第6章光纤通信新技术.ppt

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1、7.1 7.1 光纤放大器光纤放大器7.2 7.2 光波分复用技术光波分复用技术7.3 7.3 光交换技术光交换技术7.4 7.4 光孤子通信光孤子通信7.5 7.5 相干光通信技术相干光通信技术7.6 7.6 光时分复用技术光时分复用技术7.7 7.7 波长变换技术波长变换技术第第 7 7 章章 光纤通信新技术光纤通信新技术返回主目录第第7 7章章 光纤通信新技术光纤通信新技术 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。格，满足社会需要。进入进入2020世纪世纪9090年代以后，光纤通信成为一个发展迅速、年代以后，光

2、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。技术更新快、新技术不断涌现的领域。已经实用化或者有重要应用前景的新技术：已经实用化或者有重要应用前景的新技术：（1 1）光放大技术。代替光）光放大技术。代替光-电电-光再生中继器。光再生中继器。（2 2）光波分复用技术。扩大网络通信的容量。）光波分复用技术。扩大网络通信的容量。（3 3）光交换技术。突破电子线路的极限速率）光交换技术。突破电子线路的极限速率20Gb/s20Gb/s，是实现，是实现全光通信的关键技术。全光通信的关键技术。（4 4）光孤子通信。改善色散的影响，实现超长距离传输。）光孤子通信。改善色散的影响，实现超长距离传输。

3、（5 5）相干光通信。提高灵敏度，增加传输距离。）相干光通信。提高灵敏度，增加传输距离。（6 6）光时分复用技术。提高传输速率，扩大传输容量。）光时分复用技术。提高传输速率，扩大传输容量。（7 7）波长变换技术。扩大）波长变换技术。扩大WDMWDM网络的灵活性和可扩容性。网络的灵活性和可扩容性。光放大器的发展历史：（1）1980年以后，首先出现了利用半导体技术的半导体光放大器SOA（Semiconductor Optical Amplifier）的法布里泊罗型半导体激光放大器，并开始对行波式半导体激光放大器进行研究。（2）另一方面，随着光纤技术的发展，出现了利用光纤非线性效应的光纤拉曼放大器。

4、（3）1987年，英国南安普敦大学和美国AT&T Bell实验室报道了离子态的稀土元素铒在光纤中可以提供1.55m波长处的光增益，这标志着掺铒光纤放大器（EDFA）的研究取得突破性进展。（4）短短几年时间，EDFA迅速走向实用化，由于光纤放大器的问世，在1990年到1992年不到两年的时间里光纤系统的容量增加了整整一个数量级，而在此之前为达到相同的增长却花费了整整8年时间。这明确表明了光放大器的巨大作用，为光纤通信展现了无限广阔的发展前景。种类：种类：(1)(1)半导体光放大器（半导体光放大器（SOASOA）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；缺点是性能与光偏振方向有关，器

5、件与光纤的耦合损耗大。(2)(2)光纤放大器光纤放大器掺铒光纤放大器（掺铒光纤放大器（EDFAEDFA）分布光纤拉曼放大器（分布光纤拉曼放大器（DRADRA）非线性光纤放大器非线性光纤放大器卓至飞高公司系列光纤放大器：卓至飞高公司系列光纤放大器：RF-1550-XXI型型EDFARF-1550-XX野外型野外型EDFAEDFASOA7.17.1光光 纤纤 放放 大大 器器 光纤放大器的性能与光偏振方向无关，器件与光纤的耦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。合损耗很小，因而得到广泛应用。光纤放大器实际上是把工作物质制作成光纤形状的固体光纤放大器实际上是把

6、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。激光器，所以也称为光纤激光器。2020世纪世纪8080年代末期，波长为年代末期，波长为1.55 m1.55 m的掺铒的掺铒(Er)(Er)光纤放光纤放大器大器(EDFA(EDFA：ErbiumErbiumDoped Fiber Amplifier)Doped Fiber Amplifier)研制成功并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。通信发展史上一个重要的里程碑。7.1.17.1.1掺铒光纤放大器工作原理掺铒光纤放大器工作原理如

7、图，在掺铒光纤如图，在掺铒光纤(EDF)(EDF)中，铒离子中，铒离子(Er(Er3+3+)有三个能级：有三个能级：其中其中能级能级1 1代表基态，代表基态，能量最低；能级能量最低；能级2 2是亚稳态，处于中间能级；是亚稳态，处于中间能级；能级能级3 3代表激发态，代表激发态，能量最高。能量最高。（1 1）当泵浦）当泵浦(Pump,(Pump,抽运抽运)光的光子光的光子能量等于能级能量等于能级3 3和能级和能级1 1的能量差时，的能量差时，铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到激铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到激发态发态(13)(13)。（2 2）但是激发态是不稳定的，）但是激发态是不稳定的，ErEr3+3

8、+很快返回到能级很快返回到能级2 2（无辐射跃迁）。（无辐射跃迁）。（3 3）如果输入的信号光的光子能量）如果输入的信号光的光子能量等于能级等于能级2 2和能级和能级1 1的能量差，则处的能量差，则处于能级于能级2 2的的ErEr3+3+将跃迁到基态将跃迁到基态(21)(21)，产生受激辐射光，因而信号光得到产生受激辐射光，因而信号光得到放大。放大。从掺铒光纤放大器的工作原理可以看出，光放大是由于泵浦光的从掺铒光纤放大器的工作原理可以看出，光放大是由于泵浦光的能量转换为信号光的结果。为提高放大器增益，能量转换为信号光的结果。为提高放大器增益，应提高对泵浦应提高对泵浦光的吸收，光的吸收，使基态使

9、基态ErEr3+3+尽可能跃迁到激发态，图尽可能跃迁到激发态，图7.1(b)7.1(b)示出示出EDFAEDFA增益和吸收频谱。增益和吸收频谱。波长在波长在1.5 m1.5 m附近时附近时，吸收和增益最大，吸收和增益最大。图图7.2(a)7.2(a)示出输出信号光功率和输入泵浦光功率的关系，示出输出信号光功率和输入泵浦光功率的关系，由由图可见，泵浦光功率转换为信号光功率的效率很高，达到图可见，泵浦光功率转换为信号光功率的效率很高，达到92.6%92.6%。当泵浦光功率为。当泵浦光功率为60 mW60 mW时，吸收效率时，吸收效率(信号输入光功信号输入光功率率-信号输出光功率信号输出光功率)/)

10、/泵浦光功率为泵浦光功率为88%88%。图图7.2（b）是小信号条件下增益和泵浦光功率的关系，当）是小信号条件下增益和泵浦光功率的关系，当泵泵浦光功率小于浦光功率小于6mW时，增益线性增加，增益系数为时，增益线性增加，增益系数为6.3dB/m。7.1.27.1.2掺铒光纤放大器的构成和特性掺铒光纤放大器的构成和特性图图7.3(a)7.3(a)为光纤放大器构成原理图，主要构成部件及功能为：为光纤放大器构成原理图，主要构成部件及功能为：（1 1）光隔离器：防止反射光影响光放大器的工作稳定性。）光隔离器：防止反射光影响光放大器的工作稳定性。（2 2）光耦合器（波分复用器）：把信号光和泵浦光混合起来。

11、）光耦合器（波分复用器）：把信号光和泵浦光混合起来。（3 3）掺珥光纤：长约）掺珥光纤：长约10100m10100m，Er Er 3+3+浓度约为浓度约为25mg/kg25mg/kg。（4 4）泵浦光源：形成粒子数反转分布。光功率为）泵浦光源：形成粒子数反转分布。光功率为10100mW10100mW，工作波长为工作波长为0.98 m0.98 m。实用光纤放大器外形图及其构成方框图EDFAEDFA构成器件的性能选择：构成器件的性能选择：EDFAEDFA的增益取决于的增益取决于Er Er 3+3+的浓度的浓度、光纤长度光纤长度和和直径直径以及以及泵浦光功泵浦光功率率等多种因素，通常由实验获得最佳增

12、益。等多种因素，通常由实验获得最佳增益。（1 1）对泵浦光源的基本要求是大功率和长寿命。波长为）对泵浦光源的基本要求是大功率和长寿命。波长为1480 1480 mm的的InGaAsPInGaAsP多量子阱多量子阱(MQW)(MQW)激光器，激光器，输出光功率高达输出光功率高达100 mW,100 mW,泵浦光转换为信号光效率在泵浦光转换为信号光效率在6 dB/mW6 dB/mW以上。波长为以上。波长为980 nm980 nm的泵浦的泵浦光转换效率更高，达光转换效率更高，达10 dB/mW10 dB/mW，而且噪声较低，是未来发展的，而且噪声较低，是未来发展的方向。方向。（2 2）对波分复用器的

13、基本要求是插入损耗小。熔拉双锥光纤耦）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。合器型和干涉滤波型波分复用器最适用。（3 3）对光隔离器的作用是它的基本要求是插入损耗小，反射损）对光隔离器的作用是它的基本要求是插入损耗小，反射损耗大。耗大。图图7.47.4是是EDFAEDFA商品的特性曲线，图中显示出增益、商品的特性曲线，图中显示出增益、噪声指数和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的条件下，当输入信号光功率较小时，

14、放大器增益不随输入信号光功率而变化，基本上保持不变。号光功率而变化，基本上保持不变。当信号光功率增加到一当信号光功率增加到一定值定值(一般为一般为-20 dBm)-20 dBm)后，增益开始随信号光功率的增加而下后，增益开始随信号光功率的增加而下降，降，因此出现输出信号光功率达到饱和的现象。因此出现输出信号光功率达到饱和的现象。掺铒光纤越掺铒光纤越长，饱和度越深。长，饱和度越深。10.0405.00.05.010.015.020.025.030.035.035302520151050IIIIIII噪声指数/dB输出光功率/dBm增益/dB输入光功率/dBm增益/dB表7.1列出国外几家公司ED

15、FA商品的技术参数。表表7.1掺铒光纤放大器技术参数掺铒光纤放大器技术参数 7.1.37.1.3掺铒光纤放大器的优点和应用掺铒光纤放大器的优点和应用EDFAEDFA有许多优点，有许多优点，并已得到广泛应用。并已得到广泛应用。EDFAEDFA的主要优点有：的主要优点有：(1)(1)工作波长正好落在光纤通信最佳波段工作波长正好落在光纤通信最佳波段(1500(15001600 nm)1600 nm)；其主体是一段光纤其主体是一段光纤(EDF)(EDF)，与传输光纤的耦合损耗很小，可达，与传输光纤的耦合损耗很小，可达0.1 dB0.1 dB。(2)(2)增益高，约为增益高，约为303040 dB;40

16、 dB;饱和输出光功率大，饱和输出光功率大，约为约为101015 dBm;15 dBm;增益特性与光偏振状态无关。增益特性与光偏振状态无关。(3)(3)噪声指数小，一般为噪声指数小，一般为4 47 dB;7 dB;用于多信道传输时，隔用于多信道传输时，隔离度大，无串扰，适用于波分复用系统。离度大，无串扰，适用于波分复用系统。(4)(4)频带宽，在频带宽，在1550 nm1550 nm窗口，频带宽度为窗口，频带宽度为202040 nm40 nm，可可进行多信道传输，有利于增加传输容量。进行多信道传输，有利于增加传输容量。如果加上如果加上1310 nm1310 nm掺镨光纤放大器掺镨光纤放大器(PDFA)(PDFA)，频带可以增加，频带可以增加一倍。所以一倍。所以“波分复用波分复用+光纤放大器光纤放大器”被认为是充分利用光纤被认为是充分利用光纤带宽增加传输容量最有效的方法。带宽增加传输容量最有效的方法。1550 nm EDFA1550 nm EDFA在各种光纤通信系统中得到广泛应用，并取得了在各种光纤通信系统中得到广泛应用，并取得了良好效果。副载波良好效果。副载波CATVCATV系统，系统