（光学专业论文）增益控制及超宽带edfa的研究.pdf

南开土学博士学位论文 樯覃 掺铒光纤放大器的出现是光纤通信发展史中重要的里程碑，e d f a 使用全光 中继来代替了光一电光中继，极大地降低了系统的成本和延长了信号传输的距 离，同时还推动了w d m d w d m 通信系统的整体发展。w d m d w d m 通信系统 的发展又需要e d f a 具有更大的带宽、优良的增益和噪声特性和增益控制等功 能。 基于上面的情况，并结合天津市重点基金项目智能光纤放大器光源的研 究、天津市重点基金项目( c + l ) 超宽带掺杂光纤放大器和南开一达尔泰( 天 津) 项目开发增益平坦的掺铒光纤放大器等课题，论文主要围绕新型增益控 制e d f a 、增益控制用光源、多波长激光器及可调光衰减器、e d f a 性能优化和 超宽带e d f a 等方面进行了理论和实验研究。主要工作如下： 1 首次提出了基于双折射光纤环镜优化l b a n de d f a 噪声性能的方案。利用双 折射环镜的梳状反射特性抑制双通e d f a 的a s e ，从而使放大器的噪声性能得 到了明显改善。基于双折射光纤环镜的l b a n de d f a 比用普通光纤环镜的放大 器的平均噪声低3 7 d b 。 2 首次提出基于光纤起偏器和双折射光纤环镜的多波长掺铒光纤激光器。通过 双折射光纤环境反射器和光纤起偏器来控制腔内偏振态，实现了利用偏振烧孑l 效 应的多波长掺铒光纤激光器。实验中获得了4 波长和5 波长的稳定的激光输出， 其波长间隔小于2 n m 。另外，我们还利用光纤起偏器和双折射光纤构成l y o t 滤 波器作为选频器件，同时通过利用腔内双折射增强偏振烧孔效应构成了可以获得 稳定双波长输出的线形腔掺铒光纤激光器。实验上得到了两组间隔分别为 3 4 4 r i m 和1 。5 6 r i m 的l 波段双波长激光，而且通过调整偏振控制器还得到的由 1 5 9 9 2 8 n m 一1 6 0 5 8 4 n m 的五个单波长激光。 3 首次提出利用前置放大器提高双通e d f a 增益与噪声性能的方案。通过在基 于普通光纤环镜的l b a n de d f a 前面加入一段已被泵浦的铒纤提高了输入端的 铒离子的粒子数反转程度，使普通的双通l b a n d e d f a 性能得到了改善。同普 通双通放大器相比，在约1 5 6 8 n m - 1 5 9 4 n m 的范围内，加入前置放大器的l - b a n d e d f a 的增益提高了2 3 d b 1 2 6 d b ，而噪声系数降低了2 。2 d b 2 3 。9 d b 。 4 提出了一种基于光纤环形镜对l b a n d e d f a 增益控制的方法。输入信号光功 率在约一4 0 d t 3 m - - 1 5 d b m 的范围内，1 5 9 5 n m 处反馈光衰减量为0 时的增益波动和 饱和输出功率比衰减量为4 d b ( 控制光强度较弱) 时的情况分别降低了o 3 3 d b 捕要 和升高了o 7 3 d b 。 在上面的基础上，又设计了一种基于光环形器循环c b a n d a s e 的l b a n d 增益控制e d f a 。输入信号光功率在约4 0 d b m - 一1 5 d b m 的范围内， 1 5 8 5 n m 处反馈光衰减量为0 d b 时的增益波动和饱和输出功率比衰减量为3 0 d b ( 基本上没有控制光) 时的情况分别降低了l d b 和升高了2 1 7 d b 。 5 利用双折射光纤布拉格光栅实现了双波长增益控制的c b a n de d f a 。实验研 究了在双折射光栅两个反射峰的反射率基本相同时，1 5 4 5 n m 和1 5 5 5 n m 波长处 增益随输入信号光功率的变化情况。输入信号光功率在约一4 0 d b m - 1 5 d b m 的范 围内，15 4 5 n m 和15 5 5 n m 的增益波动分别控制在o 4 2 d b 和o 515 d b 。 6 提出了基于双折射光纤环镜的可调光衰减器。实验中得到的最低插入损耗不 大于1 5 d b ，在1 5 5 h 】i m 的衰减量超过了3 0 d b ，透射波长漂移量随等强度梁挠度 变化曲线的线性拟合度达到了0 9 9 7 9 。还提出了用电压调谐双折射环境透射谱的 方法，得到的透射波长随电压变化曲线的线性拟合度达到o 9 9 8 7 8 。此外，还设 计了一种基于光纤微弯损耗的可调光衰减器。在实验上发现在光纤的弯曲程度足 够大时，弯曲损耗系数随波长的增加近似线性增加，这与理论模拟的结果在变化 趋势上较好地符合。 7 提出了一种结构新颖的线形腔掺铒光纤激光器。由光纤光栅和高双折射环镜 共同构成波长选择器件，利用环镜的梳状反射谱特性通过调谐光纤光栅获得了在 1 5 4 3 8 n m 1 5 5 5 2 n m 范围内波长间隔约为o 8 n m ，边模抑制比大于5 4 d b 的1 5 个独立波长的调谐激光输出，其激光的平均输出强度为2 5 d b m 。实验中还通过 调节偏振控制器改变环镜对不同波长的反射率，从而使得输出激光的功率在超过 1 3 5 d b 的动态范围内得到了控制。 8 提出了一种循环后向a s e 的l 波段环形腔掺铒光纤激光器。当抽运功率为 1 0 3 m w 时得到了阈值功率约为2 3 8 7 m w ，输出功率达6 3 4 m w 的激光输出，斜 率效率约为8 0 5 ，与没有重复利用后向a s e 谱的掺铒光纤激光器做比较，该结 构使l 波段掺铒光纤激光器的闽值功率降低了4 m w 以上，斜率效率提高了约 2 2 ，激光的最大输出功率增加了2 m w 。 9 通过对级联m z 干涉仪的透射谱进行数值模拟对掺铒光纤放大器( e d f a ) 的增益谱的不平坦性进行了改善，达到了该掺铒光纤放大器在2 6 n m 的范围内增 益的变化小于士0 3 7 d b 。进一步又进行了扩展e d f a 工作带宽的研究，实现了并 联结构的c + le d f a ，该放大器在c 波段和l 波段的小信号增益分别为2 7 4 7 d b 和1 9 9 d b ，当输入0 d b m 的1 5 5 0 n m 和1 5 8 5 n m 信号光时，其输出功率分别达到 了约6 d b m 和约3 4 d b m 。上面的c + l 超宽带e d f a 同时还可用作具有平坦功率 i i 南开史学博士学位论文 水平的宽带光源，最后设计了一种两级超宽带光源。通过采用双通结构和循环利 用c 一波段放大自发辐射，极大地节省了用于产生l 波段放大自发辐射所需的泵 光功率，在7 6 r i m 的带宽内a s e 的功率波动为2 8 d b 。 关键词：波分复用，光时分复用，光纤放大器，掺铒光纤放大器，超宽带放大器， 超荧光光源，多波长，掺铒光纤激光器，光衰减器，传感器，增益控制， 增益平坦，噪声优化，光纤环镜，双折射光纤环镜，m z 干涉仪，光纤 光栅，双折射光纤光栅 攻读博士学位期间参加的主要科研项目 1 天津市重点基金项目( c + l ) 超宽带掺杂光纤放大器，0 1 3 8 0 0 4 1 1 2 南开一达尔泰( 天津) 项目开发增益平坦的掺铒光纤放大器，专项合同 3 天津市重点基金项目智能型光纤放大器光源研究，0 3 3 8 0 0 2 1 1 l l i a b s t r a c t a b s t r a c t t h ee m e r g e n c eo fe r b i u m - d o p e df i b e ra m p l i f i e ri st h el a n d m a r ki nt h eh i s t o r yo fo p t i c a lf i b e r c o m m u n i c a t i o n b yu t i l i z i n ge d f a s ，a l l o p t i c a lr e l a yi sr e a l i z e d ，t r a n s m i s s i o nd i s t a n c ei sm u c h l e n g t h e n e d ，a n dt h ed e v e l o p m e n to fw d m d w d m ( w a v e l e n g t h - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g d e n s e w d m ) c o m m u n i c a t i o ns y s t e m si sg e n e r a l l ya c c e l e r a t e d m e a n w h i l e ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to f w d m d w d mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，m o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni sp a i do nt h ee d f a sw i t h b r o a d e rb a n d w i d t h ，g o o dg a i na n dn o i s ef e a t u r e , a n dg a i nc l a m p i n g ，e t e a c c o r d i n gt ot h et i a n j i nn a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o np r o j e c t ：i n t e l l i g e n tf i b e ra m p l i f i e r sa n dl i g h t s o u r c e s ，t h et i a n j i nn a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o np r o j e c t ：( c 十l ) b r o a d b a n df i b e ra m p l i f i e ra n dt h e n a n k a i - d e l t a ( t i a n j i n ) p r 0 3 e c t ：d e v e l o p m e n to fg a i nf i a t l e n e de r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r s ，t h i s d i s s e r t a t i o ni s m a i n l yf o c u s e d o i lt h es t u d yo fn o v e lg a i n c l a m p e de d f a ，l i g h ts o u r c e s ， m u l t i w a v e l e n g t hf i b e rl a s e ra n dv a r i a b l eo p t i c a la “e n u a t o rf o rg a i n - c l a m p e du s a g e ，g a i na n d n o i s ei m p r o v e m e n to f e d f a ，a n db r o a d b a n de d f a t h em a i nc o n t e n t sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 an o i s ef i g u r ei m p r o v e dl b a n de d f ab a s e do nh i - b i ( h i 曲b i v e f r i n g e n c e ) f i b e rl o o pm i r r o r a sa s e r e j e c t e ri sp r e s e n t e df o rt h ef a s tt i m e b yu t i l i z i n gt h ec o m b l i k er e f l e c t i o ns p e c t r u m o fah i - b if i b e rl o o pm i r r o rt os u p p r e s st h ea s e ( a m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n ) o fa d o u b l e - p a s se d f a ，t h en o i s ef i g u r eo ft h i sa m p l i f i e ri sm u c hi m p r o v e d t h ea v e r a g en o i s e f i g u r eo f t h ed o u b l e - p a s sl - b a n de d f ab a s e do nh i - b if i b e rl o o pm i r r o ri s3 7 d bl o w e rt h a n t h a to f t h eo n eb a s e do nac o m m o nf i b e rl o o pm i r r o r 2 am u l t i - w a v e l e n g t he r b i u m - d o p e df i b e rl a s e rb a s e do nf i b e rp o l a r i z e ra n dh i b if i b e rl o o p m i r r o ri sp u tf o r w a r df o rt h ef h s tt i m e b yu t i l i z i n gh i - b if i b e rl o o pm i r r o ra n df i b e rp o l a r i z e r t oc o n t r o lt h ei n t r a c a v i t yp o l a r i z a t i o ns t a t e ，am u l t i - w a v e l e n g t he r b i u m - d o p e df i b e rl a s e rb y e x p l o i t i n gp h b ( p o l a r i z a t i o nh o l e - b u r n i r l 曲i sr e a l i z e d w eh a v ee x p e r i m e n t a l l ya c h i e v e d f o u r - w a v e l e n g t ho rf i v e - w a v e l e n g t hs t a b l el a s e r sw i t hw a v e l e n g t hs p a c i n go fl e s st h a n2 n m m o r e o v e r , b yu s i n gf i b e rp o l a r i z e r a n db i r e f r i n g e n c ef i b e rt oc o n s t i t u t eal y o tf i l t e r ，t h e i n t m c a v i t yp h be f f e c ti se n h a n c e da n dad u a l - w a v e l e n g t hl i n e a rc a v i t ye r b i u m - d o p e df i b e r l a s e ri sa c h i e v e d w eh a v ee x p e r i m e n t a l l yo b t a i n e dt w os e r i e so fl - b a n dd u a l w a v e l e n g t h l a s e r sw i t hw a v e l e n g t hs p a c i n go f3 4 4 n ma n d1 5 6 n m ，r e s p e c t i v e l y f u r t h e r m o r e ，b yt u n i n g t h ep o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r , f i v es i n g l e - w a v e l e n g d al a s e r sr a n g i n gf r o m1 5 9 9 2 8 n mt o 16 0 5 8 4 n mc a nb ea l s oa c q u i r e d w 南开太学博士学位论文 3 ag a i na n dn o i s ef i g u r ei m p r o v e dd o u b l e - p a s se d f aw i t hap r e 。s t a g ea m p l i f i e ri sp r e s e n t e d f o rt h ef i r s tt i m e c o m p a r e dw i t ht h a to f t h ec o n v e n t i o n a lo n e ，t h eg a i no f t h el b a n de d f a w i t hp r e s t a g ea m p l i f i e ri s2 3 d b - 1 2 6 d bh i g h e rw h i l ei t sn o i s ef i g u r ei s2 2 d b 一2 3 9 d bl o w e r f r o ma p p r o x i m a t e l y1 5 6 8 n m 一1 5 9 4 n m 4 a nl - b a n dg a i n - c l a m p e de d f ab a s e do nf i b e rl o o pm i r r o ri sd e s i g n e d c o m p a r e dw i t ht h e s i t u a t i o nw i t ha t t e n u a t i o no f4 d b ( t h ei n t e n s i t yc o n t r o ll i g h ti sr e l a t i v e l yw e a k ) ，w h e ni n p u t s i g n a lp o w e ri n c r e a s e sf r o m - 4 0 d b mt o - 1 5 d b m ，t h eg a i nf l u c t u a t i o na t1 5 9 5 n mw i t h o u ta n y a t t e n u a t i o ni s0 3 3 d bl o w e ra n dt h ec o r r e s p o n d i n gs a t u r a t i o no u t p u tp o w e rt u r r i st ob e0 7 3 r i b h i g h e r m o r e o v e lw ep r e s e n ta n o t h e rl - b a n dg a i n c l a m p e de d f ab yr e c y c l i n gc - b a n da s e v i aa no p t i c a lc i r c u l a t o r c o m p a r e dw i t ht h es i t u a f l o nw i t ha t t e n u a t i o no f3 0 d b ( n e a r l yn o c o n t r o ll i g h t ) ，w h e nt h ei n p u ts i g n a lp o w e ri n c r e a s e sf r o m - 4 0 d b mt o 一1 5 d b m ，t h eg a i n f l u c t u a t i o na n ds a t u r a t i o no u t p mp o w e ra t1 5 8 5 n mw i t h o u ta n ya t t e n u a t i o na r el d bl o w e ra n d 2 1 7 d bh i g h e r , r e s p e c t i v e l y 5 ac b a n dd u a l - w a v e l e n g t hg a i n - c l a m p e de d f ai sa c h i e v e db yu t i l i z i n gb i r e f r i n g e n c ef i b e r g r a t i n gw i t hn e a r l ys a m er e f l e c t i v i t ya sr e f l e c t o r s w h e nt h ei n p u ts i g n a lp o w e ri n c r e a s e sf r o m - 4 0 d b mt o - 1 5 d b m t h eg a i nf l u c t u a t i o na t1 5 4 5 n ma n d1 5 5 5 n mi sc l a m p e dw i t h i n 士o 4 2 d b a n d 蜘5 1 5 d b r e s p e c t i v e l y 6 av a r i a b l eo p t i c a la t t e n u a t o r ( v o a ) b a s e do nh i - b if i b e rl o o pm i r r o ri sp r e s e n t e d t h e i n s e r t i o nl o s si se x p e r i m e n t a l l ym i m m i z e dt on om o r et h a n1 5 d b ，t h ea t t e n u a t i o na t1 5 5 1 n m r e a c h e sm o r et h a n3 0 d b ，a n dt h el i n e a r i t yc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e nw a v e l e n g t hs h i f to f t r a n s m i s s i o ns p e c t r u ma n dd e f l e c t i o no ft h ee q u i v a l e n t - s t r e n g t hb e a mc o m e st oo 9 9 7 9 m o r e o v e r ，w ep u tf o r w a r dad cv o l t a g e b a s e dm e t h o dt oa d j u s tt h et r a n s m i s s i o ns p e c t r u mo f h j b if i b e rl o o pm i r r o r t h el i n e a r i t yc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e nw a v e l e n g t hs h i f to f t r a n s m i s s i o ns p e c t r u ma n dd c v o l t a g er e a c h e so 9 9 8 7 8 a d d i t i o n a l l y , w eh a v ea l s op r e s e n t e d av o ab yu t i l i z i n gm i c r o b e n d i n gl o s s i ns i n g l e - m o d ef i b e nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nb e n d l o s sa n dw a v e l e n g t hu n d e rd i f f e r e n tb e n dd e g r e e sh a sb e e nm e a s u r e da a dt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t si n d i c a t et h a tw h e nt h eb e n dd e g r e ek e e p sh i g he n o u g h , t h eb e n dl o s sc o e f f i c i e n t r o u g h l yi n c r e a s e sl i n e a r l yw i t ht h ei n c r e a s eo fw a v e l e n g l h ，w h i c hi sb a s i c a l l yi na g r e e m e n t w i t ho u rs i m u l a t i o no u t c o m e 7 al i n e a rc a v i t ye r b i u m d o p e df i b e rl a s e rb a s e do nf i b e rb r a g gg r a t i n ga n dh i b if i b e rl o o p m i r r o ri sd e m o n s t r a t e d f r o m1 5 4 3 ，8 r m at o15 5 5 ，2 n m ，15 - w a v e l e n g t hl a s e r s ( s m s r 5 4 d b ) w i t ha p p r o x i m a t e l yo 8 n ms p a c i n gh a v e b e e no b t a i n e db yu s i n gt h ec o m b - l i k er e f l e c t i o n s p e c t r u mo ff i b e rl o o pm i r r o ra n d t h eo u t p u tl a s e ri n t e n s i t yr e a c h e sa b o u t2 5 d b mi na v e r a g e v t h er e f l e c t i v i t ya td i f f e r e n tw a v e l e n g t h sc a r lb et u n e dw i t hd i f f e r e n ts e t t i n g so fp o l a r i z a t i o n c o n t r o l l e r , w h i c hm a k e st h er e l a t i v el a s e ri n t e n s i t yb ec o n t r o l l e db e y o n dad y n a m i cr a n g eo f 1 3 5 d b 8 w eh a v ed e s i g n e da l ll b a n dr i n gc a v i t ye r b i u m - d o p e df i b e rl a s e rb yr e c y c l i n gb a c k w a r da s e w h e nt h ep u m pp o w e ri ss e tt o1 0 3 m w , t h et h r e s h o l dp o w e ri sa p p r o x i m a t e l y2 3 8 7 r o w , o u t p u tl a s e rp o w e rr e a c h e s6 3 4 m wa n ds l o p ee f f i c i e n c ya c h i e v e s8 0 5 c o m p a r e dw i t ht h e o n ew i t h o u ta s e i n j e c t i o n , t h et h r e s h o l dp o w e ro f t h i sn o v e ls t r u c t u r el a s e ri sm o r et h a n4 m w l o w e r , s l o p ee f f i c i e n c yi sr a i s e db ya b o u t2 2 a n dt h em a x i m u mo u t p u tl a s e rp o w e ri s i n c r e a s e db y2 m w 9 b yn u m e r i c a l l ys i m u l a t i n gt h et r a n s m i s s i o ns p e c t r u mo fm u l t i s t a g em a c h - z e n h d e r ( m - z ) i n t e r f e r o m e t e gag a i n - f l a t t e n e de d f aw i t hm u l t i - s t a g em zi n t e r f e r o m e t e ra sg a i ne q u a l i z e ri s a c h i e v e d t h eg a i nv a r i a t i o no ft h i s a m p l i f i e ri sk e p tl e s st h a n 士0 3 7 d bw i t h i n2 6 n m b a n d w i d t h f u r t h e r m o r e ，b yu s i n gt h ep a r a l l e lc o n f i g u r a t i o n ，w eh a v ea c h i e v e dacp l u s l - b a n de d f a t h ec - b a n da n dl - b a n ds m a i ls i g n a lg a i no ft h i sa m p l i f i e ri s2 7 4 7 d ba n d 1 9 9 d b ，r e s p e c t i v e l y w h e nt h ei n t e n s i t yo f1 5 5 0 n ma n d1 5 8 5 n mi n p u tl i g h ti ss e tt oo d b m ， t h eo u t p u tp o w e ro f t h i sa m p l i f i e rr e a c h e sa p p r o x i m a t e l y6 d b ma n d3 ，4 d b m ，r e s p e c t i v e l y t h e a b o v ecp l u sl - b a n de d f ac a nb ea l s ou s e da sb r o a d b a n dl i g h ts o u r c ew i t he q u a l i z e dp o w e r l e v e l f i n a l l y , at w o s t a g ee r b i u m - d o p e df i b e r - b a s e db r o a d b a n dl i g h ts o u r c ei sd e v e l o p e d b y u t i l i z i n gd o u b l e - p a s ss t r u c t u r ea n dr e c y c l i n gc - b a n da s e ，t h ep u m pp o w e rf o rl b a n da s e g e n e r a t i o ni se c o n o m i z e dt oal a r g ee x t e n d t h ep o w e rv a r i a t i o no fa s es p e c t r u mi s2 8 d b w j t h i n7 6 a mb a n d w i d t h k e y w o r d s ：w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( w d m ) ，o p t i c a lt i m ed i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o t d m ) ，f i b e ra m p l i f i e r , e r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r ( e d f a ) ，s u p e rb r o a d b a n da m p l i f i e r , s u p e r - f l u o r e s c e n ts o u r c e ，m u l t i - w a v e l e n g t h ，e r b i u m - d o p e df i b e rl a s e r ( e d f l ) ，o p t i c a la t t e n u a t o r , s e n s o r , g a i n - c l a m p i n g ，g a i n - f i a ：t t e n i n g ，n o i s e f i g u r ei m p r o v e m e n t , f i b e rl o o pm i r r o r , h i - b if i b e r l o o pm i r r o r , m a c h - z e n h d e r ( m - z ) i n t e r f e r o m e t e r , f i b e rg r a t i n g ，b i r e f r i n g e n c ef i b e rg r a t i n g v 1 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：猿关 勘d 5 年4 月凹日 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：乏丧关 勘哆年牛月2 d 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 光纤通信系统的发展概况 随着人类社会的不断发展，人们迫切地认识到信息的传递与我们的生活息息 相关，可以毫不夸张地说没有信息的传递也就没有现代高度发达的人类文明。人 们很早就认识到利用光作为载体进行通信的重要性，中国古代用于边防报警的烽 火台就是一种原始的光通信方式。近代的光通信还要从2 0 世纪6 0 年代激光器的 问世说起，1 9 6 0 年t h m a i m a n 首先研制成功了红宝石激光器【l 。1 】，自此以后激 光技术渗透到物理、化学、生物、医学等各种重要的领域。1 9 6 6 年，被称为“光 纤通信之父”的英籍华人高锟( k c k a o ) 博士和ga h o c k h a m 等人发表了光 纤通信发展史上具有开创性和奠基性的论文一一用于光频的介质波导 ( d i e l e c t r i c f i b r es u r f a c ew a v e g u i d e sf o ro p t i c a lf r e q u e n c i e s ) 1 - ；q 。文中指出玻璃 纤维的损耗主要是由光纤纤芯中o h 离子引起的，只要减少这些杂质，损耗可能 降低到2 0 d b k m 。此后，人们对石英玻璃光纤和其它玻璃光纤进行了广泛的研究， 终于在1 9 7 0 年美国康宁公司生产出了2 0 d b k m 的低损耗光纤【l 。j 。同年，贝尔实 验室又研制成功在室温下连续工作的g a a l a s 半导体激光器u “，从而揭开了光纤 通信的序幕。在此后的几十年中，光纤通信系统经过了多次更新。特别是进入 2 0 世纪9 0 年代以来，国际互联网( i n t e m e t ) 技术飞速发展，由数字移动通信业 务导向个人通信而引发的通信技术革命及多媒体通信技术的出现标志着人类社 会已经进入了“信息爆炸”的时代，人们急切地需要扩大现有光纤通信系统的容 量，在这种情况下，光复用技术就成为了诸多研究的焦点。 1 1 1 时分复用( t d m ) 与波分复用( w d m ) 技术 传统的通信扩容方法是采用电时分复用( t d m ：t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) ， 即将传输时间分割成若干个时间间隙。将要传输的多路信号按照时间上的某种规 律插入一定的时隙，从而实现信号的复用传输。与电时分复用相似，光时分复用 技术也是在指多路信号在时间上的分割复用。在时分复用的过程中，发送端的各 路信号由时分复用开关查询并发送。在接收端，再通过解复用开关将各路信号送 入相应的接收机。利用这种复用方式可以在不增加传输设备的前提下使通信系统 的传输容量成倍地增长。随着单信道系统的不断发展，单信道的传输速率已经达 到1 0 g b i t s ，如果继续这种发展趋势，就不可避免地要考虑到电技术的瓶颈效应。 单信道的传输速率很难达到4 0 g b i t s 以上，且系统的复杂度和成本将会大大地增 加。在这种情况下，波分复用( w d m ：w a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 就不失 为一种既可以避免由增加单信道容量而产生的电技术瓶颈，又可以有效地扩展系 南开太学博士学位论文 统容量的复用方式。 点到点的w d m 系统 使用o a d m 的w d m 传输系统 由o x c 组成的w d m 网络系统 图1 1由点对点传输系统到w d m 光网络系统的演化过程 波分复用技术就是在同一根光纤中同时传输多路波长信号。图1 1 表示了由 点对点的w d m 系统向w d m 网络演化的过程。早期的w d m 仅作为点对点的 传输系统来使用，以提高传输线路的速率。普通的点对点波分复用系统尽管有巨 大的传输容量，但只提供了传输带宽，需要有灵活的节点才能实现有实际意义的 光网络。于是对光分插复用器( o a d m ：o p t i c a l a d d - d r o pm u l t i p l e x e r ) 和光交叉 连接器( o x c ：o p t i c a lc r o s sc o n n e c t e r ) 的研究近年来广泛地开展起来。由图1 1 可以看到当上述控制光节点的技术同w d m 技术相结合后，不仅能够实现在一条 线路中任意上下一路或几路波长，而且使一个节点和其它节点灵活地结合在一起 组成w d m 光网络。 2 弟一章绪论 w d m 系统主要具有以下的优点：( 1 ) w d m 系统使用光纤的低损耗波段， 同时在一根光纤中复用多路波长。这样既降低了成本又使光纤的传输容量大大增 加。( 2 ) 在这种系统中所使用的传输信号的速率和格式具有透明性，有利于数字 信号和模拟信号的兼容。( 3 ) 实现了在一个光纤上的双向传输。实际的许多通信 业务都是采用双向传输的通信方式，因此w d m 允许信号的双向传输有很大的实 际意义。只要原有系统有足够大的功率冗余度，就可以方便地实现系统扩容。( 4 ) 降低了对电子器件的速率要求。w d m 技术对每路传输信号的速率要求不是很 高，因此不受电子器件速率的瓶颈限制。在降低对光电器件性能要求的同时，保 证了大容量的传输。( 5 ) w d m 系统可以提供波长选路，实现了网络的动态重构 和故障的自愈及恢复。这样就使建立透明的、具有高度生存性的w d m 全光通信 网( a o n ：a 1 1 o p t i c a ln e t w o r k ) 成为可能。 另一方面，与w d m 技术相比o t d m 技术也有一定的优势： 1 w d m 技术是一种基于多波长多通道的传输技术，随着信道数目的增加， 光纤中的有效传输功率急剧增长，从而导致四波混频( f w m ：f o u rw a v em i x i n g ) 、 自相位调制( s p m ：s e l f p h a s em o d u l a t i o n ) 和交叉相位调制( x p m ：c r o s sp h a s e m o d u l a t i o n ) 等非线性效应，限制了w d m 系统的应用并增加了系统设计的难度