器的優(yōu)點和應(yīng)用EDFA的主要優(yōu)點有：

17、(1) 工作波長正好落在光纖通信最佳波段(15001600 nm)；15301600nm約70nm（9THz）的放大帶寬；其主體是一段光纖(EDF)，與傳輸光纖的耦合損耗很小，只有0.1 dB，與光纖系統(tǒng)完全匹配，無光耦合和鍍膜問題。(2) 增益高，約為3040 dB; 飽和輸出光功率大，約為1015 dBm; 增益特性與光偏振狀態(tài)無關(guān)。(3) 噪聲系數(shù)小，一般為47 dB; 用于多波長信道傳輸時，無交叉相位調(diào)制 (XGM)和非線性串?dāng)_問題，隔離度大，適用于波分復(fù)用系統(tǒng)。 7.1.3摻鉺光纖放大器的優(yōu)點和應(yīng)用EDFA的主要優(yōu)(4) 頻帶寬，在1550 nm窗口，頻帶寬度為2040 nm，可進行

18、多波長信道傳輸，有利于增加傳輸容量。 (5) 高飽和輸出功率（200mW）。 (6) 對比特率和調(diào)制格式等不敏感，完全透明。 如果加上1310 nm摻鐠光纖放大器(PDFA)，頻帶可以增加一倍。所以“波分復(fù)用+光纖放大器”被認為是充分利用光纖帶寬增加傳輸容量最有效的方法。1550 nm EDFA在各種光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，并取得了良好效果。已經(jīng)介紹過的副載波CATV系統(tǒng)，波分復(fù)用(WDM)或光頻分復(fù)用(OFDM)系統(tǒng)，相干光系統(tǒng)以及光孤子通信系統(tǒng)，都應(yīng)用了EDFA，并大幅度增加了傳輸距離。(4) 頻帶寬，在1550 nm窗口，頻帶寬度為204EDFA光纖放大器的應(yīng)用 光放大器在不同的光纖

19、通信系統(tǒng)中均有應(yīng)用。 圖7-7給出了其四種基本的應(yīng)用。 (1) 線路放大器(LA，Line Amplifier) ：如圖7-7(a)所示，即用EDFA線路放大器實現(xiàn)全光中繼代替光電光混合中繼器，在光纖線路上每隔一定距離設(shè)置一個光纖放大器，以延長干線網(wǎng)的傳輸距離。當(dāng)光纖色散和放大器自發(fā)輻射噪聲累積尚未使系統(tǒng)性能惡化到不能工作時，這種代替是完全可行的，特別是對多信道光波系統(tǒng)更有誘惑力，可以節(jié)約大量的設(shè)備投資。 EDFA光纖放大器的應(yīng)用 光放大器在不 圖7-7 光放大的四種應(yīng)用情形線路放大器； (b) 后置放大器； (c) 前置放大器； (d) 功率補償放大器 圖7-7 (2) 后置放大器(BA,

20、Booster Amplifier)：如圖7-7(b)所示，即將光放大器接在光發(fā)送機后，以提高光發(fā)送機的發(fā)送功率，增加傳輸距離。這種放大器又稱為功率放大器。 (3) 前置放大器(PA, Preamplifier) ：如圖7-7(c)所示, 即將光放大器接在光接收機前，以提高接收功率和信噪比，增加通信距離。 (4) 功率補償放大器：如圖7-7(d)所示, 即將光放大器用于補償局域網(wǎng)中的分配損耗，以增大網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)，還可以將光放大器用于光子交換系統(tǒng)等多種場合，這種放大器亦稱為功率放大器。 在光波系統(tǒng)中，不同的應(yīng)用對光放大器有不同的要求。從四種放大器的性能看，摻鉺光纖放大器(EDFA)最適合光波通信系

21、統(tǒng)。 (2) 后置放大器(BA, BoosEDFA的優(yōu)點 工作波長與光纖最小損耗窗口一致 能量轉(zhuǎn)換效率高、耦合效率高 能同時放大多個波長，與信號的比特率無關(guān) 高增益、低噪聲、寬帶寬、與偏振無關(guān) 可實現(xiàn)透明傳輸EDFA的優(yōu)點 工作波長與光纖最小損耗窗口一致EDFA的不足 波長固定； 增益帶寬不平坦； 產(chǎn)生ASE噪聲。EDFA的不足 波長固定；7.1.4 拉曼光纖放大器FRA拉曼現(xiàn)象在1928年被發(fā)現(xiàn)。拉曼散射效應(yīng)，是指當(dāng)輸入到光纖中的光功率達到一定數(shù)值時(500mW即27dBm以上)，光纖結(jié)晶晶格中的原子會受到震動而相互作用，從而產(chǎn)生散射現(xiàn)象，其結(jié)果將較短波長的光能量向較長波長的光轉(zhuǎn)移。7.1.

22、4 拉曼光纖放大器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，F(xiàn)RA受到冷遇。隨著光纖通信網(wǎng)容量的增加，對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。特別是高功率二極管泵浦激光器的迅猛發(fā)展，又為FRA的實現(xiàn)奠定了堅實的基礎(chǔ)。人們對FRA的興趣來源于這種放大器可以提供整個波長波段的放大。通過適當(dāng)改變泵浦激光波長，就可以達到在任意波段進行寬帶光放大，甚至可在12701670nm整個波段內(nèi)提供放大。在摻鉺光纖課件工作原理 受激喇曼散射（SRS）是三階非線性光學(xué)效應(yīng)，是由光纖物質(zhì)中原子振動參與的光散射現(xiàn)象 。 晶體中原子的振動形成晶體中的格波，格

23、波的能量是量子化的，對頻率為的格波，它的每份能量是h，被稱為一個聲子。受激喇曼散射是光學(xué)支聲子參與的光散射。 喇曼散射的基本過程 ： Stokes過程： 下頻移 反Stokes過程： 上頻移 。Stokes過程是主要的。 喇曼增益譜寬，峰值位置在頻移13THz處工作原理 受激喇曼散射（SRS）是三階非線性光學(xué)效應(yīng)，是由光7.1.5 受激拉曼光纖放大器SRA的放大原理 拉曼效應(yīng)是在光纖介質(zhì)中傳輸高功率信號時發(fā)生的非線性相互作用，它是由介質(zhì)的分子激勵(聲子)所誘發(fā)的非彈性光子散射。光與聲子相互作用導(dǎo)致斯托克斯(Stokes)線的頻移(與信號光頻不同)，適當(dāng)?shù)剡x擇光纖介質(zhì)和泵浦頻率，可以將Stoke

24、s線調(diào)諧到被放大信號的頻率上。 7.1.5 受激拉曼光纖放大器SRA的放大原理 受激拉曼散射(SRS)過程可以看成是物質(zhì)分子對光子的散射過程，或者說光(光子)與物質(zhì)(分子)的相互諧振作用過程。SRS的基本過程是激光束進入介質(zhì)以后，光子被介質(zhì)吸收，使介質(zhì)分子由基能級E1激發(fā)到高能級E3, E3E1p。 這里，H =h2(h是普朗克常量)，p是入射光角頻率。但高能級是一個不穩(wěn)定狀態(tài)，它將很快躍遷到一個較低的亞穩(wěn)態(tài)能級E2并發(fā)射一個散射光子，其角頻率為s, 且s0，得到0，頻率下移；在脈沖頂部，|E|2不變，=0，得到=0，頻率不變；在脈沖下降部分，|E|2減小，0，頻率上移。頻移使脈沖頻率改變分布

25、，其前部(頭)頻率降低，后部(尾)頻率升高。這種情況稱脈沖產(chǎn)生線性調(diào)頻，或稱啁啾(Chirp)。 (7.21)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圖7.34脈沖的光強頻率調(diào)制圖7.34脈沖的光強頻率調(diào)制設(shè)光纖無損耗，在光纖中傳輸?shù)囊颜{(diào)波為線性偏振模式，其場可以表示為E(r,z,t)=R(r)U(z,t)expi(0t0z) (7.22)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)，0為光載波頻率，0為調(diào)制頻率=0時的傳輸常數(shù)。設(shè)已調(diào)波E(r,z,t)的頻譜在=0處有峰值，頻譜較窄，則可近似為單色平面波。由于非線性克爾效應(yīng)，傳輸常數(shù)應(yīng)寫成 (7.23)設(shè)

26、光纖無損耗，在光纖中傳輸?shù)囊颜{(diào)波為線性偏振模式，其場可式中，P為光功率，Aeff為光纖有效截面積。由此可見，不僅是折射率的函數(shù)，而且是光功率的函數(shù)。在0和P=0附近，把展開成級數(shù)，得到 (,P)=0+0(0)+0(0)2+2P (7.24)式中, ，Vg為群速度，即脈沖包絡(luò)線的運動速度。，比例于一階色散，描述群速度與頻率的關(guān)系。令，LNL稱為非線性長度，表示非線性效應(yīng)對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。由此可見，不僅式(7.24)雖然略去高次項，但仍較完整地描述了光脈沖在光纖中傳輸?shù)奶匦裕街杏疫叺谌椇偷谒捻椬顬橹匾?，這兩項正好體現(xiàn)了光纖色散和非線性效應(yīng)的影

27、響。如果00，適當(dāng)選擇相關(guān)參數(shù)，使兩項絕對值相等，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。波長為的光纖色散系數(shù)C()的定義為(7.25)式(7.24)雖然略去高次項，但仍較完整地描述了光脈沖在式中, =dd=1/Vg為群延時，Vg為群速度；=2f=2c/為光載波頻率，c為光速；0=d2/d2, 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D為零色散波長。在D時，C()0，稱為光纖正常色散區(qū)；在D時，C()0, 0PS，同時考慮到本振光相位鎖定在信號光相位上，即fL=fS，這樣便得到零差檢測的光生信號電流

28、為IP(t)=2 cos(t) (7.32)1. 零差檢測選擇L=S，即IF=0，這種情零差檢測信號平均功率與直接檢測信號平均功率之比為42PSPL/(2PS2)=4PL/PS。由于PLPS，零差檢測接收信號功率可以放大幾個數(shù)量級。雖然噪聲也增加了，但是靈敏度仍然可以大幅度提高。零差檢測技術(shù)非常復(fù)雜，因為相位變化非常靈敏，必須控制相位，使fSfL保持不變，同時要求L和S相等。零差檢測信號平均功率與直接檢測信號平均功率之比為42PS2. 外差檢測選擇LS，即IF=SL0，這種情況稱為外差檢測。通常選擇fIF(=IF/2)在微波范圍。這時中頻信號產(chǎn)生的電流為Iac(t)=2cosIFt+(fSfL

29、)+(t) (7.33)與零差檢測相似，外差檢測接收光功率放大了，從而提高了靈敏度。外差檢測信噪比的改善比零差檢測低3 dB，但是接收機設(shè)計相對簡單，因為不一定需要相位鎖定。需要指出，對于相位調(diào)制，還需要采用鑒相器將式(7.32)或式(7.33)中的(t)解調(diào)出來。 2. 外差檢測選擇LS，即IF=SL7.5.2調(diào)制和解調(diào)如前所述，相干檢測技術(shù)的主要優(yōu)點是可以對光載波實施幅度、頻率或相位調(diào)制。對于模擬信號，有三種調(diào)制方式，即幅度調(diào)制(AM)、頻率調(diào)制(FM)和相位調(diào)制(PM)。對于數(shù)字信號，也有三種調(diào)制方式，即幅移鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)。7.5.2調(diào)制和解調(diào)如前

30、所述，相干檢測技術(shù)的主要優(yōu)點1. 幅移鍵控(ASK)基帶數(shù)字信號只控制光載波的幅度變化，稱為幅移鍵控(ASK)。ASK的光場表達式為ES(t)=AS(t) cos (St+fS) (7.34)式中, AS、S和fS分別為光場的幅度、中心角頻率和相移。在ASK中，只對幅度進行調(diào)制。對于二進制數(shù)字信號調(diào)制，在大多數(shù)情況下，“0” 碼傳輸時，使AS=0，“1”碼傳輸時，使AS=1(或者相反)。1. 幅移鍵控(ASK)基帶數(shù)字信號只控制光載波的ASK相干通信系統(tǒng)必須采用外調(diào)制器來實現(xiàn)，這樣只有輸出光信號的幅度隨基帶信號而變化。如果采用直接光強調(diào)制，幅度變化將引起相位變化。外調(diào)制器通常用鈦擴散的鈮酸鋰(

31、Ti: LiNbO3)波導(dǎo)制成的馬赫-曾德爾(MZ)干涉型調(diào)制器。這種調(diào)制器在消光比大于20時，調(diào)制帶寬可達20 GHz。 ASK相干通信系統(tǒng)必須采用外調(diào)制器來實現(xiàn)，這樣只有輸出光2. 相移鍵控(PSK)基帶信號只控制光載波的相位變化，稱為相移鍵控(PSK)。PSK的光場表達式為ES(t)=AS cosSt+(t)(7.35)在PSK中，只對相位進行調(diào)制。傳輸“0”碼和傳輸“1”碼時，分別用兩個不同相位(通常相差180)表示。如果傳輸“0”時，光載波相位不變，傳輸“1”碼時，相位改變180，這種情況稱為差分相移鍵控(DPSK)。對于二進制數(shù)字信號調(diào)制，相位通常取0和兩個值。電脈沖為“0”碼時，

32、光脈沖相位為0，電脈沖為“1”碼時，光脈沖相位為。PSK系統(tǒng)必須用相干檢測，如果信號光不與本振光混頻而直接檢測，所有的信息都將丟失。2. 相移鍵控(PSK)基帶信號只控制光載波的相位和ASK使用的MZ干涉型調(diào)制器相比，設(shè)計PSK使用的相位調(diào)制器要簡單得多。 這種調(diào)制器只要選擇適當(dāng)?shù)拿}沖電壓，就可以使相位改變=。但是在接收端光波相位必須非常穩(wěn)定，因此對發(fā)射和本振激光器的譜寬要求非常苛刻。和ASK使用的MZ干涉型調(diào)制器相比，設(shè)計PSK使用的相位3. 頻移鍵控(FSK) 基帶數(shù)字信號只控制光載波的頻率，稱為頻移鍵控(FSK)。FSK的光場表達式為ES(t)=AS cos(S)t+fS(7.36)在F

33、SK中，AS保持不變，只對頻率進行調(diào)制。傳輸“0”碼和傳輸“1”碼時，分別用頻率f0(=0/2)和f1(=1/2)表示。對于二進制數(shù)字信號，用(S)和(S+)分別表示“0”碼和“1”碼。2f (=2/2)稱為碼頻間距。在式(7.36)中，(S)t+fS和St+(fSt)是等效的，因此FSK信號的相位是隨時間變化的。 3. 頻移鍵控(FSK) 基帶數(shù)字信號只控制光載波相干檢測的解調(diào)方式有兩種： 同步解調(diào)和異步解調(diào)。用零差檢測時，光信號直接被解調(diào)為基帶信號，要求本振光的頻率和信號光的頻率完全相同，本振光的相位要鎖定在信號光的相位上，因而要采用同步解調(diào)。同步解調(diào)雖然在概念上很簡單，但是技術(shù)上卻很復(fù)雜

34、。用外差檢測時，不要求本振光和信號光的頻率相同，也不要求相位鎖定，可以采用同步解調(diào)，也可以采用異步解調(diào)。對于PSK信號，必須采用同步解調(diào)，要求恢復(fù)中頻載波IF，并實現(xiàn)鑒相，因而要求一種電的鎖相環(huán)路。異步解調(diào)簡化了接收機設(shè)計，技術(shù)上容易實現(xiàn)，只要采用檢測器(實現(xiàn)包絡(luò)檢波或頻率檢波)即可。相干檢測的解調(diào)方式有兩種： 同步解調(diào)和異步解調(diào)。7.5.3誤碼率和接收靈敏度1. 信噪比相干光通信系統(tǒng)光接收機的性能可以用信噪比(SNR)定量描述。系統(tǒng)總平均噪聲功率(均方噪聲電流)為 (7.37)式中, i2s和i2T分別為散粒噪聲功率和熱噪聲功率，e為電子電荷，Id為光檢測器暗電流，B為等效噪聲帶寬，kT為熱

35、能量，RL為光檢測器負載電阻，Ip為光生電流，由式(7.31)或式(7.32)確定。7.5.3誤碼率和接收靈敏度1. 信噪比相干光外差檢測的信噪比大多數(shù)相干光接收機的噪聲由本振光功率PL引入的散粒噪聲所支配，與信號光功率的大小無關(guān)，因此，式(7.38)中的Id和i2T項可以略去，由此得到(7.38)(7.39)外差檢測的信噪比大多數(shù)相干光接收機的噪聲由本振光光檢測器的響應(yīng)度=e/hf, 為光檢測器量子效率，e和hf分別為電子電荷和光子能量；等效噪聲帶寬B=fb/2，fb為傳輸速率；平均信號光率Ps可以用每比特時間內(nèi)的光子數(shù)Np表示為Ps=Nphffb (7.40)把上述關(guān)系代入式(7.39)得

36、到SNR=2Np (7.41)零差檢測的平均信號光功率是外差檢測的2倍，所以零差檢測的信噪比SNR=4Np (7.42)光檢測器的響應(yīng)度=e/hf, 為光檢測器量子效率，e和2. 誤碼率誤碼率(BER)可以由信噪比(SNR)確定。以ASK零差檢測為例，設(shè)判決信號為Ia= (Ip+ic) (7.43)式中, Ip=2(PsPL)1/2為信號光生電流，ic為高斯隨機噪聲。設(shè)“0”碼和“1”碼時，Ip分別取I0和I1，在理想情況下，誤碼率(7.44)2. 誤碼率誤碼率(BER)可以由信噪比(SNR)式中, Q=(I1I0)/, N0和N1分別為“0”碼和“1” 碼的等效噪聲功率。設(shè)N0=N1，I0=

37、0，則得到把式(7.45)和式(7.42)代入式(7.44)，得到在“0”碼和“1”碼概率相等條件下，對于ASK，NP=2Np, Np為長比特流情況下，每比特平均光子數(shù)。用類似方法可以得到各種調(diào)制和解調(diào)方式的相干接收機BER和極限靈敏度。 (7.45)(7.46)式中, Q=(I1I0)/, N0和N1分別為“3. 靈敏度為確定接收靈敏度，利用式(7.39)和式(7.45)得到式中利用了=e/hf。最小平均接收光功率(7.48)(7.47)3. 靈敏度為確定接收靈敏度，利用式(7.39)和式(例如光波長為1.55 m的ASK外差檢測，設(shè)=1，B=1 GHz。hf=hc/, h為普朗克常數(shù)，c為

38、光速，為光波長。當(dāng)BER=109時，Q6，由式(7.48)計算得到Psmin=10 nW或Pr=50 dBm。在相干檢測中，通常用每比特光子數(shù)Np表示靈敏度。在相同假設(shè)條件下，由式(7.48)得到Psmin=72 hf由此得到每比特光子數(shù)Np=72或Np=36。 例如光波長為1.55 m的ASK外差檢測，設(shè)=1，B表7.2和圖7.43示出不同調(diào)制方式相干檢測接收機誤碼率和量子極限靈敏度。由表可見，一個理想的直接檢測光接收機，在BER=109時，要求每比特10個光子(Np=10)，該值幾乎接近最好的相干接收機PSK 零差檢測接收機的Np, 而比所有的其他相干接收機都好。然而，實際上因為熱噪聲、暗

39、電流和其他許多因素的影響，絕不會達到這個數(shù)值，通常只能達到Np1000。然而在相干接收的情況下，表中的數(shù)值很容易實現(xiàn)，這是因為借助增加本振光功率，使散粒噪聲占支配地位的結(jié)果。 表7.2和圖7.43示出不同調(diào)制方式相干檢測接收機誤碼率7.5.4相干光系統(tǒng)的優(yōu)點和關(guān)鍵技術(shù)相干光系統(tǒng)的主要優(yōu)點是：(1) 靈敏度提高了1020 dB，線路功率損耗可以增加到50 dB。如果使用損耗為0.2 dB/km光纖，無中繼傳輸距離可達250 km。由于相干光系統(tǒng)通常受光纖損耗限制，所以周期地使用光纖放大器可以增加傳輸距離。實驗表明，當(dāng)每隔80 km加入一個摻鉺光纖放大器，25 個EDFA可以使 2.5 Gb/s系

40、統(tǒng)的傳輸距離增加到2200 km以上，非常適合干線網(wǎng)使用。(2) 由于相干光系統(tǒng)出色的信道選擇性和靈敏度，和光頻分復(fù)用相結(jié)合，可以實現(xiàn)大容量傳輸，非常適合于CATV分配網(wǎng)使用。 7.5.4相干光系統(tǒng)的優(yōu)點和關(guān)鍵技術(shù)相干光系統(tǒng)的主要相干光系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是：(1) 必須使用頻率穩(wěn)定度和頻譜純度都很高的激光器作為發(fā)射光源和接收機本振光源。在相干光系統(tǒng)中，中頻一般選擇為21082109 Hz，1550 nm的光載頻約為21014 Hz，中頻是光載頻的106105倍，因此要求光源頻率穩(wěn)定度優(yōu)于108。一般激光器達不到要求，必須研究穩(wěn)頻技術(shù)，如以分子標(biāo)準(zhǔn)頻率作基準(zhǔn)，穩(wěn)定度可達1012。信號光源和本振光源頻

41、譜純度必須很高，例如中頻選擇100 MHz，頻譜寬度應(yīng)為幾千赫茲，一般激光器滿足不了這個要求。必須采用頻譜壓縮措施，提高頻譜純度，目前優(yōu)質(zhì)DFB-LD頻譜寬度可達幾千赫茲。相干光系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是：(1) 必須使用頻率穩(wěn)定度(2) 匹配技術(shù)。相干光系統(tǒng)要求信號光和本振光混頻時滿足嚴(yán)格的匹配條件，才能獲得高的混頻效率，這種匹配包括空間匹配、波前匹配和偏振方向匹配。(2) 匹配技術(shù)。相干光系統(tǒng)要求信號光和本振光混頻時滿足7.6光時分復(fù)用技術(shù)提高速率和增大容量是光纖通信的目標(biāo)。電子器件的極限速率大約20 Gb/s，現(xiàn)在通過電時分復(fù)用(TDM)已經(jīng)達到這個極限速率。若想要繼續(xù)提高速率，就必須在光域中想辦法。一般有兩種途徑： 波分復(fù)用(WDM)和光時分復(fù)用(OTDM)。多年來，WDM技術(shù)研究非常熱，已經(jīng)成熟并實用化；而OTDM技術(shù)還處于實驗研究階段，許多關(guān)鍵技術(shù)還有待解決。OTDM是在光域上進行時間分割復(fù)用，一般有兩種復(fù)用方式： 比特間插(Bit-interleaved)和信元間插(Cell-interleaved), 比特間插是目前廣泛被使用的方式，信元間插也稱為光分組(Optical Packet)復(fù)用。 7.6光時分復(fù)