光纤通信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。为什么要进行光信号放大？7.1光纤光放大器光接收机光发射机电放大器光光电电光放大器光光早期：现代：光放大器优点缺点小型化，容易与其它半导体器件集成性能与光偏振方向有关，器件与光纤的耦合损耗大半导体光放大器(SOA)光纤光放大器掺杂光纤放大器拉曼光纤放大器（掺铒/镨/铥）Er2O3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掺铒光纤放大器(EDFA)工作原理EDFA的工作机理基于受激辐射原理从下图可以看到，在掺铒光纤(EDF)中，铒离子(Er3+)存在容易形成粒子数反转分布的三个能级：泵浦光980nm基态（0ev）τsp=1μs泵浦光1480nm受激辐射光（1500～1600nm）亚稳态（0.80ev/1530nm）泵浦态（1.27ev/980nm）τsp=10ms基态亚稳态（1530nm）泵浦态（980nm）无辐射跃迁粒子数反转分布泵浦光铒离子在980nm光泵浦下受激吸收演示基态信号光受激辐射信号光放大放大器噪声亚稳态泵浦态铒离子在1550nm光信号下受激辐射演示损耗或增益(dbm/m)波长/μmEDFA的工作波长1550nm附近吸收和增益频谱吸收增益吸收＞增益吸收＜增益EDFA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掺铒光纤(EDF)和高功率泵浦光源是关键器件，EDFA的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。7.1.2EDFA的构成和特性波分复用器的是：使泵浦光和信号光一同进入EDF中对波分复用器基本要求：插入损耗小，减少光能损失。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对光隔离器的的基本要求是：插入损耗小，反射损耗大。1.同向泵浦三种泵浦掺铒光纤方式泵浦光能量分布输入端容易增益过饱和，引入的量子噪声小但是由于过饱和的存在使转换效率较低。信号光能量分布2.反向泵浦泵浦光能量分布两个分布相同不易发生增益饱和从而转换效率较高，但引入的量子噪声大。信号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，从而引入的量子噪声很小，同时也能达到较高转换效率。3.双向泵浦泵浦光功率反向泵浦双向泵浦输出光功率同向泵浦(a)转换效率的比较Fn输出光功率双向泵浦反向泵浦同向泵浦(b)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。随着泵浦功率的增加，粒子反转数将上升，从而使输出光功率增大。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实用EDFA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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；•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，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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。7.2.1光波分复用原理1.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)…例：这两个低损耗波长窗口可以容纳290个40-Gb/sPSK信号WDM40Gb/sPSK100GHz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。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′波分解复用器100GHz间隔的WDM信道频谱光发射机…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2n图7.8单纤双向WDM传输(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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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)和路由分配，这样就可以根据光纤通信线路和光网的业3.光波分复用器的性能参数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