第5章波分复用

1、 光纤通信光纤通信 原理与应用原理与应用 第5章 波分复用光纤通信系统 第5章 波分复用光纤通信系统 5.1 光纤通信系统新技术简述 5.2 波分复用（WDM）技术 5.3 光中继器 5.1 5.1 光纤通信系统新技术简述光纤通信系统新技术简述从20世纪90年代起，光纤通信进入了一个发展十分迅速、新技术不断涌现的新阶段。本章简要介绍多信道复用光纤通信系统、微波副载波复用光纤传输系统、相干光通信系统、光纤孤子通信系统的基本概念和发展状况。 1 1多信道复用光纤通信技术多信道复用光纤通信技术 （1）光波分复用（）光波分复用（OWDM）技术）技术 在光域内进行波长分割复用，使不同的信道占用不同的波长

2、，在单根光纤、多个波长上完成多信道复用，而光信号的中继放大则用掺铒光纤放大器来实现。该技术已经实用化。 （2）光时分复用（）光时分复用（OTDM）技术）技术 在光域内进行时间分割复用，使不同的信道占用不同的时隙，在单根光纤、单个波长上完成多信道复用。由于要在光域内对信号进行选路、识别、同步等处理，故需要全光逻辑和存储器件，而这些器件目前尚不成熟，所以OTDM还在研究之中。 （3）光码分复用（）光码分复用（OCDM）技术）技术 在光域内进行码型分割复用，用不同的码型代表不同的信道，在单根光纤、单个波长上完成多信道复用。目前，该技术尚在研究之中。 2微波副载波复用（微波副载波复用（SCM）技术）技

3、术 在发送端用基带电信号对微波信号进行幅度、频率或相位调制，形成已调信号副载波，再将多路已调信号副载波合起来共同对一个光源进行强度调制，然后经单根光纤传输；在接收端经光/电转换后用可调微波本振信号混频进行检测。3. 相干光通信技术相干光通信技术 在发送端用基带电信号对光载波进行幅度、频率或相位调制，形成已调信号光波，经单根光纤传输后，在接收端使用本振相干光与已调信号光波混频进行相干检测。相干光通信对光源的谱线纯度和光频率的稳定性要求非常苛刻，其完全实用化仍有相当大的距离。 4. 光纤孤子通信技术光纤孤子通信技术 大功率光脉冲输入光纤时，可以产生非线性效应导致光脉冲压縮。通过适当选择有关参数，并

4、采用光纤放大器来补偿光纤损耗，可使非线性压縮与光纤色散展宽相互抵消，从而使光纤中传输的光脉冲宽度始终保持不变，这种光脉冲称为光孤子。利用光孤子作为载波，适合超长距离、超高速的光纤通信。 目前，世界上已建立了多个光纤孤子实验系统，也进行了现场试验。但从技术成熟性来看，光纤孤子通信还远未达到实用水平。5.2 5.2 波分复用（波分复用（WDM）技术）技术5.2.1 基本概念基本概念 1基本问题基本问题（1）目前常用光纤的低损耗区宽度 目前单根光纤的低损耗区宽度约为200 nm。 单个工作波长(1.31 m或1.55 m) 占用光纤低损耗区的波长范围最多只有2.5。所以，单波长光纤通信系统没有充分利

5、用光纤低损耗区的带宽资源。（2）采用波分复用（WDM）方式提高光纤带宽利用率 波分复用方式是让不同波长的光信号分别携带各自的用户信息，同时在一根光纤内传输。如果光载波间隔为几个纳米，则一根光纤可以同时容纳几十个波长的光载波信道。2几种波分复用的区别几种波分复用的区别 （1）密集波分复用（）密集波分复用（DWDM） DWDM是指频率间隔为100 GHz (相应波长间隔约为0.80 nm)，信道数为8,16, 32, 40等的复用；也可以是频率间隔为200 GHz (相应波长间隔约为1.60 nm)，信道数为8,16等的复用。 （2）粗波分复用（）粗波分复用（CWDM） CWDM是指波长间隔为20

6、 nm (相应频率间隔约为2.50 THz)，信道数为4, 8或16的复用。（3）宽带波分复用（）宽带波分复用（BWDM） BWDM是指不在同一个低损耗窗口内、具有较宽波长间隔的两个波长的复用。（4）光频分复用（）光频分复用（OFDM） OFDM是指1550 nm低损耗窗口内更多波长光信号的复用，其频率间隔为110 GHz，相应波长间隔约为0.0080.08 nm。 5.2.2 波分复用系统的组成波分复用系统的组成1波分复用系统的基本构成和分类波分复用系统的基本构成和分类 波分复用系统分为单向波分复用系统和双向波分复用系统两种类型。 （1）单向波分复用系统）单向波分复用系统 发送端有N个光发送

7、器和1个合波器，接收端有N个光接收器和1个分波器，收发两端共用1根光纤。N个光发送器发送N个不同波长的光波，这些光波通过合波器后合并起来，耦合进单根光纤进行传输。合并光波传送到接收端后，分波器将这N个不同波长的光波分开，分别送给与这些波长相对应的接收器，将光波载荷的信息提取出来。利用两套相同的单向波分复用系统才可以进行双工通信，这需要使用两根光纤，故称为双纤单向WDM传输系统。目前，实际的WDM系统主要采用双纤单向传输方式。（2）双向波分复用系统双向波分复用系统 通信两端各有N个光发送器、N个光接收器和1个合波/分波器，通信两端共用1根光纤。2N个光发送器发送2N个不同波长的光波，分别与对端光

8、接收器的接收波长一致。合波/分波器可以同时完成光波的合并或分开。1根光纤能够同时传输来自两个不同方向的光波，可以进行双工通信，故称为单纤双向WDM传输系统 。2波分复用系统的基本特点波分复用系统的基本特点（1）充分利用光纤的低损耗带宽资源，使单根光纤的传输容量增大几倍至几十倍以上，进一步显示了光纤通信的巨大优势。 （2）各个载波信道彼此独立，可以互不干扰地同时传输不同特性的信号，各种信号的合路与分路能够方便地进行，为宽带综合业务数字网的实现提供了可能。 （3）初步解决了中继全光化问题，为全光通信网的实现奠定了基础。（4）节省了光纤和光电型中继器，大大降低了建设成本，方便了已建成系统的扩容。3波

9、分复用系统的主要特性指标波分复用系统的主要特性指标（1）信道中心波长：信道中心波长：指每个信道内分配给光源的波长。（2）信道带宽信道带宽与与信道平坦带宽信道平坦带宽：信道带宽是指每个信道内分配给光源的波长范围；信道平坦带宽是指幅度传输特性曲线波动范围不超过1 dB的带宽大小，用来表示带宽的平直程度。信道平坦带宽越大，越能容纳光源波长的微小变化。（3）信道间隔信道间隔：是指相邻信道的波长间隔。通常信道间隔大于信道带宽。（4）信道隔离度：信道隔离度：指由一个信道耦合到另一个信道中的信号大小，隔离度越大，则耦合信号越小。所以，隔离度大一些为好。隔离度的倒数称为串扰，信道内的散射或反射都可以产生串扰。

10、信道隔离度定义为s10lg(dBiIji信道 中的输入光功率隔离度）()信道 中来自信道 的串扰光功率（5）插入损耗：插入损耗： 指由于WDM器件的引入而产生的传输功率损耗，包括WDM器件自身固有损耗，以及WDM器件与光纤的连接损耗。插入损耗越小越好。插入损耗定义为inWDM10lg()(dB)WDM器件某一输入端口的入射光功率插入损耗器件某一输出端口的出射光功率（6）温度稳定性：）温度稳定性： 指温度每变化1时的波长漂移大小。要求在整个工作温度范围内，波长漂移应当小于信道带宽，远小于信道间隔。（7）偏振稳定性：）偏振稳定性： 指插入损耗对光波偏振状态的敏感程度，敏感程度越大，则输出光功率越不

11、稳定。4波分复用器件的类型波分复用器件的类型 包括复用器（即合波器）和解复用器（即分波器），它们是多信道光波合并与分开所不可缺少的重要光学器件。复用/解复用器主要分为光纤耦合型、角度色散型、干涉型等几种类型。5.2.3 光纤耦合型波分复用器件光纤耦合型波分复用器件 1熔锥式光纤耦合器熔锥式光纤耦合器 将并排放置的两根或多根光纤的一定长度部位扭绞在一起，将扭绞处逐渐烧成熔融状态，同时慢慢拉伸光纤，使扭绞部位形成耦合区。在耦合区内各个光纤的包层变薄，纤芯彼此靠近。根据靠近程度的不同，可以形成光场之间的强、弱耦合。以致在一根光纤内传输的光波，很容易跑到另一根光纤内传输和输出；或者也容易分散跑到几根光

12、纤内传输和输出 。 2研磨式光纤耦合器研磨式光纤耦合器 将两根光纤一定长度部位的包层一侧研磨抛光，将两根光纤并排放置使研磨抛光部位面对面紧贴在一起，在它们之间涂有一层折射率匹配液，形成耦合区，在该区域能够产生光场之间的耦合。根据包层研磨变薄程度的不同，也可以产生光场之间的强、弱耦合。 3波导型光纤耦合器波导型光纤耦合器 (即光波导耦合器即光波导耦合器) 实用中，常将多个22端口光纤耦合器适当串并联起来，构成比较复杂的多端口光纤耦合器，称为星形耦合器(a) 四个22耦合器构成一个44耦合器 (b) 12个22耦合器构 成一个88耦合器 5.2.4 角度色散型波分复用器件角度色散型波分复用器件 1

13、光栅：光栅：在玻璃衬底上沉积环氧树脂、在其上制造光栅线而构成。光栅是利用多缝衍射原理，使得不同波长的同级主极大出现在观测屏的不同位置上来实现分光。其优点是波长选择性好、信道间隔小、复用信道数多，缺点是插入损耗较大、对光信号的偏振性较敏感。 2棱镜：棱镜：利用折射率随波长而变化的性质，使得不同波长的光线出现在不同位置上来实现分光。 光栅和棱镜都是利用角度色散来分光， 并通过合理的结构设计制成波分复用器件。图5-5 光栅型波分复用器原理图除上述普通光栅做成的波分复用器以外，还有一种阵列波导光栅（AWG）型波分复用器。AWG的特点是结构紧凑、信道间隔更窄，适用于多信道的大型网络节点。AWG是一种平面

14、光路（Planar Light-wave Circuit, PLC）器件，是目前研究开发的热点。 5.2.5 干涉型波分复用器件干涉型波分复用器件 1介质膜滤波式波分复用器介质膜滤波式波分复用器 由多层介质薄膜构成，其中高折射率层和低折射率层交替叠合。 多层介质膜波分复用器的优点是带宽顶部平坦，波长响应尖锐，温度稳定性好，插入损耗低，对光信号的偏振性不敏感，在实际系统中应用较广泛。 2马赫马赫-曾德尔（曾德尔（Mach-Zehnder）干涉式波分复用器）干涉式波分复用器马赫-曾德尔干涉式波分复用器是利用M-Z干涉仪两个不同长度的光路，提供相移随波长的依赖关系，使得分别从干涉仪两个输入端口射入的

15、两波长光线，能够从一个输出端口射出（即合波）；或者使得从干涉仪一个输入端口射入的两波长光线，能够分别从两个输出端口射出（即分波）。5.2.6 波分复用系统对光纤的新要求波分复用系统对光纤的新要求 1制约波分复用系统的主要因素制约波分复用系统的主要因素 （1）偏振模色散（）偏振模色散（PMD） 由于实际单模光纤的几何形状不完善（如横截面不圆、轴心线不居中等）和折射率分布不对称，致使单模光纤中基模的两个正交极化分量在光纤中传播速度不一致，产生传播时延差，引起光脉冲展宽的现象，称为偏振模色散。PMD具有随机变化的特性，难于用传统固定的色散补偿方法来消除它。在10 Gb/s及更高速率的波分复用系统中，

16、偏振模色散成为限制系统性能的一个主要因素。 PMDPMDDLDPMD是偏振模色散系数(ps/km1/2) ，要求：DPMD0.5 ps/km1/2 (10 Gb/s时) 或 0.2 ps/km1/2 (40 Gb/s时)偏振模色散平均时延差为（2）高阶色散）高阶色散 光纤色散与光波长的二阶和二阶以上的变化关系，称为高阶色散。通常，用零色散波长附近范围内的色散斜率来反映高阶色散的大小，称为零色散斜率。零色散斜率的定义式为 002000( )()d ( )limps/(nmkm)dDDDSITU-T规定G.652光纤在零色散波长范围(1300 nm 0 1324 nm)内的零色散斜率S00.093

17、 ps/(nm2 km) （3）非线性效应）非线性效应 光纤折射率与光波电场强度的二阶和二阶以上的变化关系，称为非线性效应。由于非线性折射率的存在，产生了几种重要的非线性效应。 自相位调制自相位调制（SPM） 在非线性折射率作用下，光纤中传输的强光波，其光强波动引起了光波自身相位发生波动，从而导致光波频谱变化的现象，称为自相位调制。 自相位调制的危害性：SPM产生的频率变化可以导致传输光波的频谱变宽，在这种情况下就会因模内色散而使光脉冲的时域波形展宽，引起码间干扰。 交叉相位调制交叉相位调制（XPM） 当两个或两个以上不同频率的强光波同时在光纤中传输时，其中任一个光波的非线性相位偏移不仅与该光

18、波自身的光强有关，也与其他光波的光强有关，后者称为交叉相位调制。 XPM的危害性：交叉相位调制能够引起相邻信道光波信号之间的串扰。 四波混频四波混频（FWM） 当三个频率分别为f1, f2和f3的光波同时在光纤中传输时，将会产生频率为f = fi + fj fk（i, j, k从1, 2, 3中取值）的光波。其中频率为f= fi + fj - fk（i, j k）的光波最有可能落在EDFA通带内，与f1, f2和f3的光波一起在光纤中传输，称为四波混频。 FWM的危害性：在四波混频情况下，原有光波的部分功率会转移到新频率的光波中去，致使原有频率信号光强下降，信噪比变坏。FWM所产生的最大破坏是

19、在零色散区域附近。WDM系统的信道间隔越小，四波混频的影响就越严重。G.653光纤有较大的FWM。2新型光纤的推出新型光纤的推出（1）大有效面积光纤）大有效面积光纤 在高功率传输系统中，光纤的非线性效应是系统传输性能的主要限制因素。康宁公司开发出大有效面积光纤(LEAF) ，通过增加光纤的有效面积，可以有效地降低光纤中光功率密度，使光纤能携带更高功率的光信号，同时又能减小非线性效应。（2）低水峰光纤）低水峰光纤 为了在一根光纤上开放更多的波分复用信道，朗讯公司开发出一种称为全波光纤（All-Wave Fiber）的单模光纤，即G.652C低水峰单模光纤。全波光纤采用新的工艺技术消除了水吸收峰，

20、使光纤的损耗在12601625 nm范围内都趋于平坦，使原来分离的1310 nm窗口和1550 nm窗口连成了一个很宽的大传输窗口，大大拓宽了光纤的可用带宽。 （3）低色散斜率光纤）低色散斜率光纤 色散会随传输距离而积累，并且传输距离越长，色散积累量就越大。由于色散斜率的存在，WDM系统各个波长信道的色散积累量是不相同的 。会随距离的增加而增大。当传输距离超过一定值后，具有较大色散积累量信道的色散值超过正常标准，就会增大误码，使整个WDM系统的传输距离受到限制。贝尔实验室开发出新一代的低色散斜率G.655真波光纤（TrueWave Fiber ），光纤零色散斜率已降到0.05 ps/(nm2k

21、m)以下。（4）低双折射光纤）低双折射光纤 在10 Gb/s及更高速率的系统中，偏振模色散（PMD）成为限制系统性能的因素之一。可以通过采用旋转工艺使光纤的圆整度得到改善来降低PMD。所谓旋转工艺，是在制备光纤的拉丝过程中利用计算机控制来旋转预制棒，确保光纤截面接近理想的圆形，使折射率分布的对称性提高，这样制成的光纤称为G.652B低双折射单模光纤。按照G.652B规定，低双折射单模光纤的DPMD应低于0.5 ps/km1/2。 5.3 5.3 光中继器光中继器 由于光纤损耗和色散的影响，使得所传输的光脉冲信号的幅度下降和波形失真，影响通信质量。因此，光纤长途线路上每隔一定距离（约5070 k

22、m）就要设置一个光中继器，用来将经过光纤传输后有较大衰减和畸变的光信号变成没有衰减和畸变的光信号，然后再输入光纤内继续传输，从而增大光的传输距离。 光中继器主要分为两大类：光电转换型中继器和全光型中继器。 5.3.1 光电转换型中继器光电转换型中继器 将接收到的光信号经过光/电转换、放大和再生，恢复出原来的数字电信号，然后再对光源进行调制（即电/光转换），产生出光信号输入光纤继续传输。此外，还要完成区间通信和公务、监控、倒换等辅助信息的上下路功能。目前实用的光纤通信系统中，绝大多数是采用这种中继器。光电转换型中继器通常由光接收、光发送和电分插复用（ EADM）等单元组成。 光电转换型中继器框图

23、 5.3.2 全光型中继器概述全光型中继器概述 全光型中继器（AO Repeater）是指不需要采用光-电-光转换方式，而是利用光放大器（OA）直接在光域对衰减和畸变了的光信号进行处理的光中继器。 光放大器分类：光放大器分类：非光纤结构型 半导体激光放大器（受激辐射型）光纤拉曼放大器光放大器分类非线性光纤放大器受激散射型光纤布里渊放大器光纤结构型掺杂光纤放大器 掺铒光纤放大器 （受激辐射型）目前能够作为中继器使用的，有掺杂光纤放大器和光纤拉曼放大器。其中技术最成熟、性能最优异的光放大器是20世纪80年代末期研制出来的掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器。 5.3.3 掺铒光纤放大器（掺铒光纤放大器（E

24、DFA） 1掺铒光纤放大器的工作原理掺铒光纤放大器的工作原理 掺铒光纤放大器的核心部件是掺铒光纤（EDF），它是在光纤石英玻璃材料内掺入稀土元素铒离子（Er3+），从而产生增益机制为实现光的放大提供了可能。 当掺铒光纤处于激活状态时，如果有1.55 m波长的光信号通过该掺铒光纤，则在信号光子激励下，该光纤亚稳态上的电子会以受激辐射方式跃迁到基态能级E1 上，同时释放出与信号光子完全相干的受激辐射光子，从而使光信号在掺铒光纤中传播的过程中得到了放大。 2掺铒光纤放大器的基本结构掺铒光纤放大器的基本结构按照泵浦激光耦合形式的不同，掺铒光纤放大器分为正正向泵浦式向泵浦式(噪声系数较低)、反向泵浦式反

25、向泵浦式(输出光功率较大)和双向泵浦式双向泵浦式(输出光功率最大)三种基本结构。3掺铒光纤放大器的主要指标掺铒光纤放大器的主要指标（1）工作波长）工作波长 工作波长范围宽，增益平坦区为15301565 nm，属于C波段。目前实用的波分复用系统多在此频带内。（2）功率增益）功率增益 功率增益约为1540 dB，最大输出光功率约为1020 dBm。增益特性与光偏振状态无关，也与光的正、反向传播方向无关。（3）噪声系数）噪声系数 噪声系数约为48 dB。主要噪声源是ASE（放大的自发辐射）噪声。（4）泵浦源）泵浦源 泵浦源的激光波长为980 nm或1480 nm，泵浦效率高，仅用几毫瓦的泵浦功率就可

26、以获得3040 dB的高增益光放大，泵浦效率可达10 dB/mW。（5）耦合损耗）耦合损耗 EDFA与线路光纤的耦合损耗小，约为0.1 dB。（6）隔离度：）隔离度：隔离度大，无串扰。（7）可靠性：）可靠性：结构简单，可靠性高。（8）适用性）适用性 对传输速率透明，适用于PDH和SDH系统。 5.3.4 光纤拉曼放大器（光纤拉曼放大器（FRA） 1光纤拉曼放大器的工作原理光纤拉曼放大器的工作原理 光纤拉曼放大器是利用受激拉曼散射效应做成的一种光学器件。受激拉曼散射是频率较高的分子振动（称为光学声子）参与的光散射 。 FRA利用受激拉曼散射的斯托克斯波来放大输入信号光波，当一束波长为 (相应频率

27、 = 2c/ ) 的弱信号光与一束波长为P (P ，相应频率P = 2c/P )的强泵浦相干光同时在一根光纤中传输时，理论已证明：只要P 在拉曼增益带宽内，信号光波就会因拉曼增益而被放大。由于拉曼增益带宽很大，所以光纤拉曼放大器是一个宽带光放大器。2光纤拉曼放大器的基本结构光纤拉曼放大器的基本结构 按照泵浦激光耦合形式的不同，光纤拉曼放大器可以分为两种基本结构，即正向泵浦式和反向泵浦式。正向泵浦式使用一个泵浦源，其泵浦光与信号光以相同方向进入光纤，这种方式的优点是泵浦光的功率阈值较低；反向泵浦式也使用一个泵浦源，其泵浦光与信号光以相反方向进入光纤，由于泵浦光与信号光逆向传输，两者相互作用长度变

28、短，使泵浦光噪声对信号光的干扰减小，所以这种方式的优点是噪声系数较低。 3光纤拉曼放大器的主要指标光纤拉曼放大器的主要指标（1）工作波长）工作波长 工作波长范围宽，可以覆盖光纤通信中使用的光波长，如1310 nm和1550 nm；也可以覆盖激光器输出的其他光波长，如1240 nm和1400 nm的半导体激光器信号、15701580 nm的分布反馈半导体激光器信号等。（2）拉曼增益）拉曼增益 拉曼增益为几至几十分贝，与泵浦光的功率有关，最大输出光功率超过20 dBm。拉曼增益还与信号光和泵浦光的频率差（或波长差）有关，两者频率差为13.2 THz时，拉曼增益达到峰值，峰值附近的增益平坦带宽约为5 THz。（3）噪声系数）噪声系数 噪声系数为4 dB以上，主要噪声源是放大的自发拉曼散射噪声。自发拉曼散射在整个拉曼增益带宽内产生光子，所有频率的自发拉曼散射光都随信号一起在光纤中传输并得到不同程度的放大。因此，光纤拉曼放大器输出中不仅有所需要的信号，而且还包括很宽频率范围（约10 THz或更大）的背景噪声。（4）泵浦源）泵浦源 泵浦源的波长范围很宽，可以覆盖近红外波段。泵浦光功率为几百毫