光纤通讯系统-器件和网络课件

光纤通信器件、系统和网络内容提要光纤通信发展历程简要回顾光纤通信的最新进展从中国信息通信发展趋势看光纤通信的未来光纤通信的支撑技术1、光纤通信发展历程简要回顾

传输技术的演进模拟信号数字传输：高质、安全、集成……光纤传输：宽带、低损、无电磁干扰、价低……光纤数字传输综合好处→PDH飞速发展PDH的组网缺点→SDH：灵活的组网能力、强大的网管、带宽管理及自愈保护……SDH与PDH均为TDM（时分复用）电子电路限制高速SDH的发展电子瓶颈波分复用（WDM，DWDM）+EDFA扩展传输容量的新手段全光通信网信息高速公路的骨干网为充分利用光子学的宽带性，传输系统的 走向为:

电子型光电混合型全光型。

(1)传统的电传输系统EMUX电端机再生中继再生中继EDMUX电复用电解复用电端机同轴电缆、微波……O/E/O光缆EMUX光发送再生中继再生中继EDMUX电复用电解复用光接收(2)光电混合型光纤传输系统TXEDFAEDFATXTXTXTXTXTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX40km40km40km40km40km40km40km40km40km1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXMUX120km120km120kmWDM+EDFA革新了光纤传输DEM20多年来光纤通信技术在发掘、利用光纤带宽资源，扩展光纤传输能力方面进展神速。（传输能力主要指：通信容量和传输距离）。①在光波长和光纤类型方面 多模光纤单模光纤 短波长800nm长波长1300nm、1550nm

一纤一波一纤多波②在单纤传输容量方面？DWDM及相关技术在90年代中期开始走向成熟并进入商业化应用。AT&T于1996年3月建立了世界上第一条8通道的DWDM系统。AT&T、MCI、Worldcom、Sprint等公司在他们美国境内的90%网络上装上了DWDM系统。1997年-1998年，全球DWDM市场从17亿美元增加到22亿美元，年增长率为32％。系统增加到4000多条，增长率为98%。至2004年市场总额预计为74亿美元。增长率为23%。超长距离（全光无中继）Corvis：160()2.5(Gb/s)3200(km)(Chicago-Seattle)Alcatel:48()10(Gb/s)4000(km)超高密度Nortel、Sycamore：160()10(Gb/s)开始推向商用Lucent:1022()系统已在实验室成功。超大容量Siemens:7.04Tb/s(17640G)50kmNEC:3.2Tb/s(16020G)1500kmDWDM的最新报导7.04(Tb/s)÷64(kb/s/路)=1.1(亿路电话)8kHz我国光纤通信的现状1986年建立了国内第一条光缆干线宁汉光缆1999年建成8纵8横光纤骨干网，覆盖了除台湾外所有省会城市和75％地市。目前，我国长途骨干网的光缆长度达到了17万公里，并经中美、中日、中韩等海缆和欧亚大陆桥光缆与国际光缆网连接。我国总的光缆线路总长度超过100万公里，居世界前列。FLAG－FiberOpticLink aroundtheGlobe架空光缆直埋光缆北京上海至欧洲至日本FLAG至韩国至朝鲜至俄罗斯我国光缆骨干网分布图至东南亚在光纤通信线路建设的同时，果断地将传输技术从正在广泛发展的PDH，跳越式地改用SDH（SynchronousDigitalHierarchy，同步数字系列）。SDH传输技术的优越性有：1、SDH在传输高速信息时，比PDH更经济有效；2、其灵活的组网能力和强大的生存能力增加了网络性能；3、根据ITU-T制定的SDH标准，能构成统一的网络，允许不同厂家设备共用。目前，我国99.8％的国家长途线路均采用SDH，已拥有世界上最大的基于SDH的光纤通信网路。全球通信业务，特别是数据业务急剧增长网络业务量数据年增40%电话年增10%199820002002200420062008年份全球话音和数据业务发展趋势预测用户数速率峰值容量模拟MODEM100万56kb/s56Gb/sADSL100万6Mb/s6Tb/s以太网100万100Mb/s100Tb/sAPON100万155Mb/s155Tb/s接入速率与骨干网容量的关系未来5-10年内，网上的数据业务将超过话音业务（骨干网约3年，全网最有可能7-8年）业务总量将大幅度增加（数百倍）IP业务将最终成为主导的联网协议未来5年内省际干线网带宽将以100%的速度增长。中国网络业务发展趋势超宽带、超高速带来新的技术挑战衰减损耗输入信号输出信号时间时间色散脉冲展宽频率非线性新频率光纤中的损耗、色散和非线性及其对光信号传输的影响。在传输损耗方面，主要是打通1.31.55m窗口。使整个低损耗窗口扩展至1.281.625m，共计345nm，即约43THz。若采用0.4nm（即50GHz）的波长间隔进行WDM，能安排800个信道。光放大器(OA)是WDM成功的关键。随着波长数目的增加，宽带OA成为研究重点，具有很大市场。光放大器类型：掺杂（稀土元素：铒、氟、镨等）光纤放大器,如EDFA半导体光放大器（SOA）受激喇曼光纤放大器随着传输速率的提高，色散成了制约光纤通信系统的主要因素之一。例如G.652光纤

2.5Gbit/s时，>400km 10Gbit/s时，>25km色散位移光纤（DSF,G.653）：将零色散波长移至1550，曾认为是长距离传输的理想光纤。但在加载WDM时，发现光纤非线性（四波混频，FWM）引起信道间串扰，致使系统无法工作。少量的色散有利于FWM的抑制。今后将采用非零色散光纤(NZDF,G.655)。对已铺设的常规光纤(G.652)，采用色散补偿技术，克服色散的影响。1.9281.931.9321.9341.9361.9381.94x101401234567x10-13w1=1.931e14;w2=1.931e14+1e11;w3=1.931e14+2.6e11;w5=1.931e14+3.4e11;L=50km四波混频模拟结果,光纤长度50公里DWDM光纤传输系统色散补偿OMUXODMUXOA光发送光发送光发送λ１λ２λΝ光接收光接收光接收λ１λ２λΝ正色散光纤负色散、大光斑光纤支撑DWDM的器件与子系统自聚焦透镜（SelfocLens）1个周期（Pitch）折射率分布光学不变原理：光束的宽度和发散角的乘积为常数。SelfocLens通过对光束进行扩束，达到准直目的。光纤P/4自聚焦透镜P/4自聚焦透镜光纤单模光纤准直器结构80光纤P/4自聚焦透镜P/4自聚焦透镜光纤单模光纤准直器的应用光波分复用器DEM1234MUX1234波分复用合波器（WDM）/分波器（WDDM）是将不同波长光信号进行组合/分开的器件，是DWDM系统最基本的无源器件。通过它，光纤的频带资源可以得到充分利用。WDM的基本功能是将N个不同波长的光信号合在一起，输入至光纤中去；WDDM则是将N个合在一起的不同波长光信号分开。中心波长：符合ITU-T建议，即WDM系统的技术要求L,200,100GHzGHzf=DL,2,1,0,1.193(THz)nfnfn=D=L,6.1,8.0,52.1552nmnmnmnDD=lll绝对参考e.g.采用EDFA的32波长DWDM系统各信道的频率安排如下：1.192(THz)nfn0.1=L,2,1,0n=,31波分复用器分类：980/1550、1480/1550泵浦/信号波分复用器（全光纤熔融拉锥型）。1310/1550波分复用器（全光纤熔融拉锥型）。1550波段内粗波分复用器（有可能用全光纤熔融拉锥方法实现）。1、粗波分复用器2密集波分复用器DWDM一、干涉滤光膜型波分复用器输入光纤14320(监管信道)干涉滤光膜1—161—1516干涉滤光膜型DWDM的一种工艺方案1—1415二、光栅型波分复用器输入光14321.体光栅型2.光纤光栅型布拉格光栅1—161—151616161—15、161—15、16FBG环形器光纤光栅的应用三、阵列波导光栅型波分复用器(AWG)AWG12341234123412341234123412341234光开关光开关类型1、机械式光开关移动光纤、套管或自聚焦透镜式电磁驱动、压电陶瓷驱动等移动反射镜、透射镜式2、磁光、电光效应式光开关3、集成光学光开关集成光波导光开关（电光、热光）M-Z型光开关MEMS用DWDM+光开关可构成OADM、OXC等光交换系统本节点信息输入光纤1234DEMMUX输出光纤123411223344RXTX1234123412

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3412341234动态交叉连接光开关11光隔离器和环行器Faraday效应：不具有旋光性的材料，在外磁场作用下，使通过它的偏振光的偏振面发生旋转。具有这种效应的材料叫磁光材料。磁光材料引起的光偏振面旋转方向取决于外加磁场，与光的传播方向无关（非互易）。这种效应与材料的固有旋光效应不同，在固有旋光效应材料中，旋转方向取决于光的传播方向，与外加磁场无关(互易)。外加磁场外加磁场Faraday旋磁材料外加磁场外加磁场固有磁光材料磁光材料的光偏转角：l—材料厚度（毫米）H—磁场强度（奥斯忒）V—维尔德常数（度/奥斯忒·毫米）lVH=q光隔离器的原理外加磁场外加磁场450起偏器解偏器偏振无关光隔离器的工艺结构RR(450)FR(450)RR(450)FR(450)oeeeoooePBSRR(450)FR(450)eeooRR(450)FR(450)oeoe端口1端口1端口2端口2端口3反射镜偏振合波器光环行器的原理光环行器的应用啁啾光栅色散补偿TxRxRxTx单纤双向系统波长间插器（InterLeaver）由于光放大器有限的带宽，增加波长数目的有效方法是减少波长间隔。50GHz的WDM/WDDM尚不成熟，而100GHz的干涉滤光膜型WDM/WDDM已经非常成熟。通过波长间插是实现高密集波分复用的有效方法之一。波长间插器的原理12…

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N=100GHz=50GHz掺铒光纤放大器EDFA掺铒光纤放大器原理图输入信号耦合器980/1550nmWDM泵浦光掺铒光纤输出信号光隔离器1.1.2稀土元素（镧系元素）原子序数57—71：镧La、镨Pr、钕Nd、铒Er、镱Yd等。当铒掺入至光纤后，被三重电离：二个外层（6s）和一个内层（4f）电子电离。光学特性主要取决于4f层（5s和5p层为饱和层）掺杂光纤的特性（中心工作波长、带宽等）取决于掺入的杂质，而不是光纤本身。980nm1s10ms15201560nm4I11/24I15/24I13/2EDFA的能带结构和光放大原理1480nm泵浦源的选取0.98mm和1.48mm为无激发态吸收的能带，因而是常用的两个泵浦波长。这两个波长的泵浦源都可用半导体激光器实现。和1.48mm比较，0.98mm属于三能级系统。增益大，泵浦效率高，噪声小（可低至3dB）,是目前光纤放大器的首选泵浦波长。泵浦方式同向泵浦优点：易于实现；

缺点：易饱和，噪声大。反向泵浦优点：不易饱和；噪声较低。双向泵浦优点：优点相结合，光均匀分布，增益也较平稳。工作波长于光纤最小损耗窗口一致，在光纤通信中获得很好的应用。能量转换效率高：激光工作物质集中在光纤芯子中的近轴部分，而信号光和泵浦光也是在光纤的近轴部分最强,使得光与物质的作用很充分。增益高，噪声低，输出功率大。增益特性稳定：EDFA增益对温度不敏感。EDFA的特性波长固定：铒离子能级间的能极差决定了EDFA的工作波长是固定的，只能放大1.55左右波长的光波。增益带宽不平坦：EDFA的增益带宽约40nm，但增益带宽不平坦。在WDM光纤通信系统中需要采取特殊的手段来进行增益谱补偿。EDFA的不足实测的EDFA增益谱特性1.531.541.551.56,(m)增益,dB2010EDFA输入光纤输出光纤EDFA在WDM系统中的应用在长途干线通信中，它可使光信号直接在光域进行放大而无须转换成电信号进行处理，代替了光---电---光中继，使成本降低，设备简化，维护运转方便。用在WDM/DWDM干线系统的EDFA一般称为数字式光纤放大器。此类EDFA需增益均衡。用在CATV中的EDFA称为模拟型光纤放大器，噪声系数是其重要指标。喇曼光纤放大器根据目前发展趋势，必须进一步增加传输容量。可采用的方法有：增加每波长传输速率减少波长间隔，i.e.增加波长数增加总的传输带宽新的光放大器系统。由于EDFA是利用铒离子能级间的受激跃迁实现光放大，因此其中心波长较为固定且带宽有限。光纤喇曼放大器是实现超宽带光放大的有效途径，其好处有：增益介质即为普通传输光纤，与光纤系统具有良好兼容性。中心波长由泵浦波长决定，不受其他因素牵制。增益高、带宽大、噪声系数低、温度稳定性好。受激喇曼散射（SRS）是光纤中的一种非线性现象,它将一部分入射光功率转移到频率比其低（波长比其长）的斯托克斯波上。石英光纤具有很宽的SRS增益谱，最大值所对应的频率比泵浦频率低13.2THz（波长间隔约100nm）1.451.51.551.61.651.71.751.8x10-610-410-310-2wavelength(m)stockspower(W)Ps--lPPumpSignalEDFADistributedAmp.DiscreteAmp.分布式喇曼光纤放大器原理框图EqualizerSRS的阈值功率是一个相对值，它与光纤的材料、结构参数和长度等有关。普通单模光纤的泵浦阈值功率一般在0.5—1W左右。因此任何降低阈值功率，使得普通的大功率半导体激光器能作为泵浦使用，是光纤喇曼放大器实用化的关键。00.511.522.5x10400.050.10.150.20.25length(m)stocksandpumppower(W)P--L泵浦源解决方案：FiberLaser：DCFL，RamanFL。CompactDPSSLDiodePumps组合泵浦供应商：JDS，SDL，SPECTRA-PHYSICS喇曼光纤放大器的关键技术在光纤选择方面，要同时考虑增加SRS效率、减少噪声、形成合理的色散补偿（SiFiber，P-dopedFiber）。不同光纤的SRS谱特性喇曼光纤放大器的噪声特性喇曼光纤放大器与EDFA构成超宽带放大器可用多个不同波长的泵浦同时激励，实现更大的放大带宽；泵浦波长应进行优化设计。喇曼光纤放大器中泵浦与泵浦之间、泵浦与信号、信号与信号之间的相互作用需进行深入研究，以便获得良好的放大性能。随着DWDM技术的发展，喇曼光纤放大器将成为一个重要的部件（Subsystem），具有广阔市场。某些器件的突破（高功率半导体泵浦光源、高效SRS光纤、DCF）成为喇曼光纤放大器能否尽早进入市场的关键。在推向实用化之前，还有很多技术和工艺问题需要解决。半导体光放大器和波长转换器SOA:SemiconductorOptical Amplifier无光学谐振腔的半导体LD，在驱动电流作用下，形成布居反转，通过受激辐射产生光放大。SOA的中心波长与材料、器件结构有关。工作原理

用于光纤传输系统(1310nm或其它波长)

—需解决耦合、偏振相关等问题。用于PIC(PhotonicIntegratedCircuits)

—laser/EAarray(含StarCoupler), AWG(arrayedWaveguidegrating), Detectorarray等。温度稳定性：可采用量子阱结构。原理：有泵浦—通，无泵浦—断唯一的高速光开关，能实现光数据包交换。(基于光纤的放大器载流子的寿命通常较大,因而无法实现高速切换)SOA光门SOA1SOA2延迟线在多波长DWDM光网络中，采用波长转换可解决阻塞问题，增加灵活性，扩大容量（与固定波长相比）SOA波长转换器的主要特性高输出信噪比（允许级联）输出功率适中（约0dBm）输入/输出波长间隔大比特率透明能实现同一波长转换SOA波长转换器有基于XGM、XPM和FWM等SOA波长转换器原理：由于增益饱和作用，输入的AM调制 信号实际上调制了SOA的增益， 从而使另一束CW光的输出幅度产生 相应变 化。XGM波长转换器输入光功率增益SOACWCSCSOACWSCC同向反向SOA波长转换器原理SOA波长转换器的带宽 由于该类波长转换器(XGM/XPM)均为带内复合，因此转换速率与