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1、,光纤通信器件、系统和网络,内 容 提 要 光纤通信发展历程简要回顾 光纤通信的最新进展 从中国信息通信发展趋势看光纤通信的未来 光纤通信的支撑技术,1、光纤通信发展历程 简要回顾,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,为充分利用光子学的宽带性，传输系统的走
2、向为: 电子型光电混合型全光型。,(1)传统的电传输系统,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,OA,OA,OA,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,40km,40km,40km,40km,40km,40km,40km,40km,40km,TX,TX,TX,TX,TX,TX,TX,TX,M U X,120 km,120 km,120 km,WD
3、M+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、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,
4、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DWDM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为常数。 Selfoc Lens 通过对光束进行扩束，达到准直目的。,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,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
5、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，即,WDM系统的技术要求,e.g. 采用EDFA的32波长DWDM系统各信道的频率安排如下：,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,1,4,3,2,0 (监管信道)
6、,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,116,115,16,16,16,115、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),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,
7、输入光纤 1234,DEM,MUX,输出光纤 1234,1,1,2,2,3,3,4,4,RX,TX,1 2 3 4,1 2 3 4,1 2 3 4,1 2 3 4,1,2,3,4,1,2,3,4,动态交叉连接,光开关,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,
8、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）,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) 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 Lea
9、ver）,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 N,1 3 N-1,1 2 N,2 4 N,1 3 N-1,1 2 N,2 4 N,=100GHz,=50GHz,掺铒光纤放大器EDFA,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
10、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,泵浦源的选取 0.98mm和1.48mm为无激发态吸收的能带，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1.48mm比较，0.98mm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
11、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
12、来进行增益谱补偿。,EDFA的不足,实测的EDFA增益谱特性,1.53 1.54 1.55 1.56, (m),增益,dB,20 10,EDFA,输入光纤,输出光纤,EDFA在WDM系统中的应用,在长途干线通信中，它可使光信号直接在光域进行放大而无须转换成电信号进行处理，代替了光-电-光中继，使成本降低，设备简化，维护运转方便。 用在WDM/DWDM干线系统的EDFA一般称为数字式光纤放大器。此类EDFA需增益均衡。 用在CATV中的EDFA称为模拟型光纤放大器，噪声系数是其重要指标。,喇曼光纤放大器,根据目前发展趋势，必须进一步增加传输容量。可采用的方法有： 增加每波长传输速率 减少波长间隔
13、，i.e.增加波长数 增加总的传输带宽新的光放大器系统。 由于EDFA是利用铒离子能级间的受激跃迁实现光放大，因此其中心波长较为固定且带宽有限。,光纤喇曼放大器是实现超宽带光放大的有效途径，其好处有： 增益介质即为普通传输光纤，与光纤系统具有良好兼容性。 中心波长由泵浦波长决定，不受其他因素牵制。 增益高、带宽大、噪声系数低、温度稳定性好。,受激喇曼散射（SRS）是光纤中的一种非线性现象,它将一部分入射光功率转移到频率比其低（波长比其长）的斯托克斯波上。 石英光纤具有很宽的SRS增益谱，最大值所对应的频率比泵浦频率低13.2THz（波长间隔约100nm）,P,Pump,Signal,EDFA,
14、Distributed Amp.,Discrete Amp.,分布式喇曼光纤放大器原理框图,Equalizer,SRS的阈值功率是一个相对值，它与光纤的材料、结构参数和长度等有关。 普通单模光纤的泵浦阈值功率一般在0.51W左右。因此任何降低阈值功率，使得普通的大功率半导体激光器能作为泵浦使用，是光纤喇曼放大器实用化的关键。,0,0.5,1,1.5,2,2.5,x 10,4,0,0.05,0.1,0.15,0.2,0.25,length (m),stocks and pump power (W),P-L,泵浦源解决方案： Fiber Laser：DCFL，Raman FL。 Compact DPSS
