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1、7.1 光纤放大器光纤放大器7.2 光波分复用技术光波分复用技术7.3 光交换技术光交换技术7.4 光孤子通信光孤子通信7.5 相干光通信技术相干光通信技术7.6 光时分复用技术光时分复用技术7.7 波长变换技术波长变换技术第第 7 章章 光纤通信新技术光纤通信新技术返回主目录 第第 7 章章 光纤通信新技术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，光波分复用技光放大技术，光波分复用技术，光交换技术，
2、光孤子通信，相干光通信，术，光交换技术，光孤子通信，相干光通信，光时分复用技术和波长变换技术光时分复用技术和波长变换技术等。 为什么要进行光信号放大？为什么要进行光信号放大？7. 1 光纤光放大器光纤光放大器光接收机光接收机光发射机光发射机电放大器电放大器光光光光电电电电光放大器光放大器光光光光早期：早期：现代：现代：光放大器光放大器优点优点缺点缺点小型化，容易与其它小型化，容易与其它半导体器件集成半导体器件集成性能与光偏振方向有关，性能与光偏振方向有关，器件与光纤的耦合损耗大器件与光纤的耦合损耗大半导体光放大器半导体光放大器(SOA)光纤光放大器光纤光放大器掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器拉曼光
3、纤放大器拉曼光纤放大器 （掺掺铒铒/ /镨镨/ /铥铥）Er2O3 光纤放大光纤放大器的实质是：的实质是：把工作物质制作成光纤形状的固体激光器，所以也称为光纤激光器。光纤激光器。 20世纪80年代末期，波长为1.55 m的掺掺铒铒(Er)光纤放大器光纤放大器(EDFA： Erbium Doped Fiber Amplifier)研制成功并投入实用，把光纤通信技术水平推向一个新高度，成为光纤通信发展史上一个重要的里程碑。7.1.1掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)工作原工作原理理EDFA的工作机理基于的工作机理基于受激辐射受激辐射原理原理从下图可以看到，在从下图可以看到，在掺铒光纤掺铒光纤
4、(EDF)中，铒离子中，铒离子(Er3+) 存在容易形成存在容易形成粒子数反转分布粒子数反转分布的三个能级：的三个能级：泵泵浦光浦光980 nm基基态态 （0ev）sp=1s泵泵浦光浦光1480 nm受激受激辐辐射光（射光（15001600 nm）亚稳态亚稳态（0.80ev/1530nm）泵泵浦浦态态（1.27ev/980nm）sp=10ms基基态态 亚稳态亚稳态（1530nm）泵泵浦浦态态（980nm）无辐射跃迁无辐射跃迁粒子数反转分布粒子数反转分布泵泵浦浦光光铒离子在铒离子在980nm光泵浦下光泵浦下受激吸收受激吸收演示演示基基态态 信信号号光光受激辐射信号光放大受激辐射信号光放大放大器噪
5、声放大器噪声亚稳态亚稳态泵泵浦浦态态铒离子在铒离子在1550nm光信号下光信号下受激辐射受激辐射演示演示损损耗耗或或增增益益(dbm/m)波长波长/ mEDFA的工作波长的工作波长1550nm附近吸收和增益频谱附近吸收和增益频谱吸收吸收增益增益吸收增益吸收增益吸收增益吸收增益EDFA构成原理图构成原理图输入信号输入信号光隔离器光隔离器波分复用器波分复用器泵浦泵浦掺铒掺铒光纤光纤光隔离器光隔离器输出信号输出信号掺铒光纤掺铒光纤掺铒光纤掺铒光纤(EDF)(EDF)(EDF)(EDF)和和高功率泵浦光源高功率泵浦光源高功率泵浦光源高功率泵浦光源是关键器件，是关键器件，EDFAEDFA的的增益与掺铒光
6、纤中铒离子浓度、光纤长度和直径有关，增益与掺铒光纤中铒离子浓度、光纤长度和直径有关，还与泵浦光源的光功率成正比。还与泵浦光源的光功率成正比。7.1.2 EDFA的构成和特性的构成和特性波分复用器的是：波分复用器的是：使泵浦光和信号光一同进入使泵浦光和信号光一同进入EDFEDF中中对波分复用器基本要求：对波分复用器基本要求：插入损耗小，减少光能损失。插入损耗小，减少光能损失。光隔离器的作用是光隔离器的作用是: :防止光反向传播，保证系统稳定工作和减小噪声防止光反向传播，保证系统稳定工作和减小噪声对光隔离器的的基本要求是：对光隔离器的的基本要求是：插入损耗小，反射损耗大。插入损耗小，反射损耗大。1
7、.1.同向泵浦同向泵浦三种三种泵浦掺铒光纤方式泵浦掺铒光纤方式泵浦光能量分布泵浦光能量分布输入端容易增益过饱和，引入的输入端容易增益过饱和，引入的量子噪声小量子噪声小但是由于过饱和的存在使但是由于过饱和的存在使转换效率较低。转换效率较低。信号光能量分布信号光能量分布2.2.反向泵浦反向泵浦泵浦光能量分布泵浦光能量分布两个分布相同不易发生增益饱和从而两个分布相同不易发生增益饱和从而转换转换效率较高效率较高，但引入的，但引入的量子噪声大。量子噪声大。信号光能量分布信号光能量分布泵浦光能量分布泵浦光能量分布选择合适的泵浦功率可使光能量分布均匀，从而引选择合适的泵浦功率可使光能量分布均匀，从而引入的入
8、的量子噪声很小量子噪声很小，同时也能达到，同时也能达到较高转换效率。较高转换效率。3.3.双向泵浦双向泵浦泵浦光功率泵浦光功率反向泵浦反向泵浦双向泵浦双向泵浦输输出出光光功功率率同向泵浦同向泵浦(a)转换效率的比较转换效率的比较Fn输出光功率输出光功率双向泵浦双向泵浦反向泵浦反向泵浦同向泵浦同向泵浦 (b)噪声系数与放大器输出功率的关系噪声系数与放大器输出功率的关系 不同泵浦方式下转换效率及噪声特性比较不同泵浦方式下转换效率及噪声特性比较随着输出功率的增加，粒子反转数随着输出功率的增加，粒子反转数将下降，结果是使噪声系数增大。将下降，结果是使噪声系数增大。随着泵浦功率的增加，粒子反转数随着泵浦
9、功率的增加，粒子反转数将上升，从而使输出光功率增大。将上升，从而使输出光功率增大。监视和监视和告警电路告警电路泵浦监视泵浦监视和控制电路和控制电路泵浦泵浦LDPD 探测器探测器泵浦泵浦LD输入隔离器输入隔离器输入输入WDM输出耦合器输出耦合器输出隔离器输出隔离器输出输出WDM掺铒掺铒光纤光纤热热 沉沉光输入光输入5 V0 V5 V电源电源监视监视激光器驱动输入激光器驱动输入光输出光输出实用实用EDFA外形图及其构成方框图外形图及其构成方框图 7.1.3 掺铒光纤放大器的优点和应用掺铒光纤放大器的优点和应用EDFA的主要优点有：的主要优点有： 工作波长正好落在光纤通信最佳波段工作波长正好落在光纤
10、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0.1 dB。 增益高增益高，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。 噪声指数小噪声指数小， 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。 频带宽频带宽，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。 如果加上1310 nm掺镨光纤放大器掺镨光纤放大器(PDFA)，频带可以增加一倍。所以“波分复用波分复用+光纤放大器光纤放大器”被认为是被认为是充分利用光纤带宽增加传
11、输容量最有效充分利用光纤带宽增加传输容量最有效的方法。的方法。 1550 nm EDFA在各种光纤通信系统中得到广泛应用，并取得了良好效果。已经介绍过的副载波CATV系统，WDM或OFDM系统，相干光系统以及光孤子通信系统，都应用了EDFA，并大幅度增加了传输距离。 图图7.5 (a) 光纤放大器的应用形式光纤放大器的应用形式中继放大器中继放大器中继放大器中继放大器LDPD中继放大器中继放大器EDFA的应用， 归纳起来可以分为三种形式， 如图7.5所示。 中继放大器中继放大器中继放大器中继放大器 （LA：Line Amplifier）在光纤线路上每隔一定的距离设置一个光纤放大器，以延长干线网的
12、传输距离）前置放大器前置放大器前置放大器前置放大器 （PA：Preamplifier) 置于光接收机的前面，放大非常微弱的光信号，以改善接收灵敏度。作为前置放大器，对噪声要求非常苛刻。后置放大器后置放大器后置放大器后置放大器 （BA： Booster Amplifier) 置于光接收机的后面，以提高发射机功率。对后置放大器噪声要求不高，而饱和输出光功率是主要参数。图图7.5 (b) 光纤放大器的应用形式光纤放大器的应用形式前置放大器前置放大器前置放大器前置放大器和和后置放大器后置放大器后置放大器后置放大器 LDPD后置放大器后置放大器前置放大器前置放大器光纤光纤7.2 光波分复用技术光波分复用
13、技术 随着人类社会信息时代的到来，对通信的需求呈现加速增长的趋势。发展迅速的各种新型业务(特别是高速数据和视频业务)对通信网的带宽(或容量)提出了更高的要求。为了适应通信网传输容量的不断增长和满足网络交互性、灵活性的要求，产生了各种复用技术。 在光纤通信系统中除了大家熟知的时分复用时分复用(TDM)技术外， 还出现了其他的复用技术，例如光时分复用光时分复用(OTDM)、光波分复用光波分复用(WDM)、 光频分复用光频分复用(OFDM)以及副载波复用副载波复用(SCM)技术。 7.2.1 光波分复用原理光波分复用原理1. WDM的概念的概念 光波分复用光波分复用(WDM： Wavelength
14、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（光波分复用（WDM）的基本原理是：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光波长分割复用， 简称光波分复光波分复用技术用技术。 图图7.6 中心波长在中心波长在1.3 m和和1.55 m的硅光纤低损耗传输窗口的硅光纤低损耗传输窗口 (插图表示插图表示1.55 m传输窗口的多信道复用传输窗口的多信道复用)例：这
15、两个低损耗波长窗口可以容纳 290 个40-Gb/s PSK信号 光纤的带宽有多宽？光纤的带宽有多宽？如图7.6所示，在光纤的两个低损耗传输窗口： 波长为1.31 m(1.251.35m)的窗口，相应的带宽(|f|=|-|f|=|-c/c/2 2| |, 和分别为中心波长和相应的波段宽度， c为真空中光速)为17700 GHz； 波长为1.55 m(1.501.60 m)的窗口， 相应的带宽为12500 GHz。两个窗口合在一起，总带宽超过30THz。如果信道频率间隔为10 GHz， 在理想情况下， 一根光纤可以容纳3000个信道。由于目前一些光器件与技术还不十分成熟，因此要实现光信道十分密集
16、的光频分复用光频分复用(OFDM)还较为困难。在这种情况下，人们把在同一窗口中信道间隔较小的波分复用称为密集波分复用密集波分复用(DWDM：Dense Wavelength Division Multiplexing)。 目前该系统是在1550 nm波长区段内，同时用8，16或更多个波长在一对光纤上(也可采用单光纤)构成的光通信系统，其中各个波长之间的间隔为1.6 nm、 0.8 nm或更低，约对应于200 GHz, 100 GHz或更窄的带宽。WDM、 DWDM和和OFDM在本质上没有多大区别在本质上没有多大区别以往技术人员习惯采用WDM 和DWDM来区分是1310/1550 nm 简单复用还是在1550 nm波长区段内密集复用，但目前在电信界应用时，都采用目前在电信界应用时，都采用DWDM技术。技术。 由于1310/1550 nm的复用超出了EDFA的增益范围，只在一些专门场合应用，所以经常用经常用WDM这这个更广义的名称来代替个更广义的名称来代替DWDM。 WDM技术对网络升级、发展宽带业务(如CATV， HDTV 和IP over WDM等)、充分挖掘光纤带宽潜力、实现超高速光
