光网络实用组网技术第4章 光网络组网的核心网元.ppt

　　现代光网络中应用的主要元器件可以粗略分为光有源器件和光无源器件。光有源器件主要包括各种不同类型的光发射器件和光放大器。光发射器件包括各种半导体激光器和发光二极管，其中半导体激光器是光通信系统中的主要光源。光放大器是补偿光纤和各种元器件损耗的重要器件，通常可以对多个波长的光信号同时放大。在本书中，用于将光信号还原成电信号的光检测器也放在光有源器件中介绍。光无源器件主要包括耦合器、 光开关、 光滤波器及复用器等。耦合器是一种用于联合或分离光信号的简单器件。在波分复用系统中，复用/解复用的滤波器和复用器对不同波长的光信号进行处理。光开关在当今越来越快捷和灵活的光网络中起着关键的作用。 　　将分立的光器件合理地组合在一起就构成了光网络中重要的网络单元。网络由通过光纤链路互连着的光线路终端(OLT)、 光分插复用器(OADM)以及光交叉互联器(OXC)组成。目前光线路终端已被广泛采用，而光分插复用器相对来说用得少一些，光交叉互联器则刚刚开始被使用。 本章将介绍光通信系统中最重要的一些元器件的物理机理及其工作原理。对每一种器件，首先进行简单的描述，进而给出更详细的基于数学的处理方法。此外，还将介绍各网络单元的构造，最后讨论波长转换器。 4.1.1 光发射器件　　1． 激光器　　光网络使用的光发射器中最重要的是激光器，而激光器又有许多不同的类型。激光器被用作光通信系统的发射机，也被用于泵浦掺铒光纤放大器和喇曼放大器。 1) 工作原理　　(1) 受激辐射。　　根据量子力学原理，任何物理系统(比如一个原子)都只能处于一组离散能级中的某一个能级上。一个原子有E1和E2两个能级，并有E2E1。一个频率为fc，且满足hfc=E2-E1的电磁场将触发原子在能级E1和E2之间跃迁，其中h是普朗克常量，跃迁过程如图4-1所示。E1到E2的跃迁伴随着对输入电磁场的光子的吸收，而从E2到E1的跃迁则伴随着能量为hfc的光子的辐射(与入射光子具有相同的能量)，被称为受激辐射。 如果受激辐射占主导地位，即入射信号引起的从E2到E1的跃迁大于从E1到E2的跃迁，则能量为hfc的光子数目就有了净增加，从而达到了放大光信号的效果。 　　根据量子力学理论可知： 每个原子发生从E1到E2跃迁的几率等于从E2到E1跃迁的几率。用r表示这一共同的几率，如果在能级E1和E2上的原子数分别是N1和N2，相应地，单位时间内能量就有(N2-N1)rhfc的净增长。显然，为了产生光放大，必须有N2N1,这就是粒子数反转条件。为了产生光放大，必须使能级E1和E2的粒子数关系反转。通过以适当的形式提供额外的能量(泵浦能量)，将电子泵浦到高能级就可以实现粒子数反转。这一额外的能量可以是光形式的(光泵浦)，也可以是电形式的(电泵浦)。 　　(2) 自发辐射。　　再以之前所讨论的两个能级的原子系统为例。即使没有外部的辐射存在，在E2能级的原子也将跃迁到低能级E1上，并发射能量为hfc的光子，这就是自发辐射。每个原子从E2能级到E1能级的自发辐射几率是该原子系统的一个特性，用τ21来表示，称为自发辐射寿命。　　因此，如果E2能级上有N2个原子，则自发辐射几率是N2/τ21，自发辐射的能量是hfcN2/τ21。 　　自发辐射的过程对放大器的增益没有贡献。虽然发射的光子与入射光信号有相同的能量hfc，但是自发辐射的光子的方向、 偏振态以及相位都是随机的，它不同于受激辐射的过程，在受激辐射过程中，发射的光子不仅具有与入射光子相同的能量，而且也有相同的传播方向、相位和偏振状态。这种现象通常被称为： 受激辐射过程是相干的，而自发辐射过程是不相干的。　　自发辐射对系统有不利的影响。原子系统会把自发辐射当成是频率为hfc的另一个电磁场，因此除了对入射光信号放大之外，自发辐射也被系统放大。这种放大的自发辐射(Amplified Spontaneous Emission，ASE)在光放大器中体现为噪声。 　　2) 激光器结构　　简单地说，激光器是由三个部分组成的： 增益介质(它的作用正如之前所讨论的两个能级的原子系统，比如，半导体激光器用半导体作为增益介质，而光纤激光器用掺铒光纤作为增益介质)、 谐振腔和泵浦源(它的作用就是使得增益介质实现粒子数反转)。　　最简单的谐振腔是图4-2所示的F-P谐振腔，谐振腔的两个端面是平面并且相互平行，称为反射端面。将增益介质置于F-P腔内部的结果是，增益介质辐射出的光波中只有满足腔的谐振波长的光才能获得较高增益。这与F-P滤波器的情况相同(参见4.2节)。 　　在一束光横穿谐振腔一次后，有一部分光从右边的反射端面射出谐振腔，而另一部分光则被反射。反射波的一部分又被左