《光纤通信》第七章光纤通信新技术

1第七章光纤通信新技术光纤放大器光波分复用技术光交换光弧子通信2引言光纤通信发展的目标？提高通信能力光纤通信主要的新技术有哪些？光放大、光波分复用、光交换、光弧子通信、相干光通信、光时分复用提高通信质量降低价格37.1光纤放大器光放大器的类型（两种）半导体光放大器优点：体积小、容易与其他半导体器件集成光纤放大器半导体光放大器的优缺点光纤放大器及其优点缺点：①性能与光偏振方向有关②器件与光纤的耦合损耗大即把工作物质制作成光纤形状的固体激光器优点：①性能与光偏振方向无关②器件与光纤的耦合损耗小47.1光纤放大器20世纪80年代末，波长为1550nm的掺铒光纤放大器研制成功并投入实用成为光纤通信发展史一个里程碑57.1光纤放大器一、掺铒光纤放大器（EDFA）的工作原理情况一：EB=E3-E1情况二：EB=E2-E1铒离子跃迁情况：E1E3E3E2铒离子跃迁情况：E2E167.1光纤放大器二、掺铒光纤放大器（EDFA）的构成和特性1、掺铒光纤放大器（EDFA）的构成77.1光纤放大器关键部件：泵浦光源和掺铒光纤不可缺的部件：波分复用器和隔离器各部件的功能及要求：泵浦光源：要求大功率、长寿命掺铒光纤：要求铒离子浓度高波分复用器：用于耦合输入信号光合泵浦光，要求插入损耗小光隔离器：防止光反射，要求插入损耗小，反射损耗大87.1光纤放大器二、掺铒光纤放大器（EDFA）的构成和特性2、掺铒光纤放大器（EDFA）的特性97.1光纤放大器二、掺铒光纤放大器（EDFA）的构成和特性2、掺铒光纤放大器（EDFA）的特性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。当信号光功率增加到一定值(一般为－20dBm)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象107.1光纤放大器三、掺铒光纤放大器（EDFA）的优点和应用1、掺铒光纤放大器（EDFA）的优点工作波长正好落在光纤通信最佳波段(1500～1600nm)；其主体是一段光纤(EDF)，与传输光纤的耦合损耗很小，只有0.1dB。增益高，约为30～40dB;饱和输出光功率大，约为10～15dBm;增益特性与光偏振状态无关。噪声系数小，一般为4～7dB;用于多波长信道传输时，隔离度大，串扰小，适用于波分复用系统。频带宽，在1550nm窗口，频带宽度为20～40nm，可进行多波长信道传输，有利于增加传输容量。117.1光纤放大器三、掺铒光纤放大器（EDFA）的优点和应用2、掺铒光纤放大器（EDFA）的应用中继放大器（LA）：在光纤线路上每隔一定距离设置一个光纤放大器，以延长干线网的传输距离。127.1光纤放大器三、掺铒光纤放大器（EDFA）的优点和应用2、掺铒光纤放大器（EDFA）的应用前置放大器（PA）：置于激光器前面，放大微弱的光信号，以改善接收灵敏度。后置放大器（BA）：置于激光器后面，以提高发射光功率。137.2光波分复用技术复用技术种类：电时分复用技术（TDM）光时分复用技术（OTDM）光波分复用技术（WDM）光频分复用技术（OFDM）副载波复用技术（SCM）147.2.1光波分复用原理一、WDM概念基本工作原理思想：光波分复用技术（WDM）：指在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术。在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用）在光缆线路上多个波长的信号在同一根光纤传输（耦合并传输）在接收端分离出组合光信号（解复用）157.2.1光波分复用原理小知识①一根光纤的带宽计算方法一根光纤可容纳的信道数如何计算？1310波段1550波段2/cf)35.1~25.1(m)60.1~50.1(mGHzf17700GHzf12500②信道间隔距离：10GHz所以理想情况下：一根光纤可容纳3000个信道167.2.1光波分复用原理中心波长在1.3μm和1.55μm的硅光纤低损耗传输窗口177.2.1光波分复用原理二、WDM系统的基本形式主要有两种形式：双纤单向传输187.2.1光波分复用原理二、WDM系统的基本形式主要有两种形式：单纤双向传输197.2.1光波分复用原理三、光波分复用器的性能参数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输入和输出端口之间的光功率之比(dB)lg10oiPP＝发送进输入端口的光功率从输出端口接收到的光功率207.2.1光波分复用原理三、光波分复用器的性能参数窜扰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，隔离度定义为第i个波长光信号窜到i第j个波长信道的光功率第i个波长光信号的输入光功率(dB)lg10iijijPPC　＝－217.2.1光波分复用原理三、光波分复用器的性能参数回波损耗回波损耗是指返回到无源器件输入端口的光功率与输入光功率的比从同一个端口接收到的返回光功率发射进输入端口的光功率(dB)lgRLjrPP＝－227.2.1光波分复用原理三、光波分复用器的性能参数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与入射光功率之比。给定端口接收到的光功率入射光功率(dB)lg10jrPPR＝237.2.2WDM传输系统的基本结构247.2.3WDM技术的主要特点充分利用光纤的巨大带宽资源同时传输多种不同类型的信号节省线路投资降低器件的超高速要求高度的组网灵活性、经济性和可靠性25昊翔2404GM光纤交换机MIE-5210系列自愈环以太网光纤交换机26扫描型半导体光放大器M318104仪器型/模块型半导体光放大器27掺饵光纤放大器OMRON光纤放大器E3X-NA287.2.4光滤波器与光波分复用器用途实物图用来选择波长1、光滤波器297.2.4光滤波器与光波分复用器应用(a)单纯的滤波应用(b)波分复用器中应用(c)波长路由器中应用307.2.4光滤波器与光波分复用器应用波长路由器中应用如果用λij来标记第i输入链路上的波长λj,则路由器的输入端口1上的波长记为λ11、λ12、λ13、λ14,输入端口2上的波长记为λ21、λ22、λ23、λ24。在输入端口1上的波长中，如果λ12和λ13由输出端口1输出，则λ11和λ14由输出端口2输出；在输入端口2上的波长中，如果λ22和λ23由输出端口2输出，则λ21和λ24由输出端口1输出，这样，我们就称路由器交换了波长λ1和λ4。在本例中，波长路由器只有两个输入端口和两个输出端口，每一路上只有4个波长，但是在一般情况下，输入和输出的端口数是N(≥2)，并且每一端口的波长数是W(≥2)。317.2.4光滤波器与光波分复用器2、由波分复用器构成的静态路由器静态路由器动态路由器一个波长路由器的路由方式不随时间变化路由方式随时间变化327.2.4光滤波器与光波分复用器2、由波分复用器构成的静态路由器337.2.4光滤波器与光波分复用器3、对光滤波器的主要要求一个好的光滤波器应有较低的插入损耗，并且损耗应该与输入光的偏振态无关。在大多数系统中，光的偏振态随机变化，如果滤波器的插入损耗与光的偏振有关，则输出光功率将极其不稳定。有较低的插入损耗对温度的变化不敏感一个滤波器的通带应该对温度的变化不敏感。温度系数是指温度每变化1℃的波长漂移。一个WDM系统要求在整个工作温度范围(大约100℃)内，波长漂移应该远小于相邻信道的波长间隔。347.2.4光滤波器与光波分复用器3、对光滤波器的主要要求为了确保在级联的末端还有一个相当宽的通带，单个滤波器的通带传输特性应该是平直的，以便能够容纳激光器波长的微小变化。单个滤波器的通带的平直程度常用1dB带宽来衡量，如下图所示。级联的滤波器越多，系统的通带变得越窄357.3光交换技术三个问题1、为什么在通信网中要进行交换？2、电交换系统是如何进行的？3、光交换系统是在什么情况下提出的？光交换有三种方式：空分、时分、波分367.3.1空分光交换原理：用光开关组成门阵列开关功能：使光信号的传输通路在空间上发生改变(a)2×2光交换单元；(b)平行连接和交叉连接；(c)4×4光交换单元377.3.1时分光交换原理：以时分复用为基础，用时隙互换原理实现交换功能过程：时分复用是把时间划分成帧，每帧划分成N个时隙，并分配给N路信号，再把N路信号复接到一条光纤上。在接收端用分接器恢复各路原始信号387.3.1时分光交换时隙互换：把时分复用帧中各个时隙的信号互换位置时隙互换过程：首先使时分复用信号经过分接器，在同一时间内，分接器每条出线上依次传输某一个时隙的信号；然后使这些信号分别经过不同的光延迟器件，获得不同的延迟时间；最后用复接器把这些信号重新组合起来。397.3.1波分光交换原理：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交换功能(a)波长选择法交换；(b)波长变换法交换407.4光弧子通信四个问题1、什么事光弧子？2、光弧子是如何形成的？3、什么是光弧子通信？其传输距离可达上万千米，甚至几万千米。经光纤长距离传输后，其宽度保持不变的超短光脉冲（ps）。其形成是光纤的群速度色散和非线性效应相互平衡的结果。利用光弧子作为载体的通信方式称为光弧子通信。4、光弧子通信带来的最大利益是什么？417.4光弧子通信传输速率带来不利色散脉冲展宽限制5、如何理解群速度色散和非线性效应相互平衡？置入光纤放大器限制光纤损耗传输距离解决办法引起不利产生噪声解决办法提高传输信号光功率引起不利产生非线性效应脉冲展宽引起不利427.4.2光弧子通信系统的构成和性能(a)光孤子通信系统构成方框图；(b)循环光纤间接光孤子实验系统图437.4.2光弧子通信系统的构成和性能传输速率传输距离光纤线路直接实验系统10Gb/s20Gb/s1000km350km循环光纤间接实验系统2.4Gb/s12000km改进实验系统10Gb/s1000000km零色散波长常规系统2.4Gb/s5Gb/s21000km143000km