波 长/m
(b)
图 7.1 (a) 硅光纤中铒离子的能级图； (b) EDFA的吸收和增益频谱
泵浦
输 入信 号
光 隔离 器
波 分复 用 器 (a)
掺 铒光 纤
输 出信 号
光 隔离 器
光 输入
热 输 入隔 离 器
沉 输 入WDM
＋5V
电源
0V
－5V
监视 激 光器 驱 动输 入
泵 浦 LD
监 视和
泵 浦监 视
…
1 光发射机 1
复用器
n 光发射机
n
1′ 光接收机 n′ 光接收机
…
解复用器
光纤放大器
1…n
光纤放大器
1…n
解复用器
…
光接收机 1 光接收机 n
复用器
1 光发射机 1′
…
n 光发射机
n′
图7.7 双纤单向WDM传输
1 光发射机1
光接收机 1
…
…
…
n 光发射机n
1′ 光接收机 n′ 光接收机
复用/解复用器
2.
由于WDM技术使用的各波长的信道相互独立，因而可以 传输特性和速率完全不同的信号，完成各种电信业务信号的综 合传输，如PDH信号和SDH信号，数字信号和模拟信号，多种 业务(音频、视频、数据等)的混合传输等。
3.
采用WDM技术可使N个波长复用起来在单根光纤中传输， 也可实现单根光纤双向传输，在长途大容量传输时可以节约 大量光纤。另外，对已建成的光纤通信系统扩容方便，只要 原系统的功率余量较大，就可进一步增容而不必对原系统作 大的改动。
20世纪80年代末期，波长为1.55 μm的掺铒(Er)光纤放大 器(EDFA： Erbium Doped Fiber Amplifier)研制成功并投入 实用，把光纤通信技术水平推向一个新高度，成为光纤通信 发展史上一个重要的里程碑。
7.1.1
图7.1示出掺铒光纤放大器(EDFA)的工作原理，说明了光 信号为什么会放大的原因。从图7.1(a)可以看到，在掺铒光纤 (EDF)中，铒离子(Er3+)有三个能级： 其中能级1代表基态， 能量最低；能级2是亚稳态，处于中间能级；能级3代表激发 态， 能量最高。当泵浦(Pump, 抽运)光的光子能量等于能级3 和能级1的能量差时，铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到激发态 (1→3)。
透镜
光纤
1
透镜
3
透镜
5
透镜
7
窄带滤波器
玻璃衬底
图7.22 基于多层介质薄膜滤波器的波分复用/解复用器
7.3光 交 换 技
目前的商用光纤通信系统，单信道传输速率已超过10 Gb/s， 实验WDM系统的传输速率已超过3.28 Tb/s。但是，由于大量 新业务的出现和国际互联网的发展，今后通信网络还可能变 得拥挤。原因是在现有通信网络中，高速光纤通信系统仅仅 充当点对点的传输手段，网络中重要的交换功能还是采用电 子交换技术。传统电子交换机的端口速率只有几Mb/s到几百 Mb/s，不仅限制了光纤通信网络速率的提高， 而且要求在众 多的接口进行频繁的复用/解复用，光/电和电/光转换，因而增 加了设备复杂性和成本，降低了系统的可靠性。
衰 减 / (d B－·k)1 m
4.0 信 道间 隔
3.0 1~10 GHz
2.0
… 载 波频 率
1.0
0 800 1000 1200 1400 1600 1800
波 长 / nm
图7.6
中心波长在1.3 μm和1.55 μm的硅光纤低损耗传输窗口 (插图表示1.55 μm传输窗口的多信道复用)
告警电路 和控制电路
掺铒
PD 探 测 器 泵 浦 LD
光纤
光 输出
输出耦合器 输出隔离器
输 出WDM
(b)
图7.3 (a) 光纤放大器构成原理图； (b) 实用光纤放大器外形图及其构成方框图
7.2
随着人类社会信息时代的到来，对通信的需求呈现加速 增长的趋势。发展迅速的各种新型业务(特别是高速数据和视 频业务)对通信网的带宽(或容量)提出了更高的要求。为了适 应通信网传输容量的不断增长和满足网络交互性、灵活性的 要求，产生了各种复用技术。
在光纤通信系统中除了大家熟知的时分复用(TDM)技术外， 还出现了其他的复用技术，例如光时分复用(OTDM)、光波分 复用(WDM)、 光频分复用(OFDM)以及副载波复用(SCM)技术。 本节主要讲述WDM技术。
7.2.1
1. WDM的概念
光波分复用(WDM： Wavelength Division Multiplexing)技 术是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术。其基 本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来(复用)，并耦 合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合 波长的光信号分开(解复用)，并作进一步处理，恢复出原信号 后送入不同的终端，因此将此项技术称为光波长分割复用， 简称光波分复用技术。
7.1光 纤 放 大
光放大器有半导体光放大器和光纤放大器两种类型。半 导体光放大器的优点是小型化，容易与其他半导体器件集成； 缺点是性能与光偏振方向有关，器件与光纤的耦合损耗大。 光纤放大器的性能与光偏振方向无关，器件与光纤的耦合损 耗很小， 因而得到广泛应用。
光纤放大器实际上是把工作物质制作成光纤形状的固体 激光器，所以也称为光纤激光器。
损耗或增益 /(dB·m－1) 截面 /(×10 －25m2)
4F9 / 2
4I9 / 2 4I11 / 2
4I13 / 2 1.48m
泵浦 4I15 / 2
0.65m 0.80m 3 0.98m 2 1.53m
光信号 1
(a)
10
8
6
6
吸收
4
4
2
2
增益
0
0
1.48 1.50 1.52 1.54 1.56
1 1 2 3 4
1
2 2 32 3 4
2
光纤布喇格光栅
2 (b)
图7.16 (a) 简单光分； (b) 光分插
1
3 4
耦合器 1 2 3 4
F-P 滤 波 器
输 入信 号 反射
图7.18 FP滤波器
1,2,…8
光纤
透镜
透镜
2
透镜
4
透镜
6
透镜
8 光纤
4.
随着传输速率的不断提高，许多光电器件的响应速度已 明显不足，使用WDM技术可降低对一些器件在性能上的极 高要求，同时又可实现大容量传输。
5. 高度的组网灵活性、 经济性和可靠性
WDM技术有很多应用形式，如长途干线网、广播分配 网、多路多址局域网。可以利用WDM技术选择路由，实现网 络交换和故障恢复，从而实现未来的透明、 灵活、经济且具 有高度生存性的光网络。
1… n
光纤 放大器
n＋1… 2n
光接收机
复用/解复用器 n＋1
光发射机
n 1′
…
2n 光发射机
n′
图7.8 单纤双向WDM传输
7.2.3WDM技术的主要特点
1. 充分利用光纤的巨大带宽资源
光纤具有巨大的带宽资源(低损耗波段)，WDM技术使一 根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍甚至几百倍， 从而增加光纤的传输容量，降低成本，具有很大的应用价值和 经济价值。