光纖通信全套課件

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摻鉺光纖放大器工作原理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。從圖7.1(a)可以看到，在摻鉺光纖(EDF)中，鉺離子(Er3+)有三個(gè)能級(jí)：其中能級(jí)1代表基態(tài)，能量最低；能級(jí)2是亞穩(wěn)態(tài)，處于中間能級(jí)；能級(jí)3代表激發(fā)態(tài)，能量最高。當(dāng)泵浦(Pump,抽運(yùn))光的光子能量等于能級(jí)3和能級(jí)1的能量差時(shí)，鉺離子吸收泵浦光從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)(1→3)。

圖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

圖光纖放大器構(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)，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：WavelengthDivisionMultiplexing)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)。其基本原理是在發(fā)送端將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)組合起來(lái)(復(fù)用)，并耦合到光纜線(xiàn)路上的同一根光纖中進(jìn)行傳輸，在接收端又將組合波長(zhǎng)的光信號(hào)分開(kāi)(解復(fù)用)，并作進(jìn)一步處理，恢復(fù)出原信號(hào)后送入不同的終端，因此將此項(xiàng)技術(shù)稱(chēng)為光波長(zhǎng)分割復(fù)用，簡(jiǎn)稱(chēng)光波分復(fù)用技術(shù)。

圖7.6中心波長(zhǎng)在1.3μm和1.55μm的硅光纖低損耗傳輸窗口

(插圖表示1.55μm傳輸窗口的多信道復(fù)用)

圖7.7雙纖單向WDM傳輸22基于多層介質(zhì)薄膜濾波器的波分復(fù)用/解復(fù)用器其基本原理是在發(fā)送端將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)組合起來(lái)(復(fù)用)，并耦合到光纜線(xiàn)路上的同一根光纖中進(jìn)行傳輸，在接收端又將組合波長(zhǎng)的光信號(hào)分開(kāi)(解復(fù)用)，并作進(jìn)一步處理，恢復(fù)出原信號(hào)后送入不同的終端，因此將此項(xiàng)技術(shù)稱(chēng)為光波長(zhǎng)分割復(fù)用，簡(jiǎn)稱(chēng)光波分復(fù)用技術(shù)。而OTDM技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)研究階段，許多關(guān)鍵技術(shù)還有待解決。這些技術(shù)現(xiàn)階段均不成熟，還處于研究探索之中。全光波長(zhǎng)變換技術(shù)主要有基于半導(dǎo)體光放大器(SOA:SemiconductorOpticalAmplifier)中的交叉增益調(diào)制(XGM:CrossＧainModulation)和交叉相位調(diào)制(XPM:CrossPhaseModulation)以及基于半導(dǎo)體光放大器或光纖中的四波混頻(FWM:FourWaveMixing)和不同頻率產(chǎn)生(DFG:DifferenceFrequencyGeneration)。最后，如果不同網(wǎng)絡(luò)由不同的組織管理，并且這些網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有協(xié)調(diào)一致的波長(zhǎng)分配，那么在網(wǎng)絡(luò)之間就可以使用波長(zhǎng)變換器。(c)4×4光交換單元光纖具有巨大的帶寬資源(低損耗波段)，WDM技術(shù)使一根光纖的傳輸容量比單波長(zhǎng)傳輸增加幾倍至幾十倍甚至幾百倍，從而增加光纖的傳輸容量，降低成本，具有很大的應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。而OTDM技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)研究階段，許多關(guān)鍵技術(shù)還有待解決。最后，如果不同網(wǎng)絡(luò)由不同的組織管理，并且這些網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有協(xié)調(diào)一致的波長(zhǎng)分配，那么在網(wǎng)絡(luò)之間就可以使用波長(zhǎng)變換器。WDM技術(shù)有很多應(yīng)用形式，如長(zhǎng)途干線(xiàn)網(wǎng)、廣播分配網(wǎng)、多路多址局域網(wǎng)。1.充分利用光纖的巨大帶寬資源圖7.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)。圖7.8單纖雙向WDM傳輸

技術(shù)的主要特點(diǎn)

1.充分利用光纖的巨大帶寬資源

光纖具有巨大的帶寬資源(低損耗波段)，WDM技術(shù)使一根光纖的傳輸容量比單波長(zhǎng)傳輸增加幾倍至幾十倍甚至幾百倍，從而增加光纖的傳輸容量，降低成本，具有很大的應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2.同時(shí)傳輸多種不同類(lèi)型的信號(hào)由于WDM技術(shù)使用的各波長(zhǎng)的信道相互獨(dú)立，因而可以傳輸特性和速率完全不同的信號(hào)，完成各種電信業(yè)務(wù)信號(hào)的綜合傳輸，如PDH信號(hào)和SDH信號(hào)，數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)，多種業(yè)務(wù)(音頻、視頻、數(shù)據(jù)等)的混合傳輸?shù)取?.節(jié)省線(xiàn)路采用WDM技術(shù)可使N個(gè)波長(zhǎng)復(fù)用起來(lái)在單根光纖中傳輸，也可實(shí)現(xiàn)單根光纖雙向傳輸，在長(zhǎng)途大容量傳輸時(shí)可以節(jié)約大量光纖。另外，對(duì)已建成的光纖通信系統(tǒng)擴(kuò)容方便，只要原系統(tǒng)的功率余量較大，就可進(jìn)一步增容而不必對(duì)原系統(tǒng)作大的改動(dòng)。4.降低器件的超高速要求隨著傳輸速率的不斷提高，許多光電器件的響應(yīng)速度已明顯不足，使用WDM技術(shù)可降低對(duì)一些器件在性能上的極高要求，同時(shí)又可實(shí)現(xiàn)大容量傳輸。

5.高度的組網(wǎng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性

WDM技術(shù)有很多應(yīng)用形式，如長(zhǎng)途干線(xiàn)網(wǎng)、廣播分配網(wǎng)、多路多址局域網(wǎng)?？梢岳肳DM技術(shù)選擇路由，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換和故障恢復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)未來(lái)的透明、靈活、經(jīng)濟(jì)且具有高度生存性的光網(wǎng)絡(luò)。原因是在現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)中，高速光纖通信系統(tǒng)僅僅充當(dāng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸手段，網(wǎng)絡(luò)中重要的交換功能還是采用電子交換技術(shù)。降低器件的超高速要求當(dāng)泵浦(Pump,抽運(yùn))光的光子能量等于能級(jí)3和能級(jí)1的能量差時(shí)，鉺離子吸收泵浦光從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)(1→3)。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)。圖摻鉺光纖放大器的工作原理(a)光纖放大器構(gòu)成原理圖；圖時(shí)分光交換圖7.這些技術(shù)現(xiàn)階段均不成熟，還處于研究探索之中。降低器件的超高速要求高度的組網(wǎng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性圖空分光交換例如在現(xiàn)階段光纖通信中大量使用1310nm窗口的LED或FPLD光源，這些波長(zhǎng)或光源均不適合WDM系統(tǒng)，因此在WDM系統(tǒng)的輸入和輸出處，都要在這些波長(zhǎng)與1550nm附近的波長(zhǎng)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。圖波分交換的原理框圖最后，如果不同網(wǎng)絡(luò)由不同的組織管理，并且這些網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有協(xié)調(diào)一致的波長(zhǎng)分配，那么在網(wǎng)絡(luò)之間就可以使用波長(zhǎng)變換器。其基本原理是在發(fā)送端將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)組合起來(lái)(復(fù)用)，并耦合到光纜線(xiàn)路上的同一根光纖中進(jìn)行傳輸，在接收端又將組合波長(zhǎng)的光信號(hào)分開(kāi)(解復(fù)用)，并作進(jìn)一步處理，恢復(fù)出原信號(hào)后送入不同的終端，因此將此項(xiàng)技術(shù)稱(chēng)為光波長(zhǎng)分割復(fù)用，簡(jiǎn)稱(chēng)光波分復(fù)用技術(shù)。如今WDM技術(shù)研究非常熱，有的技術(shù)已經(jīng)成熟并實(shí)用化；引入波長(zhǎng)變換技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的再利用，有效地進(jìn)行波長(zhǎng)路由選擇，降低網(wǎng)絡(luò)阻塞率，從而提高WDM網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可擴(kuò)充性。最后，如果不同網(wǎng)絡(luò)由不同的組織管理，并且這些網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有協(xié)調(diào)一致的波長(zhǎng)分配，那么在網(wǎng)絡(luò)之間就可以使用波長(zhǎng)變換器。2光波分復(fù)用技術(shù)(c)4×4光交換單元圖7.圖空分光交換7雙纖單向WDM傳輸22基于多層介質(zhì)薄膜濾波器的波分復(fù)用/解復(fù)用器高度的組網(wǎng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性充分利用光纖的巨大帶寬資源(a)光纖放大器構(gòu)成原理圖；(b)波長(zhǎng)變換法交換其次，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，可以提高鏈路上現(xiàn)有波長(zhǎng)的利用率。圖摻鉺光纖放大器的工作原理技術(shù)的主要特點(diǎn)(a)簡(jiǎn)單光分；例如在現(xiàn)階段光纖通信中大量使用1310nm窗口的LED或FPLD光源，這些波長(zhǎng)或光源均不適合WDM系統(tǒng)，因此在WDM系統(tǒng)的輸入和輸出處，都要在這些波長(zhǎng)與1550nm附近的波長(zhǎng)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。例如在現(xiàn)階段光纖通信中大量使用1310nm窗口的LED或FPLD光源，這些波長(zhǎng)或光源均不適合WDM系統(tǒng)，因此在WDM系統(tǒng)的輸入和輸出處，都要在這些波長(zhǎng)與1550nm附近的波長(zhǎng)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。22基于多層介質(zhì)薄膜濾波器的波分復(fù)用/解復(fù)用器另外，對(duì)已建成的光纖通信系統(tǒng)擴(kuò)容方便，只要原系統(tǒng)的功率余量較大，就可進(jìn)一步增容而不必對(duì)原系統(tǒng)作大的改動(dòng)。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)，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)。55μm的硅光纖低損耗傳輸窗口圖7.一般有兩種途徑：波分復(fù)用(WDM)和光時(shí)分復(fù)用(OTDM)。45光時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)框圖這些技術(shù)現(xiàn)階段均不成熟，還處于研究探索之中。適當(dāng)?shù)妮斎牍夤β?不大于0dBm)；

圖基于光纖光柵結(jié)構(gòu)的光分插復(fù)用器

(a)簡(jiǎn)單光分；(b)光分插

圖7.18FP濾波器圖7.22基于多層介質(zhì)薄膜濾波器的波分復(fù)用/解復(fù)用器光交換技術(shù)

目前的商用光纖通信系統(tǒng)，單信道傳輸速率已超過(guò)10Gb/s，實(shí)驗(yàn)WDM系統(tǒng)的傳輸速率已超過(guò)3.28Tb/s。但是，由于大量新業(yè)務(wù)的出現(xiàn)和國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，今后通信網(wǎng)絡(luò)還可能變得擁擠。原因是在現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)中，高速光纖通信系統(tǒng)僅僅充當(dāng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸手段，網(wǎng)絡(luò)中重要的交換功能還是采用電子交換技術(shù)。傳統(tǒng)電子交換機(jī)的端口速率只有幾Mb/s到幾百M(fèi)b/s，不僅限制了光纖通信網(wǎng)絡(luò)速率的提高，而且要求在眾多的接口進(jìn)行頻繁的復(fù)用/解復(fù)用，光/電和電/光轉(zhuǎn)換，因而增加了設(shè)備復(fù)雜性和成本，降低了系統(tǒng)的可靠性。

圖空分光交換(a)2×2光交換單元；(b)平行連接和交叉連接；(c)4×4光交換單元

圖時(shí)分光交換(a)時(shí)分復(fù)用原理；(b)時(shí)隙互換原理；(c)等效的空分交換

圖波分交換的原理框圖(a)波長(zhǎng)選擇法交換；(b)波長(zhǎng)變換法交換光時(shí)分復(fù)用技術(shù)

提高速率和增大容量是光纖通信的目標(biāo)。電子器件的極限速率大約在20Gb/s左右，現(xiàn)在通過(guò)電時(shí)分復(fù)用(TDM)已經(jīng)達(dá)到這個(gè)極限速率。若想要繼續(xù)提高速率，就必須在光域中想辦法。一般有兩種途徑：波分復(fù)用(WDM)和光時(shí)分復(fù)用(OTDM)。如今WDM技術(shù)研究非常熱，有的技術(shù)已經(jīng)成熟并實(shí)用化；而OTDM技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)研究階段，許多關(guān)鍵技術(shù)還有待解決。OTDM是在光域上進(jìn)行時(shí)間分割復(fù)用，一般有兩種復(fù)用方式：比特間插(Bitinterleaved)和信元間插(Cellinterleaved),比特間插是目前廣泛被使用的方式，信元間插也稱(chēng)為光分組(OpticalPacket)復(fù)用。圖是OTDM系統(tǒng)框圖。圖7.45光時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)框圖波長(zhǎng)變換技術(shù)

波長(zhǎng)變換(WC:WavelengthConversion)是將信息從承載它的一個(gè)波長(zhǎng)上轉(zhuǎn)到另一個(gè)波長(zhǎng)上。在WDM光網(wǎng)絡(luò)中使用波長(zhǎng)變換技術(shù)的原因有：首先，信息可以通過(guò)WDM網(wǎng)絡(luò)中不適宜使用的波長(zhǎng)進(jìn)入WDM網(wǎng)絡(luò)。例如在現(xiàn)階段光纖通信中大量使用1310nm窗口的LED或FPLD光源，這些波長(zhǎng)或光源均不適合WDM系統(tǒng)，因此在WDM系統(tǒng)的輸入和輸出處，都要在這些波長(zhǎng)與1550nm附近的波長(zhǎng)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。其次，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，可以提高鏈路上現(xiàn)有波長(zhǎng)的利用率。引入波長(zhǎng)變換技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的再利用，有效地進(jìn)行波長(zhǎng)路由選擇，降低網(wǎng)絡(luò)阻塞率，從而提高WDM網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可擴(kuò)充性。最后，如果不同網(wǎng)絡(luò)由不同的組織管理，并且這些網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有協(xié)調(diào)一致的波長(zhǎng)分配，那么在網(wǎng)絡(luò)之間就可以使用波長(zhǎng)變換器。波長(zhǎng)變換的基本方法有兩種：光/電/光方法和全光方法。1.光/電/光方法將光信號(hào)經(jīng)光/電轉(zhuǎn)換變成電信號(hào)，電信號(hào)再調(diào)制所需波長(zhǎng)的激光器，從而實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)變換。這是目前惟一成熟的波長(zhǎng)變換技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)有：輸入動(dòng)態(tài)范圍大，不需要光濾波器，對(duì)輸入光的偏振不敏感，并且對(duì)信號(hào)具有再生能力。其缺點(diǎn)是失去了全光網(wǎng)絡(luò)的透明性。

2.全光方法全光波長(zhǎng)變換技術(shù)主要有基于半導(dǎo)體光放大器(SOA:SemiconductorOpticalAmplifier)中的交叉增益調(diào)制(XGM