光纖傳輸技術(shù)的發(fā)展

光纖傳輸技術(shù)的發(fā)展

一、光纖傳輸?shù)膽?yīng)用性能光學(xué)放大是一種可以直接在光范圍內(nèi)放大信號(hào)的設(shè)備。除了穩(wěn)定可靠的工作性能外,它能夠很好地與光纖傳輸中的密集波分復(fù)用系統(tǒng)互相兼容,極大地降低了中繼系統(tǒng)的維護(hù)成本,有力地推動(dòng)了光纖傳輸?shù)膹V泛應(yīng)用。目前的光放大器主要分為兩大類:摻鉺光纖放大器和喇曼光纖放大器。二、光學(xué)純度測試2.1基態(tài)基態(tài)離子摻鉺光纖放大器的工作原理與激光類似,都是基于原子的受激輻射實(shí)現(xiàn)光放大。摻鉺光纖是在石英光纖中摻雜適量的鉺離子(Er3+)。光纖中鉺離子在泵浦光激勵(lì)下吸收能量,由基態(tài)能帶4I15/2躍遷至較高能帶4I11/2,成為泵浦態(tài)或激發(fā)態(tài)。鉺離子在激發(fā)態(tài)上處于非穩(wěn)定狀態(tài),壽命較短,很快通過非輻射躍遷的方式轉(zhuǎn)變?yōu)閬喎€(wěn)態(tài),其能帶為4I13/2。亞穩(wěn)態(tài)上的鉺例子具有較長壽命,從而鉺例子在泵浦光作用下能夠在亞穩(wěn)態(tài)上逐漸積累,形成對基態(tài)的離子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)光信號(hào)通過光纖時(shí),亞穩(wěn)態(tài)的鉺離子發(fā)生受激輻射,產(chǎn)生一個(gè)與信號(hào)光子完全相同的光子,從而實(shí)現(xiàn)了信號(hào)光的放大。一般的摻鉺光纖放大器工作于1550nm波段,該波段為光纖的低損耗窗口。泵浦光波長為980nm或1480nm。2.2波分復(fù)用器和光濾波器摻鉺光纖放大器主要由五部分組成:摻鉺光纖、泵浦源、波分復(fù)用器、光隔離器和光濾波器。摻鉺光纖實(shí)現(xiàn)信號(hào)光的放大;泵浦源為摻鉺光纖提供光放大所需的泵浦能量;波分復(fù)用器將信號(hào)光與泵浦光進(jìn)行合成,注入到摻鉺光纖中;光隔離器使光纖中的光實(shí)現(xiàn)單向傳輸,防止在光纖中產(chǎn)生光震蕩影響正常的工作狀態(tài);光濾波器的作用是消除因激發(fā)態(tài)鉺例子自發(fā)輻射所產(chǎn)生的光噪聲,提高放大器信噪比。此外還有若干輔助電路對放大器的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測,以及工作溫度和功率的控制。根據(jù)放大器的泵浦光傳輸形式,可以分為三種結(jié)構(gòu):同向泵浦結(jié)構(gòu)、反向泵浦結(jié)構(gòu)、雙向泵浦結(jié)構(gòu)。2.3混合纖維材料的應(yīng)用1、光纖傳輸線路接入摻鉺光纖放大器主要有三種基本應(yīng)用形式:(1)線路放大:將放大器直接插入至光纖傳輸線路中作為中繼器使用,多出現(xiàn)于長距離的光纖傳輸中。(2)功率放大:將放大器置于光發(fā)射機(jī)之后,以彌補(bǔ)光發(fā)射機(jī)功率的不足。(3)前置放大:將放大器置于光接收機(jī)前端,以提高接收機(jī)靈敏度。2、摻光纖在波分復(fù)用系統(tǒng)中的優(yōu)勢由于電信號(hào)放大設(shè)備在帶寬上的限制,需要將光信號(hào)解復(fù)用后對各個(gè)頻率成分分別進(jìn)行信號(hào)放大。故一個(gè)波分復(fù)用系統(tǒng)的中繼設(shè)備包含多個(gè)電信號(hào)放大裝置。摻鉺光纖在波分復(fù)用系統(tǒng)中具有明顯的優(yōu)勢,其最大的優(yōu)勢在于:使用一個(gè)摻鉺光纖放大器即可一次性對復(fù)用系統(tǒng)中各頻率成分光信號(hào)實(shí)現(xiàn)放大。這種工作方式使得中繼設(shè)備的維護(hù)成本大幅下降,且系統(tǒng)可靠性上升,便于維護(hù),見圖1。3、網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)特性有線電視傳輸系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)不僅要求較高的信噪比,還要求較大的最小光接收功率。這種特性使得該網(wǎng)絡(luò)的中繼距離較低,往往只能傳輸十幾公里。同時(shí)網(wǎng)絡(luò)特性要求一個(gè)光發(fā)射機(jī)能夠驅(qū)動(dòng)多個(gè)光節(jié)點(diǎn)進(jìn)行工作。這兩種特性對光發(fā)射設(shè)備的功率輸出提出了較高的要求。將摻鉺光纖放大器以功率放大方式安置于光發(fā)射機(jī)后端,提高了光接收機(jī)的功率,使得可負(fù)載光節(jié)點(diǎn)數(shù)增加,傳輸距離也隨之上升。三、拉曼纖維機(jī)3.1受激曼散射中的能量喇曼光纖放大器的原理基于喇曼散射。喇曼散射過程先由泵浦光引發(fā)光纖中的非線性散射,產(chǎn)生低頻的斯托克斯光子,剩余能量以分子振動(dòng)形式吸收,整個(gè)過程稱為受激喇曼散射。受激拉曼散射中,斯托克斯頻移的數(shù)值由分子振動(dòng)能級(jí)決定,其數(shù)值決定了頻率散射范圍。信號(hào)光與泵浦光同時(shí)在光纖中傳輸,當(dāng)信號(hào)光處于泵浦光產(chǎn)生的增益范圍內(nèi)時(shí),通過喇曼散射產(chǎn)生光子數(shù)量的增加,從而實(shí)現(xiàn)了光信號(hào)的放大,見圖2。喇曼光纖放大器相比較于摻鉺光纖放大器,其主要優(yōu)勢在于可提供放大的頻率范圍極大,可通過調(diào)節(jié)泵浦光的波長對任意波段進(jìn)行寬帶的放大,放大范圍可達(dá)到1270nm至1670nm。3.2用含雜和摻雜的光纖濾波器目前喇曼光纖放大器主要有分布式與分立式兩種類型。分立式喇曼光纖放大器中放大器獨(dú)立于傳輸線路而成為單獨(dú)器件。這種形式要求放大器具有較高的增益,因此多由摻雜鍺含量較高的光纖作為增益介質(zhì)。相比較于同種形式的摻鉺光纖放大器,這種形式的喇曼光纖放大器需要很長的工作長度,且增益倍數(shù)有限,多用于摻鉺光纖放大器所無法工作的波長信號(hào)放大,見圖3。分布式喇曼光纖放大器直接以增益介質(zhì)作為傳輸光纖本身,其應(yīng)用前景已逐漸超過分立式喇曼光纖放大器。3.3拉曼纖維機(jī)的應(yīng)用1、分布式蓬曼光纖放大器-----------------------/數(shù)字視頻傳輸線路的選擇對于穿越惡劣自然環(huán)境或其他不便于采用摻鉺光纖放大器的傳輸線路,使用分布式喇曼光纖放大器是較好的選擇。它可以提高兩次中繼之間所允許的線路傳輸損耗,從而擴(kuò)大傳輸距離。目前常用于海底光纜及無人地帶光纜等。2、多路泵浦復(fù)用技術(shù)雖然喇曼光纖放大器具有很大的工作帶寬,但是帶寬中多個(gè)頻率成分的光信號(hào)同時(shí)實(shí)現(xiàn)放大則需要多路泵浦光,這就需要使用泵浦復(fù)用技術(shù)。而泵浦復(fù)用所帶來的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和高成本阻礙了其在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)傳輸中的應(yīng)用。為此,將摻鉺光纖放大器與喇曼光纖放大器混用可以在減少泵浦光源數(shù)量的前提下實(shí)現(xiàn)較大的工作帶寬,并且實(shí)現(xiàn)較好的增益均衡。四、光纖放大器的發(fā)展方向由于超高速率、大容量、長距離光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展,對作為光纖通信領(lǐng)域的關(guān)鍵器件———光纖放大器在功率、帶寬和增益平坦方面提出了新的要求,因此,在未來的光纖通信網(wǎng)絡(luò)中,光纖放大器的發(fā)展方向主要有以下幾個(gè)方面:(1)EDFA從C-Band向L-Band發(fā)展;(2)