《光纤通信》第七章讲课提纲

1、光纤通信第七章光纤通信新技术讲课提纲浙江传媒学院 陈柏年一、光纤放大器（一）光放大器1、光放大器：一种不经过任何光电、电光的内部转换而直接放大光信号的放大器。2、光放大器的原理：受激辐射或受激散射效应。3、光放大器的分类：（1）半导体激光放大器（SOA）：基于半导体激光器原理的一种没有反馈的半导体行波光放大器；如法布里珀罗放大器FPA和非谐振的行波放大器TWA。（2）掺杂光纤放大器：利用稀土金属离子作为激光工作物质的一种放大器；如掺铒光纤放大器EDFA。（3）传输光纤放大器：根据光纤中的非线性效应制成的光放大器；如光纤拉曼放大器。（二）掺铒光纤放大器1、掺铒光纤放大器EDFA：基于掺铒光纤中亚

2、稳态粒子受激辐射的光纤放大器。2、掺铒光纤放大器实质：将掺杂光纤制作成激光器工作物质的固体激光器，也就是光纤激光器。3、EDFA工作原理：（1）当泵浦光射入时，铒离子吸收泵浦光能量，光子直接激励电子，电子由E1（基态能带）向高能带E3（泵浦能带）跃迁，并迅速以非辐射跃迁的形式由激发态返回至亚稳态E2（受激辐射能带），实现粒子数反转。（2）当具有1550nm波长的光信号通过掺铒光纤时，亚稳态E2的粒子以受激辐射的形式跃迁到基态E1，并产生出和入射光信号中的光子一样的光子，实现信号光在掺铒光纤中的放大。4、EDFA放大的实质：能量转换器，将泵浦光的能量转换为信号光的能量。5、EDFA基本组成：（1

3、）掺杂光纤（EDF）：激光器工作物质；（2）一个或多个泵浦光源：提供能量将电子由E1抽运至E3；（3）波分复用器：将泵浦光和信号光耦合在一起；（4）光隔离器：确保光的定向传输，防止光的反射。6、EDFA三种结构：（1）同向泵浦结构：泵浦光与信号光沿同一方向注入光纤。（2）反向泵浦结构：泵浦光与信号光沿不同方向注入光纤。（3）双向泵浦结构：泵浦光从两个方向注入光纤。7、EDFA特性参数：（1）增益特性：输出功率分贝值-输入功率分贝值。EDFA的泵浦功率小时，输出光功率增加很快；随着泵浦功率增大，放大器增益出现饱和，即泵浦功率增加很多，而增益基本保持不变。（2）带宽特性：放大波长区域为153015

4、60nm，约30nm。（3）噪声特性：可用噪声系数（F）来度量，噪声系数定义为EDFA的输入信噪比与输出信噪比的比值。8、EDFA主要优点：（1）工作波长与光纤最小损耗窗口一致。（2）增益高，饱和输出光功率为1015 dBm；增益特性不敏感，与光偏振状态无关。（3）噪声低，F 47 dB;适用于波分复用系统。（4）频带宽，频带宽度2040 nm，可进行多信道透明传输，有利于增加传输容量。9、EDFA应用形式：（1）中继放大器（LA）：延长干线的传距。（2）前置放大器（PA）：光接收机之前，放大微弱的光信号，对噪声要求苛刻。（3）后置放大器（BA）：在光发射机后，饱和输出功率是主要参数。二、光波

5、分复用技术（一）光波的多信道复用1、多信道复用技术：为提高光纤线路的利用率，在同一光纤线路上同时传输多路不同信号而互不干扰的技术。2、多信道复用种类：光时分复用（OTDM）、光码分复用（OCDM）、副载波复用（SCM）、空分复用（SDM）、光波分复用（WDM）。（二）光波分复用的基本原理1、波分复用WDM（1）WDM基本概念：划分光波信道，发送端合波，接收端分波。在发送端将不同波长的光信号复用起来，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。（2）WDM基本思想：将工作波长略微不同、各自携带了不同信息的多个

6、光源发出的光信号，一起注入到同一根光纤中进行传输。2、WDM的分类：（1）稀疏波分复用CWDM：波长间隔10100nm。（2）密集波分复用DWDM：波长间隔110nm。（3）光频分复用OFDM（超密集波分复用）：波长间隔1 nm。国际长途高速光纤通信线路的主要技术方向：掺铒光纤放大器（EDFA）+密集波分复用（DWDM）+非零色散光纤（NZDSF，即G.655光纤）+光子集成（PIC）”。3、WDM的两种工作形式（1）双纤单向传输：用一对光纤，在每一根光纤中光单向传输。不同波长的光信号都在单独一根光纤中沿同一方向进行传输的系统结构方式。（2）单纤双向传输：只用一根光纤，多个波长的信号可以在两个

7、方向上同时传播。光通道在一根光纤上实现两个方向信号的同时传输。4、WDM中间设备 （1）光分插复用器（OADM）：在光域实现支路信号的分插和复用，可以看成OXC结构的功能简化。（2）光交叉连接器（OXC）：一种兼有复用、配线、保护/恢复、监控和网管的多功能OTN传输设备，使各波长光信号进行合波和分波，实现光信息的上下通道与路由分配。5、光波分复用器的性能参数（1）插入损耗：输入和输出端口之间的光功率之比的分贝值。插入损耗（dB）=标称波长信号输入功率（dBm）-标称波长信号输出功率（dBm）（2）信道隔离度（串扰抑制度）：Cij（dB）= 波长为i的光信号的输入信号功率Pi（dBm）-i的光信

8、号串入波长为j信道输出端的光功率Pij（dBm）。（3）回波损耗：RL（dB）=j信道输入端口的光功率Pj（dBm）-j信道输入端口返回的光功率Pr（dBm）。（4）反射系数：R（dB）=给定端口入射光功率Pj（dBm）-反射光功率Pr（dBm）。（5）工作波长范围：WDM器件能够按照规定的性能要求工作的波长范围（min到max）。目前波分复用的波长范围：15301565nm。（6）信道宽度：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（PDL）：由于偏振态的变化所造成的插入损耗的最大变化值。（三）WDM传输系统结构1、光发送机：利用光转发器（OTU）将非特定波长的光信号转换成特

9、定波长的光信号；利用合波器合成一路，经后置功率放大器（BA）输出多通道光信号。2、光中继放大：使用EDFA（LA）对多通道光信号中继放大。3、光接收机：经前置放大器（PA）放大；由分波器分出特定波长光信号。4、光监控信道：监控系统内各信道的传输情况。5、网络管理系统：利用开销字节对WDM系统管理，实现配置管理、故障管理、性能管理、安全管理。（四）WDM主要特点1、充分利用光纤的巨大带宽资源。2、同时传输多种不同类型的信号。3、节省线路投资。4、降低器件的超高速要求。5、高度的组网灵活性、 经济性和可靠性。（五）光滤波器与光波分复用器1、光滤波器的三种应用：（1）单纯滤波：从多个波长复合光中选择

10、指定光波长光输出。（2）波分复用/解复用器：具有波长选择性、用来实现多路光信号的合路与分路、WDM系统的关键器件。（3）波长路由器：将N个输入端口的W个波长的复合光重新组合在N个输出端口输出，实现波长变换的选择路由功能。静态波长路由器：可以用波分复用器来构成，原理是通过输入解复用和重新复用组合输出实现光纤上复合光波长的变换。波长分插复用器（WADM）：三端口波长路由器（一个输入端口、一个输出端口、一个用于分插波长的本地端口）。2、光滤波器的主要要求：（1）插入损耗较低，且与输入光的偏振态无关。（2）通带对温度变化不敏感。（3）单个滤波器通带传输特性平直（常用1dB带宽来衡量），能够容纳激光器波

11、长的微小变化。3、波分复用器分类：（1）熔融光纤型波分复用器。（2）介质薄膜干涉滤波器型波分复用器。（3）光栅型波分复用器。（4）阵列波导光栅型波分复用器。4、波分复用器性能指标（1）插入损耗（dB）=标称波长信号输入功率（dBm）-标称波长信号输出功率（dBm）（2）信道隔离度（ dB）= i输出端标称波长信号功率（dBm）- j输出端标称波长信号功率（dBm）（3）通带特性：波分复用器解复用器分配给某输出端口的光波波长范围。5、光栅（Grating）（1）光栅定义：利用多缝衍射原理使复合光分解为单色光的光学器件。当复合光通过光栅后，不同波长单色光的谱线在不同的像面位置出现而形成光谱。光通过

12、光栅形成光谱是单缝衍射和多缝干涉的共同结果，可用光栅方程描述。在WDM系统中广泛地用于将复合光分离为不同波长的单色光，如解复用器。 （2）光栅分类：按所用光是透射还是反射分为透射光栅、反射光栅；按形状又分为平面光栅和凹面光栅；此外还有全息光栅、正交光栅、相光栅、炫耀光栅、阶梯光栅等。6、布拉格光栅（Bragg Grating）：传输媒质周期性微扰形成满足反射光干涉加强条件（布拉格公式2dsin=k，掠射角称为布拉格角）的多缝衍射光栅。可应用于DFBLD、光滤波器、光分插复用器和色散补偿器。反射峰值波长即为布喇格波长B =2neff。7、光纤光栅：一段折射率沿长度呈周期性变化的光纤；光纤纤芯折射

13、率受到永久的周期性微扰而形成的一种光纤无源器件。利用光纤材料的光敏性，在纤芯内形成空间相位光栅，实质是一个窄带的（投射或反射）滤光器或反射镜。（1）光纤布拉格光栅（FBG）：一小段几毫米的短周期光纤光栅（光栅周期1m），也称反射光栅，基本特性表现为具有选频效应的窄带光学滤波器。FBG能够把某个方向传输的芯模能量耦合给反方向传输的芯模，形成在谐振波长附近一定带宽的能量反射；当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。输入1、2、 3 、4 ，右边输出滤除2，构成带阻滤波器；左边收集反射2，构成窄带的带通滤波器。（2）长周期光纤光栅（LPG

14、）：光栅折射率变化周期较长（一般光栅周期为100微米量级），能够实现芯模与同一方向传播的包层模的耦合（将一定波长范围内入射光前向传播纤芯内导模耦合到包层模）并被光纤涂覆层吸收而迅速消耗掉，从而形成一定带宽的能量损耗，且不存在反射，基本特性表现为一个带阻滤波器，带阻宽度一般为十几到几十纳米。透射谐振光的波长（n纤芯n包层）。8、法布里-珀罗滤波器（FP干涉仪）：由两块平行放置的高反射率镜面形成腔体、并利用多光束干涉光波同相相加原理光滤波器。功率传递函数TFP（f）与是光频率f的周期函数，改变腔的长度或改变腔内介质的折射率就可以选择不同的传输波长。反射率R越大，相邻信道的隔离就越好。9、多层介质薄

15、膜滤波器（薄膜谐振腔滤波器）：一种在玻璃衬底上（或玻璃陶瓷衬底上），采用多层反射介质薄膜组成多个谐振腔实现对某一波长范围的光呈现带通，而对其它波长呈带阻的光滤波器。通过光波长由腔的长度决定，与单腔相比，通带顶部更加平坦，边缘更为尖锐，可用作窄带带通滤波器，腔的数目越多，响应谱曲线越接近矩形，滤波器性能越好。多个级联后，可以做成波分复用器。10、马赫-曾德尔干涉仪（MZI）：用两个3 dB定向耦合器来连接两条不同长度的干涉路径（信号臂L1和参考臂L2的路程差为L），由相位条件决定不同光波长输出的光学装置。可用于滤波器（单个MZ I为宽带滤波器，多级级连MZ I为窄带滤波器）和波分复用器。11、阵

16、列波导光栅（AWG）: 以光集成技术为基础的多波长光信号分路或合路平面波导型器件，是MZI的推广和一般形式。由输入波导、输出波导、波导阵列光栅及两个平面耦合波导组成。输入耦合器将同一输入信号分成若干路信号，分别经历不同的相移后又将它们合在一起输出，它们之间的相对相位由从输入波导到阵列波导在输入耦合器中传输的距离来决定，阵列波导长度差所产生的作用和光栅所起的作用相同，通过合理设计AWG的形状、间距、输入输出平面波导的位置、间距，即可实现多波长光信号的分路；同样可实现对多端口输入的多个波长信号的合路。可用作n1波分复用器和1n波分解复用器。12、声光可调谐滤波器（AOTF）：根据声光衍射原理制成的

17、一种能够同时选择多个波长的可调谐滤波器；换能器将RF驱动电信号（一般约为几十兆赫至二百兆赫之间）转换为在晶体内的超声波振动，超声波产生了空间周期性的调制，其作用像衍射光栅，当入射光照射到此光栅后将产生布喇格衍射，其衍射光波长与高频驱动电信号的频率有着一一对应的关系。只要改变RF驱动信号的频率，即可改变衍射光的波长，进而达到了分光的目的。可用来构造波长路由器。三、光交换技术（一）光交换技术概要1、光交换技术定义：不经过任何光/电转换，在光域直接将输入光信号交换到不同的输出端的技术。2、光交换技术分类：（1）光路光交换：已经实用化，可利用OADM、OXC等设备来实现，所涉及的技术有空分交换技术、时

18、分交换技术、波分/频分交换技术、码分交换技术和复合型交换技术。（2）分组光交换：对光部件的性能要求更高，国际上现有的分组光交换单元还要由电信号来控制，即所谓的电控光交换。随着光器件技术的发展，光交换技术的最终发展趋势将是光控光交换。所涉及的技术主要包括光分组交换技术，光突发交换技术，光标记分组交换技术，光子时隙路由技术等。（二）空分光交换1、空分光交换功能：交换空间域上的光信号，使光信号的传输通路在空间上发生改变。2、空分光交换核心器件：空间光开关，将光交换元件组成门阵列开关，可以在多路输入与多路输出的光纤中任意的建立通路。光开关有电光型、声光型和磁光型等多种类型，其中电光型光开关具有开关速度

19、快、串扰小和结构紧凑等优点，有很好的应用前景。（三）时分光交换1、时分复用：把时间划分成帧，每帧划分成N个时隙，并分配给N路信号，将一个基带信道拟合为高速的光数据流进行传输，在接收端用分接器恢复各路原始信号。2、时分光交换功能：以时分复用为基础，用时隙互换原理将时分复用帧中各个时隙的信号互换位置。3、空分光交换核心器件：时隙交换器，使用较多的是光纤延时线。将时分复用的光路信号输入到光分路器中，使得其每条输出通路上都只有某个相同时隙的光信号，然后将这些经过不同光延时线的信号组合起来，经过了不同延时线的信号获得了不同的时间延迟，最后用复接器把这些信号重新组合起来，完成时分交换。（四）波分光交换（交

20、叉连接）1、波分光交换功能：以波分复用原理为基础，采用波长选择或波长变换的方法实现光交换。2、波分光交换核心器件：波分交换机，一般由分波器空分交换器合波器组成。（1）波长选择法交换：每条光纤输入的光信号通过分波器分为W个波长不同的信号。所有N路输入的波长为i（i=1,2,W）的信号都送到i空分交换器，进行同一波长N路（空分）信号的交叉连接，然后以W个空分交换器输出的不同波长的信号再通过合波器复接到输出光纤上。（2）波长变换法交换：用同一个NWNW空分交换器处理NW路信号的交叉连接，在空分交换器的输出必须加上波长变换器，然后进行波分复接。四、光孤子通信（一）光孤子通信概要1、光孤子（Solito

21、n）：又称孤立波，是一种在传播过程中形状、幅度和速度都维持不变的特殊形式的超短光脉冲（ps数量级）。2、光孤子通信：利用光孤子作为载体的通信方式，是一种全光非线性通信方案。3、光孤子通信特点：（1）容量大：传输码率一般可达20Gbps，最高可达100Gbps以上；（2）误码率低、抗干扰能力强：光孤子传输的误码率大大低于常规光纤通信，甚至可实现误码率低于1012的无差错光纤通信；（3）无需中继站：只要对光纤损耗进行增益补偿，即可将光信号无畸变地传输极远距离。（二）光孤子的形成1、光孤子技术背景（1）色散使光脉冲逐渐展宽：光纤通信中，限制传输距离和传输容量的主要原因是“损耗”（使光信号在传输时能量

22、不断减弱）和“色散”（使光脉冲在传输中逐渐展宽，使得信号畸变失真）。随着光纤制造技术的发展，光纤的损耗已经降低到接近理论极限值的程度，色散问题就成为实现超长距离和超大容量光纤通信的主要问题。（2）非线性使脉冲受到压缩变窄：光纤的非线性特性在光的强度变化时使频率发生变化，从而使传播速度变化。这种变化使光脉冲后沿的频率变高、传播速度变快；光脉冲前沿的频率变低、传播速度变慢。造成脉冲后沿比前沿运动快，从而使光脉冲产生压缩变窄。（3）光孤子形成基本思路：如果有办法使光脉冲变宽和变窄这两种效应正好互相抵消，光脉冲就会像一个一个孤立的粒子那样形成光孤子，能在光纤传输中保持不变，实现超长距离、超大容量的通信

23、。2、光孤子形成机理（1）光纤群速度色散（GVD）：光脉冲中不同频率的分量以不同的速度进行传播，导致脉冲的分散的现象。零色散波长d=1310nm，d称为反常色散区，PS，零差检测接收光功率可以放大几个数量级。虽然噪声也增加了，但灵敏度仍然可以大幅度提高。技术非常复杂，因为相位变化非常灵敏，必须控制相位，使S-L保持不变，同时要求L和S相等。（2）外差检测：LS，即IF =S -L0。接收光功率放大了，提高了灵敏度。外差检测信噪比的改善比零差检测低3dB，接收机设计相对简单，不需要相位锁定。（三）调制和解调1、调制方式：（1）模拟信号三种调制方式：幅度调制（AM）、频率调制（FM）和相位调制（P

24、M）。（2）数字信号三种调制方式：幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。2、光接收机的性能：（1）信噪比：外差检测的信噪比SNR=2NP；零差检测的信噪比SNR=4NP（为光检测器量子效率，NP为每比特时间内的光子数）。（2） 误码率（BER）：可以由信噪比（SNR）确定，对于具体调制和解制方式可查表。（3）灵敏度：在相干检测中，通常用每比特光子数NP表示，对于具体调制和解制方式可查表。3、相干光系统主要优点：（1）灵敏度高，中继距离长。（2）选择性好，通信容量大。（3）具有多种调制方式，利于灵活的工程应用。六、光时分复用技术（OTDM）（一）光时分复用概要1、发展背景：

25、（1）在目前的光纤通信系统中，网络的各个节点要经过多次的光-电、电-光变换，电子器件在适应高速、大容量的需求方面存在诸多缺点（如带宽限制、时钟偏移、严重串话、高功耗等），由此产生通信网中的“电子瓶颈”现象。（2）为满足人们对信息的大量需求，将来的网络必将是采用全光交换和全光路由的全光网络，而光时分复用（OTDM）解决了“电子瓶颈”问题，同时也大大降低了成本，被认为是长远的网络技术，作为将来的全光网络技术方案更具吸引力。2、基本原理：将多个高速调制光信号转换为等速率光信号，然后放在光发射器里利用超窄光脉冲进行时域复用，将其调制为更高速率的光信号然后再放到光纤里进行传输。在同一光载波波长上，把时间

26、分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的），然后根据一定的时隙分配原则，使每个ONU在每帧内只能按指定的时隙向上行信道发送信号，在满足定时和同步的条件下，光交换网络可以分别在各个时隙中接收到各ONU的信号而不混扰。（二）光时分复用主要优点1、可简单地接入极高的线路速率（高达几百Gbit/s）；2、支路数据可具有任意速率等级，和现在的技术（如SDH）兼容；3、由于是单波长传输，大大简化了放大器级联管理和色散管理；4、虽然网络的总速率很高，但在网络节点，电子器件只需以本地的低数据速率工作；5、OTDM和WDM的结合可支撑未来超高速光通信网的实现。（三）光时分复用系统1、三个组成部分：（1）光发射部分，（2）传输线路，（3）接收部分。2、光发射部分：主要由超窄脉冲光源及光时分复用器组成。3、接收部分：主要包括光时钟提取、解复用器及低速率光接收机。4、传输线路：主要由光纤链路和EDFA组成。5、系统框图（