TC000003 DWDM原理 ISSUE2.0

第3章 DWDM关键技术

声光调制器是利用介质的声光效应制成。所谓声光效应，是声波在介质中传播时，介质受声波压强的作用而产生变化，这种变化使得介质的折射率发生变化，从而影响光波传输特性。

波导调制器是将钛（Ti）扩散到铌酸锂（LInBO2）基底材料上，用光刻法制出波导的具体尺寸。它具有体积小、重量轻、有利于光集成等优点。 根据光源与外调制器的集成和分离情况，又可以分为集成式外调制激光器和分离式外调制激光器两种方式。

集成外调制技术日益成熟，是DWDM光源的发展方向。常见的是更加紧凑小巧，与光源集成在一起，性能上也满足绝大多数应用要求的电吸收调制器。

电吸收调制器是一种损耗调制器，它工作在调制器材料吸收区边界波长处，当调制器无偏压时，光源发送波长在调制器材料的吸收范围之外，该波长的输出功率最大，调制器为导通状态；当调制器有偏压时，调制器材料的吸收区边界波长移动，光源发送波长在调制器材料的吸收范围内，输出功率最小，调制器为断开状态。如图3-2所示。

有偏压时无偏压时吸收范围λ1吸收范围λ0λλ0λ2λλ1为调制器无偏压时的吸收边波长λ2为调制器有偏压时的吸收边波长λ0为恒定光源的发光工作波长

图3-2 电吸收调制器的吸收波长的改变示意图

电吸收调制器可以利用与半导体激光器相同的工艺过程制造，因此光源和调制器容易集成在一起，适合批量生产，因此发展速度很快。例如，铟镓砷磷（InGaAsP）光电集成电路，是将激光器和电吸收调制器集成在一块芯片上，该芯片再置于—热电制冷器（TEC）上。这种典型的光电集成电路，称为电吸收调制激光器（EML），可以支持2.5Gbit/s信号传输600km以上的距离，远远超过直接调制激光器所能传输的距离，其可靠性也与标准OFB激光器类似，平均寿命达140年。

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第3章 DWDM关键技术

分离式外调制激光器常用的是恒定光输出激光器（CW+LiNbO3）马赫-策恩德（Mach-Zehnder）外调制器。该调制器是将输入光分成两路相等的信号，分别进入调制器的两个光支路，这两个光支路采用的材料是电光材料，即其折射率会随着外部施加的电信号大小而变化，由于光支路的折射率变化将导致信号相位的变化，故两个支路的信号在调制器的输出端再次结合时，合成的光信号是一个强度大小变化的干涉信号，通过这种办法，将电信号的信息转换到了光信号上，实现了光强度调制。分离式外调制激光器的频率啁啾可以等于零，而且相对于电吸收集成式外调制激光器，成本较低。

3.1.2 激光器的波长的稳定与控制

在DWDM系统中，激光器波长的稳定是一个十分关键的问题，根据ITU-T G.692建议的要求，中心波长的偏差不大于光信道间隔的正负五分之一，即当光信道间隔为0.8nm的系统，中心波长的偏差不能大于±20GHz。 在DWDM系统中，由于各个光通路的间隔很小（可低达0.8nm），因而对光源的波长稳定性有严格的要求，例如0.5nm的波长变化就足以使一个光通路移到另一个光通路上。在实际系统中通常必须控制在0.2nm以内，其具体要求随波长间隔而定，波长间隔越小要求越高，所以激光器需要采用严格的波长稳定技术。

集成式电吸收调制激光器的波长微调主要是靠改变温度来实现的，其波长的温度灵敏度为0.08nm/℃，正常工作温度为25℃，在15℃-35℃温度范围内调节芯片的温度，即可使EML调定在一个指定的波长上，调节范围为1.6nm。芯片温度的调节靠改变制冷器的驱动电流，再用热敏电阻作反馈便可使芯片温度稳定在一个基本恒定的温度上。

分布反馈式激光器（DFB）的波长稳定是利用波长和管芯温度对应的特性，通过控制激光器管芯处的温度来控制波长，以达到稳定波长的目的。对于1.5μm DFB激光器，波长温度系数约为0.02nm/℃，它在15℃-35℃范围内中心波长符合要求。这种温度反馈控制的方法完全取决于DFB激光器的管芯温度。目前，MWQ-DFB激光器工艺可以在激光器的寿命时间（20年）内保证波长的偏移满足DWDM系统的要求。

除了温度外，激光器的驱动电流也能影响波长，其灵敏度为0.008nm/mA，比温度的影响约小一个数量级，在有些情况下，其影响可以忽略。此外，封装的温度也可能影响到器件的波长（例如从封装到激光器平台的连线带来的温度传导和从封装壳向内部的辐射，也会影响器件的波长）。在一个设计良好的封装中其影响可以控制在最小。

以上这些方法可以有效解决短期波长的稳定问题，对于激光器老化等原因引起的波长长期变化就显得无能为力了。直接使用波长敏感元件对光源进行波

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长反馈控制是比较理想的，原理如图3-3所示，属于该类控制方案的标准波长控制和参考频率扰动波长控制，均正在研制中，很有前途。

光输出LDLD控制电路波长敏感器件信号处理用于波长控制用于波长监测

图3-3 波长控制原理

? 想一想：

DWDM系统中为何对波长的稳定性要求非常严格？

3.2 掺铒光纤光放大器（EDFA）

EDFA（Erbium Doped Fiber Amplifier）掺铒光纤放大器作为新一代光通信系统的关键部件，具有增益高、输出功率大、工作光学带宽较宽、与偏振无关、噪声指数较低、放大特性与系统比特率和数据格式无关等优点。它是大容量DWDM系统中必不可少的关键部件。

3.2.1 EDFA工作原理

为了实现光功率放大的目的，将一些光无源器件、泵浦源和掺铒光纤以特定的光学结构组合在一起，就构成了EDFA光放大器。图3-4是一种典型的双泵浦源的掺铒光纤放大器光学结构。

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信号输入光分路器TAP光隔离器PD泵浦激光器EDFISOWDM第3章 DWDM关键技术

WDM光耦合器泵浦激光器ISOEDF信号输出TAPPD光探测器 图3-4 EDFA光放大器内部典型光路图

如图3-4所示，信号光和泵浦激光器发出的泵浦光，经过DWDM器合波后进入掺铒光纤EDF，其中两只泵浦激光器构成两级泵浦，EDF在泵浦光的激励下可以产生放大作用，从而也就实现了放大光信号的功能。 1. 掺铒光纤（EDF）

掺铒光纤是光纤放大器的核心，它是一种内部掺有一定浓度Er3+的光纤，为了阐明其放大原理，需要从铒离子的能级图讲起。铒离子的外层电子具有三能级结构（图3-5中E1、E2和E3），其中E1是基态能级，E2是亚稳态能级，E3是高能级，如图3-5所示。

E3激发态驰豫泵浦光1550nm信号光1550nm信号光E1 基态E2 亚稳态 图3-5 EDFA能级图

当用高能量的泵浦激光器来激励掺铒光纤时，可以使铒离子的束缚电子从基态能级大量激发到高能级E3上。然而，高能级是不稳定的，因而铒离子很快会经历无辐射衰减（即不释放光子）落入亚稳态能级E2。而E2能级是一个亚稳态的能带，在该能级上，粒子的存活寿命较长，受到泵浦光激励的粒子，以非辐射跃迁的形式不断地向该能级汇集，从而实现粒子数反转分布。当具有1550nm波长的光信号通过这段掺饵光纤时，亚稳态的粒子以受激辐射的形式跃迁到基态，并产生出和入射信号光中的光子一模一样的光子，从

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