第7章_光纤通信新技术

第7章光纤通信新技术第7章光纤通信新技术7.1光放大技术7.2光波分复用和时分复用技术7.3光交换技术7.4光孤子通信技术7.5相干光通信技术7.6波长变换技术第7章光纤通信新技术WDM技术第7章光纤通信新技术第一节、多信道复用技术光纤通信最大的特点是高的带宽，可以通过以下几种方式实现光信号的复用：1、光时分复用（OTDM）2、光波分复用（WDM）3、光空分复用（OSDM）4、光码分复用（OCDMA）6、副载波复用（SCM）5、光频分复用（OFDM）第7章光纤通信新技术一、光空分复用（OSDM）多条光纤的复用：利用现有的光纤管道，加缚更多的光纤。方法简单，成本高。在一根光纤中实现空分复用，即对于光纤的纤芯区域光束的空间分割。一条光纤的复用：技术难度大。地下管道单根光纤空间光信道第7章光纤通信新技术二、光时分复用（OTDM）用多个电信道信号调制具有同一个光频的不同光时隙，经复用后在同一根光纤传输。超窄光脉冲发生器光分路器外调制器10G电TDM信号光合路器解复用器10G克服了电子瓶径对电TDM中SDH的速率限制。但对光器件的要求太高。第7章光纤通信新技术三、光码分复用（OCDMA）系统给每个用户分配一个唯一的光正交码的码字作为该用户的地址码。在发送端，对要传输的数据该地址码进行光正交编码，然后实现信道复用；在接收端，用与发端相同的地址码进行光正交解码。编码器正交码1数据信号1编码器正交码2数据信号2编码器正交码3数据信号3光方向耦合器光方向耦合器解码器解码器解码器正交码1数据信号1数据信号2正交码2数据信号3在OTDM和WDM的基础上进一步提高光纤通信的带宽，但仍处于实验阶段。第7章光纤通信新技术四、波分复用（WDM）在同一个光纤同时传输多个波长的光信号的复用方式。合波器λ1λ2λ3分波器λ1λ2λ3技术成熟，实用化第7章光纤通信新技术五、光频分复用技术（OFDM）本质上与波分复用无分别，只是波长的间隔要更小，我们把波长间隔小于1nm的分波技术叫做OFMD，反之叫做WDM。。复用路数更多，但对器件的要求更高。第7章光纤通信新技术六、副载波复用（SCM—subcarriermultiplexing）将多个低频的模拟基带信号用不同射频信号去调制，然后混频后再驱动光源，以光的形式发送出去。放大放大放大频道1频道2频道3调制调制调制Rf1Rf2Rf3BPFBPFBPF微波合成电路宽放光源发送框图驱动电路fs1fs2fs3第7章光纤通信新技术光检测器宽放微波分离电路解调器解调器解调器LPFLPFLPFfs1fs2fs3频道1频道2频道3接收框图技术成熟，应用于光纤CATV系统。第7章光纤通信新技术第二节、波分复用原理1、波分复用的理论依据常用窗口1310nm附近：通信带宽17700GHz1550nm附近:通信带宽12500GHz30THz的带宽信道间隔10GHz3000个信道第7章光纤通信新技术2、波分复用的分类按信道间的间隔分：宽波分复用（WWDM）：信道间隔≧100nm(已淘汰)粗波分复用（CWDM）：信道间隔在20nm-10nm之间，复用窗口1310/1550nm.(尚未发展起来)密集波分复用（DWDM）:信道间隔在1-10nm，复用窗口在1550nm.(广泛使用，因此可用WDM代指密集波分复用)第7章光纤通信新技术3、WDM的实现方式国际上高速光纤通信的发展趋势是：EDFA+DWDM+NZDSF+PICEDFA：对光信号进行放大，工作频段在1550nm的窗口附近，与DWDM的工作窗口相匹配。NZDSF：非零色散位移光纤，可以克服DWDM中由于复用信道数目多带来的四波混频效应。PIC：将功能不同的若干光器件通过波导互联和材料生长技术，优化集成在一个芯片上。第7章光纤通信新技术4、WDM系统的基本形式WDM的关键部件：光波分复用器（合波器）：将不同波长的光信号混合在一起送入同一根光纤中传输。光解复用器（分波器）：将一根光纤中传来的多波长信号按波长进行分离。WDM应用的几种形式：（1）双纤单向传输：两套设备，两根光纤光发射机光发射机复用器解复用器光接收机光接收机光接收机光接收机解复用器复用器光发送机光发送机λ1λnλ1λnλnλ1λnλ1λnλ1EDFAEFDA第7章光纤通信新技术(2)单纤双向传输：只需一根光纤，大大降低成本。光发送机光发送机光接收机光接收机复用器/解复用器EDFA复用器/解复用器光接收机光接收机光发送机光发送机λ1λnλ1λnλ1+nλn+nλ1+nλn+n第7章光纤通信新技术第三节、WDM系统的结构与特点一、WDM系统组成图光转发器光转发器合波器BA光监控信道发送器LA光监控信道的接收与发送光监控信道接收器PA分波器光转发器光转发器网管第7章光纤通信新技术二、WDM设备的分类1、集成式WDM系统光接口与其他设备必须一致，不能兼容其他设备。2、开放式WDM设备能兼容其他厂家的设备第7章光纤通信新技术三、WDM的特点1、充分利用光纤的带宽2、对信号透明3、经济、灵活、方便4、降低对器件的要求第7章光纤通信新技术第四节、光滤波器和光波分复用器一、光滤波器的应用（一）单纯的滤波作用：只允许一路特定波长的光通过。λ1λ4λ2λ3λ1λ2λ3λ4光滤波器与光波分复用器密切相关，有时也用做波分复用器第7章光纤通信新技术（二）波长的复用和解复用中λ2λ3λ4λ1λ1λ4λ2λ3合波作用λ1λ4λ2λ3λ2λ3λ4λ1分波作用第7章光纤通信新技术（三）在波长路由中的应用λ1λ2λ4λ3λ1λ3λ2λ4第7章光纤通信新技术二、常用光滤波器的原理（一）光纤布拉格光栅（FBG）原理：基于光的干涉效应制造原理：在光纤的二氧化硅中加入具有光敏特性的锗，用紫外线照射使之折射滤呈现周期分布的光栅。（见板书）滤波原理：（见板书）第7章光纤通信新技术光纤布拉格光栅的作用：（1）滤波λ1λ2λ3λ4λ3λ1λ2λ4第7章光纤通信新技术（2）作光分插复用(OADM)λ1λ2λ3λ4λ3λ1λ2λ4λ3λ1λ2λ3λ4第7章光纤通信新技术(3)色散补偿作用啁啾光纤：使光纤结距呈线形变化的光纤短波长长波长长波长短波长第7章光纤通信新技术（二）法布里-珀罗滤波器（F-P）M1M2满足一定的相位条件的光发生光的加强干涉其他波长的光发生相消干涉第7章光纤通信新技术（三）M-Z干涉仪λ1λ2LL+△Lλ1λ2M-Z干涉仪可以通过改变通道折射率实现滤波的可调性。M-Z级联实现多级滤波：λ1λ8λ1λ3λ7λ5λ8λ6λ4λ2λ1λ3λ5λ7λ2λ4λ6λ8λ1λ3λ5λ7λ2λ4λ6λ8第7章光纤通信新技术三、常用光波分复用器（1）棱镜型波分复用器可以完成分光和合光作用λ1λ2第7章光纤通信新技术（二）衍射光栅型波分复用器λ2λ1λ3λ1λ2λ3++第7章光纤通信新技术（三）阵列波导光栅型波分复用器（AWG）第7章光纤通信新技术（四）光纤熔锥型波分复用器第7章光纤通信新技术四、波分复用的主要参数（1）插入损耗a=10Lg(Pout/Pin)(dB)(2)串扰抑制度Cij=-10Lg(Pij/Pi)(dB)(3)回波损耗RL=-10LPr/Pj)(dB)(4)工作波长当前DWDM系统的工作波长在1530-1565nm第7章光纤通信新技术第7章光纤通信新技术第一节、概述一、传统放大技术的缺陷放大整形判决再生O/EE/O缺点：1、设备复杂。2、稳定性可靠性不够。3、不利于波分复用。4、光电转换限制通信的容量。未来全光网络（AON）的发展趋势：光复用、光交换、光路由，所以必须在光传输上实现全光化。光放大器：直接在光域进行放大。第7章光纤通信新技术二、常用光放大器及其工作波段3、掺铒光纤放大器（EDFA）4、掺镨光纤放大器（PDFA）2、光纤拉曼放大器（FRA）1、半导体放大器（SOA）损耗1310nm1550nm波长SOAFRAEDFAPDFA第7章光纤通信新技术三、常用光放大器的结构图耦合器件激活物质耦合器件泵浦源光输入信号放大光信号第7章光纤通信新技术第二节半导体光放大器一、工作原理：在电泵浦源的作用下，半导体材料发生粒子数反转，当遇到外来光子激励时，产生受激辐射，对光的能量进行放大。二、放大波段：1300nm-1600nm三、优点：1、覆盖1310nm和1550nm的窗口范围。2、充分利用激光器技术，工艺成熟，便于集成。四、缺点：1、与光纤耦合困难。2、对光的偏振特性敏感。3、噪声及串扰大。第7章光纤通信新技术利用光泵浦源对光纤进行激发，使光纤中产生非线性效应（拉曼散射），将泵浦光的能量向信号光转移，从而实现光的放大。第三节、拉曼放大器一、工作原理：拉曼散射：介质在强光功率下产生对入射光的非弹性散射，使得短波长光的的能量向长波长转移。λλ二、放大波段1270nm-1670nm三、优点1、输出光功率大，工作稳定2、噪声特性好，耦合容易四、缺点光纤长度过大，于偏振态有关第7章光纤通信新技术三、结构图与能带图光波长耦合器泵浦光λ1信号光λ2λ1λ2+滤波器放大信号光λ2λ1λ2hν1hν2泵浦光信号光振动态光声子第7章光纤通信新技术一、什么是掺铒光纤放大器工作波长：１５３０nm～１５６０nm第四节、掺铒光纤放大器ＥＤＦＡ是在石英光纤中掺入Er元素，在泵浦光的激励下，对特定波长的信号光进行放大。二、优点（1）工作波长与光纤的最小窗口和目前的波分窗口相对应。（2）耦合效率高。（3）增益与偏振态无关。（5）增益高、噪声小，输出功率大。（4）所需的泵浦功率小。三、缺点（1）放大波长范围窄。（2）增益带宽不平坦。第7章光纤通信新技术四、工作原理Ｅ１Ｅ２Ｅ３能量基态泵浦光亚稳态激发态受激吸收无辐射跃迁输入光信号受激辐射输出光放大信号光声子在泵浦光源的激励下，掺铒光纤基级上的电子产生受激吸收被激发到到高的激发能级上，继而马上下降到稍低的亚稳态级，与基级形成粒子数反转分布，当信号光满足hν=Eg时，将产生受激辐射激发同频同偏振方向的光子，从而对光产生放大。第7章光纤通信新技术五、ＥＤＦＡ的基本结构及功能合波器光滤波器泵浦光源ＥＤＦ（掺铒光纤）信号光光隔离器光隔离器放大的信号光将输入光信号和泵浦光混合在一起送给ＥＤＦ输出一个较短波长的激光为ＥＤＦ提供激励防止反射光影响光放大器的工作稳定性。提供能产生粒子数反转的工作物质，放大光信号。清除放大器的噪声，提高系统的信噪比第7章光纤通信新技术六、ＥＤＦＡ的三种结构方式１、同向泵浦方式合波器光隔离器光隔离器滤波器泵浦光源优点：噪声小缺点：输出光功率不大第7章光纤通信新技术２、反向泵浦方式合波器光隔离器光隔离器光滤波器泵浦光源优点：输出光功率大缺点：噪声大第7章光纤通信新技术合波器光隔离器光隔离器光滤波器泵浦光源3、双向泵浦方式泵浦光源第7章光纤通信新技术（1）、功率增益G=10Lg(Pout/Pin)(dB)增益与泵浦源功率曲线ＰＧ增益与ＥＤＦ的长度曲线ＰＧ七、主要参数粒子数反转趋于饱和放大的光被损耗抵消要得到最大的增益必须选择合适的泵浦光功率和掺铒光纤长度第7章光纤通信新技术（２）输出饱和功率和最大输出功率输入功率（dBm）0-20-1001020输出功率(dBm)当输出光功率达到一定值时，增加输入信号功率，输出光功率不变，这个输出光功率叫做输出饱和光功率。输出饱和光功率定义3dB的饱和光功率为最大输出光功率，表明EDFA正常工作的最大输出功率。最大输出光功率第7章光纤通信新技术（３）、噪声系数Ｆ＝Si/NiSo/No放大器的噪声主要来源于自发辐射。噪声系数：（4）、工作带宽最大增益下降3dB处对应的光谱宽度定义为工作带宽。1530nm1560nm波长增益第7章光纤通信新技术１、做前置放大器ＴＲ前置放大器ＯＰＡ八、EDFA在光纤通信中的应用２、做功率放大器ＴＲ光功率放大器ＯＢＡＴＲ光中继放大器ＯＬＡ３、做中继器第7章光纤通信新技术第五节、掺镨光纤放大器一、什么是掺镨光纤。在氟化物光纤中掺入Pr离子，使之在泵浦光的激励下对特定波长的信号光进行放大。二、放大波段1281nm-1381nm三、优点在1310nm的窗口有平坦的增益，便于对已