光纤通信系统-第10章 光纤通信新技术

第10章光纤通信新技术20世纪90年代以来，光纤通信得到了迅速的发展，新技术不断涌现。关于光波分复用技术、通信网、全光网络技术已在前面相关章节中介绍。本章主要介绍光放大技术、光纤色散补偿技术、光交换技术、相干通信、光孤子通信等一些已经实用或有应用前景的新技术。10.1光纤放大器光信号在光纤中传输时，不可避免会在存在着一定的损耗和色散，损耗导致光信号能量的降低，色散使信号展宽，从而限制了通信传输距离与码速的提高。因此，隔一定的距离就需设立一个中继器，以便对信号进行放大和再生。解决这问题的常规方法是目前采用的光电中继器。光电中继器采用的是光/电/光的变换和处理方式，这种方式已经满足不了现代电信传输的要求。补偿光纤损耗的最有效方法是用光放大器直接对光信号进行放大。至今已经研究出的光放大器有两大类：半导体光放大器和光纤放大器。每种又有几种不同的应用结构和形式，如图10.1所示。相比之下，波长为1550nm的掺铒光纤放大器（EDFA，ErbiumDopedFiberAmplifier得到了最为广泛的应用。10.1.1EDFA的工作原理EDFA主要由掺铒光纤（EDF）、泵浦光源、耦合器、隔离器等组成，如图10.2所示。光耦合器的作用是将信号光和泵浦光合在一起；光隔离器的作用是抑止光反射，以确保光放大器工作稳定，对它的要求是插入损耗低、与偏振无关、隔离度优于40dB。当较弱的信号光和较强的泵浦光一起输入进EDF时，泵浦光激活EDF中的铒粒子，在信号光子的感应下，铒粒子产生受激辐射，跃迁到基态，将一粒一粒的光子注入进信号光中，完成放大作用。在铒粒子受激辐射过程中，有少部分粒子以自发辐射形式自己跃迁到基态，产生带宽极宽而且杂乱无章的光子，并在传播中不断扩大，从而形成了自发辐射噪声，并消耗了部分泵浦功率。因此，需设光滤波器，以降低噪声对系统的影响。目前应用的光滤波器带宽一般为1～3nm。10.1.2EDFA特性EDFA的基本特性有增益特性、输出功率特性和噪声特性。1.增益特性增益特性表示了放大器的放大能力，其定义为输出功率与输入功率之比。EDFA的增益大小与多种因素有关，通常为15～40dB。图10.3表示了信号增益与泵浦光功率的关系。小信号输入时的增益系数大于大信号输入时的增益系数。若定义增益为零时的泵浦光功率为泵浦阈值功率Pth，则当泵浦光功率Pp满足Pp/Pth大于3时，放大器增益出现饱和，即泵浦功率增加很多，而增益基本保持不变。此时放大器的增益效率（图中曲线的斜率）将随着泵浦功率的增加而下降。图10.3增益（G）与泵浦光功率的关系理图10.2EDFA的基本组成理图10.1光放大器类型理图10.4给出了增益与光纤长度的关系。开始时增益随掺铒光纤长度的增加而上升，但光纤超过了一定长度之后，增益反而逐渐下降，因此存在一个可获得最佳增益的最佳长度。这一长度只能是最大增益长度，而不是掺铒光纤的最佳长度，因为还牵涉到其他诸如噪声等的特性。2.输出功率特性理想的光放大器，不管输入功率多高，光信号都能按同一比例被放大，但实际的EDFA却并非如此。当输入功率增加时，受激辐射加快，以至于减少了粒子反转数，使受激辐射光减弱，输出功率趋于平稳。EDFA的输入/输出关系如图10.5所示。3.噪声特性EDFA的输出光中，除了有信号光外，还有自发辐射光，它们一起被放大，形成了影响信号光的噪声源，EDFA的噪声主要有以下四种：①信号光的散粒噪声；②被放大的自发辐射光的散粒噪声；③自发辐射光谱与信号光之间的差拍噪声；④自发辐射光谱间的差拍噪声。以上四种噪声中，后两种影响最大，尤其是第三种噪声是决定EDFA性能的主要因素。衡量EDFA的噪声特性可用噪声指数F来度量。其定义为EDFA的输入信噪比与输出信噪比的比值。它与同相传输的自发辐射频谱密度和放大器增益密切相关。10.1.3EDFA基本结构EDFA的内部按泵浦方式分，有三种基本的结构：即同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。1.同向泵浦这是一种信号光与泵浦光以同一方向从掺铒光纤的输入端注入的结构，也称为前向泵浦，如图10.6所示。2.反向泵浦这是一种信号光与泵浦光从两个不同方向注入进掺铒光纤的结构，也称后向泵浦，如图10.7所示。3.双向泵浦这是一种同向泵浦和反向泵浦同时泵浦的一种结构，如图10.8所示。4.三种泵浦方式的性能比较（1）信号输出功率与泵浦功率图10.9表示了三种泵浦方式的信号输出功率与泵浦功率的关系。由于这三种方式的微分转换效率（即图中曲线斜率）不同，因此在同样泵浦条件下，同向泵浦式EDFA的输出最低。（2）噪声特性图10.10表示了噪声指数NF与输出功率之间的关系。由于输出功率加大将导致粒子反图10.9信号输出功率与泵浦功率的关系理图10.8双向泵浦式EDFA理图10.7反向泵浦式EDFA理图10.6同向泵浦式EDFA理图10.5EDFA的输入/输出关系理图10.4增益（G）与掺铒光纤长度的关系理转数下降。因此，在未饱和区，同向泵浦式EDFA的噪声系数最小，但在饱和区，情况就不同。噪声指数与光纤长度的关系，如图10.11所示。不管掺铒光纤的长度如何，同向泵浦EDFA噪声系数均较小。（3）饱和输出特性同向泵浦式EDFA的饱和输出最小。双向泵浦式EDFA的输出功率最大，并且放大器性能与输入信号方向无关，但耦合损耗较大，并增加了一个泵浦源，使成本增加。10.1.4EDFA的应用在长距离、大容量、高速率光纤通信系统中，EDFA有多种应用形式，其基本作用是：（1）延长中继距离，使无中继传输达数百公里。（2）与波分复用技术结合，可迅速简便地实现扩容。（3）与光孤子技术结合，可实现超大容量、超长距离光纤通信。（4）与CATV等技术结合，对视频传播和ISDN具有积极作用。1.基本应用形式EDFA的具体的应用形式有以下四种，如图10.12所示。（1）线路放大“在线”放大是指将EDFA直接插入到光纤传输链路中对信号进行中继放大的应用形式见图10.12(a)。可广泛用于长途通信，越洋通信等领域。（2）功率放大功率放大是指将EDFA放在发射光源之后对信号进行放大的应用形式，见10.12(b)。由于增加了注入进光纤的光功率，从而可以延长中继距离。（3）前置放大前置放大是指将EDFA放在光接收机的前面，见图10.12(c)。从而大大提高光接收机的接收灵敏度。（4）LAN放大LAN放大是将EDFA放在光纤局域网中用作分配补偿放大器，以便增加光节点的数目，见图10.12(d)，为更多的用户服务。2.用于WDM系统中的EDFA为了确保WDM系统的传输质量，WDM系统中使用的EDFA应具有足够的带宽、平坦的增益、低噪声系数和高输出功率。特别是增益平坦度，这是WDM传输系统对EDFA的一个特殊要求。另一方面，应用于WDM系统的光纤放大器较单信道系统中的光纤放大器要求有更宽的带宽。（1）增益带宽目前成熟应用的光纤放大器只适应于1550nm波长段。而目前开发的波分复用系统也只限于1550nm波长段。一般光纤放大器的可用增益频谱范围为1530～1565nm，也就是说WDM系统的所有信道也应该在这一频带内。20～40nm的增益带宽，可以满足4～32信道的波分复用系统。（2）增益平坦图10.12EDFA的应用形式理图10.11噪声指数与光纤长度的关系理图10.10噪声指数与输出功率的关系理WDM传输系统对EDFA的一个特殊要求是增益平坦（Gain－Flatting）。一般的EDFA在它的工作波长段内有一定的增益起伏，而且各个EDFA的增益谱形状极为相近。因而相当多个EDFA级联使用时，则带内的增益起伏就变得不能容忍。例如考虑一种极端情况，若级联后增益起伏是30dB。则对于2.5Gbit/s的系统，接收机的灵敏度约为－30dB。因此为了使增益最小的信道的接收功率超过这一数值，则增益最大的信道的接收功率将达到0dB，超过了一般接收机能达到的载点，使系统不能正常工作。EDFA的增益平坦度（GF）是指在整个可用的增益通带内，最大增益波长点的增益与最小增益波长点的增益之差（ΔGF）。很显然，WDM系统中的GF越小越好，否则各信道的增益不一样，特别是多个EDFA级联后，这种增益差值会线性积累，以至到达接收端时，增益高的波长信道可能使接收机输入过载，而增益小的信道，则信噪比达不到要求，整个系统不能正常工作。因而，单个放大器的GF应限制在1dB之内。为了克服EDFA增益不平坦带来的问题，可采用以下几种措施。（i）选用EDFA增益平坦的区域现阶段实用的WDM传输系统大多工作在1548～1560波段。在这一波段可选用16个波长作为WDM系统的工作波长。这一段内EDFA增益比较平坦，可以比较容意实现增益均衡的要求。（ii）增益均衡技术增益均衡技术是利用均衡器的损耗特性与放大器的增益波长特性相反的增益均衡器来抵消增益不均匀性。这种技术的关键在于放大器的增益曲线和均衡器的损耗特性要精密吻合，使综合特性平坦。现在用的增益均衡器主要用标准光滤波器、介质多层薄膜滤波器、光纤光栅及平面波导等。例如某一种采用标准光滤波器的增益均衡器，它适用于8、16、32信道的WDM。其中32个信道的WDM系统传输时，插入光增益均衡器之前，放大器的增益偏差是5dB左右，而插入后，仅为0.28dB，确保了良好的增益平坦性。增益均衡用的光纤光栅是一种长周期光纤光栅。其光栅周期一般为数百微米，损耗峰值波长和半功率点宽度可由光栅长度来控制。通过多个长周期光栅组合，可以构成具有与EDFA增益波长特性相反的增益均衡器。在1528～1568nm的带宽内，可以实现增益偏差在5％以内的宽带增益平坦的EDFA。（iii）增益平坦光纤放大器的研制这方面，国内外已经做了许多工作。措施有以下几种：开发掺铝或掺磷－铝的EDFA、氟基质光纤掺铒光纤放大器、双芯光纤放大器、光纤光栅作滤波器件串接在掺铒光纤中、选用光纤喇曼放大等。（3）EDFA增益特性的优化技术采用放大波段内的增益控制和光谱均衡方法，能取得EDFA优化的良好结果。增益控制技术有：利用光电反馈环的增益控制、利用激光器辐射的全光控制、利用双芯有源光纤控制。（4）噪声系数和饱和输出功率在WDM＋EDFA的光纤传输系统中，系统中信号的传输质量，取决于信号经传输后的信噪比，因而在EDFA的自身的噪声系数是一个重要指标。EDFA的噪声系数，主要取决于EDFA的自发辐射噪声（ASE），内部各部件（如隔离器、波分复用器等）的插入损耗、耦合效率、泵浦功率等因素。为降低WDM＋EDFA系统的造价和管理方便起见，在线路媒质衰减系数确定的情况下，希望每一个EDFA能达到尽可能大的跨距。这需要EDFA有足够可以利用的饱和输出功率和低噪声系数。EDFA的噪声系数越小，饱和输出功率越大，可能实现的跨距就越长。但还要考虑其他一些因素，例如光纤的非线性效应（包括四波混频）。因此对注入光纤线路的最大功率有所限制，亦即EDFA输出的最大功率将受限制。EDFA输出的最大功率限制主要取决于激光器。激光器的谱线宽度越窄，产生光纤非线性效应的光功率阈值越低。假设激光器的安全等级为3A，则允许注入光纤线路的最大光功率为17dBm。据此和具体某一WDM系统的信道数，计算出每一信道允许的最大输入光功率。总之，EDFA的噪声系数、最大可利用的输出功率、光纤非线性损伤阈值、线路衰减系数等参数，都是分析EDFA所能跨越段长必须考虑的综合因素。3.EDFA对光纤传输系统的影响（1）非线性问题采用EDFA，提高了注入光纤的光功率，但当达到一定数值时，将会产生光纤非线性效应（包括受激喇曼散射和受激布里渊散射）。极大地限制了EDFA的放大性能和长距离无中继传输的实现。（2）光浪涌问题EDFA的采用可使输入光功率迅速增大，但由于EDFA的动态增益变化较慢，在输入信号跳变的瞬间将产生浪涌，即输出光功率出现“尖锋”。尤其是在EDFA级联时，光浪涌更为明显，峰值光功率可达数瓦，有可能造成光/电变换器和光连接器端面的损坏。解决这一问题的方法是设法在系统中加入光浪涌保护装置，即通过控制EDFA泵浦功率来消除光浪涌。（3）色散问题采用ED