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1、7.1 光放大器 7.2 光波分复用技术 7.3 光交换技术 7.4 光孤子通信 7.5 相干光通信技术 7.6 光时分复用技术 7.7 波长变换技术,第 7 章 光纤通信新技术,返回主目录,第 7 章 光纤通信新技术 光纤通信发展的目标是提高通信能力和通信质量，降低价格，满足社会需要。进入20世纪90年代以后，光纤通信成为一个发展迅速、 技术更新快、新技术不断涌现的领域。 本章主要介绍一些已经实用化或者有重要应用前景的新技术，如光放大技术，光波分复用技术，光交换技术，光孤子通信，相干光通信，光时分复用技术，波长变换技术和无源光网络（PON）技术（第8章）等等。,7.1 光放大器,7.1.1
2、光放大器概述 7.1.2 掺铒光纤放大器EDFA 7.1.3 半导体光放大器SOA 7.1.4 光纤拉曼放大器FRA,7.1.1 光放大器概述,7.1.1 光放大器概述,7.1.1 光放大器概述,光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要里程碑。 光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光电光(O-E-O)变换方式。 装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道，在WDM系统中复杂性和成本倍增。 可实现3R中继。 3R regenerator：Reamplifier、Reshaping、Retiming。 光放大器（O-O） 多波长同时放大、低成本，只能实现1R中继。,光放大器的重要性,影响：光
3、放大器最重要的意义在于促使波分复用技术 (WDM) 走向实用化、促进了光接入网的实用化,历史：以1985年英国南安普顿大学首先研制 成功的掺铒光纤放大器 (Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA) 代表的全光放大技术是光纤通信技 术上的一次革命,动机：解决电中继器设备复杂、维护难、成本高的问题,David Payne,光放大器的重要性,TDM系统,120 km,120 km,120 km,EDFA在DWDM系统中的应用,光放大器的原理,光放大器的功能：提供光信号增益，以补偿光信号的传输衰减，增大系统的无中继传输距离。 在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数反转（
4、非线性光纤放大器除外），然后通过受激辐射实现对入射光的放大。 光放大器是基于受激辐射（或受激散射）原理实现对入射光信号放大的一种器件。其机制与激光器完全相同。实际上，光放大器在结构上是一个没有反馈或反馈较小的激光器。,光放大器与激光器的唯一区别就是光放大器没有正反馈机制,光放大器的类型,利用稀土掺杂的光纤放大器（EDFA、PDFA） 利用半导体制作的半导体光放大器（SOA） 利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器（FRA、FBA）,EDFA,SOA,( FBA: Fiber Brillouin Amplifier),几种光放大器的比较,光放大器的应用,线路放大(In-line)：周期性补偿各
5、段光纤损耗,功率放大(Boost)：增加入纤功率,延长传输距离,前置预放大(Pre-Amplify):提高接收灵敏度,局域网的功率放大器：补偿分配损耗，增大网络节点数,研究新热点,展宽带宽：C-band 40nm, L-band 再加40nm； 均衡功能：针对点对点系统的增益均衡，针对全光网的功率均衡； 监控管理功能：在线放大器，全光网路由改变； 动态响应特性； 其它波段的光纤放大器，如Raman放大器。,光纤的波段,当前使用的单模石英光纤，如G.652C，G.652D，已经基本消除氢氧根吸收峰，它们的传输带宽，可以从1260nm到1675nm，共有415nm宽度。一般把这415nm宽度划分成
6、O、E、S、C、L、U六个波段，具体划分方法如下； 初始(O)波段 1260nm-1360nm 扩展(E)波段 1360nm-1460nm 短(S)波段 1460nm-1530nm 常规(C)波段 1530nm-1565nm 长(L)波段 1565nm-1625nm 超长(U)波段 1625nm-1675nm 当前各国光纤通信大都运用在C与L波段，而且仅使用其中的一小部分，还有大部分频率未曾使用。,7.1 光放大器,7.1.1 光放大器概述 7.1.2 掺铒光纤放大器EDFA 7.1.3 半导体光放大器SOA 7.1.4 光纤拉曼放大器FRA,7.1.2 掺铒光纤放大器EDFA,掺杂光纤放大器
7、利用掺入石英光纤的稀土离子作为增益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放大，放大器的特性主要由掺杂元素决定。 工作波长为1550nm的铒(Er)掺杂光纤放大器(EDFA) 工作波长为1300nm的镨(Pr)掺杂光纤放大器(PDFA) 工作波长为1400nm的铥(Tm)掺杂光纤放大器(TDFA) 目前，EDFA最为成熟，是光纤通信系统必备器件。,掺铒光纤放大器给光纤通信领域带来的革命,EDFA解决了系统容量提高的最大的限制光损耗 补偿了光纤本身的损耗，使长距离传输成为可能 大大增加了功率预算的冗余，系统中引入各种新型光器件成为可能 支持了最有效的增加光通信容量的方式WDM 推动了全光网络的研究开发
8、热潮,为什么要用掺铒光纤放大器,工作频带正处于光纤损耗最低处(1525-1565nm)； 频带宽，可以对多路信号同时放大支持波分复用； 对数据率/格式透明，系统升级成本低； 增益高(40dB)、输出功率大(30dBm)、噪声低(45dB)； 全光纤结构，与光纤系统兼容； 增益与信号偏振态无关，故稳定性好； 所需的泵浦功率低(数十毫瓦)。,EDFA的优点,EDFA的工作原理,EDFA采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大。,信号光与波长较其为短的光波(泵浦光)同沿光纤传输，泵浦光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能级，并可通过能
9、级间的受激发射转移为信号光的能量。信号光沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。,EDFA中的Er3+能级结构,泵浦波长可以是520、650、800、980、1480nm 波长短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。,铒离子简化能级示意图,掺铒光纤放大器 (EDFA),原理：把泵浦光能量转化为信号光能量 工作范围：1300 1560 nm,铒离子的三能带结构,hv,hv,hv,hv,hv,hv,hv,hv,980 nm,亚稳态能带,泵浦能带,快速非辐射跃迁,掺铒光纤放大器的基本结构,掺铒光纤：当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时，Er3+从低能级被激发到高能级上，由
10、于在高能级上的寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较低能级（亚稳态能级）上，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。 半导体泵浦二极管：为信号放大提供足够的能量，使物质达到粒子数反转。 波分复用耦合器：将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。 光隔离器：使光传输具有单向性，放大器不受发射光影响，保证稳定工作。,三种泵浦方式的EDFA,同向泵浦(前向泵浦)型：好的噪声性能,反向泵浦(后向泵浦)型：输出信号功率高,双向泵浦型：输出信号功率比单泵浦源高3dB，且放大特性与信号传输方向无关,Multistage EDFA,由于光纤对1480nm的光损耗较小，所以1480nm泵浦光又常用于遥泵方式。,Remot
11、e Pumping,EDFA的工作特性,光放大器的增益 光放大器的噪声 EDFA的多信道放大特性 EDFA的大功率化,一、光放大器的增益,增益G是描述光放大器对信号放大能力的参数。定义为： G与光放大器的泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入光信号有很复杂的关系。,输出信号光功率,输入信号光功率,增益G与输入光信号功率的关系,增益G与输入光波长的关系,增益谱G()：增益G与信号光波长的关系。光放大器的增益谱不平坦。,对于给定的放大器长度（EDF长度），增益随泵浦功率在开始时按指数增加，当泵浦功率超过一定值时，增益增加变缓，并趋于一恒定值。,小信号增益随泵浦功率而变的曲线,小信号增益随放大器长度而变的曲
12、线,当泵浦功率一定时，放大器在某一最佳长度时获得最大增益，如果放大器长度超过此值，由于泵浦的消耗，最佳点后的掺铒光纤不能受到足够泵浦，而且要吸收已放大的信号能量，导致增益很快下降。,因此，在EDFA设计中，需要在掺铒光纤结构参数的基础上，选择合适的泵浦功率和光纤长度，使放大器工作于最佳状态。,二、放大器的噪声,所有光放大器在放大过程中都会把自发辐射（或散射）叠加到信号光上，导致被放大信号的信噪比（SNR）下降，其降低程度通常用噪声指数Fn来表示，其定义为： 主要噪声源：放大的自发辐射噪声（ASE），它源于放大器介质中电子空穴对的自发复合。 自发复合导致宽谱背景噪声。,ASE ：Amplifie
13、d Spontaneous Emission,EDFA放大1540nm波长信号时产生的影响,ASE噪声叠加在信号上，导致信噪比下降。,宽谱光源,ASE噪声,信号光和ASE噪声一同输入到光检测器中进行检测，各种频率分量相互拍频： 因此，在PD之后，ASE 带来的噪声包括： - ASE噪声项 - ASE与信号的拍频项 它们落在检测器带宽内降低接收机的信噪比,三、 EDFA的多信道放大特性,EDFA的增益恢复时间g10ms (SOA的g=0.11ns), 其增益不能响应调制信号的快速变化，四波混频效应也很小，所以在多信道放大中不引入信道间串扰(SOA则不然)，是其能够用于多信道放大的关键所在。 ED
14、FA对信道的插入、分出或无光故障等因素引起的输入光功率的变化（较低速变化）能产生响应-瞬态特性。在系统应用中应予以控制-增益钳制。,多信道放大中存在的其它问题： 增益平坦 增益钳制 高的输出功率,EDFA的级联特性,信道间增益竞争，多级级连使用导致“尖峰效应”,1544,1569,典型的EDFA增益谱,固有的增益不平坦，增益差随级联放大而积累增大,各信道的信噪比差别增大,各信道的接收灵敏度不同,增益平坦,增益谱的形状随信号功率而变，在有信道插入、分出的动态情况下，失衡情况更加严重,1. 滤波器均衡： 采用透射谱与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器使增益平坦, 如：薄膜滤波、紫外写入长周期光纤光栅、周
15、期调制的双芯光纤等。 只能实现静态增益谱的平坦，在信道功率突变时增益谱仍会发生变化。,EDFA + 均衡器 合成增益,增益平坦/均衡技术(1),2. 新型宽谱带掺杂光纤： 如掺铒氟化物玻璃光纤（30nm平坦带宽）、铒/铝共掺杂光纤（20nm平坦带宽）等， 静态增益谱平坦，掺杂工艺复杂。,3. 声光滤波调节： 根据各信道功率，反馈控制放大器输出端的多通道声光带阻滤波器，调节各信道输出功率使之均衡，动态均衡需要解复用、光电转换、结构复杂，实用性受限。,增益平坦/均衡技术(2),4. 预失真技术,不灵活，传输链路变换后，输入功率也要随之调整,增益平坦/均衡技术(3),EDFA对信道的插入、分出或信道
16、无光故障等因素引起的输入光功率的变化（较低速变化）能产生响应-瞬态特性 瞬态特性使得剩余信道获得过大的增益，并输出过大的功率，而产生非线性，最终导致其传输性能的恶化-需进行自动增益控制,增益钳制,增益钳制技术(1),电控：监测EDFA的输入光功率，根据其大小调整泵浦功率，从而实现增益钳制，是目前最为成熟的方法。,LD,Pump,In,Out,泵浦控制均衡放大器（电控）,EDFA,增益钳制技术(2),在系统中附加一波长信道，根据其它信道的功率，改变附加波长的功率，而实现增益钳制。,注入激光,WDM系统要求EDFA具有足够高的输出功率，以保证各信道获得足够的光功率。,方法：多级泵浦,四、EDFA的大功率化(1),EDFA的大功率化(2),用于制作大功率EDFA的双包层光纤结构图,芯层：5m 内包层： 50m 芯层(掺铒)，传播信号层(SM) 内包层，传播泵浦光(MM),双包层光纤是实现高功率EDFA的重要技术，信号光在中心的纤芯里以单模传播，而泵浦
