（光学专业论文）光纤喇曼放大器的理论和实验研究.pdf

摘要 ， 巴 里 里 里 生 生 粤 里 里 里 里 里 里 奥 巴 实 现等 效双向 泵 浦的 双程光纤喇曼放大 器， 在4 0 n m ( 1 4 8 0 -1 5 2 0 m n ) 增益带宽 内达到最大增益2 4 d b ，平均噪声指数为4 . 3 d b . 4 .混合光纤喇曼放大器的实验研究 混合 光纤 喇曼放大器是发 挥各 种放大 器优势性能， 提高 放大质量的一 种新 的放大 器发展方向。 利用f r a和e d f a 的互补 特性， 在直线型混合光纤喇曼 放 大器中 得到在4 7 n m ( 1 4 8 3 - 1 5 3 0 nn 波长范 围内 增益平坦 度小 于士 1 .2 d b ,噪声 指 数低于5 d b 。 利用并列式混合光纤喇曼 放大 器， 经过应力长周期光纤光栅进行 增 益平坦 后， 在1 4 8 7 -1 5 0 7 n m和 1 5 2 0 -1 5 5 0 n m波长范围内实 现t 2 d b的增益 平 坦度。 峰值增益为 1 9 . 3 d b 。 利用高 双折 射光纤环镜作为信号反射器， 在相同 带 宽内实 现噪声 指数低于6 0e 5 .自 相似脉冲在光纤喇曼放大器中演化的理论研究 自 相似抛物脉冲解是非线性薛定 i s 方程的一个特殊渐近解。 其解决了 在光 纤中传 输时 脉冲能量受限 和波分裂的问 题，对于高功率超短脉冲输出等 研究 领 域具有 非常重 要的应用前景。本文 在自 相似传输的理论基础上， 模拟了高 斯脉 冲在光纤喇曼 放大器中 演化成自 相 似脉冲的趋势和速度， 其自 相似特征 距离随 着输入 脉冲宽 度的增加而增加，随 着输入脉冲能量的增加而减小.另外， 通过 提高光纤非 线性系数和色散 系数，很大 程度上提高了 脉冲在光纤喇曼 放大 器中 演化成自相似脉冲的效率。 .自相似脉冲在光子带隙光纤中的压缩的理论研究 光脉冲在光纤喇曼放大器中演 化成自 相似脉冲的同 时能量被放大，但是脉 宽也 在增大， 要得到高能量的短脉冲则 需要对脉冲进行压缩。本文研究了自 相 似脉冲 在负 色散光子带隙光 纤中的压 缩过程。由 于光纤群速度色散的存在， 调 整了脉冲中不同 的频率成分的传输速 度， 使脉冲压缩至极限 脉冲， 其脉冲宽 度 随入射 脉冲的 宽度的增加而减小，相 应的 光子带隙光纤的 长度随之增加。我 们 可以通过 选择高 非线性的光纤作为增益光 纤， 增加泵浦功率来提高增益系数及 增加放大器的光纤长度等手段来得到理想的超短脉冲。 关键词:光纤喇曼 放大器，双程放大， 应力长周期光纤光栅，高双折射光纤环 镜，自 相似脉冲，光子带隙光纤 ab s tr a c t 鱼鱼旦 胆旦甲. . . 门鱼鱼鱼 ，.，. 睡，.门 . ab s t r a c t t h e g r o w i n g u s e o f i n t e r n e t a n d i n c r e a s e i n d a t a t r a ffic i n o p t i c a l f i b e r c o m m u n i c a t i o n n e t w o r k s h a v e t r i g g e re d d e m a n d f o r i n c r e a s e d t r a n s m i s s i o n c a p a c i ty . t h e h i g h e r c a p a c i ty d e m a n d s o p t i c a l a m p l i f i e r s w i t h fl a t g a i n o v e r b r o a d g a i n b a n d d u e t o t h e g o o d p e r f o r m a n c e s o f l o w n o i s e a n d t h e b r o a d b a n d a m p l i f i c a t i o n , f i b e r r a m a n a m p l i f i e r s ( f b a s ) b e c o m e t h e h o t s p o t o f r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t , a n d t h e y a r e p r o m i s i n g a n d i m p o r t a n t d e v i c e s i n o p t i c a l c o m m u n i c a t io n s y s t e m s . t h e d i s s e r t a t i o n f o c u s e s o n s - b a n d f i b e r r a m a n a m p l i f i e r s . t h e e v o l u t io n s o f s e l f - s im i l a r p u ls e s i n t h e f i b e r r a m a n a m p l i f i e r a n d t h e c o m p r e s s i o n s o f s e l f - s i m i l a r p u l s e i n a p h o t o n i c s b a n d - g a p f i b e r ( p b f ) h a v e a l s o b e e n s t u d i e d c h a r a c t e r i s t i c a l l y . t h e m a i n c o n t e n t s a re l i s t e d a s f o l l o ws : 1 . t h e o ry r e s e a r c h a n d o p t i m a l d e s ig n o f s - b a n d f i b e r r a m a n a m p l i fi e r s a n o v e l m e t h o 氏w h i c h c o m b i n e s t h e g e n e t i c a l g o r it h m a n d t h e r u n g e - k u t l a m e t h o d , i s u s e d t o o p t i m i z e t h e p e r f o r m a n c e s o f d i s t ri b u t e d a n d d i s c r e t e f r a . u n d e r c e r ta i n p u m p w a v e l e n g t h s a n d p u m p p o w e r s , i t s g a i n fl a t n e s s in c r e a s e s w i t h t h e i n c r e as e o f t h e g a i n f ib e r l e n g t h . b y n u m e r i c a l s i m u l a t i o n , t h e fl a t n e s s o f 0 .9 d b o v e r t h e 7 0 m n ( 1 4 5 0 - 1 5 2 0 n r n ) g a i n b a n d w id t h a n d t h e a v e r a g e o n - o ff g a i n o f 1 1 .2 d b a r e r e a l i z e d . 2 . e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h o n s - b a n d f i b e r r a m a n a mp l i f i e r s t o o b t a i n t h e h i g h r a m a n g a i n , a 5 - k m d i s p e r s io n c o m p e n s a t i o n f ib e r i s a d o p t e d as t h e r a m a n fi b e r o w in g t o i t s h i g h g a i n c o e f f i c i e n t . t h e b a c k w a r d p u m p l i g h t i s c o n s i s t e d o f a 1 4 0 0 t u n c a s c a d e d f i b e r r a ma n l ase r a n d a 1 4 2 0 t u n s e mi c o n d u c t o r l ase r d i o d e . t h e s - b a n d d i s c r e t e r a m a n a m p l i f i e r w i t h t h e p e a k g a i n o f 1 8 .3 d b a n d t h e n o i s e f i g u r e o f 4 - 5 d b i s d e m o n s t r a t e d . b y u s i n g t w o - c as c a d e d l o n g - p e r i o d f i b e r g r a t i n g ( l p f g ) , w e c a n m a n a g e t o g e t a fl a tt e n e d g a i n w i t h in f l d b o v e r t h e b a n d w i d t h o f 3 5 n m fr o m 1 4 8 0 n m t o 1 5 1 5 r u n w it h l o w e r g a i n s u p p r e s s i o n . 3 . e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h o n s - b a n d d o u b l e - p a s s fi b e r r a m a n a m p l i f i e r s i l l ab s t r a c t w e e x p e r i m e n ta l l y d e m o n s t r a t e a s - b a n d d o u b l e - p a s s ( d p ) d i s c r e t e f r a g a i n - fl a tt e n e d b y u s i n g a m e c h a n i c a l l y - i n d u c e d l p f g d u e t o a p h o t o - e l a s t ic e ff e c t i n t h e f ib e r a n d i t s p e a k l o s s w a v e l e n g t h a n d d e p t h o f t h e m e c h a n i c a l l y - i n d u c e d l p f g a r e c o n t i n u o u s l y r e g u l a t e d b y v a r y i n g t h e p r e s s u r e s , t h e a n g l e o f t h e f i b e r o n t h e g r a p h i t e r o d s , t h e n u m b e r a n d t h e d i a m e t e r o f t h e g r a p h i t e r o d s . u s in g t h i s g a i n fl a tt e n i n g f i l t e r , t h e g a i n p r o fi l e o f t h e d p - f r a i s fl a t t e n e d t o w i t h i n 士 0 .8 d b i n a w a v e l e n g th r a n g e fr o m 1 4 8 5 t u n t o 1 5 2 5 r im . t h e d p - f r a h a s t h e h i g h e r n o i s e f i g u r e ( n f ) d u e t o t h e g r o w t h o f t h e a m p li fi e d s t i m u l a t e d e m i s s i o n ( a s e ) l e v e l c a u s e d 妙t h e f e e d b a c k in t h e d p c o n f i g u r a t i o n . b y e m p l o y i n g a h i g h b i re f r i n g e n c e fi b e r l o o p m i r r o r ( h i b i - f l m ) w it h a c o m b - l i k e r e fl e c t i o n s p e c t r u m a s a s i g n a l r e fl e c t o r , t h e a s e n o i s e o f t h i s d p - f r a g r e a t l y d e c r e a s e s c o m p a r e d w i t h t h a t o f t h e c o n v e n t i o n a l d p - f r a w i t h t h e f l m. a m a x i m u m n f i m p r o v e m e n t o f 6 .2 d b a n d a n a v e r a g e n f i m p r o v e m e n t o f 4 .9 d b o v e r 叨nn ( 1 4 8 0 - 1 5 2 0 rim ) b a n d w i d t h a r e r e a l i z e d . b y u s i n g . t h e f l m a s a r e s i d u a l p u m p r e fl e c t o r t o i m p r o v e t h e g a i n o f t h e a m p l i f ie r , a m a x im u m g a i n o f 2 4 d b a n d a n a v e r a g e n f o f 4 .3 d b a r e o b t a i n e d i n t h e s a m e b a n d w i d t h . 4 . e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h o n h y b r i d fi b e r r a m a n a m p l i fi e r s w e d e m o n s tr a t e a l i n e a n d a p a r a l le l c o n f i g u r a t i o n s o f h y b r id r a m a n / e r b i u m - d o p e d f i b e r a m p l i f i e r . f o r t h e l i n e s t r u c t u re , a g a i n - fl a t n e s s o f 士 1 2 d b o v e r a r a n g e o f 4 7 r u n ( 1 4 8 3 - 1 5 3 0 nn) i s o b t a i n e d . i n t h e p a r a l l e l c o n fi g u r a t i o n , t h e g a i n - fl a t n e s s i s b e lo w t 2 d b f o r 1 4 8 7 - 1 5 0 7 n m a n d 1 5 2 0 - 1 5 5 0 ru n a n d t h e p e a k g a i n i s 1 9 .3 d b . b y u s i n g a h i g h b i r e fr i n g e n c e f i b e r lo o p m i r r o r a s a s i g n a l r e fl e c t o r , a n o i s e fi g u r e i s l e s s t h a n 6 d b i n t h e g a i n b a n d w i d t h . 5 . r e s e a r c h o n e v o l u t i o n s o f s e lf - s i m i l a r p u l s e 加t h e f i b e r r a m a n a m p l i f i e r s e l f - s i m i l a r p u l s e s a re o f fu n d a m e n t a l i n t e r e s t a s t h e y r e p r e s e n t a p a r t i c u l a r c l a s s o f s o l u t i o n o f t h e n o n l i n e a r s c h r o d i n g e r e q u a t i o n w i t h g a i n t h a t i s a s s o c i a t e d w i t h s e l f - s i m i l a r e v o l u t io n o f t h e p u l s e i n t e n s i t y i n s u c h a w a y th a t t h e i n t e n s it y p r o f i l e r e t a i n s i t s p a r a b o li c s h a p e a n d r e s i s t s t h e d e l e t e r i o u s e ff e c t s o f o p t i c a l w a v e b r e a k i n g s e l f - s i m i l a r p u l s e s a r e o f w i d e - r a n g in g p r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e s i n c e t h e y a r e g e n e r a t e d a s y m p t o t i c a l ly i n t h e fi b e r a m p l i f i e r i n d e p e n d e n t o f t h e s h a p e o r t h e n o i s e p r o p e rt i e s 1 v ab s t r a c t 一里 一， 升，里 一一巴 史 里巴 一. ， 里 里一一. o n t h e i n p u t p u l s e , a n d p o s s e s s l i n e a r c h i r p w h i c h l e a d s t o e f f i c i e n t p u l s e c o m p r e s s i o n t h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n s o f s e l f - s i m i l a r p u l s e g e n e r a t i o n in a n o r m a l l y d i s p e r s iv e fi b e r r a m a n a m p li f ie r a r e s tu d ie d . t h e c h a r a c t e r i s t ic p r o p a g a t io n l e n g th o f s e l f - s i m i l a r p u ls e i n c r e as e s w i t h t h e in c r e as e o f t h e i n p u t p u l s e w i d t h a n d t h e d e c r e as e o f t h e i n p u t p u l s e e n e r g y .御 i n c r e a s i n g t h e n o n l i n e a r c o e ff i c i e n t a n d t h e g r o u p - v e l o c i ty d i s p e r s i o n o f t h e r a m a n f ib e r , t h e in p u t p u l s e s r a p i d l y r e a c h t h e p a r a b o l i c r e g i m e i n w h i c h t h e p u l s e p r o p a g a t e s s e l f - s i m i a r l y . r e s e a rc h o n c o m p r e s s i o n o f s e l f - s i m i l a r p u l s e 恤p h o t o n i c s b a n d - g a p fi b e r w e h a v e s i m u l a t e d a n d a n a l y z e d t h e c o m p r e s s i o n p r o c e s s o f t h e c h i r p e d p a r a b o l i c p u l s e s i n t h e p b f . t h e s i m u l a t i o n s r e v e a l t h a t t h e p a r a b o l i c p u l s e s a r e i d e a l f o r t h e c o m p r e s s i o n . t h e o u t p u t p u l s e w i d t h c o m p r e s s e d b y t h e p b f d e c r e as e s w it h t h e in c r e a s e o f th e in p u t p u l s e w id th a n d t h e in it i a l c h ir p c o e f f i c ie n t . b y r e d u c in g t h e t h i r d - o r d e r d i s p e r s i o n ( t o d ) o f t h e p b f , t h e i d e a l u l t r a s h o rt p u l s e s a r e o b t a i n e d . t h i s p u l s e c o m p r e s s i o n t e c h n o l o g y w i l l e n h a n c e t h e p o r ta b i l i ty a n d t h e p r a c t i c a l i ty o f t h e u l t r a s h o rt p u l s e s o u r c e s . k e y w o r d s : f ib e r r a m a n a m p l ifi e r , d o u b le - p as s a m p li f ic a t io n , m e c h a n i c a l ly l o n g - p e r i o d f ib e r g r a t i n g , h i b i f i b e r l o o p m i r r o r , s e l f - s i m i l a r p u l s e , p h o t o n i c s b a n d - g a p f i b e r 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 : l i ,) 2 夕 年 少 月 2 o s 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名:学位论文作者签名: 解密时间:年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内部 5 年 ( 最长5 年，可少于5 年) 秘密1 0 年 ( 最长1 0 年， 可少于1 0 年) 机密2 0 年 ( 最长2 0 年，可少于2 0 年) 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。除文中己 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、己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: ow夕 年 了月 、日 第一章 绪论 第一章 绪论 第一节 光纤通信发展概况 光纤通信是二十世纪七十年代发展起来的一门新兴技术。它是以光波传送 信息，以光纤为传输介质的一种通信方式。而使得光纤成为现在及未来通信的 主力乃是基于两个事件的激发:首先是 1 9 6 0年美国 物理学家梅门 ( t h e o d o r e h a r o l d ma i m a n ) 成功地使红宝石振荡产生雷射光。 第二是 1 9 6 6 年英籍华人高馄 ( c .k .k a o ) 博士和h o c k h a m提出 利用带有包层材料的 石英玻璃光学纤维( 光纤) 来 进行光通信，其损耗可能低于2 0 d b / k m。从此揭开了光纤通信飞速发展的序幕。 1 9 7 2 年， 康宁公司生产出7 d b / k m的低损耗光纤。1 9 7 3 年，贝尔实验室又 将此项指标降到2 . 5 d b / k mo 1 9 7 9 年，日 本茨城通信研究所又研制出 接近理论极 限损耗值0 .2 d b / k m的光纤。 1 9 7 6 年， 美国贝尔实验室在亚特兰大到华盛顿间建 立了世界第一条实用化光纤通信线路。 随后，大容量的单模光纤和长寿命的半 导体激光器研制成功使光纤通信系统开始显示出长距离、大容量无比的优越性。 1 9 %年，wd m技术取得突破，美国m c i 公司在1 9 9 7 年开通了商用wd m线 路。光纤通信系统的速率从单波长的2 .5 g b / s 和 l o g b / s 爆炸性地发展到多波长 的t b / s 传输，目 前实验室光通信系统速率己 达 1 0 t h / s 。光纤通信作为未来的主 要通信手段拥有很高的发展和应用前景。 1 . 1 . 1光纤通信的优点及其应用: ( 一) 通信容量大 光纤有极大的通信频宽， 可达 1 2 g h z以上， 理论上两根光纤可传送上百 万个电话和上百个电视节目。目 前己 成功地完成了三万路电话的系统 ( 同轴电 缆的通信容量最高只能传送1 0 8 0 0 0 个电 话)，极适合于数字信号的传输。 ( 二) 中继距离长 光纤的突出 优点之一就是损耗小。目 前商用化石英光纤已 达 0 . 1 9 d b / k n 、以 下，若配以适当的光发送与光接收设备，可使其中继距离达数百公里以 上。这 是传统的电缆 ( 1 . 5 k m )、微波 ( 5 0 k m )等根本无法与之相比拟的。 第一章 绪论 ( 三) 不受电 磁 干扰， 保密性能好 光纤通信中，光波在光纤中传输时只在其芯区进行， 基本上没有光 “ 泄露” 出去，光纤是由 非金属的石英介质材料构成，不受电 磁干扰，因此其保密性能 极好。 ( 四 )原材料来源丰富， 潜在价格低廉 石英光纤的主要构成材料是是二氧化硅即砂子，而在大自 然界中，砂子相 对于用以制作电缆的铜、铅等材料，可以说是取之不尽、用之不竭，因此其潜 在价格是十分 低廉的。 ( 五) 光缆轻便， 适应能力强 相同话路的光缆要比电缆轻9 0 % 9 5 %， 而且直径不到电缆的五分之一， 所 以运输和架设都比 较方便。 光缆的敷设方式方便灵活，既可以直埋、管道敷设， 又可以水底和架空，便于施工和维护。 从信息与通信的核心网 ( c o r e n e t w o r k ) 来说， 无论是有线还是无线，不论 话音、数据还是图 像，光纤通信高速长距离传输系统都己经在起着重要作用。 目前主要应用如下: ( 1 )长距离的 光纤通信 ( 2 )大中 城市区间 光纤通信环状网络 ( 3 ) 交 换机局 ( c e n t r a l o f f i c e ) 到用户附 近的f i b e r f e e d e r 光 纤支 线 ( 4 ) 有线电 视 公司 的h f c 网 络所 有电 视信号由 端 头 ( h e a d e n d ) 到光纤网 络 ( f i b e r n o d e ) ( 5 ) 电话公司的光纤用户回路网络， 有的采用f ttc光纤信号到邻近的架构， 光纤 信号 到 近邻的网 络点 后 有光网 络 单元 ( o n n , o p t i c a l n e t w o r k u n i t ) 把 光电转换后变回电 子信号经原有铜线送到用户家 ( 6 ) 区间l a n光纤计算机网络( l o c a l a r e a n e t w o r k , l a n ) 1 . 1 . 2光通信系统的现状 光纤通信的诞生和发展是电信史上的一次重要革命，与卫星通信、移动通 信并列为2 0 世纪9 0 年代的三大通信技术。进入2 1 世纪后，由于因特网业务的迅 速发展和音频、视频、数据、多媒体应用的增长，对大容量 ( 超高速率和超长 第一章 绪论 1 . 1 . 3光纤通信的发展趋势 ( 一 ) 超高 速率、 超大容 量、 超长 距离的 光 通信系统 传统光纤通信的发展始终按照电的时分复用 ( t d m)方式进行， 每当 传输 速率提高4 倍，传输每比特的成本大约下降3 0 y o -4 0 yo，因而高比特率系统的 经济效益 大 致 按 指数 规律增长。目 前 商 用系 统已 从4 5 m b p s 增加 到i o g b p s ， 其 速率在2 0 年时间 里增加2 0 0 0 倍。 i o g b p s 系统已 开 始大批量装备网 络， 全世界 安装的终 端和中 继器己 超过5 0 0 0 个。 在实验室传输速率已 能达到4 0 g b p s ， 采用 色度色散和极化模色散补偿以 及伪三进制( 即双二 进制) 编码后已能传输1 0 0 k m o 然而，采用电 的时分复用来提高传输容量的作法己 经接近硅和稼砷技术的极限。 此 外，电 的4 0 g b p s 系统 在性能 价 格比 及在实 用中 是 否能 成功还是 个未 知因 素， 因而更现实的出 路是转向光的复用方式。 光时分复用系统 ( o t d m) 指采用光学 方法对以 光为 载体的数据流进行复 用，它需要的 基本技术包括超短光脉冲发生 技术、 全光时分复用/ 去复用技术和超高速定时提取技术。 用o t d m方法能突破 电子器件的物理限制，提高光传输的 码率。 在短短的几年历史里，已 经报道的 o t d m的速率也已 经达到了6 4 0 g b i t/ s ， 并且在2 0 0 2 年8 月的e c o c会议上， s i e m e n s i c n阐 述了 用于1 6 0 g b t/ s 的o t d m系统的传输设备和高速转换技术能 使点对点的传输系统降低成本和使之商业化成为现实。 另外， 通过开发新型超宽带器件，拓宽利用光纤丰富的通信带宽资源， 减 少信道间隔， 在有限的带宽范围内 增加信道数目 ，这些将是提高光通信容量最 有效的方法。 日 本n e c和法国阿尔卡特公司分别在1 0 0 k m距离上实现了总容量 为 1 0 .9 t b it / s ( 2 7 3 x 4 0 g b i t / s ) 和总容量为1 0 .2 t b i t/ s ( 2 5 6 x 4 0 g b i t / s ) 的传输容量 最新世界记录， 其中前者实现了2 7 3 个通路， 每通路4 0 g b i t / s 速率， 间隔5 0 g h z , 覆盖s . c和l 波段。 而后者实现了2 5 6 个通路， 利用锗硅技术实现每通路速率 4 2 .7 g b i t/ s ， 其中f e c开销7 %,结合采用了交替间插的7 5 和5 0 g h z 通路间隔， 残留边带过滤和极化复用技术，有效减少了路际干扰，频谱效率高达 1 .2 8 b it / s / h z ， 系统工作范围 覆盖c 和l 波段。 从技术上看， 在5 年左右的 时间， 实用化的最大传输链路容量有可能达到5 - 1 o t b it/ s ，甚至有研究结果报导单波长 容量达到l 0 0 t b i t / s 是可能的。简言之，网络容量将不会受限于传输链路， 焦点 将集中在网络节点上。近年来超大容量密集波分复用系统的发展不仅彻底发掘 第一章 绪论 了无穷无尽的光传输链路的容量，而且也成为ip业务快速发展的催化剂和下一 代光传送网灵活光节点的基础。 从宏观来说， 对光纤传输的要求必 然是传输距离越远越好， 所有研究光纤 通信技术的机构，都在这方面进行了不懈的努力。特别是在光纤放大器出 现以 后，这方面的记录不断刷新。不仅每个跨距的长度不断增加，例如，由当 初的 2 0 k m , 4 0 k m ， 最多为8 0 k m ，增加到1 2 0 k m , 1 6 0 k m 。而且，总的 无电再生中继 距离也在不断增加， 如从6 0 0 k m 左右增加到3 0 0 0 k m , 4 0 0 0 k m ， 甚至超过1 0 0 0 0 k m o 从需求的角度来看，这主要是在传送网络发展到一定阶段，为了通路组织更方 便。除了 沿途分插业务的形式外，对于特大枢纽节点之间往往需要大容量的直 达通路。 这样可以 减少再生中继器的数量，降低建设和运行维护成本，提高可 靠性。从技术的角度看，由 于光纤放大器的出现，尤其是光纤喇曼放大器实用 之后，为增大无再生中继距离创造了条件。同时， 采用有利于长距离传送的线 路编码， 如r z( 归零码) 或c s - r z( 载频抑制归零码) 码型:采用f e c( 前向纠 错) 、 e f e c( 增强型前向 纠错) 或s f e c( 超强前向 纠错) 等技术 提高接收灵敏 度;用色散补偿和偏振模色散 ( p m d ) 补偿技术解决光通道代价和选用合适的 光纤及光器件等措施，己经可以实现基于i o g b / s 的d wd m系统，数千公里无电 再生中继器的超长距离传输。表1 . 1 列出了 近年来国际上超高速、超大容量光纤 通信系统的 研究情况2 - 1 8 1 ( 二)向 全光网 络方向 发展 在光传输的 基础上，人们又提出了 光交换，这样就可以构筑集接入、交换、 传输于一体的全光网络。全光网络的概念是指用户与用户之间的信号传输与交 换全部采用光波技术，即数据从源节点到目 的节点的传输过程都在光域内进行。 全光网络主要由核心网、城域网和接入网三层组成，三者的基本结构相类似， 由d wd m系统、光放大器、o a d m ( 光分插复用器) 和 o x c( 光交叉连接设 备)等设备组成。全光网络有星形网、总线网和树形网3 种基本类型。 全光网络具有以下特点: ( 1 ) 全光网络能够提供巨大的带宽。因为全光网对信号的交换都在光域内进 行，可最大限度地利用光纤的传输容量。 ( 2 ) 全光网络具有传输透明性。因为采用光路交换，以波长来选择路由，因 此对传输码率、数据格式以及调制方式具有透明性，即对信号形式无限制，允 第一章 绪论 表1 . 1国际上超高速、超大容量光纤通信系统的研究情况 产 份 国家 ( 公司) 系统 信道速率 ( gb i t / s ) 系统容量 传输距离 ( k r n ) 关键技术 一 200 1 法国( a lc a t e l ) wdm4 2 . 71 0 2t bi t / s1 0 0 传 输c + l 波 段 信 号 2003 美国 ( o f s 当输入信号减弱时，输出波动明显增 加;输入减弱到一定程度时，输出变为脉冲序列，其特点是噪声光子产生的电 脉冲高度场在某一恒定值以下，信号光子产生的电脉冲高度场在某一恒定值以 上。信号光通过光学克尔介质时，由于克尔效应，介质折射率随着信号强度变 化而变化，当探测光通过介质时，受到折射率的调制，信号被转载到探测光上， 通过对探测光的解调，得到原始信号，这就是量子无破坏检测原理。 ( 3 ) 具有超强的抗干扰能力，是目 前科学界公认的唯一能实现绝对安全的通 信方式 “) 可降低通信复杂程度，是一种环保通信 量子通信以量子态作为信息载体，信息的传送和处理均要遵从量子力学规 律，它为信息科学的未来发展提供了新的原理和方法。迄今，理论和实验研究 证实，量子通信在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量等方面可以突 破现有信息系统的极限，引起学术界、各国的高度重视。量子通信作为新生学 科在国际上兴起是在1 9 9 4 年之后，虽然时间很短，但己取得了一系列重要突破。 量子光通信的优越性是十分明显的，量子信息通信将会给通信技术带来巨大变 革，是未来通信发展的趋势。最近，在美国由b b n 公司组建的世界上第一个量 子密码通信网络在美国马萨诸赛州剑桥城正式投入运行。新的量子密码通信网 络与现有因特网技术完全兼容，网络传输距离约为l o k m，采用普通光纤传输数 据，并且与普通网络完全兼容。尽管量子通信有很好的前景，但是无论从理论 上还是实验上，量子通信技术都还有很多问题没有解决。如，在理论上，量子 通信中起关键作用的量子纠缠特性还远远没有被完全揭示;在实验单元技术上， 如何有效产生多粒子纠缠态等。目 前量子通信的研究方向主要有进一步寻找实 现多粒子的量子祸合态的方法和技术、利用生物技术实现超光速通信等。量子 通信的基本框架已经构成，在不久的将来，人类将完成从经典通信向量子通信 的跨越。 第二节 光放大器的研究与发展 光放大器是大容量、长距离光通信系统中不可缺少的关键器件之一。它是 在不经过光/ 电信号转换的条件下， 直接将信号光进行放大。与传统的光电中继 9 第一章 绪论 三里巴里里里里里巴 巴里里里里里皿 器相比，光放大器具有体积小、结构简单等优点，而且让系统的升级更加简化， 可以 配合 wd m 的应用来增加传输容量及距离，使得整个系统更加简单灵活。 它的出现和实用化在光纤通信发展史上具有里程碑的意义，使超长距离的 d wd m、全光传输、光孤子传输等成为现实。 一般来说，光放大器都由增益介质、泵浦源、输入输出祸合结构组成。目 前光放大器形式主要有三种: ( 1 )利用激光二极管制作的半导体光放大器s o a ; ( 2 ) 利用稀土掺杂 ( n d , s m, h o , e t , p r , t m和y b 等) 光纤制作的光纤放 大器; ( 3 ) 基于光纤的非线性效应，利用受激散射机制实现光信号直接放大 的非线性光放大器。 1 . 2 . 1半导体光放大器 半导体光放大器是采用与半导体激光器相类似的工艺制成的一种行波放大 器， 其基本结构是不具有端面反射膜或者具有减反射涂层膜的 激光二极管( l d ) , 当偏置电流低于振荡闭值时，激光二极管就能对输入相干光实现光放大。 半导体光放大器的主要优势是制作工艺成熟: 价格较低廉;尺寸很小，一 般约0 . 1 1 - 1 m m ;频带很宽，约有5 0 - 7 0 n mo s o a能覆盖1 3 0 0 - 1 6 0 0 n m波段， 既可用于1 3 1 0 n m窗口的光放大，又可用于1 5 5 0 n m窗口的光放大。 通过注入电 流来改变放大增益， 从而可均衡在网 络不同节点 上的 增益。 通过改 变s o a的偏 置电流，既可以吸收也可以放大，而且具有高达 5 0 d b的消光比和n s 量级的快 速响应时间。这也使s o a用作光开关成为可能，如在波分复用光纤通信系统中 作 为 门 开 关 和 波 长 变 换 器 119,2 01 但是s o a最大的弱点就是与光纤的祸合损耗很大， 约5 d b左右;同时增益 对环境温度很敏感， 稳定 性差;对光的 偏振特性较敏感， 这需要采用保偏光纤; 由于交叉相位调制和四波混频等非线性现象，s o a的噪声指数高，信道间的串 扰比较严重。目前，人们主要关注的是应变补偿的无偏振、单片集成、光横向 连接的s o a以