第7章 光纤通信新技术(缩减版)

1第7章光纤通信新技术为了充分的发挥光纤高带宽的潜力，提高通信质量和降低通信成本，在光纤通信领域里出现许多新的技术。本章介绍如下一些已经实用或有发展前景的技术：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。27.1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37.1光纤放大器光放大器有两种类型：半导体光放大器将半导体激光器两端的反射镜去掉，就能对通过它的光进行放大，这就构成了半导体光放大器。半导体光放大器光纤放大器4•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。5光纤放大器也是以激光原理为基础，在激光器里有一个谐振腔，光在谐振腔里振荡并产生激光，光纤放大器是没有端镜和谐振腔的，被放大的光仅仅通过放大器一次，通过把工作发光物质制作成光纤形状所以称为光纤激光器。严格的讲，光纤放大器与光纤激光器不同。光纤放大器67.1.1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7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的结果。8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。97.1.2掺铒光纤放大器的构成和特性下图为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10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。11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。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/dB127.1.3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。13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)：置于光发射机的后面，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。14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15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：（1）光时分复用(OTDM)（2）光波分复用(WDM)（3）光频分复用(OFDM)（4）副载波复用(SCM)7.2光波分复用技术167.2.11.WDM的概念光波分复用(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。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。17光纤的带宽有多宽？在硅光纤存在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。18由于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)。WDM－每条光纤传输2～4个波长，初期2个波长CWDM－粗波分复用，每条光纤传输4～8个波长DWDM－密集波分复用，支持8个以上，最新的系统支持上百个波长19WDM系统的基本构成主要有以下两种形式：双纤单向传输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。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′20(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。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217.2.2WDM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。光转发器1…光合波器光转发器nBA1n1n光纤光监控信道接收/发送LA光纤接收1光分波器接收nPA1n1n光监控信道发送器ssss光监控信道接收器…网络管理系统光中继放大光接收机光发射机227.2.3WDM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。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。233.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。245.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。257.3光交换技术目前的商用光纤通信系统，单信道传输速率已超过10Gb/s，实验WDM系统的传输速率已超过3.28Tb/s。但是，由于大量新业务的出现和国际互联网的发展，今后通信网络还可能变得拥挤。原因是在现有通信网络中，高速光纤通信系统仅仅充当点对点的传输手段，网络中重要的交换功能还是采用电子交换技术。26电交换对信号不透明•使用电的交换设备时，必须知道：–传输的是什么类型的信号（模拟还是数字）–如果是数字信号还必须知道速率是多少因为我们的电路参数是根据具体的应用频率进行优化过的，应用于100Mbit/s的电路就不能应用于200Mbit/s。27虽然采用异步转移模式(ATM)可提供155Mb/s或更高的速率，能缓解这种矛盾，但电子线路的极限速率约为20Gb/s。要彻底解决高速光纤通信网存在的矛盾，只有实现全光通信，而光交换是全光通信的关键技术。28直接进行交换可克服电交换的缺点1）采用全光交换技术后，就不必关心要交换的数据是什么类型，速率是多少；2）便于系统的升级；3）便于增加新的业务类型（新的数据类型）。29全光交换的工作方式光交换主要有三种方式：•空分光交换•时分光交换•波分光交换30空分光交换的功能是：使光信号的传输通路在空间上发生改变。空分光交换的核心器件是光开关。光开关有多种类型:电光型声光型磁光型其中电光型光开关具有开关速度快、串扰小和结构紧凑等优点，有很好的应用前景。7.3.1空分光交换317.3.2时分光交换时分光交换是以时分复用为基础，用时隙互换原理实现交换功能的。时分复用是把时间划分成帧，每帧划分成N个时隙，并分配给N路信号，再把N路信号复接到一条光纤上。在接收端用分接器恢复各路原始信号，如图7.32(a)所示。1复接器2N…分接器12N12…N时隙帧(a)图7.32(a)时分光交换时分复用原理32所谓时隙互换，就是把时分复用帧中各个时隙的信号互换位置。如图7.32(b)，首先使时分复用信号经过分接器，在同一时间内，分接器每条出线上依次传输某一个时隙的信号；然后使这些信号分别经过不同的光延迟器件，获得不同的延迟时间；最后用复接器把这些信号重新组合起来。1234分接器1延迟1延迟22延迟33延迟44(b)复接器输入输出4132图7.32(b)时分光交换时隙互换原理337.3.3波分光交换波分光交换(或交叉连接)是以波分复用原理为基础，采用波长选择或波长变换的方法实现交换功能的。图7.33(a)和(b)分别示出波长选择法交换和波长变换法交换的原理框图。34图7.33(a)波分交换的原理框图：波长选择法交换1空分交换2空分交换3空分交换…W空分交换1,2…W12…NN…21WDMXWMUX分波器合波器(a)1,2…W1,2…W1,2…W1,2…W1,2…W35