第6章光纤通信新技术解析

7.1光纤放大器7.2光波分复用技术7.3光交换技术7.4光孤子通信7.5相干光通信技术7.6光时分复用技术7.7波长变换技术第7章光纤通信新技术返回主目录第7章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。已经实用化或者有重要应用前景的新技术：（1）光放大技术。代替光-电-光再生中继器。（2）光波分复用技术。扩大网络通信的容量。（3）光交换技术。突破电子线路的极限速率20Gb/s，是实现全光通信的关键技术。（4）光孤子通信。改善色散的影响，实现超长距离传输。（5）相干光通信。提高灵敏度，增加传输距离。（6）光时分复用技术。提高传输速率，扩大传输容量。（7）波长变换技术。扩大WDM网络的灵活性和可扩容性。光放大器的发展历史：（1）1980年以后，首先出现了利用半导体技术的半导体光放大器SOA（SemiconductorOpticalAmplifier）的法布里——泊罗型半导体激光放大器，并开始对行波式半导体激光放大器进行研究。（2）另一方面，随着光纤技术的发展，出现了利用光纤非线性效应的光纤拉曼放大器。（3）1987年，英国南安普敦大学和美国AT&TBell实验室报道了离子态的稀土元素铒在光纤中可以提供1.55μm波长处的光增益，这标志着掺铒光纤放大器（EDFA）的研究取得突破性进展。（4）短短几年时间，EDFA迅速走向实用化，由于光纤放大器的问世，在1990年到1992年不到两年的时间里光纤系统的容量增加了整整一个数量级，而在此之前为达到相同的增长却花费了整整8年时间。这明确表明了光放大器的巨大作用，为光纤通信展现了无限广阔的发展前景。种类：(1)半导体光放大器（SOA）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；缺点是性能与光偏振方向有关，器件与光纤的耦合损耗大。(2)光纤放大器掺铒光纤放大器（EDFA）分布光纤拉曼放大器（DRA）——非线性光纤放大器卓至飞高公司系列光纤放大器：RF-1550-XXI型EDFARF-1550-XX野外型EDFAEDFASOA7.1光纤放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。光纤放大器实际上是把工作物质制作成光纤形状的固体激光器，所以也称为光纤激光器。20世纪80年代末期，波长为1.55μm的掺铒(Er)光纤放大器(EDFA：ErbiumDopedFiberAmplifier)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如图，在掺铒光纤(EDF)中，铒离子(Er3+)有三个能级：其中能级1代表基态，能量最低；能级2是亚稳态，处于中间能级；能级3代表激发态，能量最高。（1）当泵浦(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(1→3)。（2）但是激发态是不稳定的，Er3+很快返回到能级2（无辐射跃迁）。（3）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(2→1)，产生受激辐射光，因而信号光得到放大。从掺铒光纤放大器的工作原理可以看出，光放大是由于泵浦光的能量转换为信号光的结果。为提高放大器增益，应提高对泵浦光的吸收，使基态Er3+尽可能跃迁到激发态，图7.1(b)示出EDFA增益和吸收频谱。波长在1.5μm附近时，吸收和增益最大。图7.2(a)示出输出信号光功率和输入泵浦光功率的关系，由图可见，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60mW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，增益线性增加，增益系数为6.3dB/m。7.1.2图7.3(a)为光纤放大器构成原理图，主要构成部件及功能为：（1）光隔离器：防止反射光影响光放大器的工作稳定性。（2）光耦合器（波分复用器）：把信号光和泵浦光混合起来。（3）掺珥光纤：长约10~100m，Er3+浓度约为25mg/kg。（4）泵浦光源：形成粒子数反转分布。光功率为10~100mW，工作波长为0.98μm。实用光纤放大器外形图及其构成方框图EDFA构成器件的性能选择：EDFA的增益取决于Er3+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。（1）对泵浦光源的基本要求是大功率和长寿命。波长为1480μm的InGaAsP多量子阱(MQW)激光器，输出光功率高达100mW,泵浦光转换为信号光效率在6dB/mW以上。波长为980nm的泵浦光转换效率更高，达10dB/mW，而且噪声较低，是未来发展的方向。（2）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。（3）对光隔离器的作用是它的基本要求是插入损耗小，反射损图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。掺铒光纤越长，饱和度越深。－10.0－40－5.00.05.010.015.020.025.030.035.0－35－30－25－20－15－10－50IIIIIII噪声指数/dB输出光功率/dBm增益/dB输入光功率/dBm增益/dB表7.1列出国外几家公司EDFA商品的技术参数。表7.1掺铒光纤放大器技术参数7.1.3掺铒光纤放大器的优点和应用EDFA有许多优点，并已得到广泛应用。EDFA(1)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，可达0.1dB。(2)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。(3)噪声指数小，一般为4～7dB;用于多信道传输时，隔离度大，无串扰，适用于波分复用系统。(4)频带宽，在1550nm窗口，频带宽度为20～40nm，可进行多信道传输，有利于增加传输容量。如果加上1310nm掺镨光纤放大器(PDFA)，频带可以增加一倍。所以“波分复用+光纤放大器”被认为是充分利用光纤带宽增加传输容量最有效的方法。1550nmEDFA在各种光纤通信系统中得到广泛应用，并取得了良好效果。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。EDFA的应用，归纳起来可以分为三种形式，如图7.5所示。（1）中继放大器（LA）。（2）前置放大器（PA）。（3）后置放大器（BA）。图7.5(a)中继放大器；(b)前置放大器和后置放大器LDPD中继放大器(a)LDPD后置放大器(b)前置放大器光纤半导体光放大器现代光放大器中最早出现的使半导体光放大器（SOA）。它的基本结构、原理和特性与半导体激光器非常相似。它们工作原理都是基于激光半导体介质固有的受激辐射光放大机制，所不同的在于SOA去掉了构成激光振荡的谐振腔，并且SOA使用电流直接激励驱动的。半导体光放大器的优点是尺寸小、频带宽、增益高；但缺点是与光纤的耦合损耗太大、易受环境温度的影响、工作稳定性较差。但半导体光放大器容易集成，适宜同光集成和光电集成电路结合使用。通常光半导体放大器分为两大类：一种是将普通半导体激光器用作光放大器，称为法布里——泊罗（F-P）半导体激光放大器（FPA），另一种是在F-P激光器的两个端面上涂上抗反射膜，以获得宽频、低噪的高输出特性。由于这种放大器是在光行进过程中对光进行放大的，故被称为行波式光放大器。光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器是建立在拉曼放大工作原理之上。所谓拉曼放大实际上是放大器的一个非谐振过程，其放大增益相应仅仅依赖于泵浦波长。因此只要选择合适的泵浦源就可以获得任意波长的拉曼放大。EDFA的出现确实极大的促进了现代光通信系统的发展。但是随着现代光网络进一步发展：（1）一方面EDFA已经不能满足现有系统对超大容量的要求（2）另一方面EDFA也会带来光信号信噪比的不断恶化而不能满足超长距离传输的要求。为此，必须要提出一种既要满足超宽带宽要求，又能满足超低噪声要求的新型光放大器。光纤拉曼放大器（FRA）由于其自身固有的全波段可放大、噪声指数小等特性，成为了新一代放大器的首选。除此之外拉曼放大器还具备另外一个非常突出的优点就是能同其他光放大器（比如EDFA）进行有机结合，通过有机的混合使用可以构成宽带宽、低噪声、增益平坦、高输出功率、响应时间短的混合放大系统。但这种混合放大系统也有对所需泵浦功率较大、对光偏振敏感的缺点。另外由于拉曼放大器的增益较低，从经济性的角度考虑，它不适合单独做功率放大器。因此拉曼放大器特别适合与EDFA相结合作为超长距离WDM系统的功率放大器。这样既能获得较大的增益，又能保证得到较高的光信噪比。7.2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(TDM)技术外，还出现了其他的复用技术，例如光时分复用(OTDM)、光波分复用(WDM)、光频分复用(OFDM)以及副载波复用(SCM)技术。本节主要讲述WDM技术。7.2.11.WDM光波分复用(WDM：WavelengthDivisionMultiplexing)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。其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，简称光波分复用技术。图7.6中心波长在1.3μm和1.55μm的硅光纤低损耗传输窗口(插图表示1.55μm传输窗口的多信道复用)80001.02.03.04.010001200140016001800载波频率信道间隔1~10GHz波长/nm衰减/(dB·km－1)…两个窗口合在一起，总带宽超过30THz。如果信道频率间隔为10GHz，在理想情况下，一根光纤可以容纳3000个信道。光纤的带宽很宽。如图7.6所示，在光纤的两个低损耗传输窗口：波长为1.31μm(1.25～1.35μm)的窗口，相应的带宽(|Δf|=|-Δλc/λ2|,λ和Δλ分别为中心波长和相应的波段宽度，c为真空中光速)为17700GHz；波长为1.55μm(1.50～1.60μm)的窗口，相应的带宽为12500GHz。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(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(DWDM：DenseWavelengthDivisionMultiplexing)。一般波长间隔小于0.8nm。WDM、DWDM和OFDM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1310/1550nm简单复用还是在1550nm波长区段内密集复用。目前，“掺铒光纤放大器(EDFA)+密集波分复用(WDM)+非零色散光纤(NZDSF，即G.655光纤)+光子集成(PIC)”正成为国际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(OXC)，或进行光上下路的光分插复用器(OADM)，则在原来由光纤链路组成的物理层上面