第5章光纤通信系统

1、第五章 光纤数字通信系统 光纤通信系统新技术简述 波分复用（WDM）光纤数字通信系统 光中继器 光纤通信系统是以光为载波，利用光纤作为传输媒介，通过光电变换，用光来传输信息的通信系统。EDFA技术（掺饵光纤放大器）光信号传输的两个限制因素： 损耗 中继放大（每隔50100km） 色散 脉冲展宽，产生码间干扰（ISI），限制码速提高色散管理光孤子脉冲 WDM技术（波分复用）一、多信道复用光纤技术一、多信道复用光纤技术 光波分复用（OWDM）技术 OWDMoptical wavelength division multiples 波分复用原理光信号的中继放大采用EDFA技术 光时分复用（OTDM）

2、技术 OTCMoptical time division multiplex 技术特点：在光域光域进行时间的分割复用，使不同信道占用不同的时隙，在单根、单个波长单根、单个波长上完成多信道复用。NB电解复用信道电复用B瓶颈信道BE/OO/E瓶颈电信号路径光信号路径(a) 电时分复用112n2NB控制信号光复用O/EO/EO/E信道B光解复用(b) 光时分复用E/OE/OE/O信道 12B12nNN 在光域内对信号进行选路、识别、同步等处理，需要全光逻辑和存储器件。 发展尚未成熟 光码分复用（OCDM）技术 OCDMoptical code division multiplex 码型的分割复用，不

3、同码型代表不同信道，在单根光纤、单个波长上完成多信道复用。光纤光复用器地址码信道1数据信道2数据信道3数据解码器地址码信道1数据信道2数据信道3数据光解复用器解码器解码器编码器编码器编码器二、微波副载波复用（二、微波副载波复用（SCM）技术）技术 SCMSubcarrier multiplex低低频频电电信信号号高高速速驱驱动动高高频频载载波波LD调调制制光光低低频频电电信信号号调调制制后后的的高高频频载载波波调调制制后后的的光光波波副载波调制：副载波调制：微微波波信信号号合合成成器器光光发发射射机机光光纤纤光光探探测测器器微微波波接接收收机机带带通通滤滤波波功功放放基基带带信信号号调调制制器

4、器本本振振1 1基基带带信信号号调调制制器器基基带带信信号号调调制制器器本本振振宽宽带带放放大大混混频频解解调调滤滤波波可可调调本本振振基基带带信信号号微微波波发发射射机机Nf1scf2scfnsc带带通通滤滤波波功功放放带带通通滤滤波波功功放放副副载载波波f1scf2scfnscf1dataf2datafndataf1dataf2datafndata+ + + +模模拟拟或或数数字字基基带带信信号号调调制制各各自自的的副副载载波波 混混频频复复合合电电信信号号再再调调制制光光载载波波f1scf2 sc.fn sc, , , , SCM技术特点：在发送端用基带电信号对微波信号进行幅度、频率或相

5、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。SCM系统使微波技术与光纤通信相互结合！系统使微波技术与光纤通信相互结合！三、相干光通信技术三、相干光通信技术 技术特点：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。发送端发送端接收端接收端发送端发送端接收端接收端外差光纤通信系统四、光纤孤子通信技术四、光纤孤子通信技术光孤子（Soliton）：大功率光脉冲输入光纤时，可以产生非线性效应（光

6、纤折射率随大功率入射光强而变化的现象）导致光脉冲压縮。通过适当选择有关参数，并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。光纤中的色散和非线性效应共同作用的结果！光纤中的色散和非线性效应共同作用的结果！ 适合超长距离、超高速的光纤通信。单信道系统的“速率距离乘积”超过300(Tb/s)km，多信道系统可达1600(Tb/s)km。远未达到实用水平“新一代光纤通信系统新一代光纤通信系统”： 光波分复用（OWDM）+掺饵光纤放大器（EDFA）EDFA增大了单根光纤的传输容量！增大了单根光纤的传输容量！ 基本概念基本概念 光纤耦合型波

7、分复用器件光纤耦合型波分复用器件 角度色散型波分复用器件角度色散型波分复用器件 干涉型波分复用器件干涉型波分复用器件 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一、基本问题一、基本问题光纤每千米损耗与入射光波长的变化关系高损耗区： 1.38m附近两个低损耗区：1.351.250.11.601.500.1LHmmmmmm1. 目前实用光纤的低损耗区宽度目前实用光纤的低损耗区宽度若设LD激光光源的谱线宽度=0.45nm则带宽利用率为22( /)17.469( /)12.478LfHHfcTHzfcTHz两个低损耗区的频带宽度分别为： =1.31 m=1.55 m/()(0.4 5)/0.

8、2(0.2 2.5)%LHnmm 只有一个光载波信道的单波长光纤通信系统，没只有一个光载波信道的单波长光纤通信系统，没有充分利用光纤低损耗区的带宽资源。有充分利用光纤低损耗区的带宽资源。2 采用波分复用（采用波分复用（WDM）方式提高光纤带宽利用率）方式提高光纤带宽利用率 波分复用方式是让不同波长不同波长的光信号分别携带各自的用户信息，同时在一根光纤一根光纤内传输。 如果光载波间隔为几个nm，则一根光纤（其低损耗区宽度约为200nm）可以同时容纳几十个光载波信道。光波分复用技术的真正实用化标志 掺饵光纤放大器EDFA的商品化（20世纪90年代） EDFA能同时放大多个波长的信号，解决了波分复用

9、长途通信中的光中继难题。 根据复用信号波长（或频率）间隔的不同，光波分复用技术可分为： 波分复用（Wavelength-Division Multiplex，WDM） 密集波分复用（Dense wavelength-division Multiplex，DWDM） 光频分复用（Optical Frequency-Division Multiplex，OFDM）a、WDM和和DWDM 可笼统地称为WDM，指对1550nm低损耗窗口内多个多个波长光信号的复用，其频率间隔为几十至几百个GHz，相应的波长间隔为零点几几个nm。ITU-T G.692规定：规定： 在基准频率为193.10THz（波长为1

10、552.524nm）时，WDM的频率间隔f是25GHz（波长间隔0.201nm）的整数倍。常用频率间隔为 50GHz（0.402nm） 100GHz（0.804nm）b、OFDM 对1550nm低损耗窗口内更多波长光信号的复用，其频率间隔为110GHz，相应波长间隔为0.0080.08nm，故光载波信道数目将极大增加。 非相干OFDM： 属于强度调制-直接检测（IM-DD）方式，采用高选择性可调谐光滤波器作解/复用器件。 相干OFDM： 利用相干检测技术进行复用/解复用，对光源和频率稳定度要求高。二、波分复用系统的分类二、波分复用系统的分类 1、单向波分复用系统双纤单向波分复用传输方式波长复用

11、器（WMUX）波长解复用器（WDEMUX或WDMX） 2、双向波分复用系统单纤双向波分复用传输方式 2N个光发送器发送2N个不同波长的光波，分别与对端光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。一根光纤能同时传输来自两个不同方向的光波。三、波分复用系统的基本特点三、波分复用系统的基本特点（1） 能够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。（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（比特速率、传输体系、业务类型等）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

12、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。四、波分复用系统的主要特性指标四、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：是指每个信道内分配给光源的波长。（2） 信道带宽与信道平坦带宽信道带宽与信道平坦带宽： 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1dB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（Channel

13、Isolation）：是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。 定义式为： 10lg dB siIji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（Insertion Loss）：是指由于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。 定义式为：inWDM10lg dBWDM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

14、。（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，则输出光功率越不稳定。 光纤耦合型波分复用器件有熔锥式光纤耦合器、 研磨式光纤耦合器等几种。一、熔锥式光纤耦合器一、熔锥式光纤耦合器 制法：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，使扭绞部位形成双锥形耦合区。 在耦合区，各个光纤的包层变薄，纤芯彼此靠近，根据靠近程度不同，可以形成光场之间的强、弱耦合。二、研磨式光纤耦合器二、研磨式光纤耦合器 制法：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

15、折射率匹配液，形成耦合区域，在该区域能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。耦合区光纤1光纤212, 12瞬逝波理论：瞬逝波理论： 当两根或多根光纤的纤芯充分靠近时，这些光纤通过包层中的瞬逝波产生相互耦合，在一定的耦合系数和耦合长度下，可以引起不同波长路径发生变化。对于22端口光纤耦合器，不同光纤传输光波的电场强度分别为：10(/2)20cos()cos()j zjzEEz eEEz e（光纤1）（光纤2）光纤1和光纤2的传输光强分别为：2211022220cos ()sin ()IEIzIEIz5.2.2 光纤耦合型波分复用器件光纤耦合型波分复用器

16、件 通过适当调节耦合区长度（通过适当调节耦合区长度（z）及耦合系数（）及耦合系数（ ），可），可以使一根光纤中某个波长的光线全部或部分地保留在本光以使一根光纤中某个波长的光线全部或部分地保留在本光纤中传输，也可以全部或部分地转移到另一根光纤中传输纤中传输，也可以全部或部分地转移到另一根光纤中传输。/ 4z当当 ，则，则 I1=I2=I0/2，即得到，即得到3dB耦合器。耦合器。 三、波导型光纤耦合器 在平面衬底上用SiO2等材料制作出光波导耦合器。星型耦合器（星型耦合器（Star Couple）：）： 将多个将多个22端口光纤耦合器适当串并联起来，构成端口光纤耦合器适当串并联起来，构成的比较复

17、杂的多端口光纤耦合器。的比较复杂的多端口光纤耦合器。5.2.3 角度色散型波分复用器件角度色散型波分复用器件 光栅：利用光栅：利用多缝衍射原理多缝衍射原理使不同波长的同级主级大出使不同波长的同级主级大出现在观测屏的不同位置上。现在观测屏的不同位置上。 棱镜：利用棱镜：利用折射率随波长而变化折射率随波长而变化的性质使不同波长的的性质使不同波长的光纤出现在不同位置上。光纤出现在不同位置上。光栅结构的波分复用器光栅结构的波分复用器 优点：波长选择性好、信道间隔小、复用信道多优点：波长选择性好、信道间隔小、复用信道多 缺点：插入损耗大、对光信号的偏振性较敏感缺点：插入损耗大、对光信号的偏振性较敏感阵列

18、波导光栅（阵列波导光栅（AWG）型波分复用器）型波分复用器5.2.3 角度色散型波分复用器件角度色散型波分复用器件适用于多信道的大型网络节点适用于多信道的大型网络节点Arrayed Waveguide gratings结构紧凑，信道的间隔更窄。结构紧凑，信道的间隔更窄。1、阵列波导有阵列波导有m条，相邻的波导长度相差条，相邻的波导长度相差L2、输入输出有、输入输出有n条条3、输入耦合器完成输入与阵列的耦合、输入耦合器完成输入与阵列的耦合4、阵列波导中的光波在输出阵列波导中的光波在输出耦合器中产生干涉，使主极耦合器中产生干涉，使主极大出现在输出接口上大出现在输出接口上一、介质膜滤波式波分复用器一

19、、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。层交替叠合。 经计算得到，总的反射光强和透射光强经计算得到，总的反射光强和透射光强分别为：分别为：22202222222022224sin ( /2)(1)4sin ( /2)(1)(1)4sin ( /2)RRTTrIEIrrrIEIrr5.2.4 干涉型波分复用器件干涉型波分复用器件ER是所有反射光纤复振幅的叠加；是所有反射光纤复振幅的叠加； ET是所有透射光纤复振幅的叠加；是所有透射光纤复振幅的叠加； 是入射光强；是入射光强；20IE220024cosn d 是任

20、两条相邻反射或透射光纤的相位差（不含是任两条相邻反射或透射光纤的相位差（不含相位突变）。相位突变）。0RTIII当当 时，反射时，反射IR=0为最小值，透射为最小值，透射IT=I0为为最大值；最大值；当当 取其它值时，反射取其它值时，反射IR0，透射，透射ITI0。5.2.4 干涉型波分复用器件干涉型波分复用器件2 (0,1,2,.)mm1 当不同波长的光线以同一角度入射时，合理设计当不同波长的光线以同一角度入射时，合理设计d，可使所需要的某个波长光线在透射光中占据较大的强度可使所需要的某个波长光线在透射光中占据较大的强度比例。比例。滤光滤光介质膜层数越多，则干涉越强，在介质膜层数越多，则干涉

21、越强，在透射透射光中所需要的波长成分就会光中所需要的波长成分就会越大，其他波长成分就越小。越大，其他波长成分就越小。234512345, 介质膜介质膜滤波式滤波式波分复波分复用器用器5.2.4 干涉型波分复用器件干涉型波分复用器件多层介质膜波分复用器的优点：多层介质膜波分复用器的优点： 带宽顶部平坦，波长响应尖锐，温度稳定性好，插入带宽顶部平坦，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损耗低，对光信号的偏振性不敏感5.2.4 干涉型波分复用器件干涉型波分复用器件二、马赫二、马赫- -曾德尔（曾德尔（Mach-ZehnderMach-Zehnder）干涉式波分复用器）干涉式

22、波分复用器 利用利用M-ZM-Z干涉仪两个不同长度的光路，提供相移随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入射波长的依赖关系，使得分别从干涉仪两个输入端口入射的两波长光线，能够从一个输出端口射出（即合波）；的两波长光线，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（即够分别从两个输出端口射出（即分波分波）。一、制约波分复用系统的主要因素一、制约波分复用系统的主要因素u 偏振模色散偏振模色散（Polarization Mode Dispersio

23、n, PMDPolarization Mode Dispersion, PMD） 由于实际单模光纤的几何形状不完善和折射率分布不对由于实际单模光纤的几何形状不完善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。速度不一致，产生传播时延差，引起光脉冲展宽的现象。 平均时延差为平均时延差为 u高阶色散高阶色散 光纤色散与光波长的二阶或二阶以上的变化关系，通光纤色散与光波长的二阶或二阶以上的变化关系，通常用零色散斜率反映高阶色散大小。常用零色散斜率反映高阶色散大小。PMDPMDD

24、L002000( )()( )lim /()DDdDSpsnmkmdITU-T规定规定: G.652光纤在零色散波长范围（光纤在零色散波长范围（1300nm1324nm）内零）内零色散斜率色散斜率S00.093 ps/(nm2km)5.2.5 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u 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。关系。折射率折射率n与电场强度的关系为：与电场强度的关系为：230123nnc Ec Ec E常数常数 泡克泡克尔斯尔斯系数系数克尔克尔系数系数弱光情况，弱光情况，n=n0，折射率为常数；，

25、折射率为常数；强光情况，强光情况，23023nnc Ec E线性折射率线性折射率非线性折射率非线性折射率123ccc5.2.5 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非线性效应的危害：非线性效应的危害：l 自相位调制自相位调制（Self Phase Modulation, SPM） SPM产生的频率变化可以导致传输光波的频谱变宽，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，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。引起码间干扰。l 交叉相位调制交叉相位调制（Cross-Phase Modulation, X

26、PM） 引起相邻信道光波信号之间的串扰引起相邻信道光波信号之间的串扰l 四波混频四波混频（Four Wave Mixing, FWM） 在此情况下，原有光波的部分功率会转移到新频率的在此情况下，原有光波的部分功率会转移到新频率的光波中去，导致原有频率信号光强下降，信噪比变坏。光波中去，导致原有频率信号光强下降，信噪比变坏。5.2.5 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二、新型光纤的推出二、新型光纤的推出1 1、大有效面积光纤、大有效面积光纤 增加光纤的有效面积，可以有效降低光纤中光功增加光纤的有效面积，可以有效降低光纤中光功率密度，使光纤能携带更高功率的光信号，同时又率密度，

27、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。能减小非线性效应。 LEAF光纤（康宁（光纤（康宁（Corning）公司）公司） Aeff=72m2（现在可达（现在可达200m2）优点：衰减性能和偏振模色散均可达常规优点：衰减性能和偏振模色散均可达常规G.655光纤光纤水平，有较大功率承受能力，能有效克服四波混频水平，有较大功率承受能力，能有效克服四波混频和自相位调制的影响；和自相位调制的影响；缺点：零色散斜率偏高（缺点：零色散斜率偏高（0.1 ps/(nm2km)），对弯），对弯曲的敏感性较大。曲的敏感性较大。5.2.5 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2、（G.6

28、52C）低水峰光纤 又称为全波光纤（All-Wave Fiber），由朗讯公司开发的一种单模光纤。 与普通单模光纤相比，全波光纤的水吸收峰处的衰与普通单模光纤相比，全波光纤的水吸收峰处的衰减降低了减降低了2/3，拓宽了光纤的可用带宽，拓宽了光纤的可用带宽。5.2.5 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3 3、低色散斜率光纤低色散斜率光纤 由于色散斜率的存在，由于色散斜率的存在，WDM系统各个波长信道系统各个波长信道的色散积累量是不相同的，位于工作波长区域两端的色散积累量是不相同的，位于工作波长区域两端和中间的信道的色散值差异，会随着距离的增加而和中间的信道的色散值差异，会随着

29、距离的增加而增大。增大。 早期的早期的G.655光纤为光纤为C波段（波段（15301565nm），），色散斜率为色散斜率为0.070.10 ps/(nm2km)。 低色散斜率低色散斜率G.655真波真波 （TrueWave）光纤为）光纤为15301625nm（适用于（适用于DWDM系统），色散斜率为系统），色散斜率为0.05 ps/(nm2km)。5.2.5 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4 4、（G.625B）低双折射（单模）光纤）低双折射（单模）光纤 采用采用旋转工艺旋转工艺，在制备光纤的拉丝过程中利用，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

30、近理想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。的圆形，使折射率分布的对称性提高。 低双折射单模光纤的低双折射单模光纤的PMD应低于应低于0.5ps/km1/2。5.3 光中继器光中继器 光电转换型中继器光电转换型中继器 全光型中继器概述全光型中继器概述 掺饵光纤放大器（掺饵光纤放大器（EDFA） 光纤拉曼放大器（光纤拉曼放大器（FRA） 几类光放大器的特性比较几类光放大器的特性比较光中继器的作用：光中继器的作用： 将经过光纤传输后有较大衰减和畸变的光信号变成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没有衰减和

31、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。输，从而增大光的传输距离。光中继器的分类：光中继器的分类：l 光电转换型中继器光电转换型中继器（O/E Repeater）l 全光型中继器（全光型中继器（AO Repeater）。 采用“光光” “电电” “光光”转换方式。光光/电转换、电转换、放大、放大、再生再生对光源进对光源进行调制行调制（即电（即电/光转换）光转换） 具备区间通信和公务、监控、倒换等辅助信息的上下具备区间通信和公务、监控、倒换等辅助信息的上下路功能路功能。 由由光接收、光发送光接收、光发送和和电分插复用电分插复用（EADM：Electrical Add Dro

32、p Multiplex）等单元组成。）等单元组成。 不需要采用光不需要采用光-电电-光转换方式，利用光放大器（光转换方式，利用光放大器（OA：Optical Amplifier）直接在光域对衰减和畸变了的光信号）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。进行处理的光中继器。 非光纤结构型的光放大器非光纤结构型的光放大器 光纤结构型的光放大器光纤结构型的光放大器 非光纤结构型的光放大器非光纤结构型的光放大器 主要有半导体激光放大器（主要有半导体激光放大器（Semiconductor Laser Amplifier，SLA），其机理与半导体激光二极管），其机理与半导体激光二极管LD相同，

33、相同，属于受激辐射型。属于受激辐射型。主要集中在810-1080nm短波长范围的宽带增盈模块和800，850，870，1050nm的TWA回旋行波放大器模块。 光纤结构型的光放大器光纤结构型的光放大器l 非线性光纤放大器（受激散射型）非线性光纤放大器（受激散射型） 利用光纤中的非线性效应而制成，有光纤拉曼放大器利用光纤中的非线性效应而制成，有光纤拉曼放大器（Fiber Raman Amplifier，FRA）、光纤布里渊放大器）、光纤布里渊放大器（Fiber Brillouin Amplifier，FBA）等。）等。l 掺杂光纤放大器（受激辐射型）掺杂光纤放大器（受激辐射型） 利用光纤掺杂离子

34、在泵浦光作用下形成粒子数反转利用光纤掺杂离子在泵浦光作用下形成粒子数反转分布，实现对入射光信号的放大作用。分布，实现对入射光信号的放大作用。 包括掺饵光纤放大器（包括掺饵光纤放大器（EDFA）、掺铥光纤放大器（）、掺铥光纤放大器（TDFA）以及）以及掺镨光纤放大器（掺镨光纤放大器（PDFA） 波段波段波长范围波长范围放大器类型放大器类型S+14501480nmTDFA，FRAS14801520nmGS-TDFA，FRAC15301565nmEDFAL15701610nmGS-TDFA，FRA，碲化物（氟化物），碲化物（氟化物）EDFAL+16101640nmFRA，氟化物，氟化物EDFA5.3

35、.2 全光型型中继器概述全光型型中继器概述光通信波段以及相应的放大器光通信波段以及相应的放大器 GS-TDFA：增益位移掺铥光纤放大：增益位移掺铥光纤放大器（器（Gain-shifted Thulium-doped Fiber Amplifier）W70 xD90 xH15 (mm)5.3.2 全光型型中继器概述全光型型中继器概述掺饵光纤放大器（掺饵光纤放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier）：）：直接光放大型中继器 再放大（Reamplifier）功能 再整形（Reshape） 再定时（Retiming） 色散补偿（Dispersion Compensation，D

36、C） 自发辐射（ASE）噪声积累5.3.2 全光型型中继器概述全光型型中继器概述类类 别别光电混合型光电混合型EDFA光信号恢复光信号恢复有有有有电信号恢复电信号恢复有有无无时钟信号恢复时钟信号恢复有有无无公务、区间通信公务、区间通信有有无无设备复杂程度设备复杂程度复杂复杂简单简单可靠性可靠性低低高高价价 格格高高中中适用范围适用范围色散和衰减限制系统色散和衰减限制系统衰减限制系统衰减限制系统两种光中继器特性比较两种光中继器特性比较5.3.3 掺饵光纤放大器（掺饵光纤放大器（EDFA）一、一、掺饵光纤放大器的工作原理掺饵光纤放大器的工作原理 直接对光信号进行放大的光学器件直接对光信号进行放大的

37、光学器件，作为全光传输，作为全光传输型中继器。型中继器。 核心部件：掺饵光纤核心部件：掺饵光纤(EDF) 在石英玻璃材料内掺入饵在石英玻璃材料内掺入饵离子离子(Er3+)。5.3.3 掺饵光纤放大器（掺饵光纤放大器（EDFA）E3(激发态激发态)E2(亚稳态亚稳态)E1(基态基态)泵浦光子泵浦光子 =980nm无辐射弛豫无辐射弛豫信号光子信号光子 =1550nm受激辐射受激辐射受激辐射光子受激辐射光子 =1550nm信号光子信号光子 =1550nm基态基态 4I15/2；亚稳态；亚稳态4I13/2（平均寿命可达（平均寿命可达10ms）；激发态）；激发态4I11/2（寿命远小于（寿命远小于1s）

38、。）。5.3.3 掺饵光纤放大器（掺饵光纤放大器（EDFA）二、掺饵光纤放大器的基本结构二、掺饵光纤放大器的基本结构合波器：WDM 光隔离器：使光波在掺饵光纤中只能单向传输，防止光隔离器：使光波在掺饵光纤中只能单向传输，防止反射光引起的不利变化。反射光引起的不利变化。利用光的偏振态原理利用光的偏振态原理图图 5.34 隔离器的工作原理隔离器的工作原理 阻塞偏振器偏振器法拉弟法拉弟旋转器旋转器偏振器偏振器反射光反射光入射光入射光5.3.3 掺饵光纤放大器（掺饵光纤放大器（EDFA） 在实际应用中，入射光的偏振态在实际应用中，入射光的偏振态(偏振方向偏振方向)是任意的，是任意的，并且随时间变化，因

39、此必须要求并且随时间变化，因此必须要求的工作与入射光的工作与入射光的的偏振态无关偏振态无关。分离偏振器分离偏振器半波片半波片法拉弟旋转器法拉弟旋转器分离偏振器分离偏振器光纤输入光纤输入SWP半波片半波片法拉弟旋转器法拉弟旋转器SWP光纤光纤输出正向传输正向传输反射光反射光反向阻断反向阻断5.3.3 掺饵光纤放大器（掺饵光纤放大器（EDFA）三、掺饵光纤放大器的主要指标三、掺饵光纤放大器的主要指标 工作波长工作波长 增益平坦区：增益平坦区：15401560nm 功率增益功率增益 增益约为增益约为1540dB，最大输出，最大输出光功率为光功率为1020dBm 噪声系数噪声系数 噪声系数噪声系数=S

40、NRin/SNRout，主，主要噪声源是要噪声源是ASE（放大器自发辐射）（放大器自发辐射） 泵浦源泵浦源 泵浦源激光波长为泵浦源激光波长为980980或或1480nm1480nm，泵浦效率为，泵浦效率为10dB/mW10dB/mW。 耦合损耗耦合损耗 耦合损耗小，约为耦合损耗小，约为0.1dB。 隔离度隔离度 隔离度大（隔离度大（30dB），无串扰。），无串扰。 可靠性可靠性 结构简单，可靠性高结构简单，可靠性高 适用性适用性 对传输速率透明，使用与对传输速率透明，使用与PDH和和SDH系统。系统。5.3.3 掺饵光纤放大器（掺饵光纤放大器（EDFA）5.3.4 光纤拉曼放大器（光纤拉曼放大

41、器（FRA）一、光纤拉曼放大器的工作原理一、光纤拉曼放大器的工作原理 光纤拉曼放大器（光纤拉曼放大器（Fiber Raman Amplifier）利用受激拉）利用受激拉曼散射（曼散射（Stimulated Raman Scattering，SRS）效应做成的一）效应做成的一种光学器件。种光学器件。ppipiihph()pih()pih斯托克斯波斯托克斯波反斯托克斯波反斯托克斯波泵浦光泵浦光光学声子光学声子 自发拉曼散射自发拉曼散射 非相干光非相干光 泵浦光较弱泵浦光较弱 gR为拉曼增益系数为拉曼增益系数 受激拉曼散射受激拉曼散射 相干光相干光 泵浦光较强泵浦光较强5.3.4 光纤拉曼放大器（光纤拉曼放大器（FRA）( )sRPIzg I z( )(0)exp() (0)exp()sRpsssRpsRdIg I I dzIzIg I zIG zGR为受激拉曼散射增益因子为受激拉曼散射增益因子拉曼增益带宽：拉曼增益带宽：gR在在13.2THz（44nm）附近有一个约）附近有一个约5THz（3553nm）的增益主峰）的增益主峰5.3.4 光纤拉曼放大器（光纤拉曼放大器（FRA）二、光纤拉曼放大器的基本结构二、光纤拉曼放大器的基本结构 按泵浦光耦合形式的不同，分为两种：按泵浦光耦合形式的不同，分为两种：l 正向