光纤通信第二版刘增基第7章

第7章光纤通信新技术第7章光纤通信新技术7.1光纤放大器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7.1光纤放大7.1.1掺铒光纤放大器工作原理图7.1示出掺铒光纤放大器(EDFA)的工作原理，说明了光信号被放大的原因。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)。但是激发态是不稳定的，Er3+很快返回到能级2。如果输入的信号光的光子能量等于能级2和能级1的能量差，则处于能级2的Er3+将跃迁到基态(2→1)，产生受激辐射光，因而信号光得到放大。由此可见，这种放大是由于泵浦光的能量转换为信号光能量的结果。为提高放大器增益，应提高对泵浦光的吸收，使基态Er3+尽可能跃迁到激发态，图7.1(b)示出EDFA增益和吸收频谱。第7章光纤通信新技术图7.1(a)硅光纤中铒离子的能级图；(b)EDFA的吸收和增益频谱第7章光纤通信新技术图7.2(a)示出输出信号光功率和输入泵浦光功率的关系，由图可见，泵浦光功率转换为信号光功率的效率很高，达到92.6%。当泵浦光功率为60mW时，吸收效率［(信号输出光功率－信号输入光功率)/泵浦光功率］为88%图7.2(b)是小信号条件下增益和泵浦光功率的关系，当泵浦光功率小于6mW时，增益线性增加，增益系数为6.3dB/mW。第7章光纤通信新技术图7.2掺铒光纤放大器的特性(a)输出信号光功率与泵浦光功率的关系；(b)小信号增益与泵浦光功率的关系第7章光纤通信新技术7.1.2掺铒光纤放大器的构成和特性图7.3(a)为光纤放大器构成原理图，图7.3(b)为实用光纤放大器的构成方框图。掺铒光纤(EDF)和高功率泵浦光源是关键器件，把泵浦光与信号光耦合在一起的波分复用器和置第7章光纤通信新技术图7.3光纤放大器构成方框图(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第7章光纤通信新技术设计高增益掺铒光纤(EDF)是实现光纤放大器的技术关键，EDF的增益取决于Er3+的浓度、光纤长度和直径以及泵浦光功率等多种因素，通常由实验获得最佳增益。对泵浦光源的基本要求是大功率和长寿命。波长为1.480μm的InGaAsP多量子阱(MQW)激光器，输出光功率高达100mW,泵浦光转换为信号光效率在6dB/mW以上。波长为980nm的泵浦光转换效率更高，达10dB/mW，而且噪声较低，是未来发展的方向。对波分复用器的基本要求是插入损耗小，熔拉双锥光纤耦合器型和干涉滤波型波分复用器最适用。光隔离器的作用是防止光反射，保证系统稳定工作和减小噪声，对它的基本要求是插入损耗小，反射损耗大。第7章光纤通信新技术图7.4是EDFA商品的特性曲线，图中显示出增益、噪声系数和输出信号光功率与输入信号光功率的关系。在泵浦光功率一定的条件下，当输入信号光功率较小时，放大器增益不随输入信号光功率而变化，基本上保持不变。当信号光功率增加到一定值(一般为－20dBm)后，增益开始随信号光功率的增加而下降，因此出现输出信号光功率达到饱和的现象。第7章光纤通信新技术图7.4掺铒光纤放大器增益、噪声系数和输出光功率与输入光功率的关系曲线第7章光纤通信新技术表7.1列出国外几家公司EDFA商品的技术参数。第7章光纤通信新技术第7章光纤通信新技术7.1.3掺铒光纤放大器的优点和应用EDFAEDFA(1)工作波长正好落在光纤通信最佳波段(1500～1600nm)；其主体是一段光纤(EDF)，与传输光纤的耦合损耗很小，只有0.1dB(2)增益高，约为30～40dB;饱和输出光功率大，约为10～15dBm;增益特性与光偏振状态无关。(3)噪声系数小，一般为4～7dB;用于多波长信道传输时，隔离度大，串扰小，适用于波分复用系统。第7章光纤通信新技术(4)频带宽，在1550nm窗口，频带宽度为20～40nm，如果加上1310nm掺镨光纤放大器(PDFA)，频带可以增加一倍。所以“波分复用+光纤放大器”被认为是充分利用1550nmEDFA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，波分复用(WDM)或光频分复用(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。EDFA的应用，归纳起来可以分为三种形式，如图7.5所示。第7章光纤通信新技术图7.5光纤放大器的应用形式(a)中继放大器；(b)前置放大器和后置放大器第7章光纤通信新技术(1)中继放大器(LA，LineAmplifier)。在光纤线路上每隔一定距离设置一个光纤放大器，以延长干线网的传输距离。(2)前置放大器(PA，Preamplifier)。此放大器置于激光器前面，放大非常微弱的光信号，以改善接收灵敏度。作为(3)后置放大器(BA，BoosterAmplifier)。此放大器置于激光器后面，以提高发射光功率。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。第7章光纤通信新技术7.2光波分复用技术7.2.1光波分复用原理1.WDM的概念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。第7章光纤通信新技术光纤的带宽很宽。如图7.6所示，在光纤的两个低损耗传输窗口：波长为1.31μm(1.25～1.35μm)的窗口，相应的带宽(|Δf|=|－Δλc/λ2|,λ和Δλ分别为中心波长和相应的波段宽度，c为真空中光速)为17700GHz；波长为1.55μm(1.50～1.60μm)的窗口，相应的带宽为12500GHz。两个窗口合在一起，总带宽超过30THz。如果信道频率间隔为10GHz，在理想情况下，一根光纤可以容纳3000个信道。第7章光纤通信新技术图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)第7章光纤通信新技术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的光频分复用(OFDM)还十分困难。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(DWDM，DenseWavelengthDivisionMultiplexing)。目前该系统是在1550nm波段内，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频率间隔为200GHz、100GHz或50GHz,约对应于波长间隔1.6nm、0.8nm或0.4nm。WDM、DWDM和OFDM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1310/1550nm简单复用还是在1550nm波段内密集复用，但目前在电信界应用时，都采用DWDM技术。由于1310/1550nm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WDM这个更广义的名称来代替DWDM。第7章光纤通信新技术WDM技术对网络升级、发展宽带业务(如CATV、HDTV和IPoverWDM等)、充分挖掘光纤带宽潜力、实现超高速光纤通信等具有十分重要意义，尤其是WDM加上EDFA更是对现代信息网络具有强大的吸引力。目前，“掺铒光纤放大器(EDFA)+密集波分复用(WDM)+非零色散光纤(NZDSF，即G.655光纤)+光子集成(PIC)”正成为国际上长途高速光纤通信系统的主要技术方向。第7章光纤通信新技术如果一个区域内所有的光纤传输链路都升级为WDM传输，我们就可以在这些WDM链路的交叉(结点)处设置以波长为单位对光信号进行交叉连接的光交叉连接设备(OXC)，或进行光上下路的光分插复用器(OADM)，则在原来由光纤链路组成的物理层上面就会形成一个新的光层。在这个光层中，相邻光纤链路中的波长信道可以连接起来，形成一个跨越多个OXC和OADM的光通路，完成端到端的信息传送，并且这种光通路可以根据需要灵活、动态地建立和释放，这就是目前引人注目的、新一代的WDM光网络。第7章光纤通信新技术2.WDM系统的基本形式光波分复用器和解复用器是WDM技术中的关键部件，将不同波长的信号组合在一起经一根光纤输出的器件称为复用器(也叫合波器)。反之，将同一传输光纤送来的多波长信号分解为各个波长分别输出的器件称为解复用器(也叫分波器)。从原理上讲，这种器件是互易的(双向可逆)，即只要将解复用器的输出端和输入端反过来使用，就是复用器。因此复用器和解复用器是相同的(除非有特殊的要求)。第7章光纤通信新技术WDM(1)双纤单向传输。单向WDM传输是指所有波长信道同时在一根光纤上沿同一方向传输。如图7.7所示，在发送端将载有各种信息的、具有不同载波波长的已调光信号λ1,λ2,…,λn通过光复用器组合在一起，并在一根光纤中单向传输。由于各信号是通过不同波长的光载波携带的，因而彼此之间不会混淆。在接收端通过光解复用器将不同波长的信号分开，完成多路光信号传输的任务。反方向通过另一根光纤传输的原理与此相同。第7章光纤通信新技术图7.7双纤单向WDM传输第7章光纤通信新技术(2)单纤双向传输。双向WDM传输是指光通路在一根光纤上同时向两个不同的方向传输。如图7.8所示，所用波长相互分开，以实现双向全双工的通信。双向WDM系统在设计和应用时必须要考虑几个关键的系统因素，如为了抑制多通道干扰(MPI)，必须注意到光反射的影响、双向通路之间的隔离、串扰的类型和数值、两个方向传输的功率电平值和相互间的依赖性、光监控信道(OSC)传输和自动功率关断等问题，同时要使用双向光纤放大器。所以双向WDM系统的开发和应用相对说来要求较高，但与单向WDM系统相比，双向WDM系统可以减少使用光第7章光纤通信新技术图7.8单纤双向WDM传输第7章光纤通信新技术另外，通过在中间设置光分插复用器(OADM)或光交叉连接器(OXC)，可使各波长光信号进行合流与分流，实现波长的上下路(add/drop)和路由选择，这样就可以根据光纤通信线路和光网的业务量分布情况，合理地安排插入或分出信号。第7章光纤通信新技术3.光波分复用器是波分复用系统的重要组成部分，为了确保波分复用系统的性能，对波分复用器的基本要求是：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，尺寸小等。(1)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，定义为该无源器件的输入和输出端口之间的光功率之比，即其中,Pi为发送进输入端口的光功率,Po为从输出端口接收到的光功率。(dB)lg10oiPP＝(7.1)第7章光纤通信新技术(2)串扰。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，隔离度定义为其中,Pi是波长为λi的光信号的输入光功率，Pij是波长为λi的光信号串入到波长为λj信道的光功率。(7.2)(dB)lg10iijijPPC　＝－第7章光纤通信新技术(3)回波损耗。回波损耗是指返回到无源器件输入端口的光功率与输入光功率的比，即其中Pj为发送进输入端口的光功率，Pr为从同一个输入端口(7.3)(dB)lgRLjrPP＝－第7章光纤通信新技术(4)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(5)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(λmin到λmax)(6)信道间隔。信道间隔是指各个光载波之间为避免串(7)偏振相关损耗。偏振相关损耗(PDL，Polarization-DependentLoss)是指由于偏振态的变