光纤通信 刘增基 课件 第7章

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，

2、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。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

3、长距离传输。（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

4、纤拉曼放大器。（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

5、偏振方向有关，器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EDFA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-XXEDFA 技术参数： 项项目目单单位位技术参数技术参数备备注注工作带宽工作带宽dB15351565输入光功率范围输入光功率范围dBm-3+10输出光功率输出光功率dBm1324输出功率稳定度

6、输出功率稳定度dB0.5噪声系数噪声系数dB5.0输入光功率为输入光功率为0dBm反射损耗反射损耗输入端输入端dB45输出端输出端dB45泵浦泄漏功率泵浦泄漏功率输入端输入端dBm-30输出端输出端dBm-30载噪比（载噪比（C/N）dB53载波组合三阶差拍比（载波组合三阶差拍比（C/CSO）dB67载波组合二阶差拍比（载波组合二阶差拍比（C/CSO）dB65光连接器类型光连接器类型FC/APC或或SC/APC电源电压电源电压VAC160V250V（50Hz）工作温度范围工作温度范围-5+55最大工作相对湿度最大工作相对湿度%最大最大95%无冷凝无冷凝储存温度范围储存温度范围-30+70最大储

7、存相对湿度最大储存相对湿度%最大最大95%无冷凝无冷凝外形尺寸外形尺寸mm483（宽）（宽）381（深）（深）44（高）（高）EDFASOA7.17.1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，的耦合损耗很小， 因而得到广泛应用。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光纤放大器实际上是把工作物质制作成光纤形状的固体激光器，所以也称为光纤激光器。固体激光器，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)

8、(Er)光光纤放大器纤放大器(EDFA(EDFA： ErbiumErbiumDoped Fiber Amplifier)Doped Fiber Amplifier)研制成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。光纤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

9、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+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

10、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.

11、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)/)/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

12、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。）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

13、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1

14、480 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

15、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，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

16、( (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EDFA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

17、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 dB; 饱和输出光功率大，饱和输出光功率大， 约为约为101015 dBm; 15 d

18、Bm; 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

19、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。已经介绍过的副载波良好效果。已经介绍过的副载波CATVCATV系统，系统，WDMWDM或或OFDMOFDM系统，系统，相干光系统以及光孤子通信系统，都应用了相干光系统以及光孤子通信系统，都应用了EDFAEDFA，并大幅度增，并大幅度增加了传输距离。加了传输距离。 EDFAEDFA的应用，的应用， 归纳

20、起来可以分为三种形式，归纳起来可以分为三种形式， 如图如图7.57.5所示。所示。 （1 1）中继放大器（）中继放大器（LALA）。）。 （2 2）前置放大器（）前置放大器（PAPA）。）。 （3 3）后置放大器（）后置放大器（BABA）。）。 图7.5光纤放大器的应用形式 (a) 中继放大器； (b) 前置放大器和后置放大器 LDPD中继放大器(a)LDPD后置放大器(b)前置放大器光纤半导体光放大器 现代光放大器中最早出现的使半导体光放大器（SOA）。它的基本结构、原理和特性与半导体激光器非常相似。它们工作原理都是基于激光半导体介质固有的受激辐射光放大机制，所不同的在于SOA去掉了构成激光

21、振荡的谐振腔，并且SOA使用电流直接激励驱动的。 半导体光放大器的优点是尺寸小、频带宽、增益高；但缺点是与光纤的耦合损耗太大、易受环境温度的影响、工作稳定性较差。但半导体光放大器容易集成，适宜同光集成和光电集成电路结合使用。 通常光半导体放大器分为两大类：一种是将普通半导体激光器用作光放大器，称为法布里泊罗（F-P）半导体激光放大器（FPA），另一种是在F-P激光器的两个端面上涂上抗反射膜，以获得宽频、低噪的高输出特性。由于这种放大器是在光行进过程中对光进行放大的，故被称为行波式光放大器。 光纤拉曼放大器 光纤拉曼放大器是建立在拉曼放大工作原理之上。所谓拉曼放大实际上是放大器的一个非谐振过程，

22、其放大增益相应仅仅依赖于泵浦波长。因此只要选择合适的泵浦源就可以获得任意波长的拉曼放大。 EDFA的出现确实极大的促进了现代光通信系统的发展。但是随着现代光网络进一步发展：（1）一方面EDFA已经不能满足现有系统对超大容量的要求（2）另一方面EDFA也会带来光信号信噪比的不断恶化而不能满足超长距离传输的要求。 为此，必须要提出一种既要满足超宽带宽要求，又能满足超低噪声要求的新型光放大器。光纤拉曼放大器（FRA）由于其自身固有的全波段可放大、噪声指数小等特性，成为了新一代放大器的首选。 除此之外拉曼放大器还具备另外一个非常突出的优点就是能同其他光放大器（比如EDFA）进行有机结合，通过有机的混合

23、使用可以构成宽带宽、低噪声、增益平坦、高输出功率、响应时间短的混合放大系统。 但这种混合放大系统也有对所需泵浦功率较大、对光偏振敏感的缺点。另外由于拉曼放大器的增益较低，从经济性的角度考虑，它不适合单独做功率放大器。因此拉曼放大器特别适合与EDFA相结合作为超长距离WDM系统的功率放大器。这样既能获得较大的增益，又能保证得到较高的光信噪比。7.2 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特别是高速数据和视频业务

24、频业务) )对通信网的带宽对通信网的带宽( (或容量或容量) )提出了更高的要求。为了适提出了更高的要求。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。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分复用在光纤通信系统中除了大家熟知的时分复用(TDM)(TDM)技术外，技术外， 还出现了其他的复用技术，例如光时分复用还出现了其他的复用技术，例如光时分复用(OTDM)(OTDM)、光波分、光波分复用复用(WDM)(WDM)、 光频分复用光频分复用(OFDM)(OFDM)以及副载波复用以及副载波

25、复用(SCM)(SCM)技术。技术。 本节主要讲述本节主要讲述WDMWDM技术。技术。 7.2.17.2.1光波分复用原理光波分复用原理 1. WDM1. WDM的概念的概念 光波分复用光波分复用(WDM(WDM： Wavelength Division Multiplexing)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。其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。其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来( (复用复用) )，并，并耦合到光缆线路上的同一根光纤

26、中进行传输，在接收端又将组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合波长的光信号分开( (解复用解复用) )，并作进一步处理，恢复出原信，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，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。简称光波分复用技术。图7.6 中心波长在1.3m和1.55m的硅光纤低损耗传输窗口 (插图表示1.55m传输窗口的多信道复用)80001.02.03.04.010001200140016001800载 波 频 率信 道 间 隔110 GHz波 长 / nm衰减 / (dBk

27、m 1)两个窗口合在一起，总带宽超过30 THz。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。光纤的带宽很宽。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(|f|=|-c/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。 由于目前一些光器件与技术还不十分成熟，因此要实现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频分复用光信道十分密集的光频分复用(OFDM)

28、(OFDM)还较为困难。在这种情还较为困难。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集波分复用(DWDM(DWDM：Dense Wavelength Division Dense Wavelength Division Multiplexing)Multiplexing)。一般波长间隔小于。一般波长间隔小于0.8nm0.8nm。 WDMWDM、 DWDMDWDM和和OFDMOFDM在本质上没有多大区别。以往技术人员习惯采用在本质上没有多大区别。以往技术人员习惯采用WDM WDM 和和DWDMDWDM来区分是来区分

29、是1310/1550 nm 1310/1550 nm 简单复用还是在简单复用还是在1550 nm1550 nm波长区波长区段内密集复用。段内密集复用。目前，目前，“掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)+(EDFA)+密集波分复用密集波分复用(WDM)+(WDM)+非零色非零色散光纤散光纤(NZDSF(NZDSF，即，即G.655G.655光纤光纤)+)+光子集成光子集成(PIC)”(PIC)”正成为国际正成为国际上长途高速光纤通信线路的主要技术方向。上长途高速光纤通信线路的主要技术方向。 如果一个区域内所有的光纤传输链路都升级为WDM传输， 我们就可以在这些WDM链路的交叉(结点)处设置以

30、波长为单位对光信号进行交叉连接的光交叉连接设备(OXC)，或进行光上下路的光分插复用器(OADM)，则在原来由光纤链路组成的物理层上面就会形成一个新的光层。 在这个光层中，相邻光纤链路中的波长通道可以连接起来，形成一个跨越多个OXC和OADM的光通路，完成端到端的信息传送，并且这种光通路可以根据需要灵活、动态地建立和释放，这就是目前引人注目的、 新一代的WDM全光网络。 2. WDM 2. WDM系统的基本形式系统的基本形式 光波分复用器和解复用器是光波分复用器和解复用器是WDMWDM技术中的关键部件，将技术中的关键部件，将不同波长的信号结合在一起经一根光纤输出的器件称为复用不同波长的信号结合

31、在一起经一根光纤输出的器件称为复用器器( (也叫合波器也叫合波器) )。反之，经同一传输光纤送来的多波长信号。反之，经同一传输光纤送来的多波长信号分解为各个波长分别输出的器件称为解复用器分解为各个波长分别输出的器件称为解复用器( (也叫分波器也叫分波器) )。 从原理上讲，从原理上讲， 这种器件是互易的这种器件是互易的( (双向可逆双向可逆) )，即只要将解复，即只要将解复用器的输出端和输入端反过来使用，用器的输出端和输入端反过来使用， 就是复用器。因此复用就是复用器。因此复用器和解复用器是相同的器和解复用器是相同的( (除非有特殊的要求除非有特殊的要求) )。 WDMWDM系统的基本构成主要

32、有以下两种形式：系统的基本构成主要有以下两种形式： (1) (1) 双纤单向传输。单向双纤单向传输。单向WDMWDM传输是指所有光通路同时在一传输是指所有光通路同时在一根光纤上沿同一方向传送。如图根光纤上沿同一方向传送。如图7.77.7所示，在发送端将载有各所示，在发送端将载有各种信息的、具有不同波长的已调光信号种信息的、具有不同波长的已调光信号1 1,2 2,n n通过光通过光复用器组合在一起，并在一根光纤中单向传输。复用器组合在一起，并在一根光纤中单向传输。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1n1n1n1n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1n1

33、n1n1n 图7.7 双纤单向WDM传输图图7.8单纤双向单纤双向WDM传输传输光发射机光发射机光接收机光接收机1n1n1n1n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1nn 12n1n复用/解复用器n 12n(2) (2) 单纤双向传输。单纤双向传输。 双向双向WDMWDM传输是指光通路在一根光纤上同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。如图时向两个不同的方向传输。如图7.87.8所示，所用波长相互分开，所示，所用波长相互分开， 以实现双向全双工的通信。以实现双向全双工的通信。 双向WDM系统在设计和应用时必须要考虑几个关键的系统因素，如为了抑制多通道干扰(MP

34、I)，必须注意到光反射的影响、 双向通路之间的隔离、串扰的类型和数值、两个方向传输的功率电平值和相互间的依赖性、光监控信道(OSC)传输和自动功率关断等问题，同时要使用双向光纤放大器。所以双向WDM系统的开发和应用相对说来要求较高，但与单向WDM系统相比，双向WDM系统可以减少使用光纤和线路放大器的数量。 另外，通过在中间设置光分插复用器(OADM)或光交叉连接器(OXC)，可使各波长光信号进行合流与分流，实现波长的上下路(Add/Drop)和路由分配，这样就可以根据光纤通信线路和光网的业务量分布情况，合理地安排插入或分出信号。 3. 3. 光波分复用器的性能参数光波分复用器的性能参数对波分复

35、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，隔离度大，带内平插入损耗小，隔离度大，带内平坦，带外插入损耗变化陡峭，温度稳定性好，复用通路数多，坦，带外插入损耗变化陡峭，温度稳定性好，复用通路数多，尺寸小等。尺寸小等。 (1) (1) 插入损耗插入损耗。 插入损耗是指由于增加光波分复用器插入损耗是指由于增加光波分复用器/ /解复解复用器而产生的附加损耗，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定义为该无源器件的输入和输出端口之间的光功率之比之间的光功率之比，即，即 =10 lg 01PP其中其中P P0 0为发送进输入端口的光功率；为发送进输入端口的光功率；P P0 0

36、为从输出端口接收到为从输出端口接收到的光功率。的光功率。 (2)串扰抑制度串扰抑制度。串扰是指其他信道的信号耦合进某一信。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。来表示这一程度。对于解复用器对于解复用器)(lg10dBppCiijij其中其中Pi是波长为是波长为i的光信号的输入光功率，的光信号的输入光功率，Pij是波长为是波长为i的光信号串入到波长为的光信号串入到波长为j信道的光功率。信道的光功率。(3)回波损耗回波损耗。回波损耗是指从无源器件的输入端口返回回波损耗是指从无源器

37、件的输入端口返回的光功率与输入光功率的比，即的光功率与输入光功率的比，即RL=-10(7.3)其中其中Pj为发送进输入端口的光功率，为发送进输入端口的光功率，Pr为从同一个输入端为从同一个输入端口接收到的返回光功率。口接收到的返回光功率。)(lgdBppiij(4) (4) 反射系数反射系数。反射系数是指在。反射系数是指在WDMWDM器件的给定端口的反射光器件的给定端口的反射光功率功率P Pr r与入射光功率与入射光功率P Pj j之比，即之比，即 R=10 (7.4)R=10 (7.4)(5) (5) 工作波长范围工作波长范围。工作波长范围是指。工作波长范围是指WDMWDM器件能够按照规定器

38、件能够按照规定的性能要求工作的波长范围的性能要求工作的波长范围(minmin到到maxmax) )。(6) (6) 信道宽度信道宽度。信道宽度是指各光源之间为避免串扰应具有的。信道宽度是指各光源之间为避免串扰应具有的波长间隔。波长间隔。(7) (7) 偏振相关损耗偏振相关损耗。偏振相关损耗。偏振相关损耗(PDL: Polarization(PDL: Polarizationdependent Loss)dependent Loss)是指由于偏振态的变化所造成的插入损耗的是指由于偏振态的变化所造成的插入损耗的最大变化值。最大变化值。 )(lgdBppiij7.2.2WDM系统的基本结构系统的基本

39、结构实际的实际的WDM系统主要由五部分组成：系统主要由五部分组成：光发射机、光中继光发射机、光中继放大、光接收机、光监控信道放大、光接收机、光监控信道和和网络管理系统网络管理系统，如图，如图7.9所示所示光转发器 1光合波器光转发器 nBA1n1n光纤光监控信道接收/发送LA光纤接收1光分波器接收nPA1n1n光监控信道发送器ssss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图7.9 实际WDM系统的基本结构系统工作过程：系统工作过程：（1）在发送端首先将来自终端设备）在发送端首先将来自终端设备(如如SDH端机端机)输出的光信号，输出的光信号，利用光转发器利用光转发器(OTU)把符

40、合把符合ITUTG.957建议的非特定波长的光建议的非特定波长的光信号转换成符合信号转换成符合ITUTG.692建议的具有稳定的特定波长的光信建议的具有稳定的特定波长的光信号。号。（2）利用合波器合成多路光信号；）利用合波器合成多路光信号；通过光功率放大器通过光功率放大器(BA：BoosterAmplifier)放大输出多路光信号。放大输出多路光信号。（3）经过一定距离传输后，要用掺铒光纤放大器）经过一定距离传输后，要用掺铒光纤放大器(EDFA)对光对光信号进行中继放大。此时，信号进行中继放大。此时，EDFA用作用作“线放线放(LA：LineAmplifier)”。EDFA必须采用增益平坦技术

41、，使得必须采用增益平坦技术，使得EDFA对不对不同波长的光信号具有接近相同的放大增益。同波长的光信号具有接近相同的放大增益。（4）在接收端，光前置放大器）在接收端，光前置放大器(PA)放大经传输而衰减的主信道放大经传输而衰减的主信道光信号，分波器从主信道光信号中分出特定波长的光信号。光信号，分波器从主信道光信号中分出特定波长的光信号。接收机不但要满足一般接收机对光信号灵敏度、过载功率接收机不但要满足一般接收机对光信号灵敏度、过载功率等参数的要求，还要能承受有一定光噪声的信号，要有足够的等参数的要求，还要能承受有一定光噪声的信号，要有足够的电带宽。电带宽。 光监控信道(OSC： Optical

42、Supervisory Channel)的主要功能是监控系统内各信道的传输情况，在发送端，插入本结点产生的波长为s(1510 nm)的光监控信号，与主信道的光信号合波输出；在接收端，将接收到的光信号分离，输出s(1510 nm)波长的光监控信号和业务信道光信号。帧同步字节、公务字节和网管所用的开销字节等都是通过光监控信道来传送的。网络管理系统通过光监控信道物理层传送开销字节到其他结点或接收来自其他结点的开销字节对WDM系统进行管理， 实现配置管理、故障管理、性能管理和安全管理等功能，并与上层管理系统(如TMN)相连。 目前国际上已商用的系统有42.5 Gb/s(10 Gb/s), 82.5 G

43、b/s(20 Gb/s), 162.5 Gb/s(40 Gb/s), 402.5 Gb/s(100 Gb/s), 3210 Gb/s(320 Gb/s), 4010 Gb/s(400 Gb/s)。 实验室已实现了8240 Gb/s(3.28 Tb/s)的速率，传输距离达3100 km=300 km。OFC2000(Optical Fiber Communication Conference)提供的情况有： Bell Labs: 82路40 Gb/s=3.28 Tb/s在3100 km=300 km的True Wave(商标)光纤(即G.655光纤)上，利用C和L两个波带联合传输； 日本NEC:

44、 16020 Gb/s=3.2 Tb/s， 利用归零信号沿色散平坦光纤，经过增益宽度为64 nm的光纤放大器，传输距离达1500 km; 日本富士通(Fujitsu): 128路10.66 Gb/s， 经过C和L波带注：C波带为15251565 nm，L波带为15701620 nm。， 用分布喇曼放大(DRA: Distributed Raman Amplification), 传输距离达6140 km=840 km; 日本NTT： 30路42.7 Gb/s， 利用归零信号， 经过增益宽度为50 nm的光纤放大器，传输距离达3125 km376 km; 美国Lucent Tech: 100路1

45、0 Gb/s=1 Tb/s，各路波长的间隔缩小到25 GHz, 利用L波带，沿NZDF光纤(G.655光纤)传输400 km; 美国Mciworldcom和加拿大Nortel: 100路10 Gb/s=1 Tb/s， 沿NZDF光纤在C和L波带传输4段， 约200 km; 美国Qtera 和Qwest: 两个波带4路10 Gb/s和2路10 Gb/s沿NZDF光纤传输23105 km=2415 km, 这个试验虽然WDM路数不多，但在陆地光缆中却是最长距离。 WDM的发展方向：WDM未来总的发展方向是向全光网络发展，具体体现在以下几个方面：（1）可变波长激光器（2）全光中继器（3）光交叉连接设

46、备（OXC）（4）光分插复用设备（OADM）中国联通全国骨干网和中国移动东部网以及后续扩建项目均采用了中国联通全国骨干网和中国移动东部网以及后续扩建项目均采用了西门西门子的子的InfinityMTS提供提供160个波道，每波道个波道，每波道10Gbit/s，共，共1.6Tbit/s的容量的容量波分复用系统。波分复用系统。 7.2.3WDM7.2.3WDM技术的主要特点技术的主要特点1. 1. 充分利用光纤的巨大带宽资源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

47、大的应用价值和经济价值。2. 2. 同时传输多种不同类型的信号同时传输多种不同类型的信号 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. 3. 节省线路投资节省线路投资 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. 4. 降低器件的超高速要求降低器件的超高速

48、要求 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. 5. 高度的组网灵活性、高度的组网灵活性、 经济性和可靠性经济性和可靠性 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。 7.2.47.2.4光滤波器与光波分复用器光滤波器与光波分复用器光滤波技术：即波长选择技术。光滤波技术：即波长选择技术。光滤波器在光滤波器在WDMWDM系统中是一种重要元器件，与波分复用有着密系统中是

49、一种重要元器件，与波分复用有着密切关系，常常用来构成各种各样的波分复用器和解复用器。切关系，常常用来构成各种各样的波分复用器和解复用器。光滤波器的三种应用：光滤波器的三种应用：（1 1）单纯的滤波应用）单纯的滤波应用( (图图7.10(a)7.10(a)光滤波器1,2,3,42,3,41(a)(a) 单纯的滤波应用；波分复用器(b)12341,2,3,4波长路由器1,2,3,41,2,3,4(c)11112221,2,3,421121,2,3,412212（2）波分复用/解复用器中应用(图7.10(b)（3）波长路由器中应用(图7.10(c)。波分复用器和解复用器主要用在波分复用器和解复用器主

50、要用在WDMWDM终端终端和和波长路由器波长路由器以及以及波长波长分插复用器分插复用器(Wavelength Add/Drop Multiplexer, WADM)(Wavelength Add/Drop Multiplexer, WADM)中。中。(b) 波分复用器中应用(c)波长路由器中应用路由器交换了路由器交换了波长波长1和和4。如果一个波长路由器的路由方式不随时间变化，就称为如果一个波长路由器的路由方式不随时间变化，就称为静态路静态路由器由器；路由方式随时间变化，则称之为；路由方式随时间变化，则称之为动态路由器动态路由器。 静态路由静态路由器可以用波分复用器来构成，如图器可以用波分复用

51、器来构成，如图7.117.11所示。所示。 波长分插复用器可以看成是波长路由器的简化形式，它只有波长分插复用器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。地端口。12341,2,3,411111,2,3,422221,2,3,421121,2,3,41221解复用器复用器图7.11 由波分复用器构成静态路由器对光滤波器的主要要求有：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

52、损耗与光的偏振有关(PDL: Polarizationdependent Loss), 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1 dB带宽来衡量，如图7.12所示。 图7.12 光滤波器的1 dB带宽400

53、.9960.99811.0021.0043020100通带边缘20-dB带宽串扰能量3-dB带宽1-dB带宽相邻信道1 dB3 dB0 / 滤波器的幅度传输特性 / dB波长选择技术及其在WDM系统中的应用。 1. 1. 光栅光栅 光栅(Grating)广泛地用来将光分离为不同波长的单色光。 在WDM系统中，光栅主要用在解复用器中，以分离出各个波长。图7.13是光栅的两个例子，图7.13(a)是透射光栅，图7.13(b)是反射光栅。 光栅平面影像平面21d1d2i1 2光栅平面影像平面21d1d2i1 2(a)(b) 图7.13光栅(a) 透射光栅； (b) 反射光栅 光栅的基本原理（以透射光

54、栅为例）光栅的基本原理（以透射光栅为例）如图如图7.14所示，设两个相邻缝隙间所示，设两个相邻缝隙间的距离即栅距为的距离即栅距为a,光源离光栅平面光源离光栅平面足够远足够远(相对于相对于a而言而言)，入射角为，入射角为i，衍射角为衍射角为d，通过两相邻缝隙对应，通过两相邻缝隙对应光线的光程差由光线的光程差由()决决定，而定，而CDAB idaDCBA光栅平面去影像平面来自光源7.14 透射光栅的工作原理 )sin(sindiaCDAB光栅方程为光栅方程为a(sini-sind)=m其中其中m为整数，当为整数，当a和和i一定时，不同的一定时，不同的d对应不同的波长对应不同的波长，也就是说，像面上

55、，也就是说，像面上的不同点对应不同的波长，于是可用作的不同点对应不同的波长，于是可用作WDM中的解复用器。中的解复用器。2. 2. 布喇格光栅布喇格光栅 布喇格光栅布喇格光栅(Bragg Grating)(Bragg Grating)广泛用于光纤通信之中。广泛用于光纤通信之中。 一般情况下，传输媒质的周期性微扰可以看作是布喇格光栅；一般情况下，传输媒质的周期性微扰可以看作是布喇格光栅； 这种微扰通常引起媒质折射率周期性的变化这种微扰通常引起媒质折射率周期性的变化。 应用：应用：（1 1）半导体激光器使用布喇格光波导作分布反馈可以获得单）半导体激光器使用布喇格光波导作分布反馈可以获得单频输出频输

56、出( (如如DFBDFB激光器激光器) )； （2 2）在光纤中，写入布喇格光栅后可以用于光滤波器、光）在光纤中，写入布喇格光栅后可以用于光滤波器、光分插复用器和色散补偿器。分插复用器和色散补偿器。 设两列波沿着同一方向传播，其传播常数分别为0和1，如果满足布喇格相位匹配条件： 210 其中为光栅周期， 则一个波的能量可以耦合到另一个波中去。 在反射型滤波器中，我们假设传播常数为0的光波从左向右传播，如果满足条件：22)(000则这个光波的能量可以耦合到沿它的反方向传播的具有相同波长的反射光中去。 设0=2neff/0，其中0为输入光的波长，neff为波导或光纤的有效折射率。也就是说，如果0=

57、2neff，光波将发生反射，这个波长0就称作布喇格波长。 随着入射光波的波长偏离布喇格波长，其反射率就会降低， 如图7.15(a)所示。如果具有几个波长的光同时传输到光纤布喇格光栅上，则只有波长等于布喇格波长的光才反射，而其它的光全部透射。 (b)布喇格光栅的反射谱（变迹折射率）图7.15(a)中的功率反射谱是针对折射率均匀周期性变化的光栅而言的，为了消除不需要的旁瓣，新研制成功了一种称为变迹光栅(Apodized Grating)的光栅，它与渐变折射率光纤有点类似，其折射率沿光栅纤芯到边沿逐渐减小，变迹光栅的功率反射谱如图7.15(b)所示。注意变迹光栅旁瓣的减少是以主瓣加宽为代价的。 图7

58、.15（a)布喇格光栅的反射谱均匀折射率3. 3. 光纤光栅光纤光栅 光纤光栅光纤光栅(Fiber Grating)(Fiber Grating)是一种非常有吸引力的全光纤是一种非常有吸引力的全光纤器件，其用途非常广泛，可用作器件，其用途非常广泛，可用作光滤波器光滤波器、光分插复用器光分插复用器和和色色散补偿器散补偿器。对于全光纤器件，其主要优点有：对于全光纤器件，其主要优点有：插入损耗低，易于与光纤耦插入损耗低，易于与光纤耦合，对偏振不敏感，温度系数低，封装简单，成本也较低合，对偏振不敏感，温度系数低，封装简单，成本也较低。光纤中写入光栅的原理：光纤中写入光栅的原理： 在传统光纤的在传统光纤

59、的SiOSiO2 2中掺入少量锗中掺入少量锗(Ge)(Ge)后就具有了光敏特性，后就具有了光敏特性，再由紫外再由紫外(UV)(UV)光照射，就可引起光纤纤芯的折射率变化。光照射，就可引起光纤纤芯的折射率变化。 干涉法干涉法：若用两束相干的紫外光照射掺杂后的光纤纤芯，则照：若用两束相干的紫外光照射掺杂后的光纤纤芯，则照射光束的强度将沿着光纤长度方向周期性地变化，强度高的地射光束的强度将沿着光纤长度方向周期性地变化，强度高的地方纤芯折射率增加，强度低的地方纤芯折射率几乎无任何变化，方纤芯折射率增加，强度低的地方纤芯折射率几乎无任何变化，这样就在光纤中写入了光栅。这样就在光纤中写入了光栅。 衍射法衍

60、射法：可以使用位相版：可以使用位相版(phase mask)(phase mask)来写入光栅。位相版来写入光栅。位相版是一种光衍射元件，当用光束照射它时，它将光束分离成各个是一种光衍射元件，当用光束照射它时，它将光束分离成各个不同的衍射级，不同的衍射级， 这些衍射级相互干涉就可将光栅写入光纤。这些衍射级相互干涉就可将光栅写入光纤。 类型：类型：（1 1）短周期）短周期(short(shortperiod)period)光纤光栅，也称光纤布喇格光栅，光纤光栅，也称光纤布喇格光栅，波长典型值大约波长典型值大约0.5 m0.5 m。（2 2）长周期）长周期(long(longperiod)peri