西电-光通信技术基础chap7

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，光时分复用技术和波长变换技术等。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•半导体光放大器的缺点是：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。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：•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。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的结果。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)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。图7.2(a)示出输出信号光功率和输入泵浦光功率的关系，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［(信号输入光功率-信号输出光功率)/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，增益系数为6.3dB/mW。图7.2(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002040608020406080转换效率92.6％输入泵浦光功率/mW输出信号光功率/mW02001030405101520增益系数6.3dB/mW输入泵浦光功率/mW增益/dB(a)(b)7.1.2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于两端防止光反射的光隔离器也是不可缺少的。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1480μm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。图7.3(a)光纤放大器构成原理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图7.3(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图7.3(b)图7.3(b)实用光纤放大器外形图及其构成方框图波长为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•对光隔离器的的基本要求是：插入损耗小，反射损耗大。图7.4是EDFA商品的特性曲线，图中显示出增益、噪声指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。图7.4掺铒光纤放大器增益、噪声指数和输出光功率与输入光功率的关系曲线－10.0－40－5.00.05.010.015.020.025.030.035.0－35－30－25－20－15－10－50IIIIIII噪声指数/dB输出光功率/dBm增益/dB输入光功率/dBm增益/dB下表列出国外几家公司EDFA商品的技术参数。7.1.3掺铒光纤放大器的优点和应用EDFA的主要优点有：•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，可达0.1dB。•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。•噪声指数小，一般为4～7dB；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，在1550nm窗口，频带宽度为20～40nm，可进行多信道传输，有利于增加传输容量。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”被认为是充分利用光纤带宽增加传输容量最有效的方法。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，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7.5(a)光纤放大器的应用形式中继放大器LDPD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（LA：LineAmplifier）在光纤线路上每隔一定的距离设置一个光纤放大器，以延长干线网的传输距离）•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（BA：BoosterAmplifier)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7.5(b)光纤放大器的应用形式前置放大器和后置放大器LDPD后置放大器前置放大器光纤7.2光波分复用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(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。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。光波分复用（WDM）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，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)…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1.31μm(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。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(DWDM：DenseWavelengthDivisionMultiplexing)。目前该系统是在1550nm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1.6nm、0.8nm或更低，约对应于200GHz,100GHz或更窄的带宽。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波长区段内密集复用，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。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线路的主要技术方向。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通道可以连接起来，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全光网络。2.WDM光波分复用器和解复用器是WDM技术中的关键部件，将不同波长的信号结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，经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)。WDM系统的基本构成主要有以下两种形式：双纤单向传输和单纤双向传输。(1)双纤单向传输。单向WDM传输是指所有光通路同时在一根光纤上沿同一方向传送。如图7.7所示，在发送端将载有各种信息的、具有不同波长的已调光信号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光波长携带的，因而彼此之间不会混淆。在