光纤通信刘增基版第七章(2)

7.1光放大器7.2光波分复用技术7.6光时分复用技术7.3光交换技术7.4光孤子通信7.5相干光通信技术7.7波长变换技术第7章光纤通信新技术返回主目录7.2光波分复用技术7.2光波分复用技术7.2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)…WDM的工作原理50~200WDM的工作原理在1300~1600nm光谱范围内，以一定的间隔隔开的多个波长可以在同一根光纤中独立传播。例：这两个低损耗波长窗口可以容纳290个40Gb/sPSK信号WDM40Gb/sPSK100GHzWDM的工作原理WDM的工作原理WDM的工作原理WDM的工作原理WDM的工作原理波分复用、解复用器件点到点的波分复用系统点到点的波分复用系统波分复用器100GHz间隔的WDM信道频谱TDM系统RXEDFATXTXTXTXTXTXTXTXRXRXRXRXRXRXRX120km120km120kmDWDM系统EDFATXRXRegReg120km120km120kmTXRXRegRegTXRXRegRegTXRXRegRegTXRXRegRegTXRXRegRegTXRXRegRegTXRXRegRegTXRXRegRegTXRXRegRegTXRXRegRegEDFA在DWDM系统中的应用点到点的波分复用系统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。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。•插入损耗小•隔离度大•温度稳定性好•复用通路数多•尺寸小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：(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。oiPPlg10(dB)(7.1)(2)串扰抑制度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。)(lg10dBppCiijij(7.2)(7.3))(lg10dBppRLjr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接收到的返回光功率。(3)回波损耗回波损耗是指从无源器件的输入端口返回的光功率与输入光功率的比，即(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Pj之比，即jrppRlg10(7.4)(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光源之间为避免串扰应具有的波长间隔。(7)偏振相关损耗偏振相关损耗(PDL:PolarizationdependentLoss)是指由于偏振态的变化所造成的插入损耗的最大变化值。7.2.2WDM实际的WDM系统主要由五部分组成：光发射机、光中继放大、光接收机、光监控信道和网络管理系统，如下图所示。•光发射机–光发射机位于WDM系统的发送端。–在发送端首先将来自终端设备(如SDH端机)输出的光信号，利用光转发器(OTU)把符合ITU-TG.957建议的非特定波长的光信号转换成符合ITU-TG.692建议的具有稳定的特定波长的光信号。–利用合波器合成多路光信号。–通过光功率放大器(BA：BoosterAmplifier)放大输出多路光信号。•光中继放大(线放LA：LineAmplifier)–经过一定距离传输后，要用EDFA对光信号进行中继放大。–在WDM系统中，对EDFA必须采用增益平坦技术，使得EDFA对不同波长的光信号具有接近相同的放大增益。–还要考虑到不同数量的光信道同时工作的各种情况，7.2.3WDM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。[美籍华人厉鼎毅称之为：Mining]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。7.2.4光滤波器与光波分复用器在前面介绍耦合器时，已经简单地介绍了波分复用器(WDM)。图7.10为光滤波器的三种应用：•单纯的滤波应用(图7.10(a))•波分复用/解复用器中应用(图7.10(b))•波长路由器中应用(图7.10(c))。l1光滤波器图7.10(a)单纯的滤波应用l1,l2,l3,l4l,l,l234（或用作WDM的解复用器）波分复用器l1l2l3l4图7.10(b)波分复用器中应用l1,l2,l3,l4（用作WDM的复用器）图7.10(c)波长路由器中应用波长路由器l1,l2,l3,l4l1,l2,l3,l411112222l1,l2,l3,l42112l1,l2,l3,l41221波长路由器是波长选路网络(WavelengthRoutingNetwork)中的关键部件，其功能可由图7.10(c)的例子说明它有两个输入端口和两个输出端口，每路输入都载有一组λ1,λ2,λ3和λ4WDM信号。l1l2l3l4l1,l2,l3,l41111l1,l2,l3,l42222l1,l2,l3,l42112l1,l2,l3,l41221解复用器复用器如果一个波长路由器的路由方式不随时间变化，就称为静态路由器；路由方式随时间变化，则称之为动态路由器。静态路由器可以用波分复用器来构成，如下图所示。OADM可以看成是波长路由器的简化形式，它只有一个输入端口和一个输出端口，再加上一个用于分插波长的本地端口。对光滤波器的主要要求有：(1)一个好的光滤波器应有较低的插入损耗，并且损耗应该与输入光的偏振态无关。在大多数系统中，光的偏振态随机变化，如果滤波器的插入损耗与光的偏振有关(PDL:PolarizationDependentLoss),则输出光功率将极其不稳定。(2)一个滤波器的通带应该对温度的变化不敏感。温度系数是指温度每变化1℃的波长漂移。一个WDM系统要求在整个工作温度范围(大约100℃)内，波长漂移应该远小于相邻信道的波长间隔。(3)在一个WDM系统中，随着级联的滤波器越来越多，系统的通带就变得越来越窄。为了确保在级联的末端还有一个相当宽的通带，单个滤波器的通带传输特性应该是平直的，以便能够容纳激光器波长的微小变化。单个滤波器的通带的平直程度常用1dB带宽来衡量，如图7.12所示。图7.12光滤波器的1dB带宽－400.9960.99811.0021.004－30－20－100通带边缘20-dB带宽串扰能量3-dB带宽1-dB带宽相邻信道1dB3dBl0/l滤波器的幅度传输特性/dB下面介绍一些波长选择技术及其在WDM系统中的应用。图7.13光栅(a)透射光栅；(b)反射光栅光栅平面影像平面l2l1qd1qd2qil1＋l2光栅平面影像平面l2l1qd1qd2qil1＋l2(a)(b)7.14透射光栅的工作原理qiqdaDCBA光栅平面去影像平面来自光源（短周期）图7.17长周期光纤光栅的透射谱1.53－6－5－4－3－2－101.541.551.561.571.58波长l/m透射谱/dB图7.17是长周期光纤光栅的传输谱，特别适合用作带阻滤波器，主要用于掺铒光纤放大器(EDFA:ErbiumDopedFiberAmplifier)中作滤波器，使EDFA增益平坦化。图7.18F-P滤波器输入信号F-P滤波器反射b、介质薄膜滤波器原理:F-P干涉图7.19F-P滤波器的功率传递函数－40－30－20－100－1.5－1－0.500.511.5R＝0.99R＝0.90R＝0.75f/FSR功率传递函数/dB多层介质薄膜滤波器(MultilayerDielectricThinFilmFilter)c、阵列波导光栅（AWG）型滤波器原理:MZI图7.23(a)马赫-曾德尔干涉仪(MZI)结构图输入1输入2路程差，DL输出1输出2(a)Interleaverd、e.声光可调谐滤波器声光可调谐滤波器(AOTF:AcoustoOpticTunableFilter)是一种多用途器件，是目前已知的惟一能够同时选择多个波长的可调谐滤波器，并且可用来构造波长路由器。AOTF的基本原理是声与光的相互作用。一个简化的AOTF如图7.28所示，波导材料是一种双折射物质，仅能支持最低阶TE模和TM模。假设输入光完全是TE模，一个只能选择TM模的偏振器放在波导的输出端。如果在被选择的波长附近的一个窄谱范围内的光能量转换为TM模式，而其余光能量仍保持TE模式，这样就可以制成一个波长选择性滤波器。图7.28简化的AOTF偏振器声传感器声波输入输出TMTE图7.28的AOTF与偏振有关，这里假设输入光完全是TE模。图7.27是一种与偏振无关的AOTF，其实现方式和与偏振无关的隔离器相类似，将输入光信号分解为TE和TM两个分量，分别通过AOTF后再在输出端组合在一起。布喇格条件决定要选择的波长，而这种滤波器的通带宽度则由声光相互作用的长度决定，声光相互作用的长度越长，通带就越窄。图7.27集成光波导AOTF输入1输入2输出1输出2TE＋TMTETMTMTETE＋TM输入偏振器声传感器声波输出偏振器图7.29AOTF的功率传递函数－4－2024－40－30－20－100△l/功率传递函数/dB与偏振无关的AOTF可用作2×2波长路由器，满足布喇格条件的波长被交换，如图7.30(a)所示，这里波长λ1满足布喇格条件。如果同时发射几个声波，就有几个光波长同时满足布喇格条件，那么在单个器件上就可同时完成几个波长的交换，如图7.30(b)所示，这里交换的波长是λ1和λ4。前面所指的都是静态波长路由器，也可以通过改变声波的频率作为动态波长路由器，适当地级联2×2路由器可以构成多输入多输出路由器。AOTF还没有完全实用化的原因主要有两个：•存在较大串扰，•通带相对较宽。图7.30基于AOTF(a)交换波长λ1;(b)同时交换波长λ1和λ4AOTFl1,l211l1,l222l1,l221l1,l212RF1(a)AOTFRF1,RF4l1,l2,l3,l41111l1,l2,l3,l42222l1,l2,l3,l42112l1,l2,l3,l41221(b)DWDM与CWDM特性CWDMDWDM波长间隔2500GHz(20nm)100GHz(0.8nm)波长数量8-18波40-80-160波单波长容量最大2.5Gbps最大40Gbps距离可达到80km可达到640km总费用低高应用城域汇聚层，接入层，小城市的骨干层，企业网长途干线，城域骨干层，本地网DWDM的关键技术•光源技术•合波与分波技术•光放大技术•光分插复用技