第六章 光放大技术
第六章 无源与有源光器件—3
个来回，则偏振方向将一共旋 转90度，这是其实现光隔离功 能的本质特征；位相延迟波片 当光从一个方向通过它时，将 使偏振方向旋转45度；而光从 另一个方向通过它时，将使偏 振方向旋转-45度。这意味着 光束通过波片往返一次，其初 始的偏振状态将不被改变。有 了上述对三个关键器件功能的 分析，参考光隔离器的工作机 理，则易于理解图6.31所示的 三端口光环形器的工作原理。
光纤光栅
光纤光栅的功能与机理
光纤光栅是一类重要的无源光器件，也是一类重要的特种光 纤，它能有选择地反射和透射某此波长的光。 1.基本概念 光纤光栅的结构特征是，一段光纤其纤芯玻璃的折射率沿光纤 长度方向呈周期性的变化(如先增大，后减小，再次增大)。纤芯折 射率的周期性变化将导致通过光纤的光发生散射，这种效应与分布 在反射性表面上一排高度平行的条纹或槽构成的衍射光栅所产生的 不同波长光谱展开的现象类似。光纤光栅中“条纹”处的折射率高 于纤芯中其他部分的折射率，这种折射率变化的分布结构，将使通 过其中的光发生布拉格散射效应，最终使光纤光栅能选择性地反射 某些选定的波长，而使其他波长的光波透射。为此，光纤光栅又称 为反射型或短周期光栅，亦称为“光纤布拉格光栅”(Fiber Bragg Grating，BFG)。1990年光纤布拉格光栅开始出现。
图6.31 光环形器原理结构示意图
6.3.3 光衰减器
为防止强光可能使接收机过载(例如发射机距接收机很时， 接收机接收的光信号可能很强)，光路中需要使用光衰减器。 光衰减器是光滤波器的一种，但它又区别于其他类型的光 滤波器。在光纤系统中，光滤波器是指光透过率随波长而显著 变化的光器件。例如，一个滤波器可以对1530~1565nm掺铒放 大器工作波段的光透过，而对980nm泵浦波段的光却衰减50dB； 但光衰减器的功能却是在整个光谱范围内均匀地减小光强，去 掉多余的光能量。衰减器若对某一波长光衰减了3dB，则对其 他所有波长的衰减也都应为3dB。具体衰减方法通常是通过衰 减器吸收掉多余的光能量，由于光信号的这些能量相对于衰减 器来说很弱，因而不会引起衰减器显著的发热现象。由于衰减 器对光信号能量的吸收，因而减小了由于反射、散射等返回光 对激光发射机可能产生的噪声影响。
第六章 光有源器件
第6 章光有源器件光有源器件在光通信系统和光纤技术中占有重要地位。
光通信系统的实用和发展是和光有源器件的发展密切相关的,其中掺铒光纤放大器的实用化是光通信系统中的一个里程碑。
在本章中,我们介绍了四种重要的光有源器件: 光调制器、光源、光电探测器和光放大器。
6.1 光调制器光发射机的功能是把输入电信号转换为光信号, 并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。
其中把电信号转换为光信号的过程就是光调制。
调制后的光波经过光纤信道送到接收端, 由光接收机鉴别出它的变化, 再恢复原来的信息, 这个过程称为光解调。
调制和解调是光纤通信系统的重要内容。
6.1.1 光信号的调制光发射机把电信号转换为光信号的过程(常简称为电/光或E/O转换)是通过电信号对光的调制实现的。
用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流, 使输出光随电信号变化, 这种调制方式称为“直接调制”, 又称内调制.直接调制技术具有简单、经济、容易实现等优点, 是光纤通信中常用的调制方式, 但只适用于半导体激光器和发光二极管。
这是因为发光二极管和半导体激光器的输出光功率(对激光器来说, 是指阈值以上线性部分) 基本上与注入电流成正比, 而且电流的变化转换为光功率的变化也呈线性, 所以可以通过改变注入电流来实现光强度调制。
在直接调制半导体激光二极管的过程中, 不仅输出光强度随调制电流发生变化, 而且输出光的频率也会发生波动, 也就是说在幅度调制的同时还受到相位影响, 产生激光频率动态滑动而偏离其稳态值, 这个现象称为“啁啾”特性。
特别是在微波信号进入高速调制情况下, 这种现象更严重。
由于啁啾特性存在, 不仅使单个纵模的线宽展宽, 而且在单模光纤中传播时, 在色散作用下非线性失真将增大。
这将对光纤链路产生极其不良的影响。
外调制解决办法是使用外调制器, 即间接调制。
如图6. 2所示为光纤通信系统中光间接调制方式。
在这种光纤链路中, 调制的电信号不是直接施加在激光二极管上, 而是施加在光调制器上。
第六章 无源与有源光器件—2
6.2.2
光纤定向耦合器
光纤定向耦合器是作为光纤线路的分路、合路、插入以及节 点互连的一种光耦合器件。在光通信及其他光纤系统中，凡涉及 多个光波信号的分、合及相互耦合时，都需要用到光纤定向耦合 器。本节以光纤传输系统中使用最多的定向耦合元件—四端口X 形定向耦合器为典型进行重点分析，介绍其工作原理、制作方法、 主要性能参数，进而扩展到星形耦合器。 1.X形光纤定向耦合器的工作原理与制作方法 光纤定向耦合器依据工作机理可分为三种类型：部分反射式、 波前分割式和模场耦合式。 模场耦合式光纤定向耦合器的工作机理，是基于光纤倏逝场 耦合的模式理论，即依据光纤中传输模式场分布的相互耦合来 实现光信号的分路与合路。当两光纤的纤芯相距足够近时，两 光纤中传输的模式将通过它们的倏逝场相互耦合，即在一根光 纤中传输的模式场分布会扩展到另一根光纤，使在其中激励起
图6.21
2×2熔锥型光纤定向耦合器结构与分路示意图
在理想情况下，当在端口①输入光功率P1时，在③、④端口 将按设计预定的比例输出光功率P3和P4，而无返回端口②的功率 分量，即P2=0。故为定向耦合器。基于定向耦合器的双向性，当 由其他端口输入时，其特性也将以此类推。由于理想的2×2定向 耦合器可视为一个无源且无插入损耗的器件，它有确定的分光比。 根据耦合波方程，可以求得其功率传输函数由如下矩阵确定
输出端口数目 每个输出端口所占的信号功率比 2 4 5 8 10 15 20 25 50 100 0.5 0.25 0.20 0.125 0.1 0.067 0.05 0.04 0.026.99 9.03 10 11.76 13.01 13.98 16.99 20
表6.2
无附加损耗条件下光耦合器中平均分配信号的损耗规律
2.光耦合器的主要类型 光耦合器的用途很多，制造的器件与材料也各异。根据功能 用途、端口排布规律以及制造的器件与材料、结构特点等，可将 光耦合器大致区分为图6.18所示的主要类型。
第6章光纤通信新技术
实用光纤放大器外形图及其构成方框图
EDFA构成器件的性能选择：
EDFA的增益取决于Er 3+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。
（1）对泵浦光源的基本要求是大功率和长寿命。波长为1480 μm的InGaAsP多量子阱(MQW)激光器， 输出光功率高达100 mW, 泵浦光转换为信号光效率在6 dB/mW以上。波长为980 nm的泵浦 光转换效率更高，达10 dB/mW，而且噪声较低，是未来发展的 方向。
7.1 光纤放大器 7.2 光波分复用技术 7.3 光交换技术 7.4 光孤子通信 7.5 相干光ห้องสมุดไป่ตู้信技术 7.6 光时分复用技术 7.7
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第7章 光纤通信新技术
光纤通信发展的目标是提高通信能力和通信质量，降低 价格，满足社会需要。
进入20世纪90年代以后，光纤通信成为一个发展迅速、 技术更新快、新技术不断涌现的领域。
已经实用化或者有重要应用前景的新技术： （1）光放大技术。代替光-电-光再生中继器。 （2）光波分复用技术。扩大网络通信的容量。 （3）光交换技术。突破电子线路的极限速率20Gb/s，是实现 全光通信的关键技术。 （4）光孤子通信。改善色散的影响，实现超长距离传输。 （5）相干光通信。提高灵敏度，增加传输距离。 （6）光时分复用技术。提高传输速率，扩大传输容量。 （7）波长变换技术。扩大WDM网络的灵活性和可扩容性。
35.0
30.0
增 益 / dB
25.0
增 益 / dB
20.0
15.0
输 出 光 功 率 / dBm
10.0
I
I
I
I
5.0
I
0.0
现代光学基础
(2)
阿贝成像原理: 物是一系列不同空间频率 阿贝成像原理: 的集合.入射光经物平面发生夫琅和费衍射, 的集合.入射光经物平面发生夫琅和费衍射, 在透镜焦面（ 频谱面） 在透镜焦面 （ 频谱面 ） 上形成一系列衍射 光斑, 光斑,各衍射光斑发出的球面次波在相面上 相干叠加,形成像. 相干叠加,形成像.
1 令 p0 = d ,
1 2 2 f (x) = + cos(2πp0 x) − cos(2π 3p0 x) 2 π 3 π
2 + cos(2π 5p0 x)L L 5π
上式表明,图中表示的矩形波可以分解为不同频 上式表明, 率的简谐波, 率的简谐波,这些简谐波的频率为
1 3 5 p =, , , , L L d d d
激光
条纹，相当于一个“衍射光栅” 条纹，相当于一个“衍射光栅”，一般是
全息照片
用相同于拍摄时的激光作为照明光， 用相同于拍摄时的激光作为照明光，照明 光经全息照片（ 光经全息照片（即“光栅”）便发生衍射 光栅” ，得到一列沿照射方向传播的零级衍射光 波和二列一级衍射波(见图) 波和二列一级衍射波(见图)。
对于光栅我们可以用透过率函数ƒ′（x）来描 来描 对于光栅我们可以用透过率函数 一维透射光栅的透过率函数是一矩形波函数. 述,一维透射光栅的透过率函数是一矩形波函数. 为了讨论问题方便, 设光栅狭缝总数N无限大. 为了讨论问题方便, 设光栅狭缝总数N无限大.
f (x)
− 2d
−d
d − 4
0
d d 3d 4 2 4
２．阿贝成像原理
1873年，阿贝（E.Abbe，1840—1905）在显微镜成象原 年 阿贝（ ， ） 理的论述中， 理的论述中，首次提出了空间频率和空间频谱以及两次衍射 成象的概念，并用傅里叶变换来阐明显微镜成象的物理机制。 成象的概念，并用傅里叶变换来阐明显微镜成象的物理机制。 1906年，波特（A.B.Porter）以一系列实验证实了阿贝成象 年 波特（ ） 原理（ 原理（Abbe principle of image formation）。 ）。
光电检测技术第六章
光波测距仪原理示意图
同时，激光器激励电压
的相位改变了 (9-17)
值：
式中 是激光器激励电压即激光光通量的变化角频 率； 是相应的频率。这样，光电接收器上的信号电压 和 激光器激励电压 间产生了 的相位差。 借助于电测试计数测量出角 ，即可以计算出待测距离
(9-20) 式中 是辐射光通量变化一周光波传播距离； 称作测尺 为相对相位
前述的干涉系统还可以用来测量物体的运动速度。此时将被 测物体安装在测量臂上，并以速度 距离的时间为 的光通量的变化频率 可表示成 移动。则它移动了 ，这个时间即光通量变化周期。相应
(9-15)
式中， 为光速； 为干涉仪光源的光频率。
式中， 是波数的时间变化率。由于 是常数，因而 运动速度与光通量的变化频率成正比。所以，只要测得光通 量的变化频率，即可计算出所需的运动速度。例如采用激光 波长为 的干涉仪，测得的光通量变化频率 为 ，则物体的运动速度应为 。
2. 双通道测量系统
单通道测量的主要缺点是入射光通量的波动会直接影响测量 结果，采用具有两个光学通道的测量方法将克服这一缺点。
基准通道
标准样品 光检测器
光辐射源
测量通道
光检测器 待测样品
放大器
差动法双通道测量系统
图中，光辐射源1借助于反射镜和透镜分别沿着基准通道I和测量通道II并 行传送。在基准通道I的光路中放置具有固定透过率的标准样品2，通过 光检测器5监视入射光通量 的变化。在测量通道II中放置被测样品4， 透过被测样品的光通量 经光检测器6后在放大器7中和基准通道的参考 信号相比较，通过不同形式的比较处理，最终得到测量结果。
标准样品光屏透过率可变基准通道测量通道光检测器光检测器放大器光辐射源待测样品指针机构伺服电机接放大器输出电压被测样品透过率可变透过率光电接收器灵敏度光电接收器灵敏度标准样品透过率标准通道测量通道差动放大器的失调信号平式97表示了在两通道平衡时被测透过率与指针位置对应关系
通信行业光传输网络优化与扩容方案
通信行业光传输网络优化与扩容方案第一章光传输网络概述 (2)1.1 光传输网络的基本概念 (2)1.2 光传输网络的关键技术 (3)1.2.1 光源技术 (3)1.2.2 光纤技术 (3)1.2.3 光放大器技术 (3)1.2.4 光接收器技术 (3)1.2.5 网络管理技术 (3)第二章光传输网络现状分析 (4)2.1 现有光传输网络的架构 (4)2.1.1 网络结构概述 (4)2.1.2 传输设备与光纤技术 (4)2.1.3 网络管理系统 (4)2.2 现有光传输网络的功能评估 (4)2.2.1 传输容量 (4)2.2.2 传输距离 (4)2.2.3 传输质量 (4)2.3 存在的问题与挑战 (5)2.3.1 网络容量瓶颈 (5)2.3.2 网络安全性 (5)2.3.3 网络运维成本 (5)2.3.4 环境与能源问题 (5)第三章光传输网络优化策略 (5)3.1 传输容量优化 (5)3.2 网络拓扑优化 (5)3.3 传输质量优化 (6)第四章光传输网络扩容方案 (6)4.1 扩容技术选型 (6)4.2 扩容方案设计 (7)4.3 扩容方案实施步骤 (7)第五章网络监控与维护 (8)5.1 网络监控技术 (8)5.2 网络故障处理 (8)5.3 网络维护策略 (8)第六章光传输网络安全性 (9)6.1 安全风险分析 (9)6.1.1 物理层面风险 (9)6.1.2 网络层面风险 (9)6.2 安全防护措施 (10)6.2.1 物理层面防护措施 (10)6.2.2 网络层面防护措施 (10)6.3 安全管理策略 (10)6.3.1 安全管理制度 (10)6.3.2 安全培训与宣传 (10)6.3.3 应急预案 (10)第七章光传输网络节能降耗 (10)7.1 能耗分析 (10)7.1.1 能源消耗现状 (10)7.1.2 能源消耗影响因素 (11)7.2 节能措施 (11)7.2.1 设备优化 (11)7.2.2 网络结构优化 (11)7.2.3 系统优化 (11)7.3 降耗策略 (12)7.3.1 设备维护与管理 (12)7.3.2 能源监测与管理 (12)第八章光传输网络发展趋势 (12)8.1 技术发展趋势 (12)8.2 市场发展趋势 (12)8.3 产业链发展趋势 (13)第九章光传输网络政策与法规 (13)9.1 政策环境分析 (13)9.1.1 国家政策导向 (13)9.1.2 地方政策支持 (13)9.1.3 行业政策引导 (14)9.2 法规要求 (14)9.2.1 法律法规框架 (14)9.2.2 光传输网络建设法规 (14)9.2.3 光传输网络运营法规 (14)9.3 政策法规对光传输网络的影响 (14)9.3.1 政策环境对光传输网络发展的推动作用 (14)9.3.2 法规要求对光传输网络建设的规范作用 (14)9.3.3 政策法规对光传输网络市场秩序的维护作用 (14)第十章光传输网络项目实施与评估 (14)10.1 项目实施流程 (14)10.2 项目评估方法 (15)10.3 项目风险控制与应对策略 (15)第一章光传输网络概述1.1 光传输网络的基本概念光传输网络，作为一种新型的信息传输方式，以其高速、大容量、长距离传输的优势，在通信行业中占据着举足轻重的地位。