光纖通信新技術(shù)

1、第七章 光纖通信新技術(shù)（4學(xué)時(shí)）一、教學(xué)目的及要求：使學(xué)生熟悉現(xiàn)代社會(huì)中普遍采用的光纖通信新技術(shù)，了解與以前技術(shù)的異同，重點(diǎn)掌握光纖放大器和光波分復(fù)用技術(shù)。二、教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn)：本章重點(diǎn)：光放大器的類(lèi)型及其特點(diǎn)、2、摻鉺光纖放大器的工作原波分復(fù)用原理。本章難點(diǎn)：光纖放大器的工作原理。三、教學(xué)手段：板書(shū)與多媒體課件演示相結(jié)合四、教學(xué)方法：課堂講解、提問(wèn)五、作業(yè)：課外作業(yè)： 7-4 7-5 7-6 7-8 7-9六、參考資料：光纖通信劉增基 第七章。光纖通信楊祥林 第七章七、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)設(shè)計(jì)：教學(xué)內(nèi)容教學(xué)設(shè)計(jì)備注【導(dǎo)入】（2分鐘）回顧上節(jié)課的主要內(nèi)容，借以引出這節(jié)課的主要內(nèi)容。導(dǎo)入提問(wèn)提問(wèn)引出本章

2、的教學(xué)內(nèi)容。2分鐘第7章 光纖通信新技術(shù)光纖通信發(fā)展的目標(biāo)是提高通信能力和通信質(zhì)量，降低價(jià)格，滿(mǎn)足社會(huì)需要。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，光纖通信成為一個(gè)發(fā)展迅速、 技術(shù)更新快、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)的領(lǐng)域。本章主要介紹一些已經(jīng)實(shí)用化或者有重要應(yīng)用前景的新技術(shù)，如光放大技術(shù)，光波分復(fù)用技術(shù)，光交換技術(shù)，光孤子通信，相干光通信，光時(shí)分復(fù)用技術(shù)和波長(zhǎng)變換技術(shù)等。 光 纖 放 大 器光放大器有半導(dǎo)體光放大器和光纖放大器兩種類(lèi)型。半導(dǎo)體光放大器的優(yōu)點(diǎn)是小型化，容易與其他半導(dǎo)體器件集成； 缺點(diǎn)是性能與光偏振方向有關(guān)，器件與光纖的耦合損耗大。光纖放大器的性能與光偏振方向無(wú)關(guān)，器件與光纖的耦合損耗很小， 因而得到廣泛應(yīng)

3、用。摻鉺光纖放大器工作原理下圖示出摻鉺光纖放大器(EDFA)的工作原理，說(shuō)明了光信號(hào)為什么會(huì)放大的原因。摻鉺光纖放大器的工作原理(a) 硅光纖中鉺離子的能級(jí)圖； (b) EDFA的吸收和增益頻譜如果輸入的信號(hào)光的光子能量等于能級(jí)2和能級(jí)1的能量差，則處于能級(jí)2的Er3+將躍遷到基態(tài)(21)， 產(chǎn)生受激輻射光，因而信號(hào)光得到放大。下圖示出輸出信號(hào)光功率和輸入泵浦光功率的關(guān)系， 由圖可見(jiàn)，泵浦光功率轉(zhuǎn)換為信號(hào)光功率的效率很高，達(dá)到92.6%。當(dāng)泵浦光功率為60 mW時(shí)，吸收效率(信號(hào)輸入光功率-信號(hào)輸出光功率)/泵浦光功率為88%。 摻鉺光纖放大器的特性(a) 輸出信號(hào)光功率與泵浦光功率的關(guān)系；

4、(b) 小信號(hào)增益與泵浦光功率的關(guān)系摻鉺光纖放大器的構(gòu)成和特性摻鉺光纖(EDF)和高功率泵浦光源是關(guān)鍵器件，把泵浦光與信號(hào)光耦合在一起的波分復(fù)用器和置于兩端防止光反射的光隔離器也是不可缺少的。 設(shè)計(jì)高增益摻鉺光纖(EDF)是實(shí)現(xiàn)光纖放大器的技術(shù)關(guān)鍵， EDF的增益取決于Er 3+的濃度、光纖長(zhǎng)度和直徑以及泵浦光功率等多種因素，通常由實(shí)驗(yàn)獲得最佳增益。光纖放大器構(gòu)成方框圖(a) 光纖放大器構(gòu)成原理圖； (b) 實(shí)用光纖放大器外形圖及其構(gòu)成方框圖波長(zhǎng)為980 nm的泵浦光轉(zhuǎn)換效率更高，達(dá)10 dB/mW， 而且噪聲較低，是未來(lái)發(fā)展的方向。摻鉺光纖放大器的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用 EDFA有許多優(yōu)點(diǎn)， 并已得到廣

5、泛應(yīng)用。EDFA的主要優(yōu)點(diǎn)有： (1)工作波長(zhǎng)正好落在光纖通信最佳波段(15001600 nm)； 其主體是一段光纖(EDF)，與傳輸光纖的耦合損耗很小，可達(dá)0.1 dB。 (2) 增益高，約為3040 dB; 飽和輸出光功率大，約為1015 dBm; 增益特性與光偏振狀態(tài)無(wú)關(guān)。 (3) 噪聲指數(shù)小， 一般為47 dB; 用于多信道傳輸時(shí)， 隔離度大，無(wú)串?dāng)_，適用于波分復(fù)用系統(tǒng)。(4) 頻帶寬，在1550 nm窗口，頻帶寬度為2040 nm， 可進(jìn)行多信道傳輸，有利于增加傳輸容量。1550 nm EDFA在各種光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，并取得了良好效果。已經(jīng)介紹過(guò)的副載波CATV系統(tǒng)，WDM

6、或OFDM系統(tǒng)，相干光系統(tǒng)以及光孤子通信系統(tǒng)，都應(yīng)用了EDFA，并大幅度增加了傳輸距離。 EDFA的應(yīng)用， 歸納起來(lái)可以分為三種形式， 如下圖所示。 光纖放大器的應(yīng)用形式(a) 中繼放大器； (b) 前置放大器和后置放大器 講解板書(shū)板書(shū) 板書(shū)多媒體課件98分鐘7.2 光波分復(fù)用技術(shù)隨著人類(lèi)社會(huì)信息時(shí)代的到來(lái)，對(duì)通信的需求呈現(xiàn)加速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。發(fā)展迅速的各種新型業(yè)務(wù)(特別是高速數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù))對(duì)通信網(wǎng)的帶寬(或容量)提出了更高的要求。為了適應(yīng)通信網(wǎng)傳輸容量的不斷增長(zhǎng)和滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)交互性、靈活性的要求，產(chǎn)生了各種復(fù)用技術(shù)。 在光纖通信系統(tǒng)中除了大家熟知的時(shí)分復(fù)用(TDM)技術(shù)外， 還出現(xiàn)了其他的復(fù)用技術(shù)

7、，例如光時(shí)分復(fù)用(OTDM)、光波分復(fù)用(WDM)、 光頻分復(fù)用(OFDM)以及副載波復(fù)用(SCM)技術(shù)。 本節(jié)主要講述WDM技術(shù)。光波分復(fù)用原理1. WDM的概念光波分復(fù)用(WDM： Wavelength Division Multiplexing)技術(shù)是在一根光纖中同時(shí)傳輸多個(gè)波長(zhǎng)光信號(hào)的一項(xiàng)技術(shù)。目前一些光器件與技術(shù)還不十分成熟，因此要實(shí)現(xiàn)光信道十分密集的光頻分復(fù)用(OFDM)還較為困難。WDM技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)升級(jí)、發(fā)展寬帶業(yè)務(wù)(如CATV， HDTV 和IP over WDM等)、充分挖掘光纖帶寬潛力、實(shí)現(xiàn)超高速光纖通信等具有十分重要意義，尤其是WDM加上EDFA更是對(duì)現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的

8、吸引力。2. WDM系統(tǒng)的基本形式光波分復(fù)用器和解復(fù)用器是WDM技術(shù)中的關(guān)鍵部件，將不同波長(zhǎng)的信號(hào)結(jié)合在一起經(jīng)一根光纖輸出的器件稱(chēng)為復(fù)用器(也叫合波器)。反之，經(jīng)同一傳輸光纖送來(lái)的多波長(zhǎng)信號(hào)分解為各個(gè)波長(zhǎng)分別輸出的器件稱(chēng)為解復(fù)用器(也叫分波器)。 從原理上講， 這種器件是互易的(雙向可逆)，即只要將解復(fù)用器的輸出端和輸入端反過(guò)來(lái)使用， 就是復(fù)用器。WDM系統(tǒng)的基本構(gòu)成主要有以下兩種形式：(1) 雙纖單向傳輸。(2) 單纖雙向傳輸。 雙向WDM系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和應(yīng)用時(shí)必須要考慮幾個(gè)關(guān)鍵的系統(tǒng)因素，如為了抑制多通道干擾(MPI)，必須注意到光反射的影響、 雙向通路之間的隔離、串?dāng)_的類(lèi)型和數(shù)值、兩個(gè)方向傳

9、輸?shù)墓β孰娖街岛拖嗷ラg的依賴(lài)性、光監(jiān)控信道(OSC)傳輸和自動(dòng)功率關(guān)斷等問(wèn)題，同時(shí)要使用雙向光纖放大器。3. 光波分復(fù)用器的性能參數(shù)光波分復(fù)用器是波分復(fù)用系統(tǒng)的重要組成部分，為了確保波分復(fù)用系統(tǒng)的性能，對(duì)波分復(fù)用器的基本要求是：插入損耗小，隔離度大，帶內(nèi)平坦，帶外插入損耗變化陡峭，溫度穩(wěn)定性好，復(fù)用通路數(shù)多，尺寸小等。(1) 插入損耗。 插入損耗是指由于增加光波分復(fù)用器/解復(fù)用器而產(chǎn)生的附加損耗，定義為該無(wú)源器件的輸入和輸出端口之間的光功率之比， 其中P0為發(fā)送進(jìn)輸入端口的光功率；P0為從輸出端口接收到的光功率。 (2) 串?dāng)_抑制度。串?dāng)_是指其他信道的信號(hào)耦合進(jìn)某一信道，并使該信道傳輸質(zhì)量下降

10、的影響程度，有時(shí)也可用隔離度來(lái)表示這一程度。 3) 回波損耗。 回波損耗是指從無(wú)源器件的輸入端口返回的光功率與輸入光功率的比(4) 反射系數(shù)。反射系數(shù)是指在WDM器件的給定端口的反射光功率Pr與入射光功率Pj之比(5) 工作波長(zhǎng)范圍。工作波長(zhǎng)范圍是指WDM器件能夠按照規(guī)定的性能要求工作的波長(zhǎng)范圍(min到max)。(6) 信道寬度。信道寬度是指各光源之間為避免串?dāng)_應(yīng)具有的波長(zhǎng)間隔。(7) 偏振相關(guān)損耗。偏振相關(guān)損耗(PDL: Polarizationdependent Loss)是指由于偏振態(tài)的變化所造成的插入損耗的最大變化值。 WDM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)實(shí)際的WDM系統(tǒng)主要由五部分組成：光發(fā)射機(jī)、

11、光中繼放大、光接收機(jī)、光監(jiān)控信道和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，如下圖所示實(shí)際WDM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)目前國(guó)際上已商用的系統(tǒng)有4×2.5 Gb/s(10 Gb/s), 8×2.5 Gb/s(20 Gb/s), 16×2.5 Gb/s(40 Gb/s), 40×2.5 Gb/s(100 Gb/s), 32×10 Gb/s(320 Gb/s), 40×10 Gb/s(400 Gb/s)。 WDM技術(shù)的主要特點(diǎn)1. 充分利用光纖的巨大帶寬資源2. 同時(shí)傳輸多種不同類(lèi)型的信號(hào)3. 節(jié)省線(xiàn)路投資4. 降低器件的超高速要求5. 高度的組網(wǎng)靈活性、 經(jīng)濟(jì)性和可靠性光濾

12、波器與光波分復(fù)用器在前面介紹耦合器時(shí)，已經(jīng)簡(jiǎn)單地介紹了波分復(fù)用器(WDM)。在這一部分我們將介紹各種各樣的波長(zhǎng)選擇技術(shù)， 即光濾波技術(shù)。光濾波器在WDM系統(tǒng)中是一種重要元器件， 與波分復(fù)用有著密切關(guān)系，常常用來(lái)構(gòu)成各種各樣的波分復(fù)用器和解復(fù)用器。下圖為光濾波器的三種應(yīng)用：?jiǎn)渭兊臑V波應(yīng)用、波分復(fù)用/解復(fù)用器中應(yīng)用和波長(zhǎng)路由器中應(yīng)用。波分復(fù)用器和解復(fù)用器主要用在WDM終端和波長(zhǎng)路由器以及波長(zhǎng)分插復(fù)用器(Wavelength Add/Drop Multiplexer, WADM)中。 光濾波器的三種應(yīng)用(a) 單純的濾波應(yīng)用； (b) 波分復(fù)用器中應(yīng)用； (c) 波長(zhǎng)路由器中應(yīng)用波長(zhǎng)分插復(fù)用器可以看

13、成是波長(zhǎng)路由器的簡(jiǎn)化形式，它只有一個(gè)輸入端口和一個(gè)輸出端口，再加上一個(gè)用于分插波長(zhǎng)的本地端口。對(duì)光濾波器的主要要求有：(1) 一個(gè)好的光濾波器應(yīng)有較低的插入損耗，并且損耗應(yīng)該與輸入光的偏振態(tài)無(wú)關(guān)。(2) 一個(gè)濾波器的通帶應(yīng)該對(duì)溫度的變化不敏感。 溫度系數(shù)是指溫度每變化1的波長(zhǎng)漂移。(3) 在一個(gè)WDM系統(tǒng)中，隨著級(jí)聯(lián)的濾波器越來(lái)越多， 系統(tǒng)的通帶就變得越來(lái)越窄下面將介紹一些波長(zhǎng)選擇技術(shù)及其在WDM系統(tǒng)中的應(yīng)用。 1. 光柵光柵(Grating)廣泛地用來(lái)將光分離為不同波長(zhǎng)的單色光。 在WDM系統(tǒng)中，光柵主要用在解復(fù)用器中，以分離出各個(gè)波長(zhǎng)。下圖是光柵的兩個(gè)例子。光柵(a) 透射光柵； (b)

14、反射光柵2. 布喇格光柵布喇格光柵(Bragg Grating)廣泛用于光纖通信之中。 一般情況下，傳輸媒質(zhì)的周期性微擾可以看作是布喇格光柵； 這種微擾通常引起媒質(zhì)折射率周期性的變化。如果具有幾個(gè)波長(zhǎng)的光同時(shí)傳輸?shù)焦饫w布喇格光柵上，則只有波長(zhǎng)等于布喇格波長(zhǎng)的光才反射，而其它的光全部透射。為了消除不需要的旁瓣，新研制成功了一種稱(chēng)為變跡光柵(Apodized Grating)的光柵，變跡光柵旁瓣的減少是以主瓣加寬為代價(jià)的。 3. 光纖光柵光纖光柵(Fiber Grating)是一種非常有吸引力的全光纖器件， 其用途非常廣泛，可用作光濾波器、光分插復(fù)用器和色散補(bǔ)償器。對(duì)于全光纖器件，其主要優(yōu)點(diǎn)有：插

15、入損耗低，易于與光纖耦合，對(duì)偏振不敏感，溫度系數(shù)低，封裝簡(jiǎn)單，成本也較低。 傳統(tǒng)光纖的SiO2中摻入少量鍺(Ge)后就具有了光敏特性，再由紫外(UV)光照射，就可引起光纖纖芯的折射率變化。光纖光柵可以分為短周期(shortperiod)光纖光柵和長(zhǎng)周期(longperiod)光纖光柵。短周期光纖光柵也稱(chēng)光纖布喇格光柵， 其周期可以和光波長(zhǎng)相比較，典型值大約0.5 m；長(zhǎng)周期光纖光柵的周期比光波長(zhǎng)大得多，從幾百微米到幾毫米不等。光纖布喇格光柵的特點(diǎn)是損耗低(0.1 dB左右)，波長(zhǎng)準(zhǔn)確度高(可達(dá)±0.05 nm)，鄰近信道串?dāng)_抑制較高(可達(dá)40 dB)以及通帶頂部平坦。光纖布喇格光柵可

16、用作濾波器、 光分插復(fù)用器和色散補(bǔ)償器(Dispersion Compensator)。長(zhǎng)周期光纖光柵的工作原理與光纖布喇格光柵稍微有些不同。在光纖布喇格光柵中，纖芯中正向傳輸模的能量耦合到反向傳輸模上；而在長(zhǎng)周期光纖光柵中，纖芯中正向傳輸模的能量耦合到包層里的正向傳輸模上，包層模沿著光纖傳輸時(shí)極容易消逝掉，因此相應(yīng)波長(zhǎng)位置的光波被衰減，出現(xiàn)一些損耗峰。 4. 法布里-珀羅濾波器 法布里-珀羅(FP: FabryPerot)濾波器是由兩塊平行放置的高反射率的鏡面形成的腔構(gòu)成的，如下圖所示。這種濾波器也叫F-P干涉儀，輸入光垂直到達(dá)第一個(gè)鏡面，從第二個(gè)鏡面出來(lái)的光就是輸出。這個(gè)器件傳統(tǒng)

17、上用作干涉儀，現(xiàn)在也用在WDM系統(tǒng)中作濾波器。F-P濾波器F-P濾波器選擇不同的波長(zhǎng)時(shí)一般有兩種方法：一種是改變腔的長(zhǎng)度；另一種是改變腔內(nèi)介質(zhì)的折射率。改變腔長(zhǎng)有機(jī)械移鏡和用壓電材料(PZT)兩種辦法。 5. 多層介質(zhì)薄膜濾波器薄膜諧振腔濾波器(ThinFilm Resonant Cavity Filter)也是一個(gè)F-P干涉儀，只不過(guò)其反射鏡是采用多層介質(zhì)薄膜而已， 常稱(chēng)為多層介質(zhì)薄膜濾波器(Multilayer Dielectric ThinFilm Filter)。這種濾波器用作帶通濾波器，只允許特定波長(zhǎng)的光通過(guò)而讓其它所有波長(zhǎng)的光反射，腔的長(zhǎng)度決定要通過(guò)的波長(zhǎng)薄膜諧振多腔濾波器(Thi

18、nFilm Resonant Multicavity Filter)的結(jié)構(gòu)如下圖所示。三腔介質(zhì)薄膜諧振腔濾波器6. 馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(MZI: MachZehnder Interferometer)使用兩條不同長(zhǎng)度的干涉路徑來(lái)決定不同的波長(zhǎng)輸出。MZI通常以集成光波導(dǎo)的形式出現(xiàn)，即用兩個(gè)3 dB定向耦合器來(lái)連接兩條不同長(zhǎng)度的光通路，襯底通常采用硅(Si)， 波導(dǎo)區(qū)采用二氧化硅(SiO2)。 馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(MZI)(a) 結(jié)構(gòu)圖； (b) 方框圖； (c) 四級(jí)MZIMZI可用來(lái)作濾波器和波分復(fù)用器。雖然多層介質(zhì)薄膜濾波器在窄帶濾波方面性能較好，但在寬帶濾波方面MZI非常有用，例如用來(lái)分開(kāi)m和m兩個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào)。如果將MZI級(jí)聯(lián)就構(gòu)成多級(jí)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(Multistage MachZehnder Interferometer)。7. 陣列波導(dǎo)光柵陣列波導(dǎo)光柵(AWG: Arrayed Waveguide Grating)是MZI的推廣和一般形式。如下圖所示，它由兩個(gè)多端口耦合器和連接它們的陣列波導(dǎo)構(gòu)成。AWG可用作n×1波分復(fù)用器和1×n波分解復(fù)用器。與多級(jí)MZI相比，AWG損耗低，通帶平坦，容易集成在一塊