濮圣維，蔣夢(mèng)圓

(1.江蘇出入境檢驗(yàn)檢疫局 機(jī)電產(chǎn)品及車輛檢測中心，江蘇 無錫 214000； 2.江蘇電信股份有限公司無錫公司 云計(jì)算運(yùn)行中心，江蘇 無錫 214000)

光纖放大器(Optical Fiber Amplifier，OFA)是在光纖纖芯中摻入能產(chǎn)生激光的稀土元素，通過激光光源提供的泵浦激光使中繼傳輸?shù)男盘?hào)光充分放大。20世紀(jì)90年代初期摻鉺光纖放大器(EDFA)研制成功，使全光通信距離可延至數(shù)千公里，被譽(yù)為光通信發(fā)展的里程碑。光纖光隔離器是允許單向光通過而阻止相反方向傳輸?shù)臒o源器件，可充分隔離光纖回波反射光，提高光傳輸效率。

1 摻鉺光纖放大器

摻鉺光纖放大器由摻鉺光纖和泵浦光源組成。泵浦光源的主要作用是給Er3+提供能量，將它從低能級(jí)抽運(yùn)到高能級(jí)，摻鉺光纖是在石英光纖的纖芯中摻入適量濃度的Er3+。摻入Er3+的石英光纖在980 nm和1 480 nm波長對(duì)泵浦光吸收效率最高，故可產(chǎn)生較大的光增益，如圖1所示[1]。

圖1 摻雜光纖放大器的組成圖

沒有泵浦光源作用時(shí)，Er3+的能量狀態(tài)稱為基態(tài)E1，吸收泵浦光能量后，Er3+躍遷到激發(fā)態(tài)E3，但壽命很短，將迅速弛豫到壽命較長的亞穩(wěn)激發(fā)態(tài)E2，當(dāng)Er3+從亞穩(wěn)激發(fā)態(tài)E2躍遷回到基態(tài)E1時(shí)，躍遷能量轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛涔?，輻射光波長由亞穩(wěn)態(tài)E2與基態(tài)E1的能級(jí)差決定； 在泵浦源980 nm波長激勵(lì)作用下，處于亞穩(wěn)激發(fā)態(tài)E2的Er3+不斷累積，其數(shù)量可超過處于基態(tài)E1的離子數(shù)達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)。如光信號(hào)的誘導(dǎo)入射能量相當(dāng)于基態(tài)E1和亞穩(wěn)激發(fā)態(tài)E2之間的能量差，可誘導(dǎo)產(chǎn)生受激輻射的1.55 μm波長的相干放大激光，這里波分復(fù)用器可把輸入信號(hào)光和泵浦光耦合于摻鉺光纖傳輸。

目前光纖通信系統(tǒng)，信號(hào)光工作在兩個(gè)低損耗、零色散窗口：1.55 μm波段和1.31 μm波段，選擇不同的摻雜元素，可使放大器工作在不同窗口。實(shí)際上OFA并非只能工作在光波點(diǎn)頻上，可以有一定的頻率范圍。當(dāng)工作頻率變化時(shí)，可使OFA的基本參數(shù)保持穩(wěn)定工作的頻率范圍稱為頻帶寬度，簡稱為光纖帶寬(Band Width)。

為了保證傳輸質(zhì)量，OFA須有充分的帶寬、平坦的增益、低噪聲系數(shù)和高輸出功率，通常EDFA 在1.50～1.60 μm波段帶寬為40 nm，如波長間隔為0.8 nm，可同時(shí)讓50 路光波使用。

2 光纖光隔離的工作性能

在光纖里傳輸?shù)墓庑盘?hào)不管是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，由于存在吸收損耗、散射損耗，其傳輸幅度都要減小，光纖的損耗在很大程度上決定了系統(tǒng)的傳輸距離； 光纖總損耗α與波長λ的關(guān)系可表示為

其中A為瑞利散射系數(shù)，B為結(jié)構(gòu)缺陷散射產(chǎn)生的損耗，CW(λ)，IR(λ)，UV(λ)分別為雜質(zhì)吸收、紅外吸收、紫外吸收產(chǎn)生的損耗。吸收損耗中，由SiO2材料里的電子躍遷引起的吸收發(fā)生在紫外(UV)帶區(qū)(λ>7 μm)、由分子振動(dòng)引起的吸收發(fā)生在紅外(IR)帶區(qū)(λ<0.4 μm)，由于SiO2是非晶狀體材料，兩種吸收帶從不同方向伸展到可見光區(qū)； 散射損耗是由材料微觀密度不均勻引起的瑞利散射和由光纖結(jié)構(gòu)如氣泡缺陷引起的散射產(chǎn)生的，結(jié)構(gòu)缺陷散射產(chǎn)生的損耗與波長無關(guān)。

光纖壁非完全導(dǎo)電，管壁表面的切向電場不為零，將激發(fā)、產(chǎn)生傳播方向上既有電場分量又有磁場分量的電磁混合模即HE?；駿H模。混合模的縱向場分量遠(yuǎn)小于橫向分量，而且任何EHm-1,n模與HEm+1,n模保持狀態(tài)簡并，構(gòu)成了光纖傳輸里的LP線極化模，這里波型指數(shù)m，n分別是電磁場沿圓周和徑向的變化次數(shù)，HE11模是單模光纖的工作基模。

光隔離器結(jié)構(gòu)分為塊狀型和波導(dǎo)型。塊狀型又分為偏振敏感型和偏振不敏感型，前者使不同偏振態(tài)光以不同的群速在光纖中傳輸，將導(dǎo)致光脈沖的展寬和失真。光纖光隔離器技術(shù)性能比較見表1。

表1 光纖光隔離器技術(shù)性能比較

光纖光隔離器采用磁光晶體的法拉第效應(yīng)(也稱磁致旋光效應(yīng))[2]：不具有旋光性的材料在磁場作用下通過兩個(gè)偏振片使該物質(zhì)的光偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，隔離反向光傳輸，如圖2所示。

圖2 光纖光隔離器的工作原理

1958年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)釔鐵石榴石(簡稱YIG)在紅光和近紅外范圍內(nèi)的法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。除稀土元素?fù)诫s的石榴石外，還有其他材料具有磁光性能。磁光效應(yīng)在自然界廣泛存在，稀土鐵石榴石是研究最透徹、應(yīng)用最廣泛的磁光材料[3]。

3 光纖光隔離的技術(shù)應(yīng)用

WDMA光波分復(fù)用技術(shù)在發(fā)送端將不同波長的光信號(hào)復(fù)用并耦合到光纖中傳輸，在接收端將組合波長的光信號(hào)解復(fù)處理后送入不同的終端[4]72-73。光纖傳輸?shù)蛽p耗透明窗口：波段為1.25～1.35 μm，相應(yīng)帶寬為17700 GHz； 波段為1.50～1.60 μm，相應(yīng)帶寬為12500 GHz，兩個(gè)窗口總帶寬超過30 THz。如信道頻率間隔為10 GHz，通常光纖可容納3000路光信號(hào)同時(shí)傳輸，光隔離技術(shù)在光孤子通信系統(tǒng)的應(yīng)用如圖3，圖4所示。

圖3 光孤子通信系統(tǒng)圖

圖4 循環(huán)光纖間接光孤子實(shí)驗(yàn)圖

光纖色散引起了脈沖展寬，成為提高光纖傳輸系統(tǒng)性能的限制因素，而光孤子通過光纖的傳輸群速度色散和非線性壓縮效應(yīng)相互制衡。對(duì)反常色散光纖，群速度與光載波頻率成正比，因此具有正啁啾的光脈沖通過反常色散光纖時(shí)，脈沖前頭部頻率低、傳播慢，而后尾部頻率高、傳播快，這種“紅頭紫尾”光脈沖在光纖傳播過程中，“紫”尾逐漸接近“紅”頭，因而脈沖被壓縮； 對(duì)正常色散光纖，結(jié)論正相反。選擇相關(guān)參數(shù)可以使光脈寬保持傳播不變。

經(jīng)光纖長距離傳輸、光孤子寬度可保持ps數(shù)量級(jí)不變的超短光脈沖，脈沖間隔是脈寬的10倍。采用光孤子通信具有高容量、長距離、抗噪聲干擾、低誤碼率特征，傳輸速率為10～100 Gb·s-1。光纖光隔離器的特性指標(biāo)有插入損耗、回波損耗和隔離度。

插入損耗是指由于增加光纖光隔離而產(chǎn)生的附加損耗，可表示為

其中Pi為發(fā)送進(jìn)輸入端口的光功率，Po為從輸出端口接收到的光功率。

回波損耗

其中Pj為發(fā)送進(jìn)輸入端口的光功率，Pr為從同一個(gè)輸入端口接收的返回光功率。

設(shè)Pi正，Po正為正向傳輸時(shí)的輸入和輸出功率，Pi反，Po反為反向傳輸時(shí)的輸入和輸出功率，則正向損耗

反向損耗

隔離度

I=L2-L1，

隔離度I越大，光隔離器的作用效果就越好。

4 結(jié)束語

光纖通信采用的SDH幀結(jié)構(gòu)有9行，每行270×N個(gè)字節(jié)，幀周期為125 μs，字節(jié)(8 bit)從左到右、由上到下逐行發(fā)送，STM-1的SDH幀傳輸速率為9×270×8×8000=155.520 Mb·s-1。

光纖通信系統(tǒng)帶寬取決于光源的調(diào)制特性和光纖的色散特性，WDMA光波分復(fù)用是增加光纖通信系統(tǒng)傳輸容量的有效耦合方法，寬帶OFA的引入使單光纖傳輸容量從2.5 Gbit·s-1提高到20 Tbit·s-1[5]。光傳輸網(wǎng)OTN結(jié)合光域與電域，可按光調(diào)制方式、光頻譜資源、光載波數(shù)量進(jìn)行寬帶光傳輸網(wǎng)的最優(yōu)匹配，提供了完全透明的端到端波長連接、電信級(jí)的保護(hù)技術(shù)。

光纖光隔離器是光非互易傳輸光纖無源器件，可消除光纖信道中產(chǎn)生的反向光。OFA等對(duì)反射光的干擾非常敏感，如在摻雜光纖兩端裝上光纖光隔離器，可減少反射光對(duì)信號(hào)光源的光譜與輸出功率的影響； 而波長量級(jí)的非互易光學(xué)器件是光學(xué)集成系統(tǒng)中不可缺少的元素，它們消除了對(duì)激光光源的反饋，通過抑制器件之間的路徑反射而極大地提高了納米級(jí)光學(xué)集成系統(tǒng)對(duì)制造缺陷及環(huán)境不穩(wěn)定性的容限度[6]。光隔離技術(shù)在光纖通信、光信息處理中具有重要的系統(tǒng)性能穩(wěn)定作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 百度百科.光纖放大器[EB/OL].(2013-01-05)[2017-06-16]. http://baike.baidu.com/item/光纖放大器.

[2] 百度百科.光隔離器[EB/OL].(2015-10-05)[2017-06-16]. http://baike.baidu.com/item/光隔離器.

[3] 張溪文,董博,洪煒,等.光隔離器及其相關(guān)的磁光材料[J].材料科學(xué)與工程,2002,20(3):438-440.

[4] 劉增基,周洋溢,胡遼林,等.光纖通信[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2008.

[5] 崔秀國,劉翔,操時(shí)宜,等.光纖通信系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展、挑戰(zhàn)與機(jī)遇[J].電信科學(xué),2016,32(5):34-43.

[6] LIU K X, TORKI A, HE S. One-way surface magneto plasmon cavity and its application for nonreciprocal devices[J]. Optics Letters,2016,41(4): 800-803.