光纤通信新技术1汇总.pptx
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1、7.1 光纤放大器光纤放大器7.2 光波分复用技术光波分复用技术7.3 光交换技术光交换技术7.4 光孤子通信光孤子通信7.5 相干光通信技术相干光通信技术7.6 光时分复用技术光时分复用技术7.7 波长变换技术波长变换技术第第 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 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,如光光放放大大技技术术,光光波波分分复复用用技技术术,光光交交换换
2、技技术术,光光孤孤子子通通信,相干光通信,光时分复用技术和波长变换技术信,相干光通信,光时分复用技术和波长变换技术等。7.1 光光 纤纤 放放 大大 器器 光放大器有半导体光放大器半导体光放大器和光纤放大器光纤放大器两种类型。半导体光放大器的优点是: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: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。光纤放大光纤放大器的实质是:的实质是:把工作物质制作成光纤形状的固体激光器,所以也称为光光纤激光器。纤激光器。20世纪8
3、0年代末期,波长为1.55 m的掺掺铒铒(Er)光光纤纤放放大大器器(EDFA:ErbiumDoped Fiber Amplifier)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 掺铒光纤放大器工作原理掺铒光纤放大器工作原理 图7.1示出掺掺铒铒光光纤纤放放大大器器(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,在掺掺铒铒光光纤纤(EDF)中,铒离子(Er3+)有三个能级:能级1代表基态基态,能量最低 能级2是亚稳态亚稳态,处于中间能级 能级3代表激发态激发态,能量最高 当泵泵浦浦(Pump,抽运)光的光子能
4、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激发态(13)。但是激发态激发态是不稳定的,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+将跃迁到基基态态(21),产生受受激激辐辐射射光光,因而信号光得到放大。但是激发态激发态是不稳定的,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(21),产生受受激激辐辐射射光光,因而信号光得到放大。由此可见,这这种种放放大大是是由由于于泵泵浦浦光光的的能能量量转转换换为为信信号号光光的的结结果。果。图图 7.1掺铒
5、光纤放大器的工作原理掺铒光纤放大器的工作原理 (a)硅光纤中铒离子的能级图;硅光纤中铒离子的能级图;(b)EDFA的吸收和增益频谱的吸收和增益频谱 为提高放大器增益,应提高对泵浦光的吸收,使基基态态Er3+尽可能跃迁到激发态激发态,图7.1(b)示出EDFA增益增益和吸收频谱吸收频谱。图7.2(a)示出输输输输出出出出信信信信号号号号光光光光功功功功率率率率和输输输输入入入入泵泵泵泵浦浦浦浦光光光光功功功功率率率率的关系,泵浦光功率转换为信号光功率的效率很高,达到92.6%。当泵浦光功率为60 mW时,吸收效率(信号输入光功率-信号输出光功率)/泵浦光功率为88%。图7.2(b)是小信号条件下
6、增益和泵浦光功率的关系,当泵浦光功率小于6mW时,增益系数为6.3dB/mW。图图7.2掺铒光纤放大器的特性掺铒光纤放大器的特性(a)输出信号光功率与泵浦光功率的关系;输出信号光功率与泵浦光功率的关系;(b)小信号增益与泵浦光功率的关系小信号增益与泵浦光功率的关系 7.1.2 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7.3(a)为光纤放大器构成原理图,图7.3(b)为实用光纤放大器构成方框图。掺掺掺掺铒铒铒铒光光光光纤纤纤纤(EDF)(EDF)和高高高高功功功功率率率率泵泵泵泵浦浦浦浦光光光光源源源源是关键器件,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
7、器也是不可缺少的。设设计计高高增增益益掺掺铒铒光光纤纤(EDF)是是实实现现光光纤纤放放大大器器的的技技术术关关键键,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。对对泵泵浦浦光光源源的的基基本本要要求求是是大大功功率率和和长长寿寿命命。波长为1480 m的InGaAsP多量子阱(MQW)激光器,输出光功率高达100 mW,泵浦光转换为信号光效率在6 dB/mW以上。图图7.3(a)光纤放大器构成原理图光纤放大器构成原理图输入信号输入信号光隔离器光隔离器波分复用器波分复用器泵浦泵浦掺铒光纤掺铒光纤光隔离器输出信号输出信号图图7.3(a)监视和
8、监视和告警电路告警电路泵浦监视泵浦监视和控制电路和控制电路泵浦泵浦LDPD探测器探测器泵浦泵浦LD输入隔离器输入隔离器输入输入WDM输出耦合器输出耦合器输出隔离器输出隔离器输出输出WDM掺铒掺铒光纤光纤热热 沉沉光输入光输入5 V0 V5 V电源电源监视监视激光器驱动输入激光器驱动输入光输出光输出图图7.3(b)图图7.3(b)实用光纤放大器外形图及其构成方框图实用光纤放大器外形图及其构成方框图 波长为980 nm的泵浦光转换效率更高,达10 dB/mW,而且噪声较低,是未来发展的方向。对波分复用器的基本要求是: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
9、适用。光隔离器的作用是光隔离器的作用是:防止光反射,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:对光隔离器的的基本要求是:插入损耗小,反射损耗大。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。在在泵泵浦浦光光功功率率一一定定的的条条件件下下,当当输输入入信信号号光光功功率率较较小小时时,放放大器增益不随输入信号光功率而变化,基本上保持不变大器增益不随输入信号光功率而变化,基本上保持不变。当信号光功率增加到一定值(一般为-20 dBm)后,增益开始随信号光功率的增加而下降,因此出现输出信号光功率达到饱和的现。图图7.4 掺铒光纤放大器
10、增益、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噪声指数和输出光功率与输入光功率的关系曲线10.0405.00.05.010.015.020.025.030.035.035302520151050IIIIIII噪声指数噪声指数/dB输出光功率输出光功率/dBm增益增益/dB输入光功率输入光功率/dBm增益增益/dB下表列出国外几家公司EDFA商品的技术参数。7.1.3 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 EDFA的主要优点有:的主要优点有:工工作作波波长长正正好好落落在在光光纤纤通通信信最最佳佳波波段段(15001600 nm);其主体是一段光纤(EDF)
11、,与传输光纤的耦合损耗很小,可达0.1 dB。增增益益高高,约为3040 dB;饱和输出光功率大,约为1015 dBm;增益特性与光偏振状态无关。噪噪声声指指数数小小,一般为47 dB;用于多信道传输时,隔离度大,无串扰,适用于波分复用系统。频频带带宽宽,在1550 nm窗口,频带宽度为2040 nm,可进行多信道传输,有利于增加传输容量。如果加上1310 nm掺掺镨镨光光纤纤放放大大器器(PDFA),频带可以增加一倍。所以“波波分分复复用用+光光纤纤放放大大器器”被被认认为为是是充充分分利利用用光光纤纤带带宽宽增加传输容量最有效的方法。增加传输容量最有效的方法。1550 nm EDFA在各种
12、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。图图7.5(a)光纤放大器的应用形式光纤放大器的应用形式中继放大器中继放大器中继放大器中继放大器LDPD中继放大器中继放大器EDFA的应用,归纳起来可以分为三种形式,如图7.5所示。中中中中继继继继放放放放大大大大器器器器 (LA:Line Amplifier)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)前置放大器前置放大器前置放大器前置放大器 (PA:Preamplifier)置于光接收机的前面,
13、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。后置放大器后置放大器后置放大器后置放大器 (BA:Booster Amplifier)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。图图7.5(b)光纤放大器的应用形式光纤放大器的应用形式前置放大器前置放大器前置放大器前置放大器和和后置放大器后置放大器后置放大器后置放大器 LDPD后置放大器后置放大器前置放大器前置放大器光纤光纤7.2 光波分复用技术光波分复用技术 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)
14、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时分分复复用用(TDM)技术外,还出现了其他的复用技术,例如光光时时分分复复用用(OTDM)、光光波波分分复复用用(WDM)、光频分复用光频分复用(OFDM)以及副载波复用副载波复用(SCM)技术。7.2.1 光波分复用原理光波分复用原理 1.WDM的概念的概念 光光波波分分复复用用(WDM:Wavelength Division Multiplexing)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。光光波波分分复复用用(WDM)
15、的的基基本本原原理理是是: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光波长分割复用,简称光波分复用技术光波分复用技术。图图7.6 中心波长在中心波长在1.3 m和和1.55 m的硅光纤低损耗传输窗口的硅光纤低损耗传输窗口 (插图表示插图表示1.55 m传输窗口的多信道复用传输窗口的多信道复用)光纤的带宽有多宽?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1.31 m(1.251.35m)的窗口,相应的带宽(
16、|f|=|-c/|f|=|-c/2 2|,和分别为中心波长和相应的波段宽度,c为真空中光速)为17700 GHz;波长为1.55 m(1.501.60 m)的窗口,相应的带宽为12500 GHz。两个窗口合在一起,总带宽超过30THz。如果信道频率间隔为10 GHz,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光频频分分复复用用(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密集集波波分分复复用用(DWDM:Dense Wavelength Division Multiplexing)。目前
17、该系统是在1550 nm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1.6 nm、0.8 nm或更低,约对应于200 GHz,100 GHz或更窄的带宽。WDM、DWDM和和OFDM在本质上没有多大区别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1310/1550 nm 简单复用还是在1550 nm波长区段内密集复用,但目目前前在在电电信信界应用时,都采用界应用时,都采用DWDM技术。技术。由于1310/1550 nm的复用超出了EDFA的增益范围,只在一些专门场合应用,所以经经常常用用WDM这这个个更更
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