光纤通信新技术-1

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，如光放大技术，光波分复用技术，光交换技术，光孤子通光放大技术，

2、光波分复用技术，光交换技术，光孤子通信，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

3、光器。纤激光器。 20世纪80年代末期，波长为1.55 m的掺铒掺铒(Er)光纤放大器光纤放大器(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示出掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(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，在掺铒光纤掺铒光纤(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

4、 当泵浦泵浦(Pump, 抽运)光的光子能量等于能级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+将跃迁到基态基态(21)，产生受激辐射光受激辐射光，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)，产生受激辐射光受激辐射光，因而信号光得到放大。 由此可见，这种放大是由于泵浦光的能量转换为信号光的结这种放大是由于

5、泵浦光的能量转换为信号光的结果。果。 图图 7.1掺铒光纤放大器的工作原理掺铒光纤放大器的工作原理 (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 4F9 / 24I9 / 24I11 / 24I13 / 24I15 / 21.48 m泵 浦0.65 m0.80 m0.98 m1.53 m123光 信 号1.481.501.521.541.5602460246810吸 收增 益波 长 / m损 耗 或 增 益 /( dBm 1)(b)(a)截 面 / (10 25m2) 为提高放大器增益， 应提高对泵浦光的吸收，使基态基态Er3+尽可

6、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)示出和的关系， 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002040608020406080转 换

7、效 率92.6输 入 泵 浦 光 功 率 / mW输 出 信 号 光 功 率 / mW02001030405101520增 益 系 数6.3 dB / mW输 入 泵 浦 光 功 率 / mW增 益 / dB(a)(b) 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。 和是关键器件，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器也是不可缺少的。 设计高增益掺铒光纤设计高增益掺铒光纤(EDF)是实现光纤放大器的技术关键，是实现光纤放大器的技术关键， EDF的增益取决于Er3+

8、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。 对泵浦光源的基本要求是大功率和长寿命。对泵浦光源的基本要求是大功率和长寿命。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 WD

9、M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

10、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。 在泵浦光功率一定的条件下，当输入信号光功率较小时，放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

11、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(15001600 nm)； 其主体是一段光纤(EDF)，与传输光纤的耦合损耗很小， 可达0.1 dB。 增益高增益高，约为30

12、40 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。 噪声指数小噪声指数小， 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。 频带宽频带宽，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掺镨光纤放大器掺镨光纤放大器(PDFA)，频带可以增加一倍。 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带宽被认为是充分利用光纤带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在各种光纤通信系统中得到广泛应用，并取得了良好效果

13、。 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。 （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） （PA：Preamplifier) 置于光接收机的前面，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。 （BA： Booster Amplifier) 置于光接收机的后面，以提

14、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和和 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)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分复用时分复用(TDM)技术外， 还出现了其他的复用技术，例如光时分复用光时分复用(OTDM)、光

15、波分复光波分复用用(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 光波分复用光波分复用(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。 光波分复用（光波分复用（WDM）的基本原理是：的基本原理是：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

16、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)80001.02.03.04.010001200140016001800载波频率信道间隔110 GHz波长 / nm衰减 / (dBkm1) 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(, 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.

17、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频分复用光频分复用(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集波分复用密集波分复用(DWDM：Dense Wavelength Division Multiplexing)。 目前该系统是在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

18、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，但目前在电信目前在电信界应用时，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，所以经常用经常用WDM这个更广义的名称来代替这个更广义的名称来代替DWDM。 WDM技术对网络升级、发展宽带业务(如CATV， HDTV

19、 和IP over WDM等)、充分挖掘光纤带宽潜力、实现超高速光纤通信等具有十分重要意义，尤其是WDM加上EDFA更是对现代信息网络具有强大的吸引力。 目前，“掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)+密集波分复用密集波分复用(WDM)+非非零色散光纤零色散光纤(NZDSF，即，即G.655光纤光纤)+光子集成光子集成(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)处设置以波长为单位对光信号进行交叉连接的光交叉连接设备光交叉连接设备(OX

20、C)，或进行光上下路的光分插复用器光分插复用器(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WDM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器复用器(也也叫合波器叫合波器)。 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解复用器(

21、也叫分波器也叫分波器)。 从原理上讲， 这种器件是互易的(双向可逆)，即只要将解复用器的输出端和输入端反过来使用， 就是复用器。 因此复用器和解复用器是相同的因此复用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)。 WDM系统的基本构成主要有以下两种形式：系统的基本构成主要有以下两种形式：双纤单向传输双纤单向传输和单纤双向传输。单纤双向传输。 (1) 双纤单向传输。双纤单向传输。 单向WDM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7.7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1,2,n通过光复用器组合在一起，并在一根光纤中单向传输。 由于各信号是通过不

22、同光波长携带的，因而彼此之间不会混淆。 在接收端通过光解复用器将不同波长的信号分开， 完成多路光信号传输的任务。 反方向通过另一根光纤传输的原理与此相同。 图图7.7 双纤单向双纤单向WDM传输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1n1n1n1n (2) 单纤双向传输。单纤双向传输。 双向WDM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7.8所示，所用波长相互分开， 以实现双向全双工的通信。 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

23、机光发射机1nn 12n1n复用/解复用器n 12n图图7.8 单纤双向单纤双向WDM传输传输 双向双向WDM系统在设计和应用时必须要考虑几个关键的系系统在设计和应用时必须要考虑几个关键的系统因素：统因素： 如为了抑制多通道干扰多通道干扰(MPI)，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光分

24、插复用器(OADM)或光交叉连光交叉连接器接器(OXC)，可使各波长光信号进行合流与分流，实现波长的上下路上下路(Add/Drop)和路由分配路由分配，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。 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 尺寸小等3. 光波分复用器的性能参数光波分复用器的性能参数 光波分复用器是波分复用系统的重要组成部分，为了确保波分复用系统的性能，对波分复用器的基本要求是：对波分复用器的基本要求是： (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/解复用器而产生的附加损耗，定义为该无源器件的

25、输入和输出端口之间的光功率之比，即 其中Pi为发送进输入端口的光功率；Po为从输出端口接收到的光功率。 oiPPlg10(dB) (7.1) (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。 对于解复用器 其中Pi是波长为i的光信号的输入光功率，Pij是波长为i的光信号串入到波长为j信道的光功率。)(lg10dBppCiijij(7.2)(7.3)(lg10dBppRLjr其中Pj为发送进输入端口的光功率，Pr为从同一个输入端口接收到的返回光功率。 (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

26、回的光功率与输入光功率的比，即 (4) 反射系数反射系数 反射系数是指在WDM器件的给定端口的反射光功率Pr与入射光功率Pj之比，即jrppRlg10(7.4) (5) 工作波长范围工作波长范围 工作波长范围是指WDM器件能够按照规定的性能要求工作的波长范围(min到max)。 (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波长间隔。 (7) 偏振相关损耗偏振相关损耗 偏振相关损耗(PDL: Polarizationdependent Loss)是指由于偏振态的变化所造成的插入损耗的最大变化值。 7.2.2 WDM系统的基本结构系统的基本结构 实际的实际的WDM系统主要由五

27、部分组成：系统主要由五部分组成：光发射机、光中继放光发射机、光中继放大、光接收机、光监控信道和网络管理系统大、光接收机、光监控信道和网络管理系统，如下图所示。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 位于WDM系统的发送端。 在发送端首先将来自终端设备(如SDH端机)输出的光信号，利用光转发器光转发器(OTU)把符合ITU-T G.957建议的非特定波长的光信号转换成符合ITU-T G.692建议的具有稳定的特定波长的光信号。 对输入端的信号波长

28、没有特殊要求，可以兼容任意厂家的SDH信号，其输出端满足G.692的光接口，即标准的光波长和满足长距离传输要求的光源；利用合波器合成多路光信号； 通过光功率放大器光功率放大器(BA： Booster Amplifier)放大输出多路光信号。 用掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)对光信号进行中继放大中继放大。 在应用时可根据具体情况， 将EDFA用作“线放线放(LA： Line Amplifier)”, “功放功放(BA)”和“前放前放(PA： Preamplifier)”。 在WDM系统中，对EDFA必须采用增益平坦技术增益平坦技术，使得EDFA对不同波长的光信号具有接近相同的放大增益。

29、与此同时，还要考虑到不同数量的光信道同时工作的各种情况，保证光信道的增益竞争不影响传输性能。 在接收端，光前置放大器光前置放大器(PA)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。 接收机不但要满足一般接收机对光信号灵敏度、过载功率灵敏度、过载功率等参数的要求，还要能承受有一定光噪声的信号，要有足够的电带宽。 光监控信道光监控信道(OSC： Optical Supervisory Channel)的主要功能是：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

30、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、公务字节帧同步字节、公务字节和网管所用的开销字节网管所用的开销字节等都是通过光等都是通过光监控信道来传送的。监控信道来传送的。 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， 实现配配置管理、故障管理、性能管理和安全管理置管理、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：目前国际上已商用的系统有：42.5 Gb/s(10 Gb/s), 82.5 Gb/s(20 Gb/s), 162.5 Gb/s(40 Gb/s

31、), 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：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； 日本日本NEC: 16020 Gb/s=3.2 Tb/s， 利

32、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; 美国美国Lucent Tech: 100路10 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; 美国美国Mciworldcom和加拿大和加拿大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; 美国美国Qtera 和和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