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1、第7章 光纤通信新技术,一、光纤放大器 二、光波分复用技术 三、光交换技术 四、光孤子通信 五、相干光通信 六、光时分复用技术,7.1 光纤放大器,一、引入放大器 二、光放大器种类 三、EDFA原理 四、EDFA结构 五、EDFA应用 六、EDFA特性,第7章：掺铒光纤放大器,第7章：掺铒光纤放大器,影响线路最大中继距离的主要特性： ：光信号在光纤中传输，随着距离的增大，脉冲幅度逐渐减小 ：脉冲展宽。,损耗,色散,所以，要有中继站： 1、光-电-光转换 2、直接对光信号放大,传统的中继器原理框图,一、光-电-光转换,三种再生器的功能,3R(Re-timing、Re-shaping、Re-amp
2、lification),二、光放大器的种类,1、半导体光放大器（SOA）,普通光放大器的基本工作原理,二、光放大器的种类,2、光纤放大器（DFA）,非线性光纤放大器：利用强的光源对光纤进行激发，使光 纤产生非线性效应，而出现喇曼散射。,激发的光功率阈值 （0.51W） Pump在几十几w,掺铒光纤放大器(EDFA）ErbiumDoped Fiber Amplifier,三、掺铒光纤放大器工作原理（1）,掺铒光纤芯层的几何模型,三、掺铒光纤放大器工作原理（2）,三、掺铒光纤放大器工作原理（3）,1、铒离子从基态跃迁到 激发带能级（吸收泵浦光） 2、从激发带跃迁到亚稳带 （无辐射跃迁） 3、从亚稳
3、态跃迁到基态 （产生受激辐射光，因而 信号光得到放大） 注：泵浦（pump，抽运）,LD和EDF 区别,半导体激光器 EDFA 外加源 正向电压 激光 输入信号 电信号 光信号 工作物质 半导体 掺铒光纤 输出信号 光信号 光信号 工作机理 受激辐射 受激辐射 放大作用 谐振腔 光纤本身,四、掺铒光纤放大器结构,各部分作用：,滤波器,泵浦光在光纤中的路线,信号光在光纤中的放大过程,正向泵浦,四、掺铒光纤放大器结构（三种）,反向泵浦,四、掺铒光纤放大器结构（三种）,双向泵浦,四、掺铒光纤放大器结构（三种）,（a）中继放大器LA； （b）前置放大器PA； （c）功率放大器BA； （d）局域网信号功
4、率放大器,五、光放大器的应用,中继光放大器。在单模链路中，光纤色散的影响较小，限制中继距离的主要因素是光纤衰减，这种链路不一定需要信号的完全再生，简单的光信号放大就足够了。因此，光放大器可以用来补偿传输损耗并且增加再生中继器间的距离， 前置放大器。光放大器作为光接收机的前端放大器。在光电检测之前将弱信号放大，可以抑制在接收机中由于热噪声引起的信噪比下降。与其他前端设备（雪崩光电二极管或光外差检测器）相比较，光前置放大器提供了较大的增益系数和较宽的带宽。 功率放大器。功率放大器应用是指在光发送机之后安装一个放大器，以提高发送功率，根据放大器增益和光线损耗，传输距离可以增加10100km，如果在接
5、收端同时使用放大技术与光前置放大器，可以达到200250km的无中继海底传输。 LAN功率放大器。也可以在局域网中将光放大器用作附加的放大器，来补偿耦合插入损耗和功率分配损耗。给出了一个在星形耦合器前放大光信号的例子,在设计需要光放大器的光纤链路时，放大器可以放在三种可能的位置。虽然在这三种不同的结构中，放大器的物理应用过程相同，但却需要工作在不同的输入功率范围，这说明要用到不同的放大器增益。,有三种类型的放大器： 功率放大器、在线放大器、前置放大器。,功率放大器,对于功率放大器，由于它直接放在发送机之后，因此输入功率很高，在这种应用中，一般需要较高的泵浦功率。放大器输入一般为-8dBm或更高
6、一些，为了比在接收机之前使用前置放大器有更多的优点，功率放大器的增益必须大于5dB。,前置放大器,光放大器可以作为前置放大器，用来提高由于热噪声限制的直接检测接收机的灵敏度。,拉曼泵浦,拉曼泵浦,六、掺铒光纤放大器特性,掺铒光纤放大器的特性 (a) 输出信号光功率与泵浦光功率的关系； (b) 小信号增益与泵浦光功率的关系,泵浦波长为1480nm、信号波长为1550nm时，EDFA增益与光纤长度和泵浦功率依存关系,六、掺铒光纤放大器,七、掺铒光纤放大器的优点和应用, (1)工作波长正好落在光纤通信最佳波段(15001600 nm)； 其主体是一段光纤(EDF)，与传输光纤的耦合损耗很小， 可达0
7、.1 dB。 (2) 增益高，约为3040 dB; 饱和输出光功率大， 约为1015 dBm; 增益特性与光偏振状态无关。 (3) 噪声指数小， 一般为47 dB; 用于多信道传输时， 隔离度大，无串扰，适用于波分复用系统。只要信道间隔大于10KHz，在EDFA中就不会产生串扰。对于多信道应用，EDFA是理想的放大器 (4) 频带宽，在1550 nm窗口，频带宽度为2040 nm， 可进行多信道传输，有利于增加传输容量 EDFA也有缺陷，如波长固定只能放大1.55mm左右的光波，光纤换用不同的介质时，铒离子能级也只能发生很小的变化，可调节的波长有限,7.2 光波分复用技术,在光纤通信系统中除了
8、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) 副载波复用(SCM),7.2.1 光波分复用原理 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。 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
9、光波分复用技术。,2. WDM系统的基本形式 光波分复用器和解复用器是WDM技术中的关键部件，将不同波长的信号结合在一起经一根光纤输出的器件称为复用器(也叫合波器)。 反之，经同一传输光纤送来的多波长信号分解为各个波长分别输出的器件称为解复用器(也叫分波器)。 从原理上讲， 这种器件是互易的(双向可逆)，即只要将解复用器的输出端和输入端反过来使用， 就是复用器。 因此复用器和解复用器是相同的(除非有特殊的要求)。,WDM系统的基本构成主要有以下两种形式： (1) 双纤单向传输。 由于各信号是通过不同光波长携带的，因而彼此之间不会混淆。 在接收端通过光解复用器将不同波长的信号分开， 完成多路光信
10、号传输的任务。 反方向通过另一根光纤传输的原理与此相同。,(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。所用波长相互分开， 以实现双向全双工的通信。, 插入损耗小 隔离度大 带内平坦，带外插入损耗变化陡峭 温度稳定性好 复用通路数多 尺寸小等,3. 光波分复用器的性能参数 光波分复用器是波分复用系统的重要组成部分，为了确保波分复用系统的性能，对波分复用器的基本要求是：,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，如下图所示。,7.2.3 WDM技术的主要特点 1. 充分利用
11、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。 2. 同时传输多种不同类型的信号 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. 节省线路投资 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
12、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。 4. 降低器件的超高速要求 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。,7.3 光 交 换 技 术,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。
13、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。,光交换主要有三种方式： 空分光交换 时分光交换 波分光交换,虽然采用异步转移模式(ATM)可提供155 Mb/s或更高的速率，能缓解这种矛盾，但电子线路的极限速率约为20 Gb/s。要彻底解决高速光纤通信网存在的矛盾，只有实现全光通信，而光交换是全光通信的关键技术。,7.3.1 空分光交换 空
14、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。 典型光开关是用钛扩散在铌酸锂(Ti: LiNbO3)晶片上形成两条相距很近的光波导构成的，并通过对电压的控制改变输出通路。,图7.31(a)是由4个12光开关器件组成的22光交换模块。12 光开关器件就是Ti: LiNbO3定向耦合器型光开关， 只是少用了一个输入端而已。,22光交换模块是最基本的光交换单元，它有两个输入端和两个输出端，通过电压控制，可以实现平行连接和交叉连接，如图,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， 如图7.32(a)所示。,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，实现交换功能有两种方法： 波长选择法交换和波长变换法交换,
