光纤通信-全套课件

7.1光纤放大光放大器有半导体光放大器和光纤放大器两种类型。半导体光放大器的优点是小型化，容易与其他半导体器件集成；缺点是性能与光偏振方向有关，器件与光纤的耦合损耗大。光纤放大器的性能与光偏振方向无关，器件与光纤的耦合损耗很小，因而得到广泛应用。光纤放大器实际上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。20世纪80年代末期，波长为1.55μm的掺铒(Er)光纤放大器(EDFA：ErbiumDopedFiberAmplifier)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图7.1示出掺铒光纤放大器(EDFA)的工作原理，说明了光信号为什么会放大的原因。从图7.1(a)可以看到，在掺铒光纤(EDF)中，铒离子(Er3+)有三个能级：其中能级1代表基态，能量最低；能级2是亚稳态，处于中间能级；能级3代表激发态，能量最高。当泵浦(Pump,抽运)光的光子能量等于能级3和能级1的能量差时，铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到激发态(1→3)。图7.1(a)硅光纤中铒离子的能级图；(b)EDFA的吸收和增益频谱4F9/24I9/24I11/24I13/24I15/21.48m泵浦0.65m0.80m0.98m1.53m123光信号1.481.501.521.541.5602460246810吸收增益波长/m损耗或增益/(dB·m－1)(b)(a)截面/(×10－25m2)图7.3(a)光纤放大器构成原理图；(b)实用光纤放大器外形图及其构成方框图输入信号光隔离器波分复用器泵浦掺铒光纤光隔离器输出信号(a)监视和告警电路泵浦监视和控制电路泵浦LDPD探测器泵浦LD输入隔离器输入WDM输出耦合器输出隔离器输出WDM掺铒光纤热沉光输入＋5V0V－5V电源监视激光器驱动输入光输出(b)7.2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(TDM)技术外，还出现了其他的复用技术，例如光时分复用(OTDM)、光波分复用(WDM)、光频分复用(OFDM)以及副载波复用(SCM)技术。本节主要讲述WDM技术。7.2.11.WDM的概念光波分复用(WDM：WavelengthDivisionMultiplexing)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。其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。图7.6中心波长在1.3μm和1.55μm的硅光纤低损耗传输窗口(插图表示1.55μm传输窗口的多信道复用)80001.02.03.04.010001200140016001800载波频率信道间隔1~10GHz波长/nm衰减/(dB·km－1)…图7.7双纤单向WDM传输光发射机…光发射机复用器光纤放大器解复用器光接收机光接收机…1n1n1…n1n光接收机…光接收机解复用器光纤放大器复用器光发射机光发射机…1′n′1…n1n1′n′图7.8单纤双向WDM传输光发射机…光发射机光接收机光接收机…1n1n1…n1n光接收机…光接收机复用/解复用器光纤放大器光发射机光发射机…1′n′n＋1…2n1′n′复用/解复用器n＋12n7.2.3WDM技术的主要特点1.充分利用光纤的巨大带宽资源光纤具有巨大的带宽资源(低损耗波段)，WDM技术使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍甚至几百倍，从而增加光纤的传输容量，降低成本，具有很大的应用价值和经济价值。2.由于WDM技术使用的各波长的信道相互独立，因而可以传输特性和速率完全不同的信号，完成各种电信业务信号的综合传输，如PDH信号和SDH信号，数字信号和模拟信号，多种业务(音频、视频、数据等)的混合传输等。3.采用WDM技术可使N个波长复用起来在单根光纤中传输，也可实现单根光纤双向传输，在长途大容量传输时可以节约大量光纤。另外，对已建成的光纤通信系统扩容方便，只要原系统的功率余量较大，就可进一步增容而不必对原系统作大的改动。4.随着传输速率的不断提高，许多光电器件的响应速度已明显不足，使用WDM技术可降低对一些器件在性能上的极高要求，同时又可实现大容量传输。5.高度的组网灵活性、经济性和可靠性WDM技术有很多应用形式，如长途干线网、广播分配网、多路多址局域网。可以利用WDM技术选择路由，实现网络交换和故障恢复，从而实现未来的透明、灵活、经济且具有高度生存性的光网络。图7.16(a)简单光分；(b)光分插123423光纤布喇格光栅13412134(a)123423光纤布喇格光栅13412(b)耦合器222图7.18FP滤波器输入信号F-P滤波器反射图7.22基于多层介质薄膜滤波器的波分复用/解复用器透镜透镜透镜透镜透镜透镜透镜透镜透镜窄带滤波器光纤13571,2,…8光纤2486玻璃衬底光纤7.3光交换技目前的商用光纤通信系统，单信道传输速率已超过10Gb/s，实验WDM系统的传输速率已超过3.28Tb/s。但是，由于大量新业务的出现和国际互联网的发展，今后通信网络还可能变得拥挤。原因是在现有通信网络中，高速光纤通信系统仅仅充当点对点的传输手段，网络中重要的交换功能还是采用电子交换技术。传统电子交换机的端口速率只有几Mb/s到几百Mb/s，不仅限制了光纤通信网络速率的提高，而且要求在众多的接口进行频繁的复用/解复用，光/电和电/光转换，因而增加了设备复杂性和成本，降低了系统的可靠性。图7.31(a)2×2光交换单元；(b)平行连接和交叉连接；(c)4×4光交换单元1×2光交换器件平行联接交叉联接(a)(b)定向耦合器光波导光信号输出光信号输入(c)图7.32(a)时分复用原理；(b)时隙互换原理；(c)等效的空分交换1复接器2N…分接器12N12…N1234分接器时隙帧(a)1延迟1延迟22延迟33延迟44(b)复接器输入输出413212341234(c)图7.33(a)波长选择法交换；(b)波长变换法交换1空分交换2空分交换3空分交换…W空分交换1,2…W12…NN…21WDMXWMUX分波器合波器(a)1,2…W1,2…W1,2…W1,2…W1,2…W12WNW×NW空分交换12W12W12W12W12W12W12W12…N12…NWDMXWMUX波长变换器(b)7.6光时分复用技术提高速率和增大容量是光纤通信的目标。电子器件的极限速率大约在20Gb/s左右，现在通过电时分复用(TDM)已经达到这个极限速率。若想要继续提高速率，就必须在光域中想办法。一般有两种途径：波分复用(WDM)和光时分复用(OTDM)。如今WDM技术研究非常热，有的技术已经成熟并实用化；而OTDM技术还处于实验研究阶段，许多关键技术还有待解决。OTDM是在光域上进行时间分割复用，一般有两种复用方式：比特间插(Bitinterleaved)和信元间插(Cellinterleaved),比特间插是目前广泛被使用的方式，信元间插也称为光分组(OpticalPacket)复用。图7.45是OTDM系统框图。图7.45光时分复用系统框图Mod1Mod2…Modn……合路器光分路器T(n－1)T超短脉冲发生器帧同步时钟E/OMUX接收机误码检测光带通滤波器全光开关DEMUX光波时钟产生时钟提取电路EDFA延时线阵列待传数据输入7.7波长变换(WC:WavelengthConversion)是将信息从承载它的一个波长上转到另一个波长上。在WDM光网络中使用波长首先，信息可以通过WDM网络中不适宜使用的波长进入WDM网络。例如在现阶段光纤通信中大量使用1310nm窗口的LED或FPLD光源，这些波长或光源均不适合WDM系统，因此在WDM系统的输入和输出处，都要在这些波长与1550nm附近的波长之间进行转换。其次，在网络内部，可以提高链路上现有波长的利用率。引入波长变换技术，可以实现波长的再利用，有效地进行波长路由选择，降低网络阻塞率，从而提高WDM网络的灵活性和可扩充性。最后，如果不同网络由不同的组织管理，并且这些网络没有协调一致的波长分配，那么在网络之间就可以使用波长变换器。波长变换的基本方法有两种：光/电/光方法和全光方法。1.光/电/将光信号经光/电转换变成电信号，电信号再调制所需波长的激光器，从而实现波长变换。这是目前惟一成熟的波长变换技术，其优点有：输入动态范围大，不需要光滤波器，对输入光的偏振不敏感，并且对信号具有再生能力。其缺点是失去了全光网络的透明性。2.全光波长变换技术主要有基于半导体光放大器(SOA:SemiconductorOpticalAmplifier)中的交叉增益调制(XGM:CrossＧainModulation)和交叉相位调制(XPM:CrossPhaseModulation)以及基于半导体光放大器或光纤中的四波混频(FWM:FourWaveMixing)和不同频率产生(DFG:DifferenceFrequencyGeneration)。这些技术现阶段均不成熟，还处于研究探索之中。对波长变换技术的要求有：对比特率和信号格式应具有透明性；较宽的变换范围，既能向长波长变换又能向短波长变换；适当的输入光功率(不大于0dBm)；变换速率快；对偏振不敏感，低啁啾输出，高信噪比，高消光比；实现简单等。