1、光通信原理与技术光纤通信新技术光放大器 目前有实用意义的光放大器主要有三种：l半导体激光放大器l非线性光纤放大器l掺杂光纤放大器 半导体激光放大器（SOA）l是在LD两端镀上增透膜而成的，是粒子数反转分布的受激辐射产生的放大，材料与LD相同（AlGaAs/InGaAsP），又分为谐振型或称F-P式光放大器（FPA）和行波式光放大器（TWLA）lSOA的主要优点是尺寸小、功率消耗低，便于光电集成，其主要缺点是插入损耗大、对偏振态敏感l 非线性光纤放大器 受激拉曼散射光纤放大器（SRA）利用石英光纤的非线性效应制成 在合适波长的强光作用下，石英光纤会出现受激拉曼散射（SRS）效应，当信号光和泵光沿
2、着光纤一起传输时，光功率将由泵光转移到信号光，从而把信号光放大。SRA具有频带宽、增益高、输出功率大、响应快等优点。其缺点是泵浦效率低、阈值高，因而需要的泵浦功率很高l 受激布里渊散射光纤放大器（SBA）l 掺杂光纤放大器（EDFA）l EDFA的特点 高增益、低噪声、偏振不敏感，能放大不同速率和调制方式的信号，具有几十纳米的放大带宽l 光放大器的特性指标1、功率增益=10lg（输出光功率/输入光功率）（dB）放大器的放大能力与泵浦功率和光纤长度的参数有关2、饱和输出：最大增益下降3dB时对应的输出功率。表示最大输出能力3、噪声系数：F=（SNR）in/（SNR）out 表示噪声的大小 SNR
3、指的是将输入光信号转变为输出电信号时的信噪比 EDFA的工作原理l饵（Er）是一种稀土元素（属于镧系元素），原子序数是68，原子量为167.3.光放大利用了镧系元素的4f能级l在掺饵光线中，由于石英基质的作用，4f的每一个能级分裂成一个能带l 当有1.55m信号光通过已被激活的掺饵光纤时，在信号光的感应下，亚稳态上的粒子以受激辐射的方式跃迁到基态。对应于每一次的跃迁，都将产生一个与感应光子完全一样的光子，从而实现了信号光在掺饵光纤的传播过程中不断放大。在放大过程中，亚稳态的粒子也会以自发辐射的方式跃迁到基态，自发辐射产生的光子也会被放大，这种放大的自发辐射（ASE：Amplified Spon
4、taneous Emission）会消耗泵浦功率并引入噪声l当用1480nm波长的光泵浦时，Er+3从基态跃迁至该能带的上部，然后粒子迅速以非辐射方式由泵浦态预驰至亚稳态，在亚稳态上积累 掺饵光纤放大器的特性指标l功率增益l输出饱和功率l噪声系数功率增益功率增益=10lg(输出光功率/输入光功 率)dBl表示放大器的放大能力l增益的大小与泵浦功率和光纤长度等因素有关l放大器的功率增益随泵浦功率的增加而增加l有饱和现象：当泵浦功率达到一定值时，放大器增益出现饱和，即泵浦功率再增加，而增益基本保持不变l 功率增益与光纤长度之间的关系 开始时功率增益随掺饵光纤长度的增加而上升，当光纤长度达到一定值后
5、，增益反而逐渐下降 当光纤为某一长度时，可获得最佳增益，这个光纤长度称为最大增益的光纤长度 在给定的掺饵光纤的情况下，应选择合适的泵浦功率和光纤长度，以达到最大增益l 输出饱和功率 输出饱和功率是一个描述输入信号功率与输出信号功率之间关系的参量，从图中可以看出，在掺饵光纤放大器中，输入信号功率和输出信号功率并不完全呈正比关系，而是存在着饱和的趋势 掺饵光纤放大器的最大输出功率常用3dB饱和输出功率来表示。当饱和增益下降3dB时所对应的输出功率值为3dB饱和输出功率。它代表了掺饵光纤放大器的最大输出能力 噪声系数l掺饵光纤放大器的噪声主要来源有：信号光的散弹噪声 信号光波与放大器自发辐射光波间的
6、差拍噪声 被放大的自发辐射的散弹噪声 光放大器自发辐射的不同频率光波间差拍噪声l 噪声系数F 衡量掺饵光纤放大器噪声特性可用噪声系数F来表示，它定义为：F=（放大器的输入信噪比）/（放大器的输出信噪比）l 据分析，掺饵光纤放大器噪声系数的极限为3dB，对于0.98m泵浦源的EDFA，掺饵光纤长度为30m时，测得的噪声系数为3.2dBl 采用1.48m泵浦源时，在掺饵光纤长度为60m时，测得的噪声系数为4.1dBl 0.98m泵浦的放大器的噪声系数要优于1.48m泵浦的放大器的噪声系数lEDFA光放大器结构 三种结构性能差异l前向泵浦：噪声性能好l后向泵浦：输出功率大l双向泵浦：兼有上述优点，但
7、成本高l电中继存在的问题 采用电中继的办法，即在中继时进行光电变换（接收）后，对电信号放大整形（再生），然后再进行电光变换（发射），继续传输。电中继装置复杂、体积大、耗能多，对多信道复用和双向复用系统实现起来特别困难，但它不仅可以对损耗限制系统，而且可以对色散限制系统进行再生l光中继的优势 利用已经实用的光放大器技术，可以用光中继代替电中继。它的优点是结构简单，价格便宜，可以使用远程光泵浦，对多信道复用和双向复用系统实现中继也比较容易，但目前对色散限制系统再生还难以采用光放大器l光放大器在系统中应用的四种形式l 放大器的级联应当遵循的原则1、第一级光放大器应当有低噪声，后续级应当有高饱和增益2
8、、在增益得到补偿后要特别注意色散积累效应3、光纤的非线性效应也可能对系统性能产生较大的影响4、用较多的低增益的放大器近距离地级联比用较小的高增益的放大器远距离地级联可以获得更大的总传输距离l总的噪声系数 Feff=F1+F2/G1+F3/(G1G2)+.+Fk/(G1G2Gk-1)式中，Fi，Gi，i=1，2，k，分别为第i个放大器的噪声系数和增益波分复用系统l光波分复用（WDM）的基本原理是：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
9、割复用，简称光波分复用技术l光纤通信复用技术主要分为：光波复用 -波分复用（WDM）-空分复用（SDM）光信号复用 -时分复用（TDM）副载波复用（SCM）波分复用系统l主要优点：提高光纤利用率传输容量倍增 不同容量的光纤系统和不同性质的信号可兼容传输 可更灵活地进行光纤通信组网（不改变光缆设施）节省线路投资 降低器件的超高速要求 波分复用系统l使单根光纤的通信容量成倍的提高采用多种信道复用方法信道复用方式可分为时分复用和频分复用两类l时分复用中，不同的信道占不同的时隙，在时域上形成复合数据，这一概念扩展到光频范围就是光学时分复用，由于还需要进一步解决色散导致的脉冲展宽的限制等问题，目前还没有
10、完全实用化chenbeizengjia 波分复用系统l 在频分复用中，不同的信道采用频率不同的光载波，复合后在同一条光纤中传输，在接收端用去复用技术恢复每一信道的信号。显然，这样可以更充分地利用光纤巨大的宽带潜力。l 当频分复用信道间隔较大（100GHz以上）时用信道的波长作为标志比较方便，通常称为波分复用。可使用直接检测的接收技术，目前已经实用化l波分复用技术的发展 1310nm/1550nm窗口的波分复用（CWDM）仍用于接入网，但很少用于长距离传输 1550nm窗口的密集波分复用（DWDM）可广泛用于长距离传输，用于建设全光网络lDWDM密集波分复用 波分复用技术的发展lDWDM：密集波
11、分复用-光载波波长间隔小于0.8nml更为密集的频分复用，信道间隔可以小到与码率相比的地步，要采用相干检测技术l DWDM技术特点 高容量：可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍 低成本：在大容量长途传输时可以节约大量光纤和再生器，大大降低传输成本 透明性高：与信号速率、格式无关，是引入宽带新业务（例如CATV）的方便手段 波长路由：利用WDM选路实现网络交换和恢复从而实现未来透明的、具有高度生存性的光联网lDWDM系统的分类 以系统接口分类：集成式或开放式系统 以信道数分类：4、8、16、32等 以总容量分类：400Gbit/s、320Gbit/s等 以信道承
12、载业务类型分类：PDH、SDH、ATM、IP或混合业务等lWDM系统的基本结构 WDM系统的基本结构l光发射机l光中继放大l光接收机l光监控信道l网络管理系统 光发射机l 光发射机位于WDM系统的发送端。在发送端首先将来自终端设备（如SDH端机）输出的光信号，利用光转发器（OTU）把符合ITU-TG.957建议的非特定波长的光信号。OUT对输入端的信号波长没有特殊要求，可以兼容任意厂家的SDH信号，其输出端满足G.692的光接口，即标准的光波长和满足长距离传输要求的光源；利用合波器合成多路光信号；通过光功率放大器（BA：Booster Amplifier）放大输出多路光信号。光中继放大l 经过
13、一定距离传输后，要用掺饵光纤放大器（EDFA）对光信号进行中继放大。在应用时可根据具体情况，将EDFA用作“线放（LA：Line Amplifier）”、“功放（BA）”和“前放（PA：Preamplifier）”。在WDM系统中，对EDFA必须采用增益平坦技术，使得EDFA对不同波长的光信号具有接近相同的放大增益。与此同时，还要考虑到不同数量的光信道同时工作的各种情况，保证光信道的增益竞争不影响传输性能 光接收机l在接收端l光前置放大器（PA）放大经传输而衰减的主信道光信号l分波器从主信道光信号中分出特定波长的光信号l接收机要满足一般接收机对光信号灵敏度、过载功率等参数的要求，能承受有一定光
14、噪声的信号，要有足够的电带宽 光监控信道l 光监控信道（OSC：Optical Supervisory Channel）的主要动能是监控系统内各信道的传输情况，在发送端，插入本结点产生的波长为1510nm的光监控信号，与主信道的光信号合波输出l 在接收端，将接收到的光信号分离，输出（1510nm）波长的光监控信号和业务信道光信号。帧同步字节、公务字节和网管所用的开销字节等都是通过光监控信道来传送l网络管理系统 网络管理系统通过光监控信道物理层传送开销字节到其他结点或接收来自其他结点的开销字节对WDM系统进行管理，实现配置管理、故障管理、性能管理和安全管理等功能，并与上层管理系统（如TMN）相连
15、l光波分复用器的性能参数基本要求 插入损耗小 隔离度大 带内平坦，带外插入损耗变化陡峭 温度稳定性好 复用通路数多 尺寸小l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，即 a=10lg（Pi/Po）（dB）其中Pi为发送进输入端口的光功率；Po为输出端口接收到的光功率l串扰抑制度 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Cij=-10lgPi/Pji(dB)其中，Pi是波长为i的光信号的输入光功率，Pji是波长为j的光信号串入到波长为i信道的光
16、功率l回波损耗 回波损耗是指从无源器件的输入端口返回的光功率与输入光功率的比，即RL=-10lgPr/Pj（dB）其中，Pj为发送进输入端口的光功率，Pr为从同一个端口接收到的返回光功率l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Pr与入射光功率Pj之比，即R=10lgPr/Pjl工作波长范围 工作波长范围是指WDM器件能够按照规定的性能要求工作的波长范围（min-max）l信道宽度 信道宽度是指各光源之间为避免串扰应具有的波长间隔l长距离大容量波分复用系统的组成副载波复用l在副载波复用技术中，包含两次调制。第一次是电调制，即将多个基带信号分别调制到具有不同的微波频率的电载波上；
17、然后再进行光调制，即将这些经频分复用的群信号调制到光载波，从而形成光信号，使之进入光。同样在接收端先进行光解调，再进行电解调，恢复为原各路基带信号。由于通常称电载波为副载波，因此该复用方式简称为副载波复用方式l在此通信方式中，因为各副载波所传输的信号之间的相互无关，彼此独立，故可实现模拟和数字以及图像信号的兼容，加之微波技术的成熟以及其产品的实用化，使之更适用于用户接入网的CATV多频道的传输系统之中l光纤SCM系统与微波通信的情况十分相似l可以基本上原封不动的沿用十分成熟的射频和微波的技术和设备，构成灵活方便的传送多路信号的光纤传输系统，向用户提供语音、数据和图像等多种业务光孤子通信l 光孤
18、子（Soliton）是经光纤长距离传输后，其幅度和宽度都不变的超短光脉冲（ps数量级）l 光孤子的形成是光纤的群速度色散和非线性效应相互平衡的结果。利用光孤子作为载体的通信方式称为光孤子通信。光孤子通信的传输距离可达到上万公里，甚至几万公里，目前还处于试验阶段l 我们知道，光纤通信的传输距离和传输速率受到光纤损耗和色散的限制。光纤放大器投入应用后，克服了损耗的限制，增加了传输距离。此时，光纤传输系统，尤其是传输速率在Gb/s以上的系统，光纤色散引起的脉冲展宽光纤色散引起的脉冲展宽，对传输速率的限制，成为提高系统性能的主要障碍成为提高系统性能的主要障碍l 为了增加传输距离，在光纤线路上，每隔一定
19、的距离，可设置一个光纤放大器，以周期地补充光功率的损耗。但是多个光纤放大器产生的噪声累积又妨碍了传输距离的增加，因而要求提高传输信号的光功率，这样便产生非线性效应。非线性效应对光纤通信有害也有利，事实证明，克服其害还不如利用其利l 光纤非线性效应和色散单独起作用时，在光纤中传输的光信号都要产生脉冲展宽，对传输速率的提高是有害的。但是如果适当选择相关参数，使两种效应相互平衡，就可以保持脉冲宽度不变，因而形成光孤子l光孤子的形成l在讨论光纤传输理论时，假设了光纤折射率n和入射光强（光功率）无关，始终保持不变。这种假设在低功率条件下是正确的，获得了与实验一致的结果。然而，在高功率条件下，折射率n随光
20、强而变化，这种特性称为非线性效应。l 在强光作用下，光折射率n可以表示为l 式中，E为电场，n0为E=0时的光纤折射率，约为1.45。这种光折射率n随光强|E|2而变化特性，称为克尔（Kerr）效应，=10-22(m/V)2，称为克尔系数。虽然光纤中电场较大，为106（V/m），但总的折射率变化 还是很小（10-10）。即使如此，这种变化对光线传输特性的特性的影响还是很大的220Ennn2n220Ennnnl 设波长为、光强为|E|2的光脉冲在长度为L的光纤中传输，则光强感应的折射率变化 由此引起的相位变化为 这种使脉冲不同部位产生不同相移的特性，称为自相位调制（SPM）22)()(tEntn
21、l脉冲的光强频率调制 l 在脉冲上升部分，|E|2增加，得到0，频率下移；在脉冲顶部，|E|2不变，得到=0，频率不变；在脉冲下降部分，|E|2减小，nt0，频率上移。频移使脉冲频率改变分布，其前部（头）频率降低，后部（尾）频率升高。这种情况称脉冲已被线性调频，或称啁啾（Chirp）。l 设光纤无损耗，在光纤中传输的已调波为线性偏振模式，气场可以表示为 E（r，z，t）=R(r)U(z，t)exp-i(0t-0z)式中，R(r)为径向本征函数，U(z，t)为脉冲的调制包络函数，0为光载波频率，0为调制频率=0时的传输常数。0)(tt0tntnl 设已调波E（r，z，t）的频谱在=0处有峰值，频
22、谱较窄，则可近似为单色平面波。由于非线性克尔效应，传输常数应写成：式中，P为光功率，Aeff为光纤有效截面积。由此可见，不仅是折射率的函数，而且是光功率的函数)(20effAPnncncl 在0和P=0附近，把展开成级数，得到l 式中，Vg为群速率，即脉冲包络线的运动速度l ，比例于一阶色散，描述群速度与频率的关系。l 。令2P=1/LNL，1/LNL称为非线性度，表示非线性效应对光脉冲传输特性的影响PP220 0000)(21)(),(gV1|000|22 0effeffPcAnAP/|/202l在式中虽然略去高次项，但仍然较完整地描述了光脉冲在光纤中传输的特性，式中右边第三项和第四项最为重
23、要，这两项正好体现了光纤色散和非线性效应的影响l如果00，适当选择相关参数，使两项绝对值相等，光纤色散和非线性效应便相互抵消，因而输入脉冲宽度保持不变，形成稳定的光孤子 光纤色散l 波长为的光纤色散系数C()的定义为l 式中，=d/d=1/Vg为群延时，Vg为群速度；=2f=2c/为光载波频率，c为光速；0=d2/d2,比例于一阶色散。022)()(cddddddCl由上式描述的单模光纤色散特性如图所示，图中D为零色散波长。在 D时，C()0,称为光纤正常色散区；在D时，C()0，0 0,称为光纤反常色散区 单模光纤色散特性l 图示出光脉冲在反常色散光纤中传输时，由于非线性效应产生的啁啾被压缩
24、或展宽。对反常色散光纤，群速度与光载波频率成正比，在脉冲中载频高的部分传播很快，而载频低的部分则传播的慢 脉冲在反常色散光纤中传输因啁啾效应被压缩或展宽l 对正常色散光纤，结论正相反。因此，具有正啁啾的光脉冲通过反常色散光纤时，脉冲前部（头）频率低，传播得慢，而后部（尾）频率高，传播得快l 这种脉冲形象地被称为“红头紫尾”光脉冲。在传播过程中，“紫”尾逐渐接近“红”头，因而脉冲被压缩l 相反，具有负啁啾的光脉冲通过反常色散光纤时，前部（头）传播得快，后部（尾）传播得慢，“紫”头和“红”尾逐渐分离，结果脉冲被展宽。由此可见，适当选择相关参数，可以使光脉冲宽度保持不变l光孤子通信系统的构成和性能
25、光孤子通信系统构成框图l 光孤子源产生一系列脉冲宽度很窄的光脉冲，即光孤子流，作为信息的载体进入光调制器，使信息对光孤子流进行调制。被调制的光孤子流经掺饵光纤放大器和光隔离器后，进入光纤进行传输l 为克服光纤损耗引起的光孤子减弱，在光纤线路上周期地插入EDFA，向光孤子注入能量，以补偿因光纤传输而引起的能量消耗，确保光孤子稳定传输。在接收端，通过光检测器和解调装置，恢复光孤子所承载的信息l 光孤子源是光孤子通信系统的关键。要求光孤子源提供的脉冲宽度为ps数量级，并有规定的形状和峰值。光孤子源有很多种类，主要有掺饵光纤孤子激光器、锁模半导体激光器等l 目前，光孤子通信系统已经有许多实验结果。例如
26、，对光纤线路直接实验系统，在传输速率为10Gb/s时，传输距离达到1000k；在传输速率为20Gb/s时，传输距离达到350km。对循环光纤间接实验系统，传输速率为10Gb/s，传输距离达106kml循环光纤间接光孤子实验系统图l 事实上，对于单信道光纤通信系统来说，光孤子通信系统的性能并不比在零色散波长工作的常规（非光孤子）系统更好l 循环光纤间接实验结果表明，零色散波长常规系统的传输速率为2.4Gb/s时，传输距离可达21000km，而为5Gb/s时可达14300km。然而，零色散波长系统只能实现单信道传输，而光孤子系统则可用于WDM系统，使传输速率大幅度增加，因而具有广泛的应用前景光交换
27、技术l 目前的商用光纤通信系统，单信道传输速率已超过10Gb/，实验WDM系统的传输速率已超过3.28Tb/sl 但是，由于大量新业务的出现和国际互联网的发展，今后通信网络还可能变得拥挤。原因是在现有通信网络中，高速光纤通信系统仅仅充当点对点的传输手段，网络中重要的交换功能还是采用电子交换技术l 传统电子交换机的端口速率只有几Mb/s到几百Mb/s，不仅限制了光纤通信网络速率的提高，而且要求在众多的接口进行频繁的复用/解复用，光/电和电/光转换，因而增加了设备复杂性和成本，降低了系统的可靠性l 虽然采用异步转移模式（ATM）可提供155Mb/s或更高的速率，能缓解这种矛盾，但电子线路的极限速率
28、约为20Gb/s。要彻底解决高速光纤通信网存在的矛盾，只有实现全光通信，而光交换是全光通信的关键技术。光交换主要有三种方式 空分光交换 时分光交换 波分光交换 空分光交换l 空分光交换的功能是：使光信号的传输通路在空间上发生改变。l 空分光交换的核心器件是光开关。光开关有点光型、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快、串扰小和结构紧凑等优点，有很好的应用前景l 典型光开关是用钛扩散在铌酸锂（Ti：LiNbO3）晶片上形成两条距离很近的光波导构成的，并通过对电压的控制改变输出通路l 图是由4个12光开关器件组成的22光交换模块。12光开关器件就是Ti：LiNbO3定向耦合器型光
29、开关，只是少用了一个输入端而已。l 这种22光交换模块是最基本的光交换单元，它有两个输入端和两个输出端，通过电压控制，可以实现平行连接和交叉连接l图（c）是由16个12光开关器件或4个22光交换单元组成的44光交换单元 时分光交换l 时分光交换是以时分复用为基础，用时隙互换原理实现交换功能l 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路信号副接到一条光纤上。在接收端用分接器恢复各路原始信号l 所谓时隙互换，就是把时分复用帧中各个时隙的信号互换位置。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l图示为时分光交换的空分等效 波分光交换l波分光交换（或交叉连接）是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的l图示分别为波长选择法交换和波长交换法交换的原理框图
