7.1. 光纤放大器

光放大器是基于受激辐射或受激散射原理实现入射光信号放大的一种器件。其机制与激光器完全相同。实际上，光放大器在结构上是一个没有反馈或反馈较小的激光器

放大器有三种类型：

1. 利用稀土掺杂的光纤放大器（EDFA、PDFA）

2. 利用半导体制作的半导体光放大器（SOA）

3. 利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器（FRA、FBA）

7.1.1. 掺铒光纤放大器

掺铒光纤放大器EDFA 工作原理是什么：在掺铒光纤（EDF）中，离子有三个能级：其中能级1代表基态，能量最低；能级2是亚态，处于中间能级；能级3代表激发态，能量最高。当泵浦光的光子能量等于能级3和能级1的能量差时，离子吸收浦光从基态跃迁到激发态（1->3）。但是激发态是不稳定的，离子很快返回到能级2。如果输入的信号光的能量等于能级2和能级1的能量差，则处于能级2的离子将跃迁到基态（2->1）产生受激辐射光，因而信号光得到放大。由此可见，这种放大是由于泵浦光的能量转换为信号光能量的结果。为提高放大器增益，应提高对泵浦光的吸收，使基态铒离子尽可能跃迁到激发态

EDFA的应用，归纳起来可以分为三种形式：

1. 中继放大器：在光纤线路上每隔一定距离设置一个光纤放大器，以延长传输距离

2. 前置放大器：此放大器置于光接收机前面，放大非常微弱的光信号，以改善接收灵敏度。作为前置放大器，要求噪声系数尽量小

3. 后置放大器：此放大器置于光发射机后面，以提高发射光功率。对后置放大器的噪声要求不高，而饱和输出光功率是主要参数。

980 nm和1480 nm的泵浦效率高于其他波长的泵浦效率，因此它们得到了广泛的应用，并已完全商用化。波长为980 nm的泵浦光转换效率更高，而且噪声较低，是未来发展的方向（因为更容易达到激发态）

7.1.2. 掺铒光纤放大器的构成和特性

对泵浦光源的基本要求是大功率和长寿命

在泵浦光功率一定的条件下，输入光功率随着光功率的增加先逐步增大，后保持不变，可推导出：当输入信号光功率较小时，放大器增益不随输入信号光功率而变化，基本上保持不变。当信号光功率增加到一定值，增益开始随信号光功率的增加而下降，因此出现输出信号光功率达到饱和的现象

三种泵浦方式的EDFA：

1. 同向泵浦：信号光和泵浦光以同一方向从掺饵光纤的输入端注入的结构，具体好的噪声性能

2. 反向泵浦：信号光和泵浦光以两个不同方向注入进掺饵光纤的结构，输出信号功率高

3. 双向泵浦：同向泵浦和反向泵浦同时泵浦的结构，输出信号功率比单泵浦源高3 dB，且放大特性与信号传输方向无关

7.1.3. 掺铒光纤放大器的优点和应用

EDFA的主要优点有：

1. 工作波长正好落在光纤通信最佳波段（1500～1600 nm）；其主体是一段光纤，与传输光纤的耦合损耗很小

2. 增益高；饱和输出光功率大；增益特性与光偏振状态无关

3. 噪声指数小；用于多信道传输时，隔离度大，无串扰，适用于波分复用系统

4. 全光纤结构，与光纤系统兼容

5. 频带宽，在1550nm窗口，频带宽度为20～40nm，可进行多信道传输，有利于增加传输容量

6. 所需的泵浦功率低（数十毫瓦）

7.2. 光波复用技术

7.2.1. 光波分复用原理

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。
光波分复用（WDM）的基本原理是：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。

WDM系统的基本构成主要有以下两种形式：双纤单向传输和单纤双向传输

1. 双纤单向传输：单向WDM传输是指所有光通路同时在一根光纤上沿同一方向传送

2. 单纤双向传输：双向WDM传输是指光通路在一根光纤上同时向两个不同的方向传输

7.2.2. WDM系统的基本结构

实际的WDM系统主要由五部分组成：光发射机、光中继放大、光接收机、光监控信道和网络管理系统

1. 在发送端首先将来自终端设备（如SDH端机）输出的光信号，利用光转发器（OTU）把符合ITU-T G.957建议的非特定波长的光信号转换成符合ITU-T G.692建议的具有稳定的特定波长的光信号

2. 利用合波器合成多路光信号

3. 通过光功率放大器（BA：Booster Amplifier）放大输出多路光信号，并注入光纤系统

4. 用掺铒光纤放大器（EDFA）对光信号进行中继放大

5. 在接收端，光前置放大器（PA）放大经传输而衰减的主信道光信号，分波器从主信道光信号中分出特定波长的光信号

6. 分波器从主信道光信号中分出特定波长的光信号

7. 光接收器对特定波长的光信号进行接收

8. 光监控信道：监控系统内各信道的传输情况，在发送端，插入特定波长（1510 nm）的光监控信号，与主信道的光信号合波输出；在接收端，将接收到的光信号分离，输出该特定波长的光监控信号和业务信道光信号

9. 网络管理系统：通过光监控信道物理层传送开销字节到其他结点或接收来自其他结点的开销字节对WDM系统进行管理，实现配置管理、故障管理、性能管理和安全管理等功能，并与上层管理系统（如TMN）相连

7.2.3. WDM技术的主要特点

1. 充分利用光纤的巨大带宽资源

2. 对不同的信号具有很好的兼容性，同时传输多种不同类型的信号

3. 节省线路投资，扩容方便

4. 降低器件的超高速要求，可实现大容量传输

5. 高度的组网灵活性、 经济性和可靠性

7.3. 光交换技术

7.3.1. 空分光交换

空分光交换的功能是：使光信号的传输通路在空间上发生改变

空分光交换的核心器件：是光开关，光开关有电光型、声光型和磁光型等多种类型，其中电光型光开关具有开关速度快、串扰小和结构紧凑等优点，有很好的应用前景

7.3.2. 时分光交换

时分光交换是以时分复用为基础，用时隙互换原理实现交换功能的

时分复用是把时间划分成帧，每帧划分成N个时隙，并分配给N路信号，再把N路信号复接到一条光纤上。在接收端用分接器恢复各路原始信号

时隙互换：就是把时分复用帧中各个时隙的信号互换位置。首先使时分复用信号经过分接器，在同一时间内，分接器每条出线上依次传输某一个时隙的信号；然后使这些信号分别经过不同的光延迟器件，获得不同的延迟时间；最后用复接器把这些信号重新组合起来

7.3.3. 波分光交换

波分光交换（或交叉连接）是以波分复用原理为基础，采用波长选择或波长变换的方法实现交换功能的

7.4. 光弧子通信

光孤子是经光纤长距离传输后，其幅度和宽度都不变的超短光脉冲（_ps_数量级）。光孤子的形成是光纤的群速度色散和非线性效应相互平衡的结果。利用光孤子作为载体的通信方式称为光孤子通信。 光孤子通信的传输距离可达上万公里，甚至几万公里，目前还处于试验阶段。

光弧子源产生一系列脉冲宽度很窄的光脉冲，即光孤子流，作为信息的载体进入光调制器，使信息对光弧子流进行调制。被调制的光弧子流经掺饵光纤放大器和光隔离器后进人光纤进行传输。为克服光纤损耗引起的光弧子减弱，在光纤线路上周期地插入EDFA，向光弧子注人能量，以补偿因光纤传输而引起的能量消耗，确保光弧子稳定传输。在接收端，通过光检测器和解调装置，恢复光弧子所承载的信息