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1、光通信原理与技术 光纤通信新技术 光放大器 目前有实用意义的光放大器主要有三种： l半导体激光放大器 l非线性光纤放大器 l掺杂光纤放大器 半导体激光放大器（SOA） l是在LD两端镀上增透膜而成的，是粒子数 反转分布的受激辐射产生的放大，材料与 LD相同（AlGaAs/InGaAsP），又分为谐振 型或称F-P式光放大器（FPA）和行波式光 放大器（TWLA） lSOA的主要优点是尺寸小、功率消耗低， 便于光电集成，其主要缺点是插入损耗大 、对偏振态敏感 l非线性光纤放大器 受激拉曼散射光纤放大器（SRA） 利用石英光纤的非线性效应制成 在合适波长的强光作用下，石英光纤会出现受激 拉曼散射（
2、SRS）效应，当信号光和泵光沿着光 纤一起传输时，光功率将由泵光转移到信号光， 从而把信号光放大。SRA具有频带宽、增益高、 输出功率大、响应快等优点。其缺点是泵浦效率 低、阈值高，因而需要的泵浦功率很高 l受激布里渊散射光纤放大器（SBA） l掺杂光纤放大器（EDFA） lEDFA的特点 高增益、低噪声、偏振不敏感，能放大 不同速率和调制方式的信号，具有几十纳米 的放大带宽 l光放大器的特性指标 1、功率增益=10lg（输出光功率/输入光功率）（dB ） 放大器的放大能力与泵浦功率和光纤长度的 参数有关 2、饱和输出：最大增益下降3dB时对应的输出功率 。表示最大输出能力 3、噪声系数：F=
3、（SNR）in/（SNR）out 表示噪声的大小 SNR指的是将输入光信号转变为输出电信号 时的信噪比 EDFA的工作原理 l饵（Er）是一种稀土元素（属于镧系元素 ），原子序数是68，原子量为167.3.光放大 利用了镧系元素的4f能级 l在掺饵光线中，由于石英基质的作用，4f的 每一个能级分裂成一个能带 l当有1.55m信号光通过已被激活的掺饵光纤时， 在信号光的感应下，亚稳态上的粒子以受激辐射 的方式跃迁到基态。对应于每一次的跃迁，都将 产生一个与感应光子完全一样的光子，从而实现 了信号光在掺饵光纤的传播过程中不断放大。在 放大过程中，亚稳态的粒子也会以自发辐射的方 式跃迁到基态，自发辐
4、射产生的光子也会被放大 ，这种放大的自发辐射（ASE：Amplified Spontaneous Emission）会消耗泵浦功率并引入 噪声 l当用1480nm波长的光泵浦时，Er+3从基态 跃迁至该能带的上部，然后粒子迅速以非 辐射方式由泵浦态预驰至亚稳态，在亚稳 态上积累 掺饵光纤放大器的特性指标 l功率增益 l输出饱和功率 l噪声系数 功率增益 功率增益=10lg(输出光功率/输入光功 率)dB l表示放大器的放大能力 l增益的大小与泵浦功率和光纤长度等因素有 关 l放大器的功率增益随泵浦功率的增加而增加 l有饱和现象：当泵浦功率达到一定值时，放 大器增益出现饱和，即泵浦功率再增加，而
5、 增益基本保持不变 l功率增益与光纤长度之间的关系 开始时功率增益随掺饵光纤长度的增加而上升 ，当光纤长度达到一定值后，增益反而逐渐下降 当光纤为某一长度时，可获得最佳增益，这 个光纤长度称为最大增益的光纤长度 在给定的掺饵光纤的情况下，应选择合适的 泵浦功率和光纤长度，以达到最大增益 l输出饱和功率 输出饱和功率是一个描述输入信号功率与输 出信号功率之间关系的参量，从图中可以看出， 在掺饵光纤放大器中，输入信号功率和输出信号 功率并不完全呈正比关系，而是存在着饱和的趋 势 掺饵光纤放大器的最大输出功率常用3dB饱和 输出功率来表示。当饱和增益下降3dB时所对应 的输出功率值为3dB饱和输出功
6、率。它代表了掺 饵光纤放大器的最大输出能力 噪声系数 l掺饵光纤放大器的噪声主要来源有： 信号光的散弹噪声 信号光波与放大器自发辐射光波间的差拍 噪声 被放大的自发辐射的散弹噪声 光放大器自发辐射的不同频率光波间差拍 噪声 l噪声系数F 衡量掺饵光纤放大器噪声特性可用噪声系数F来表示 ，它定义为： F=（放大器的输入信噪比）/（放大器的输出信噪比） l据分析，掺饵光纤放大器噪声系数的极限为3dB，对于 0.98m泵浦源的EDFA，掺饵光纤长度为30m时，测得的 噪声系数为3.2dB l采用1.48m泵浦源时，在掺饵光纤长度为60m时，测得 的噪声系数为4.1dB l0.98m泵浦的放大器的噪声
7、系数要优于1.48m泵浦的放 大器的噪声系数 lEDFA光放大器结构 三种结构性能差异 l前向泵浦：噪声性能好 l后向泵浦：输出功率大 l双向泵浦：兼有上述优点，但成本高 l电中继存在的问题 采用电中继的办法，即在中继时进行光 电变换（接收）后，对电信号放大整形（ 再生），然后再进行电光变换（发射）， 继续传输。电中继装置复杂、体积大、耗 能多，对多信道复用和双向复用系统实现 起来特别困难，但它不仅可以对损耗限制 系统，而且可以对色散限制系统进行再生 l光中继的优势 利用已经实用的光放大器技术，可以用 光中继代替电中继。它的优点是结构简单 ，价格便宜，可以使用远程光泵浦，对多 信道复用和双向复
8、用系统实现中继也比较 容易，但目前对色散限制系统再生还难以 采用光放大器 l光放大器在系统中应用的四种形式 l放大器的级联应当遵循的原则 1、第一级光放大器应当有低噪声，后续级应当有高 饱和增益 2、在增益得到补偿后要特别注意色散积累效应 3、光纤的非线性效应也可能对系统性能产生较大的 影响 4、用较多的低增益的放大器近距离地级联比用较小 的高增益的放大器远距离地级联可以获得更大的 总传输距离 l总的噪声系数 Feff=F1+F2/G1+F3/(G1G2)+Fk/(G1G2Gk-1) 式中，Fi，Gi，i=1，2，k，分别为 第i个放大器的噪声系数和增益 波分复用系统 l光波分复用（WDM）的
9、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 l光纤通信复用技术主要分为： 光波复用 -波分复用（WDM） -空分复用（SDM） 光信号复用 -时分复用（TDM） 副载波复用（SCM） 波分复用系统 l主要优点： 提高光纤利用率传输容量倍增 不同容量的光纤系统和不同性质的信号可 兼容传输 可更灵活地进行光纤通信组网（不改变光 缆设施） 节省线路投资 降低器件的超高速要求 波分复用系统 l
10、使单根光纤的通信容量成倍的提高采用多 种信道复用方法信道复用方式可分为时 分复用和频分复用两类 l时分复用中，不同的信道占不同的时隙， 在时域上形成复合数据，这一概念扩展到 光频范围就是光学时分复用，由于还需要 进一步解决色散导致的脉冲展宽的限制等 问题，目前还没有完全实用化 chenbeizengjia 波分复用系统 l在频分复用中，不同的信道采用频率不同的光载 波，复合后在同一条光纤中传输，在接收端用去 复用技术恢复每一信道的信号。显然，这样可以 更充分地利用光纤巨大的宽带潜力。 l当频分复用信道间隔较大（100GHz以上）时用 信道的波长作为标志比较方便，通常称为波分复 用。可使用直接检
11、测的接收技术，目前已经实用 化 l波分复用技术的发展 1310nm/1550nm窗口的波分复用（CWDM ）仍用于接入网，但很少用于长距离传输 1550nm窗口的密集波分复用（DWDM）可 广泛用于长距离传输，用于建设全光网络 lDWDM密集波分复用 波分复用技术的发展 lDWDM：密集波分复用-光载波波长间隔小 于0.8nm l更为密集的频分复用，信道间隔可以小到 与码率相比的地步，要采用相干检测技术 lDWDM技术特点 高容量：可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使 传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍 低成本：在大容量长途传输时可以节约大量光纤 和再生器，大大降低传输成本 透明性高：与信号速
12、率、格式无关，是引入宽带 新业务（例如CATV）的方便手段 波长路由：利用WDM选路实现网络交换和恢复从 而实现未来透明的、具有高度生存性的光联网 lDWDM系统的分类 以系统接口分类：集成式或开放式系统 以信道数分类：4、8、16、32等 以总容量分类：400Gbit/s、320Gbit/s等 以信道承载业务类型分类：PDH、SDH、 ATM、IP或混合业务等 lWDM系统的基本结构 WDM系统的基本结构 l光发射机 l光中继放大 l光接收机 l光监控信道 l网络管理系统 光发射机 l光发射机位于WDM系统的发送端。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（O
13、TU）把符合ITU-TG.957建议的 非特定波长的光信号。OUT对输入端的信号波长 没有特殊要求，可以兼容任意厂家的SDH信号， 其输出端满足G.692的光接口，即标准的光波长 和满足长距离传输要求的光源；利用合波器合成 多路光信号；通过光功率放大器（BA：Booster Amplifier）放大输出多路光信号。 光中继放大 l经过一定距离传输后，要用掺饵光纤放大器（ EDFA）对光信号进行中继放大。在应用时可根 据具体情况，将EDFA用作“线放（LA：Line Amplifier）”、“功放（BA）”和“前放（PA： Preamplifier）”。在WDM系统中，对EDFA必须 采用增益平
14、坦技术，使得EDFA对不同波长的光 信号具有接近相同的放大增益。与此同时，还要 考虑到不同数量的光信道同时工作的各种情况， 保证光信道的增益竞争不影响传输性能 光接收机 l在接收端 l光前置放大器（PA）放大经传输而衰减的 主信道光信号 l分波器从主信道光信号中分出特定波长的 光信号 l接收机要满足一般接收机对光信号灵敏度 、过载功率等参数的要求，能承受有一定 光噪声的信号，要有足够的电带宽 光监控信道 l光监控信道（OSC：Optical Supervisory Channel）的主要动能是监控系统内各信道的传 输情况，在发送端，插入本结点产生的波长为 1510nm的光监控信号，与主信道的光
15、信号合波输 出 l在接收端，将接收到的光信号分离，输出（ 1510nm）波长的光监控信号和业务信道光信号。 帧同步字节、公务字节和网管所用的开销字节等 都是通过光监控信道来传送 l网络管理系统 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 l光波分复用器的性能参数基本要求 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 l插入损耗 插入损耗是指由于增加光波分复用器/ 解复用器而产生的附加损耗，定义为该无
16、 源器件的输入和输出端口之间的光功率之 比，即 a=10lg（Pi/Po）（dB） 其中Pi为发送进输入端口的光功率；Po 为输出端口接收到的光功率 l串扰抑制度 串扰是指其他信道的信号耦合进某一信 道，并使该信道传输质量下降的影响程度 ，有时也可用隔离度来表示这一程度。对 于解复用器 Cij=-10lgPi/Pji(dB) 其中，Pi是波长为i的光信号的输入光 功率，Pji是波长为j的光信号串入到波长为 i信道的光功率 l回波损耗 回波损耗是指从无源器件的输入端口返 回的光功率与输入光功率的比，即 RL=-10lgPr/Pj（dB） 其中，Pj为发送进输入端口的光功率， Pr为从同一个端口接收到的返回光功率 l反射系数 反射系数是指在WDM器件的给定端口 的反射光功率Pr与入射光功率Pj之比，即 R=10lgPr/Pj l工作波长范围 工作波长范围是指WDM器件能够按照 规定的性能要求工作的波长范围（min-max ） l信道宽度 信道宽度是指各光源之间为避免串扰应 具有的波
