第6講光纖通信

光纖通信現(xiàn)代通信技術(shù)——

2/14/20251主要內(nèi)容：第一節(jié)..光纖通信概論第二節(jié)..光纖放大器第三節(jié)..波分復(fù)用WDM第四節(jié)..光弧子通信第五節(jié)..全光通信網(wǎng)的概念2/14/202521.1光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀

1.1.1探索時期的光通信

1.1.2現(xiàn)代光纖通信

1.1.3國內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀1.2光纖通信的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用

1.2.1光通信與電通信

1.2.2光纖通信的優(yōu)點(diǎn)☆

1.2.3光纖通信的應(yīng)用1.3光纖通信系統(tǒng)的基本組成

1.3.1發(fā)射和接收

1.3.2基本光纖傳輸系統(tǒng)☆

1.3.3數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)第一節(jié)..光纖通信概論返回主目錄2/14/20253

光纖通信是一門新興的跨學(xué)科通信技術(shù)。它用光波作載波(

100THz)來攜帶信息，并利用光纖作為傳輸介質(zhì)，連同半導(dǎo)體光源和半導(dǎo)體光檢測器，構(gòu)成基本光纖通信系統(tǒng)。

光纖通信系統(tǒng)與其它通信系統(tǒng)的區(qū)別從原理上講只是載波頻率的不同，光載波的頻率在

100THz的數(shù)量級，而微波載頻的范圍在10GHz，故光通信的信道帶寬比微波系統(tǒng)高出近萬倍，調(diào)制帶寬可以達(dá)到Tbps的量級。定義:2/14/202541.1光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀

1.1.1探索時期的光通信?在這個時期，美國麻省理工學(xué)院利用He-Ne激光器和CO2激光器進(jìn)行了大氣激光通信試驗(yàn)。由于沒有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質(zhì)，對光通信的研究曾一度走入了低潮。?1960年，美國人梅曼(Maiman)發(fā)明了第一臺紅寶石激光器，給光通信帶來了新的希望。激光器的發(fā)明和應(yīng)用，使沉睡了80年的光通信進(jìn)入一個嶄新的階段。?1880年，美國人貝爾(Bell)發(fā)明了用光波作載波傳送話音的“光電話”。貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型。?原始形式的光通信:中國古代用“烽火臺”報警，歐洲人用旗語傳送信息。

2/14/202552/14/202562/14/202572/14/20258弧光燈ABMNL送話器光話機(jī)原理圖2/14/20259

1.1.2現(xiàn)代光纖通信

1966年，英籍華裔學(xué)者高錕(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文，光頻率的介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)(dielectric-fibresurfacewaveguidesforopticalfrequencies)，指出了利用光纖(OpticalFiber)進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，奠定了現(xiàn)代光通信——光纖通信的基礎(chǔ)。

指明通過“原材料的提純制造出適合于長距離通信使用的低損耗光纖”這一發(fā)展方向。2/14/202510光纖通信發(fā)明家高錕(左)

1998年在英國接受IEE授予的獎?wù)?/14/202511

1970年，光纖研制取得了重大突破

?1970年，美國康寧(Corning)公司研制成功損耗20dB/km的石英光纖。把光纖通信的研究開發(fā)推向一個新階段。

?1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4dB/km。

?1973年，美國貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)室的光纖損耗降低到2.5dB/km。1974年降低到1.1dB/km。

?1976年，日本電報電話(NTT)公司將光纖損耗降低到0.47dB/km(波長1.2μm)。

?在以后的10年中，波長為1.55μm的光纖損耗：

1979年是0.20dB/km，1984年是0.157dB/km，1986年是0.154dB/km，接近了光纖最低損耗的理論極限。

2/14/202512衰減的單位dB(分貝)：描述功率相對比值的單位dB=10log10(Pout/Pin)Pout：輸出功率；Pin：輸入功率dBm(分貝毫瓦)：描述功率絕對值的單位dBm=10log10(P/1mw)1mw=0dBm20mw=13dBm40mw=16dBm2/14/202513

1970年，光纖通信用光源取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展

?

1970年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室、日本電氣公司(NEC)和前蘇聯(lián)先后，研制成功室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷(GaAlAs)雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(短波長)。雖然壽命只有幾個小時，但它為半導(dǎo)體激光器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

?1973年，半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到7000小時。

?1976年，日本電報電話公司研制成功發(fā)射波長為1.3μm的銦鎵砷磷(InGaAsP)激光器。

?1977年，貝爾實(shí)驗(yàn)室研制的半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到10萬小時。

?1979年美國電報電話(AT&T)公司和日本電報電話公司研制成功發(fā)射波長為1.55μm的連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器。由于光纖和半導(dǎo)體激光器的技術(shù)進(jìn)步，使1970年成為光纖通信發(fā)展的一個重要里程碑2/14/202514

實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展

?

1976年，美國在亞特蘭大(Atlanta)進(jìn)行了世界上第一個實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗(yàn)。

?1980年，美國標(biāo)準(zhǔn)化FT-3光纖通信系統(tǒng)投入商業(yè)應(yīng)用。

?1976年和1978年，日本先后進(jìn)行了速率為34Mb/s的突變型多模光纖通信系統(tǒng)，以及速率為100Mb/s的漸變型多模光纖通信系統(tǒng)的試驗(yàn)。

?1983年敷設(shè)了縱貫日本南北的光纜長途干線。

?

隨后，由美、日、英、法發(fā)起的第一條橫跨大西洋TAT-8海底光纜通信系統(tǒng)于1988年建成。

?第一條橫跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光纜通信系統(tǒng)于1989年建成。從此，海底光纜通信系統(tǒng)的建設(shè)得到了全面展開，促進(jìn)了全球通信網(wǎng)的發(fā)展。2/14/202515光纖通信的發(fā)展可以粗略地分為三個階段：

?第一階段(1966~1976年)，這是從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開發(fā)時期。

?第二階段(1976~1986年)，這是以提高傳輸速率和增加傳輸距離為研究目標(biāo)和大力推廣應(yīng)用的大發(fā)展時期。

?第三階段(1986~1996年)，這是以超大容量超長距離為目標(biāo)、全面深入開展新技術(shù)研究的時期。2/14/202516中美海底光纜2/14/202517

1.1.3國內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀

1976年美國在亞特蘭大進(jìn)行的現(xiàn)場試驗(yàn)，標(biāo)志著光纖通信從基礎(chǔ)研究發(fā)展到了商業(yè)應(yīng)用的新階段。

此后，光纖通信技術(shù)不斷創(chuàng)新：光纖從多模發(fā)展到單模，工作波長從0.85μm發(fā)展到1.31μm和1.55μm(短波長向長波長），傳輸速率從幾十Mb/s發(fā)展到幾十Gb/s。隨著技術(shù)的進(jìn)步和大規(guī)模產(chǎn)業(yè)的形成，光纖價格不斷下降，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。目前光纖已成為信息寬帶傳輸?shù)闹饕劫|(zhì)，光纖通信系統(tǒng)將成為未來國家信息基礎(chǔ)設(shè)施的支柱。在許多發(fā)達(dá)國家，生產(chǎn)光纖通信產(chǎn)品的行業(yè)已在國民經(jīng)濟(jì)中占重要地位。2/14/202518我國光纖通信發(fā)展成就我國863計(jì)劃光纖通信技術(shù):成果:1.2.5Gbps高速光纖通信傳輸系統(tǒng);2.622Mbps/155MbpsSDH分插復(fù)用系統(tǒng);3.12路波分復(fù)用+光纖放大器通信系統(tǒng);4.4*622Mbps單模光纖無中繼傳輸系統(tǒng);5.實(shí)用化CATV光纖傳輸系統(tǒng);

我國“九五”期間公用網(wǎng)建成八橫八縱的干線光纜網(wǎng)絡(luò)格局.總長3.4萬公里，它覆蓋了全國省會以上城市和70%的地市。2/14/202519——八縱包括：牡丹江-上海-廣州齊齊哈爾-北京-三亞呼和浩特-太原-北海哈爾濱-西安-昆明蘭州-西寧-拉薩蘭州-貴陽-南寧——八橫包括：天津-呼和浩特-蘭州青島-石家莊-銀川上海-南京-西安連云港-烏魯木齊-伊寧上海-武漢-重慶杭州-長沙-成都廣州-南寧-昆明上海-廣州-昆明2/14/202520光纖通信整體發(fā)展時間表1974197619781980198219841986198819901992

100000

1000010001001010.1

0.8μm多模1.3μm單模1.55μm直接檢測光孤子光放大器1.55μm相干檢測系統(tǒng)性能(Gb/s?Km）2/14/2025211.2光纖通信的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用

1.2.1光通信與電通信

通信系統(tǒng)的傳輸容量取決于對載波調(diào)制的頻帶寬度，載波頻率越高，頻帶寬度越寬。光通信的主要特點(diǎn)：載波頻率高；頻帶寬度寬（圖1.1）光通信利用的傳輸媒質(zhì)-光纖，可以在寬波長范圍內(nèi)獲得很小的損耗。（圖1.2）2/14/202522回憶一下——相關(guān)知識

1．

光波波譜光波是電磁波，光波范圍包括紅外線、可見光、紫外線，其波長范圍為：300μm～6×10?3μm。可見光由紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七種顏色的連續(xù)光波組成，其中紅光的波長最長，紫光的波長最短。波長再短就是X射線、γ射線。電磁波波譜圖如圖1.1所示。2/14/202523圖1.1電磁波波譜圖2/14/202524

2．光纖通信的光波波譜

光纖通信的波譜在1.67×1014Hz～3.75×1014Hz之間，即波長在0.8μm～1.8μm之間，屬于紅外波段，將0.8μm～0.9μm稱為短波長，1.0μm～1.8μm稱為長波長，2.0μm以上稱為超長波長。各種單位的換算公式如表1-1所示。

表1-1 各種單位的換算公式c＝3×108m/s1MHz（兆赫）＝106Hzλ＝c/f1GHz（吉赫）＝109Hz1μm（微米）＝10?6m1THz（太赫）＝1012Hz1nm（納米）＝10?9m1PHz（拍赫）＝1015Hz1?（埃）＝10?10m2/14/202525圖1.2各種傳輸線路的損耗特性傳輸損耗dB/Km2/14/202526

1.2.2光纖通信的優(yōu)點(diǎn)

?容許頻帶很寬，傳輸容量很大

?損耗很小，中繼距離很長且誤碼率很小

?重量輕、體積小

?抗電磁干擾性能好

?泄漏小，保密性能好

?節(jié)約金屬材料，有利于資源合理使用2/14/202527

1.2.3光纖通信的應(yīng)用

光纖可以傳輸數(shù)字信號，也可以傳輸模擬信號。光纖在通信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)，以及在其它數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，都得到了廣泛應(yīng)用。光纖寬帶干線傳送網(wǎng)和接入網(wǎng)發(fā)展迅速，是當(dāng)前研究開發(fā)應(yīng)用的主要目標(biāo)。光纖通信的各種應(yīng)用可概括如下：

①通信網(wǎng)②構(gòu)成因特網(wǎng)的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)③有線電視網(wǎng)的干線和分配網(wǎng)④綜合業(yè)務(wù)光纖接入網(wǎng)2/14/202528

ATMInternet骨干網(wǎng)DDN/FRPSTN/ISDNTV業(yè)務(wù)分配節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)接入節(jié)點(diǎn)網(wǎng)管SNMP與電信網(wǎng)管中心相連Q3100/1000ME1/BRA/PRA155M622MSDH典型應(yīng)用之一：寬帶綜合業(yè)務(wù)光纖接入系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2/14/202529典型應(yīng)用之二：作為校園網(wǎng)的骨干傳輸網(wǎng)2/14/2025301.3光纖通信系統(tǒng)的基本組成

下圖示出單向傳輸?shù)墓饫w通信系統(tǒng)，包括發(fā)射、接收和作為廣義信道的基本光纖傳輸系統(tǒng)。2/14/202531基本光纖傳輸系統(tǒng)的三個組成部分1、光發(fā)送機(jī)組成框圖：光源調(diào)制器通道耦合器電信號輸入光輸出驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)參數(shù)：發(fā)送功率，dbm概念光源光譜特性：輸出光功率足夠大，調(diào)制頻率足夠高，譜線寬度和光束發(fā)散角盡可能小，輸出功率和波長穩(wěn)定，器件壽命長。2/14/202532電信號對光的調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方式

直接調(diào)制用電信號直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管的驅(qū)動電流，使輸出光隨電信號變化而實(shí)現(xiàn)的。這種方案技術(shù)簡單，成本較低，容易實(shí)現(xiàn)，但調(diào)制速率受激光器的頻率特性所限制。

外調(diào)制把激光的產(chǎn)生和調(diào)制分開，用獨(dú)立的調(diào)制器調(diào)制激光器的輸出光而實(shí)現(xiàn)的。外調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)制速率高，缺點(diǎn)是技術(shù)復(fù)雜，成本較高，因此只有在大容量的波分復(fù)用和相干光通信系統(tǒng)中使用。2/14/202533

圖1.5兩種調(diào)制方案

(a)直接調(diào)制；(b)間接調(diào)制(外調(diào)制)

2/14/202534

2.光纖線路

功能：是把來自光發(fā)射機(jī)的光信號，以盡可能小的畸變(失真)和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C(jī)

組成:光纖、光纖接頭和光纖連接器

低損耗“窗口”：普通石英光纖在近紅外波段，除雜質(zhì)吸收峰外，其損耗隨波長的增加而減小，在0.85μm、1.31μm和1.55μm有三個損耗很小的波長“窗口”，見后圖。

光源激光器的發(fā)射波長和光檢測器光電二極管的波長響應(yīng)，都要和光纖這三個波長窗口相一致。目前在實(shí)驗(yàn)室條件下，1.55μm的損耗已達(dá)到0.154dB/km，接近石英光纖損耗的理論極限。2/14/2025350.70.80.91.01.11.21.31.41.5衰減（dB/km）第一窗口第二窗口波長——λ（μm）普通單模光纖的衰減隨波長變化示意圖6543210。40。2第三窗口

C波段1525~1565nm

1.571.62L波段2/14/202536常用連接器類型SCLCMT-RJDSCVF-45Opti-Jack2/14/202537常用連接器類型FCTypeSCTypeSC2TypeFDDType2/14/202538光纖熔接機(jī)2/14/2025393、光接收機(jī)功能：是把從光纖線路輸出、產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并經(jīng)放大和處理后恢復(fù)成發(fā)射前的電信號組成部分：耦合器，光電檢測器，解調(diào)器組成框圖：電子電路光輸入耦合器光電檢測器解調(diào)器電信號輸出結(jié)構(gòu)參數(shù)：接收機(jī)靈敏度，定為BER≤10-9條件下，所要求的最小電平接收功率。檢測方式：直接檢測和外差檢測2/14/2025404光纖與光纜

光纖的結(jié)構(gòu)石英玻璃、塑料或晶體纖芯(折射率大)和包層全反射2/14/202541光纖直徑纖芯(Core)62.55mm125mm包層(Clad)Core8mm125mmClad85μm

多模單模人的頭發(fā)2/14/2025425光纖的傳光原理

構(gòu)成光纖的材料是石英纖維（SiO2）;光纖由內(nèi)芯和包層組成，芯的折射率略大于包層，利用光在內(nèi)芯的折射或在芯與包層界面上的全反射實(shí)現(xiàn)光的傳播。n1n2n1SIFGIF2/14/2025436光纖基本類型突變折射率型多模光纖（SIF）：纖芯直徑＝50～60μm，光線以折射形狀沿纖芯軸線方向傳播，存在多條路徑，并有較大的時延差，因而信號畸變大。漸變折射率型多模光纖（GIF）：纖芯直徑＝50μm，光線以曲線形狀沿纖芯軸線方向傳播，各條路徑時延差較小，因而信號畸變較小。單模光纖（SMF）：纖芯很細(xì)，直徑約10μm，光線以直線形狀沿纖芯軸線方向傳播，只有一種傳播模式，信號畸變很小。2/14/2025447光纖傳輸特性傳輸損耗，由材料吸收和雜質(zhì)散射等因素引起。有三個低損耗窗口：（1）0.85μm附近，損耗2~4dB/km;

（2）1.31μm附近，損耗約0.5dB/km;

（3）1.55μm附近，損耗約0.2dB/km。色散（Dispersion）：一般包括材料色散、模式色散、波導(dǎo)色散等，引起接收的信號脈沖展寬，從而限制了信息傳輸速率。中繼器間距受損耗限制和色散限制。2/14/2025458實(shí)用光纖標(biāo)準(zhǔn)G.651：GIF型光纖，適用于中小容量和中短距離，常用于計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)或接入網(wǎng)；G.652：常規(guī)單模光纖，第一代SMF，在波長1.31μm處色散為零，傳輸距離只受損耗限制，適用于大容量傳輸，是應(yīng)用最廣的單模光纖

；G.653：色散移位光纖，第二代SMF，在波長1.55μm色散為零，損耗小，適用于大容量長距離傳輸G.654：1.55μm損耗最小的SMF，1.31μm處色散為零；G.655：非零色散光纖，是新一代的SMF，適用于波分復(fù)用系統(tǒng)，提供更大的傳輸容量。2/14/2025469光纜按芯數(shù)分為單芯、雙芯、多芯按結(jié)構(gòu)分為層絞式、骨架式、帶狀等按敷設(shè)場合分為架空、直埋、管道、移動、室內(nèi)、水下、海底等按用途分為通信用光纜和非通信用光纜加強(qiáng)元件加強(qiáng)元件加強(qiáng)元件加強(qiáng)元件加強(qiáng)元件光纖2/14/202547

1.3.3數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)

數(shù)字通信系統(tǒng)用參數(shù)取值離散的信號(如脈沖的有和無、電平的高和低等)代表信息，強(qiáng)調(diào)的是信號和信息之間的一一對應(yīng)關(guān)系；

模擬通信系統(tǒng)則用參數(shù)取值連續(xù)的信號代表信息，強(qiáng)調(diào)的是變換過程中信號和信息之間的線性關(guān)系。這種基本特征決定著兩種通信方式的優(yōu)缺點(diǎn)和不同時期的發(fā)展趨勢。2/14/202548

數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下：

①抗干擾能力強(qiáng)，傳輸質(zhì)量好。②可以用再生中繼，傳輸距離長。③適用各種業(yè)務(wù)的傳輸，靈活性大。④容易實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的保密通信。⑤數(shù)字通信系統(tǒng)大量采用數(shù)字電路，易于集成，從而實(shí)現(xiàn)小型化、微型化，增強(qiáng)設(shè)備可靠性，有利于降低成本。

模擬通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：

占用帶寬較窄外，電路簡單易于實(shí)現(xiàn)、價格便宜等。2/14/202549PDH系統(tǒng)

SDH系統(tǒng)波分復(fù)用WDM密集波分復(fù)用DWDM副載波復(fù)用通信新型光纖研制光放大技術(shù)光交換技術(shù)光接入技術(shù)光弧子通信

目前光纖通信的熱點(diǎn)

研究方向最終實(shí)現(xiàn)全光通信!2/14/202550第二節(jié)..光纖放大器2.1、引言2.2、光纖放大器的分類☆2.3、摻鉺光纖放大器EDFA☆2/14/2025512.1引言目前研制的光放大器分為:

光纖放大器（OFA）和半導(dǎo)體光放大器（SOA）兩大類。

SOA早期因受噪聲、偏振相關(guān)性等因素的影響，性能達(dá)不到實(shí)用要求，但SOA結(jié)構(gòu)簡單、適于批量生產(chǎn)、成本低、壽命長、功耗小，還能與其它部件一塊集成以及使用波長范圍可望覆蓋EDFA和PDFA的應(yīng)用窗口。因此，SOA是進(jìn)一步研究的重要器件之一。2/14/202552

光纖放大器（OpticalFiberAmpler，簡寫OFA）是指運(yùn)用于光纖通信線路中，實(shí)現(xiàn)信號放大的一種新型全光放大器。根據(jù)它在光纖線路中的位置和作用，一般分為:中繼放大、前置放大和功率放大三種。同傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光放大器（SOA）相比較，OFA不需要經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換、電光轉(zhuǎn)換和信號再生等復(fù)雜過程，可直接對信號進(jìn)行全光放大，具有很好的“透明性”，特別適用于長途光通信的中繼放大?？梢哉f，OFA為實(shí)現(xiàn)全光通信奠定了一項(xiàng)技術(shù)基礎(chǔ)2/14/202553傳統(tǒng)再生中繼器:光-電-光轉(zhuǎn)換全光放大器:光-光中繼,實(shí)現(xiàn)光纖通信全光化

優(yōu)點(diǎn)：減少信號多次變換的失真

提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性

比較：再生器色散總清單通路調(diào)制比特率特定光放大器色散積累多通路調(diào)制比特率通透

2/14/2025542.2光纖放大器的分類

根據(jù)放大機(jī)制不同，OFA可分為兩大類。

1

摻稀土OFA

制作光纖時，采用特殊工藝，在光纖芯層沉積中摻入極小濃度的稀土元素，如鉺、鐠或銣等離子，可制作出相應(yīng)的摻鉺、摻鐠或摻銣光纖。光纖中摻雜離子在受到泵浦光激勵后躍遷到亞穩(wěn)定的高激發(fā)態(tài)，在信號光誘導(dǎo)下，產(chǎn)生受激輻射，形成對信號光的相干放大。這種OFA實(shí)質(zhì)上是一種特殊的激光器，它的工作腔是一段摻稀土粒子光纖，泵浦光源一般采用半導(dǎo)體激光器。

2/14/202555

當(dāng)前光纖通信系統(tǒng)工作在兩個低損耗窗口：1.55μm波段和1.31μm波段。選擇不同的摻雜元素，可使放大器工作在不同窗口。

（1）摻鉺光纖放大器（EDFA）

EDFA工作在1.55μm窗口，該窗口光纖損耗系數(shù)低（僅0.2dB／km）。已商用的EDFA噪聲低，增益曲線好，放大器帶寬大，與波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)兼容，泵浦效率高，工作性能穩(wěn)定，技術(shù)成熟，在現(xiàn)代長途高速光通信系統(tǒng)中備受青睞。目前，“摻鉺光纖放大器（EDFA）+密集波分復(fù)用（WDM）+非零色散光纖（NZDF）+光子集成（PIC）”正成為國際上長途高速光纖通信線路的主要技術(shù)方向。2/14/202556

（2）摻鐠光纖放大器（PDFA）

PDFA工作在1.31μm波段，已敷設(shè)的光纖90％都工作在這一窗口。PDFA對現(xiàn)有光通信線路的升級和擴(kuò)容有重要的意義。目前已經(jīng)研制出低噪聲、高增益的PDFA，但是它的泵浦效率不高，工作性能不穩(wěn)定，增益對溫度敏感，離實(shí)用還有一段距離。

2/14/2025572

非線性O(shè)FA

非線性O(shè)FA是利用光纖的非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對信號光放大的一種激光放大器。當(dāng)光纖中光功率密度達(dá)到一定閾值時，將產(chǎn)生受激拉曼散射（SRS）或受激布里淵散射（SBS），形成對信號光的相干放大。非線性O(shè)FA可相應(yīng)分為拉曼光纖放大器（SRA）和布里淵光纖放大器（BRA）。目前研制出的SRA尚未商用化。2/14/2025582.3摻鉺光纖放大器

—概況

摻鉺光纖放大器（EDFA）是80年代后期發(fā)展起來的新型光纖通信產(chǎn)品。它的研制成功，打破了光纖通信傳輸距離受光纖損耗的限制，使全光通信距離延長至幾千公里，給光纖通信帶來了革命性的變化，被譽(yù)為光通信發(fā)展的一個“里程碑”。

摻鉺光纖放大器的工作光譜波段為1530nm至1560nm，與光纖通信的1550nm這個窗口完全匹配。摻鉺光纖放大器可以對光信號進(jìn)行直接光放大，具有增益高、輸出功率大、噪聲低、響應(yīng)速度快。對信號的編碼格式?jīng)]有要求等優(yōu)點(diǎn)，因此在光纖傳輸系統(tǒng)中有廣泛的用途。2/14/202559

它可以用作光的功率放大器、中繼放大器和前置放大器，可以用于數(shù)字的和模擬的光纖通信系統(tǒng)，CATV系統(tǒng)和光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)。由于摻鉺光纖放大器的出現(xiàn)，使無中繼的光纖傳輸距離大大延長，使密集波分復(fù)用成為可能，使復(fù)雜的光纖網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造成為可行，也使光弧子技術(shù)等先進(jìn)光纖通信技術(shù)取得突破性進(jìn)展。注：鉺(Er)是一種稀土元素(屬于鑭系元素),原子序數(shù)是68，原子量是167.3。

EDFA在980nm泵浦時，是一個典型的三級能級系統(tǒng)，在1480nm泵浦時，是一個準(zhǔn)二級能級系統(tǒng)。2/14/2025602.3摻鉺光纖放大器—基本結(jié)構(gòu)

EDFA:ErbiumDopedFiberAmplifier

基本結(jié)構(gòu)：EDFA是由摻鉺光纖、泵浦光源、波分復(fù)用器構(gòu)成。輸入信號光隔離器波分復(fù)用器泵浦摻鉺光纖光隔離器輸出信號2/14/202561

EDFA放大原理電子吸收泵浦光受激輻射躍遷躍遷無輻射躍遷E3E2E1弱光強(qiáng)光泵浦光激發(fā)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)基態(tài)

簡單講，是由于在摻鉺光纖中鉺離子的外層電子在泵浦光作用下呈現(xiàn)出粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，當(dāng)受到入射光照時，受激輻射，從而使光信號得到增強(qiáng)。（注意無輻射躍遷的時間1us-10ms）2/14/2025622/14/2025632/14/2025642/14/202565EDFA應(yīng)用光中繼：TransmitterreceiverEDFAEDFA光接收機(jī)前置放大器：TransmitterreceiverEDFA光發(fā)射機(jī)后置放大器：receiverTransmitterEDFA2/14/202566EDFA的優(yōu)點(diǎn)

EDFA的主要優(yōu)點(diǎn)有：

（1）工作波長正好落在光纖通信最佳波段（1500～1600nm）；其主體是一段光纖（EDF），與傳輸光纖的耦合損耗很小，可達(dá)0.1dB。

（2）增益高，約為30～40dB；飽和輸出光功率大，約為10～15dBm；增益特性與光偏振狀態(tài)無關(guān)。

（3）噪聲指數(shù)小，一般為4～7dB(極限約為3dB)；用于多信道傳輸時，隔離度大，無串?dāng)_，適用于波分復(fù)用系統(tǒng)。2/14/202567EDFA的優(yōu)點(diǎn)（4）頻帶寬，在1550nm窗口，頻帶寬度為20～40nm，可進(jìn)行多信道傳輸，有利于增加傳輸容量。所以“波分復(fù)用+光纖放大器”被認(rèn)為是充分利用光纖帶寬增加傳輸容量最有效的方法。

1550nmEDFA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。副載波CATV系統(tǒng)，WDM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。2/14/2025682/14/202569波分復(fù)用WavelengthDivisionMultiplexingWDM頻分復(fù)用FrequencyDivisionMultiplexingFDM

FDM與WDM在本質(zhì)上是沒有區(qū)別的。通常把光載波間隔在1nm以上的系統(tǒng)稱為WDM或DWDM;

當(dāng)光載波間隔在1nm以下的系統(tǒng)稱為FDM時分復(fù)用TimeDivisionMultiplexingTDM

將一幀時間T劃分為n個時隙，每一個時隙只傳輸固定的信道，與TDM相比，OTDM中電光和光電轉(zhuǎn)換分別位于復(fù)用之前和解復(fù)用之后，電子器件及E/O和O/E變換單元只工作于支路信號速率上。

目前技術(shù)難點(diǎn)在于接收精確同步?？辗謴?fù)用SpaceDivisionMultiplexingSDM第三節(jié)波分復(fù)用WDM—各種復(fù)用方式

2/14/2025703.1波分復(fù)用的基本概念

波分復(fù)用是光纖通信中的一種傳輸技術(shù),它利用了一根光纖可以同時傳輸多個不同波長的光載波的特點(diǎn),把光纖可能應(yīng)用的波長范圍劃分成若干個波段,每個波段用作一個獨(dú)立的通道傳輸一種預(yù)定波長的光信號。通常將波分復(fù)用縮寫為WDM。光波分復(fù)用的實(shí)質(zhì)是在光纖上進(jìn)行光頻分復(fù)用每個波長之間的間隔寬度也有差別。按照通道間隔的差異，WDM可以細(xì)分為:WWDM

（Wide-WDM,通道間隔等于或者大于25nm）MWDM(Mid-WDM,通道間隔小于25nm,而大于3.2nm)DWDM(Dense-WDM,通道間隔小于或者等于3.2nm)。通道可以是等間隔的，也可以是非等間隔的。2/14/2025713.2單模光纖的頻帶資源

光纖的帶寬很寬。如圖所示，在光纖的兩個低損耗傳輸窗口：波長為1.31um(1.25～1.35um)的窗口，相應(yīng)的帶寬為17700GHz；波長為1.55um(1.50～1.60um)窗口，相應(yīng)的帶寬為12500GHz。兩個窗口合在一起，總帶寬超過30THZ。如果信道頻率間隔為10GHZ，在理想情況下，一根光纖可以容納3000個信道。2/14/202572

DWDM系統(tǒng)是在1550nm波長區(qū)段內(nèi)，同時用8，16或更多個波長在一對光纖上(也可采用單光纖)構(gòu)成的光通信系統(tǒng)，其中各個波長之間的間隔為1.6nm、0.8nm或更低，約對應(yīng)于200GHz,100GHz或更窄的帶寬。

WDM、DWDM和FDM在本質(zhì)上沒有多大區(qū)別以往技術(shù)人員習(xí)慣采用WDM和DWDM來區(qū)分是1310/1550nm簡單復(fù)用還是在1550nm波長區(qū)段內(nèi)密集復(fù)用，但目前在電信界應(yīng)用時，都采用DWDM技術(shù)。

由于1310/1550nm的復(fù)用超出了EDFA的增益范圍，只在一些專門場合應(yīng)用，所以經(jīng)常用WDM這個更廣義的名稱來代替DWDM。2/14/202573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，將不同波長的信號結(jié)合在一起經(jīng)一根光纖輸出的器件稱為復(fù)用器(也叫合波器)。反之，經(jīng)同一傳輸光纖送來的多波長信號分解為各個波長分別輸出的器件稱為解復(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來使用，就是復(fù)用器。

因此復(fù)用器和解復(fù)用器是相同的(除非有特殊的要求)。3.3WDM系統(tǒng)的基本形式2/14/202574WDM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。單向WDM傳輸是指所有光通路同時在一根光纖上沿同一方向傳送。如圖所示，在發(fā)送端將載有各種信息的、具有不同波長的已調(diào)光信號λ1，λ2…，λn通過光復(fù)用器組合在一起，并在一根光纖中單向傳輸。由于各信號是通過不同光波長攜帶的，因而彼此之間不會混淆。在接收端通過光解復(fù)用器將不同波長的信號分開，完成多路光信號傳輸?shù)娜蝿?wù)。反方向通過另一根光纖傳輸?shù)脑砼c此相同。2/14/202575WDM系統(tǒng)的基本形式(續(xù))（2）單纖雙向傳輸。雙向WDM傳輸是指光通路在一根光纖上同時向兩個不同的方向傳輸。如圖所示，所用波長相互分開，以實(shí)現(xiàn)雙向全雙工的通信。2/14/202576

3.4WDM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)、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。2/14/202577

目前國際上已商用的系統(tǒng)有：4×2.5Gb/s(10Gb/s),8×2.5Gb/s(20Gb/s),16×2.5Gb/s(40Gb/s),40×2.5Gb/s(100Gb/s),32×10Gb/s(320Gb/s),40×10Gb/s(400Gb/s)。實(shí)驗(yàn)室已實(shí)現(xiàn)了82×40Gb/s(3.28Tb/s)的速率，傳輸距離達(dá)3×100km=300km。OFC2000(OpticalFiberCommunicationConference)提供的情況有：BellLabs:82路×40Gb/s=3.28Tb/s在3×100km=300km的TrueWave(商標(biāo))光纖(即G.655光纖)上，利用C和L兩個波帶聯(lián)合傳輸；日本NEC:160×20Gb/s=3.2Tb/s，利用歸零信號沿色散平坦光纖，經(jīng)過增益寬度為64nm的光纖放大器，傳輸距離達(dá)1500km;

2/14/2025781.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)用價值和經(jīng)濟(jì)價值。2.同時傳輸多種不同類型的信號由于WDM技術(shù)使用的各波長的信道相互獨(dú)立，因而可以傳輸特性和速率完全不同的信號，完成各種電信業(yè)務(wù)信號的綜合傳輸，如PDH信號和SDH信號，數(shù)字信號和模擬信號，多種業(yè)務(wù)(音頻、視頻、數(shù)據(jù)等)的混合傳輸?shù)取?.5WDM技術(shù)的主要特點(diǎn)2/14/202579

3.節(jié)省線路投資采用WDM技術(shù)可使N個波長復(fù)用起來在單根光纖中傳輸，也可實(shí)現(xiàn)單根光纖雙向傳輸，在長途大容量傳輸時可以節(jié)約大量光纖。另外，對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)一步增容而不必對原系統(tǒng)作大的改動。

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)可降低對一些器件在性能上的極高要求，同時又可實(shí)現(xiàn)大容量傳輸。2/14/202580

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，如長途干線網(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)未來的透明、靈活、經(jīng)濟(jì)且具有高度生存性的光網(wǎng)絡(luò)。2/14/2025812/14/202582

隨著光纖損耗不斷下降，光信號幅度的衰減越來越不成為限制通信系統(tǒng)中繼距離的主要制約因素。相反地，在Gb/s以上的高速光纖通信系統(tǒng)中，由于各種色散，即群速度色散（GVD）而造成的光脈沖在傳播過程中的脈沖展寬卻成為限制通信距離的關(guān)鍵制約因素。

1834年英國海軍工程師ScottRussel觀察到河面上船過后隆起的水波可以保形傳輸，從此揭開了孤子理論的研究序幕。

1973年，Hasegawa與Tappert一起從理論上證明了光孤子脈沖能在光纖中保形傳輸這一現(xiàn)象，這種發(fā)現(xiàn)誘發(fā)了人們將光孤子作為一種信息載體用于高速通信的遐想。第四節(jié)光孤子光纖通信Soliton2/14/202583

光孤子現(xiàn)象：用較大功率的長波激光（其波長大于零色散波長）在光纖中傳播，產(chǎn)生非線性效應(yīng)形成負(fù)色散，以抵消光纖本身的色散所引起的脈沖展寬現(xiàn)象。是一種孤立波，它在傳播過程中沒有能量彌散，特別是超短光脈沖即脈沖寬度達(dá)到ps量級，它通過光纖傳輸時將沒有任何色散而保持脈沖形狀不變。

光孤子(Soliton)是經(jīng)光纖長距離傳輸后，其幅度和寬度都不變的超短光脈沖(ps數(shù)量級)。

第四節(jié)光孤子光纖通信Soliton2/14/202584

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