光纤通讯系统,器件和网络.

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1、光纤通信器件、系统和网络光纤通信器件、系统和网络 内 容 提 要 1. 光纤通信发展历程简要回顾 2. 光纤通信的最新进展 3. 从中国信息通信发展趋势看光纤通 信的未来 4. 光纤通信的支撑技术 1 1、光纤通信发展历程、光纤通信发展历程 简要回顾简要回顾 101 107 102 106 103 105 104 104 105 103 106 102 107 101 108 100 109 10-1 1010 10-2 1011 10-3 1012 10-4 1013 10-5 1014 10-6 1015 ELFVFVLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF 自由空间间波长长，m 频频率，

2、Hz 电电力、电话电话无线电线电 、电视电视微波红红外 可见见光 双铰线铰线 同轴电缆轴电缆 光纤纤 卫卫星/微波AM无线电线电FM无线电线电 通信波段划分及相应传输媒介 频段 划分 传 输 介 质 传 输 技 术 的 演 进 模拟信号数字传输：高质、安全、集成 光纤传输：宽带、低损、无电磁干扰、价低 光纤数字传输综合好处PDH飞速发展 PDH的组网缺点SDH：灵活的组网能力、强大的网 管、带宽管理及自愈保护 SDH与PDH均为TDM（时分复用）电子电路限制高速 SDH的发展电子瓶颈 波分复用（WDM，DWDM）+EDFA 扩展传输容量的 新手段 全光通信网信息高速公路的骨干网 为充分利用光子

3、学的宽带性，传输系统的 走向为: 电子型光电混合型全光型。 (1)传统的电传输系统 E M U X 电端机 再生 中继 再生 中继 E D M U X 电复用 电解复用 电端机 同轴电缆、微波 O/E/O 光 缆 E M U X 光发送 再生 中继 再生 中继 E D M U X 电复用 电解复用 光接收 (2)光电混合型光纤传输系统 (3)DWDM光纤传输系统 O M U X O D M U X OAOAOA 光发送 光发送 光发送 ， 光接收 光接收 光接收 TX EDFA EDFA TX TX TX TX TX TX TX 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 13

4、10 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR TX TX 40km40km40km40km40km40km40km40km40km 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR TX TX1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR TX TX1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR

5、 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR TX TX1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR TX TX1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR TX TX1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR TX T

6、X1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR TX TX TX TX TX TX TX TX TX TX M U X 120 km 120 km 120 km WDM+EDFA 革新了光纤传输 D E M 20多年来光纤通信技术在发掘、利用 光纤带宽资源，扩展光纤传输能力方面进展 神速。（传输能力主要指：通信容量和传输 距离）。 在光波长和光纤类型方面 多模光纤单模光纤 短波长800nm长波长1300nm、1550nm 一纤一波一纤多波 在单纤传输容量方面 ？ 2 2、光纤通信的

7、最新进展、光纤通信的最新进展 DWDM及相关技术在90年代中期开始走向成 熟并进入商业化应用。 AT w2=1.931e14+1e11; w3=1.931e14+2.6e11; w5=1.931e14+3.4e11; L=50km 四波混频模拟结果,光纤长度50公里 DWDM光纤传输系统色散补偿 O M U X O D M U X OA 光发送 光发送 光发送 光接收 光接收 光接收 正色散光纤 负色散、大光斑光纤 支撑支撑DWDMDWDM的器件与子系统的器件与子系统 自聚焦透镜（Selfoc Lens ） 1个周期（Pitch ） 折 射 率 分 布 光学不变原理：光束的宽度和发 散角的乘积

8、为常数。 Selfoc Lens 通过对光束进行扩束 ，达到准直目的。 光纤 P/4 自聚焦透镜 P/4 自聚焦透镜 光纤 单模光纤准直器结构 80 光纤 P/4 自聚焦透镜P/4 自聚焦透镜 光纤 单模光纤准直器的应用 光波分复用器 DEM 1 2 3 4 MUX 1 2 3 4 波分复用合波器（WDM）/分波器（WDDM）是 将不同波长光信号进行组合/分开的器件， 是DWDM系统最基本的无源器件。通过它，光 纤的频带资源可以得到充分利用。 WDM的基本功能是将 N 个不同波长的光信号 合在一起，输入至光纤中去；WDDM则是将N 个合在一起的不同波长光信号分开。 中心波长：符合ITU-T建议

9、，即 WDM系统的技术要求 L,200 ,100GHzGHz f = L, 2, 1 , 0,1 .193(THz) nfnfn = L,6 . 1,8 . 0 ,52.1552 nmnm nmn = l ll 绝对 参考 e.g. 采用EDFA的32波长DWDM系统各信道 的频率安排如下： 1 .192(THz)nfn0.1= L, 2, 1 , 0 n = , 31 波分复用器分类： 980/1550、1480/1550泵浦/信号波分复用 器（全光纤熔融拉锥型）。 1310/1550波分复用器（全光纤熔融拉锥型 ）。 1550波段内粗波分复用器（有可能用全光 纤熔融拉锥方法实现）。 1、粗

10、波分复用器 2 密集波分复用器DWDM 一、干涉滤光膜型波分复用器 输入光纤 1432 0 (监管信道) 干涉滤光膜 116 115 16 干涉滤光膜型DWDM的一种工艺方案 114 15 二、光栅型波分复用器 输入光 1 4 3 2 1. 体光栅型 2. 光纤光栅型 布拉格光栅 116115 16 1616 115、16 115、16 FBG 环形器 光纤光栅的应用 三、阵列波导光栅型波分复用器(AWG) AWG 1234 1234 1234 1234 1234 1234 1234 1234 光开关 光开关类型 1、机械式光开关 移动光纤、套管或自聚焦透镜式 电磁驱动、压电陶瓷驱动等 移动反

11、射镜、透射镜式 2、磁光、电光效应式光开关 3、集成光学光开关 集成光波导光开关（电光、热光） M-Z型光开关 MEMS 用DWDM+光开关可构成OADM、OXC等光交换系统 本节点信息 输入光纤 1234 DEM MUX 输出光纤 1234 11 22 3 3 44 RXTX 1 2 3 4 1 2 3 41 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 动态交叉连接 光开关 1 1 光隔离器和环行器 Faraday效应：不具有旋光性的材料，在 外磁场作用下，使通过它的偏振光的偏振 面发生旋转。具有这种效应的材料叫磁光 材料。 磁光材料引起的光偏振面旋转方向取决于 外加磁场，与

12、光的传播方向无关（非互易 ）。 这种效应与材料的固有旋光效应不同，在 固有旋光效应材料中，旋转方向取决于光 的传播方向，与外加磁场无关(互易)。 外加磁场 外加磁场 Faraday旋磁材料 外加磁场 外加磁场 固有磁光材料 磁光材料的光偏转角： l 材料厚度（毫米） H 磁场强度（奥斯忒） V维尔德常数（度/奥斯忒毫米） l VH =q 光隔离器的原理 外加磁场 外加磁场 450 起偏器解偏器 偏振无关光隔离器的工艺结构 RR(450) FR (450) RR(450) FR (450) o e e e o o o e PBS RR(450) FR (450) e e o o RR(450)

13、FR (450) o e o e 端口1 端口1 端口2 端口2 端口3 反射镜 偏振合波器 光环行器的原理 光环行器的应用 啁啾光栅 色散补偿 Tx Rx Rx Tx 单纤双向系统 波长间插器（Inter Leaver ） 由于光放大器有限的带宽，增加波 长数目的有效方法是减少波长间隔 。 50GHz的WDM/WDDM尚不成熟，而 100GHz的干涉滤光膜型WDM/WDDM已 经非常成熟。通过波长间插是实现 高密集波分复用的有效方法之一。 波长间插器的原理 1 2 N1 3 N-1 1 2 N2 4 N 1 3 N-1 1 2 N 2 4 N =100GHz =50GHz 掺铒光纤放大器ED

14、FA 掺铒光纤放大器原理图 输入信号 耦合器 980/1550nm WDM 泵浦光 掺铒光纤 输出信号 光隔离器 1.1.2稀土元素（镧系元素） 原子序数5771：镧La、镨Pr、钕Nd、 铒Er、镱Yd等。 当铒掺入至光纤后，被三重电离：二个 外层（6s）和一个内层（4f）电子电离 。光学特性主要取决于4f层（5s和5p层 为饱和层） 掺杂光纤的特性（中心工作波长、带宽 等）取决于掺入的杂质，而不是光纤本 身。 980nm 1s 10ms 15201560 nm 4I11/2 4I15/2 4I13/2 EDFA的能带结构和光放大原理 1480nm 泵浦源的选取 0.98m和1.48m为无激

15、发态吸收的能带，因 而是常用的两个泵浦波长。这两个波长的泵 浦源都可用半导体激光器实现。 和1.48m比较，0.98m属于三能级系统。增 益大，泵浦效率高，噪声小（可低至3dB）, 是目前光纤放大器的首选泵浦波长。 泵浦方式 同向泵浦优点：易于实现； 缺点：易饱和，噪声大。 反向泵浦优点：不易饱和；噪声较低 。 双向泵浦优点：优点相结合，光均匀 分布，增益也较平稳 。 工作波长于光纤最小损耗窗口一致， 在光纤通信中获得很好的应用。 能量转换效率高：激光工作物质集中 在光纤芯子中的近轴部分，而信号光 和泵浦光也是在光纤的近轴部分最强, 使得光与物质的作用很充分。 增益高，噪声低，输出功率大。 增益特性稳定：EDFA增益对温度不敏 感。 EDFA的特性 波长固定：铒离子能级间的能极差决 定了EDFA的工作波长是固定的，只能 放大1.55左右波长的光波。 增益带宽不平坦：EDFA的增益带宽约 40nm，但增益带宽不平坦。在WDM光纤 通信系统中需要采取特殊的手段来进