光纖通信器件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò).ppt

1、,光纖通信器件、系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò),上海交通大學(xué) “區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)” 國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陳建平 Tel：62827183 E-mail：,內(nèi) 容 提 要 光纖通信發(fā)展歷程簡(jiǎn)要回顧 光纖通信的最新進(jìn)展 從中國(guó)信息通信發(fā)展趨勢(shì)看光纖通信的未來(lái) 光纖通信的支撐技術(shù),1、光纖通信發(fā)展歷程 簡(jiǎn)要回顧,101,107,102,106,103,105,104,104,105,103,106,102,107,101,108,100,109,10-1,1010,10-2,1011,10-3,1012,10-4,1013,10-5,1014,10-6,1015,ELF,VF,VLF,LF,MF,HF,VHF

2、,UHF,SHF,EHF,自由空間波長(zhǎng)，m,頻率，Hz,電力、電話(huà),無(wú)線(xiàn)電、電視,微波,紅外,可見(jiàn)光,雙鉸線(xiàn),同軸電纜,光纖,衛(wèi)星/微波,AM無(wú)線(xiàn)電,FM無(wú)線(xiàn)電,通信波段劃分及相應(yīng)傳輸媒介,頻段劃分,傳輸介質(zhì),傳 輸 技 術(shù) 的 演 進(jìn) 模擬信號(hào)數(shù)字傳輸：高質(zhì)、安全、集成 光纖傳輸：寬帶、低損、無(wú)電磁干擾、價(jià)低 光纖數(shù)字傳輸綜合好處PDH飛速發(fā)展 PDH的組網(wǎng)缺點(diǎn)SDH：靈活的組網(wǎng)能力、強(qiáng)大的網(wǎng)管、帶寬管理及自愈保護(hù) SDH與PDH均為T(mén)DM（時(shí)分復(fù)用）電子電路限制高速SDH的發(fā)展電子瓶頸 波分復(fù)用（WDM，DWDM）+EDFA 擴(kuò)展傳輸容量的新手段 全光通信網(wǎng)信息高速公路的骨干網(wǎng),為充分利用

3、光子學(xué)的寬帶性，傳輸系統(tǒng)的走向?yàn)? 電子型光電混合型全光型。,(1)傳統(tǒng)的電傳輸系統(tǒng),O/E/O,光 纜,E M U X,光發(fā)送,再生 中繼,再生 中繼,E D M U X,電復(fù)用 電解復(fù)用,光接收,(2)光電混合型光纖傳輸系統(tǒng),(3)DWDM光纖傳輸系統(tǒng),O M U X,O D M U X,OA,OA,OA,光發(fā)送,光發(fā)送,光發(fā)送,，,光接收,光接收,光接收,TX,EDFA,EDFA,TX,TX,TX,TX,TX,TX,TX,40km,40km,40km,40km,40km,40km,40km,40km,40km,TX,TX,TX,TX,TX,TX,TX,TX,M U X,120 km,12

4、0 km,120 km,WDM+EDFA 革新了光纖傳輸,D E M, 20多年來(lái)光纖通信技術(shù)在發(fā)掘、利用光纖帶寬資源，擴(kuò)展光纖傳輸能力方面進(jìn)展神速。（傳輸能力主要指：通信容量和傳輸距離）。 在光波長(zhǎng)和光纖類(lèi)型方面 多模光纖單模光纖 短波長(zhǎng)800nm長(zhǎng)波長(zhǎng)1300nm、1550nm 一纖一波一纖多波,在單纖傳輸容量方面,2、光纖通信的最新進(jìn)展,DWDM及相關(guān)技術(shù)在90年代中期開(kāi)始走向成熟并進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用。 AT w2=1.931e14+1e11; w3=1.931e14+2.6e11; w5=1.931e14+3.4e11; L=50km,四波混頻模擬結(jié)果,光纖長(zhǎng)度50公里,DWDM光纖傳輸系

5、統(tǒng)色散補(bǔ)償,O M U X,O D M U X,OA,光發(fā)送,光發(fā)送,光發(fā)送,光接收,光接收,光接收,正色散光纖,負(fù)色散、大光斑光纖,支撐DWDM的器件與子系統(tǒng),自聚焦透鏡（Selfoc Lens）,1個(gè)周期（Pitch ）,折 射 率 分 布,光學(xué)不變?cè)恚汗馐膶挾群桶l(fā)散角的乘積為常數(shù)。 Selfoc Lens 通過(guò)對(duì)光束進(jìn)行擴(kuò)束，達(dá)到準(zhǔn)直目的。,P/4 自聚焦透鏡,光纖,單模光纖準(zhǔn)直器結(jié)構(gòu),80,光纖,P/4 自聚焦透鏡,P/4 自聚焦透鏡,光纖,單模光纖準(zhǔn)直器的應(yīng)用,光波分復(fù)用器,波分復(fù)用合波器（WDM）/分波器（WDDM）是將不同波長(zhǎng)光信號(hào)進(jìn)行組合/分開(kāi)的器件，是DWDM系統(tǒng)最基本的

6、無(wú)源器件。通過(guò)它，光纖的頻帶資源可以得到充分利用。 WDM的基本功能是將 N 個(gè)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)合在一起，輸入至光纖中去；WDDM則是將N 個(gè)合在一起的不同波長(zhǎng)光信號(hào)分開(kāi)。,中心波長(zhǎng)：符合ITU-T建議，即,WDM系統(tǒng)的技術(shù)要求,e.g. 采用EDFA的32波長(zhǎng)DWDM系統(tǒng)各信道的頻率安排如下：,波分復(fù)用器分類(lèi)：,980/1550、1480/1550泵浦/信號(hào)波分復(fù)用器（全光纖熔融拉錐型）。 1310/1550波分復(fù)用器（全光纖熔融拉錐型）。 1550波段內(nèi)粗波分復(fù)用器（有可能用全光纖熔融拉錐方法實(shí)現(xiàn)）。,1、粗波分復(fù)用器,2 密集波分復(fù)用器DWDM,一、干涉濾光膜型波分復(fù)用器,輸入光纖,1,

7、4,3,2,0 (監(jiān)管信道),干涉濾光膜,116,115,16,干涉濾光膜型DWDM的一種工藝方案,114,15,二、光柵型波分復(fù)用器,輸入光,1,4,3,2,1. 體光柵型,2. 光纖光柵型,布拉格光柵,116,115,16,16,16,115、16,115、16,FBG,環(huán)形器,光纖光柵的應(yīng)用,三、陣列波導(dǎo)光柵型波分復(fù)用器(AWG),光開(kāi)關(guān),光開(kāi)關(guān)類(lèi)型,1、機(jī)械式光開(kāi)關(guān),移動(dòng)光纖、套管或自聚焦透鏡式,電磁驅(qū)動(dòng)、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)等,移動(dòng)反射鏡、透射鏡式,2、磁光、電光效應(yīng)式光開(kāi)關(guān),3、集成光學(xué)光開(kāi)關(guān),集成光波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)（電光、熱光）,M-Z型光開(kāi)關(guān),MEMS,用DWDM+光開(kāi)關(guān)可構(gòu)成OADM、OX

8、C等光交換系統(tǒng),本節(jié)點(diǎn)信息,輸入光纖 1234,DEM,MUX,輸出光纖 1234,1,1,2,2,3,3,4,4,RX,TX,1 2 3 4,1 2 3 4,1 2 3 4,1 2 3 4,1,2,3,4,1,2,3,4,動(dòng)態(tài)交叉連接,光開(kāi)關(guān),光隔離器和環(huán)行器,Faraday效應(yīng)：不具有旋光性的材料，在外磁場(chǎng)作用下，使通過(guò)它的偏振光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)。具有這種效應(yīng)的材料叫磁光材料。 磁光材料引起的光偏振面旋轉(zhuǎn)方向取決于外加磁場(chǎng)，與光的傳播方向無(wú)關(guān)（非互易）。 這種效應(yīng)與材料的固有旋光效應(yīng)不同，在固有旋光效應(yīng)材料中，旋轉(zhuǎn)方向取決于光的傳播方向，與外加磁場(chǎng)無(wú)關(guān)(互易)。,外加磁場(chǎng),外加磁場(chǎng),Far

9、aday旋磁材料,外加磁場(chǎng),外加磁場(chǎng),固有磁光材料,磁光材料的光偏轉(zhuǎn)角：,l 材料厚度（毫米）,H 磁場(chǎng)強(qiáng)度（奧斯忒）,V維爾德常數(shù)（度/奧斯忒毫米）,光隔離器的原理,外加磁場(chǎng),外加磁場(chǎng),450,起偏器,解偏器,偏振無(wú)關(guān)光隔離器的工藝結(jié)構(gòu),RR(450) FR (450),RR(450) FR (450),o,e,e,e,o,o,o,e,PBS,RR(450) FR (450),e,e,o,o,RR(450) FR (450),o,e,o,e,端口1,端口1,端口2,端口2,端口3,反射鏡,偏振合波器,光環(huán)行器的原理,光環(huán)行器的應(yīng)用,啁啾光柵,色散補(bǔ)償,Tx,Rx,Rx,Tx,單纖雙向系統(tǒng),波

10、長(zhǎng)間插器（Inter Leaver）,由于光放大器有限的帶寬，增加波長(zhǎng)數(shù)目的有效方法是減少波長(zhǎng)間隔。 50GHz的WDM/WDDM尚不成熟，而100GHz的干涉濾光膜型WDM/WDDM已經(jīng)非常成熟。通過(guò)波長(zhǎng)間插是實(shí)現(xiàn)高密集波分復(fù)用的有效方法之一。,波長(zhǎng)間插器的原理,1 2 N,1 3 N-1,1 2 N,2 4 N,1 3 N-1,1 2 N,2 4 N,=100GHz,=50GHz,摻鉺光纖放大器EDFA,摻鉺光纖放大器原理圖,輸入信號(hào),耦合器 980/1550nm WDM,泵浦光,摻鉺光纖,輸出信號(hào),光隔離器,1.1.2稀土元素（鑭系元素）,原子序數(shù)5771：鑭La、鐠Pr、釹Nd、鉺Er

11、、鐿Yd等。,當(dāng)鉺摻入至光纖后，被三重電離：二個(gè)外層（6s）和一個(gè)內(nèi)層（4f）電子電離。光學(xué)特性主要取決于4f層（5s和5p層為飽和層） 摻雜光纖的特性（中心工作波長(zhǎng)、帶寬等）取決于摻入的雜質(zhì)，而不是光纖本身。,980nm,1s 10ms,15201560 nm,4I11/2,4I15/2,4I13/2,EDFA的能帶結(jié)構(gòu)和光放大原理,泵浦源的選取 0.98mm和1.48mm為無(wú)激發(fā)態(tài)吸收的能帶，因而是常用的兩個(gè)泵浦波長(zhǎng)。這兩個(gè)波長(zhǎng)的泵浦源都可用半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)。 和1.48mm比較，0.98mm屬于三能級(jí)系統(tǒng)。增益大，泵浦效率高，噪聲?。傻椭?dB）, 是目前光纖放大器的首選泵浦波長(zhǎng)。,泵

12、浦方式 同向泵浦優(yōu)點(diǎn)：易于實(shí)現(xiàn)； 缺點(diǎn)：易飽和，噪聲大。 反向泵浦優(yōu)點(diǎn)：不易飽和；噪聲較低。 雙向泵浦優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，光均勻 分布，增益也較平穩(wěn)。,工作波長(zhǎng)于光纖最小損耗窗口一致，在光纖通信中獲得很好的應(yīng)用。 能量轉(zhuǎn)換效率高：激光工作物質(zhì)集中在光纖芯子中的近軸部分，而信號(hào)光和泵浦光也是在光纖的近軸部分最強(qiáng),使得光與物質(zhì)的作用很充分。 增益高，噪聲低，輸出功率大。 增益特性穩(wěn)定：EDFA增益對(duì)溫度不敏感。,EDFA的特性,波長(zhǎng)固定：鉺離子能級(jí)間的能極差決定了EDFA的工作波長(zhǎng)是固定的，只能放大1.55左右波長(zhǎng)的光波。 增益帶寬不平坦：EDFA的增益帶寬約40nm，但增益帶寬不平坦。在WDM光纖

13、通信系統(tǒng)中需要采取特殊的手段來(lái)進(jìn)行增益譜補(bǔ)償。,EDFA的不足,實(shí)測(cè)的EDFA增益譜特性,1.53 1.54 1.55 1.56, (m),增益,dB,20 10,EDFA,輸入光纖,輸出光纖,EDFA在WDM系統(tǒng)中的應(yīng)用,在長(zhǎng)途干線(xiàn)通信中，它可使光信號(hào)直接在光域進(jìn)行放大而無(wú)須轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行處理，代替了光-電-光中繼，使成本降低，設(shè)備簡(jiǎn)化，維護(hù)運(yùn)轉(zhuǎn)方便。 用在WDM/DWDM干線(xiàn)系統(tǒng)的EDFA一般稱(chēng)為數(shù)字式光纖放大器。此類(lèi)EDFA需增益均衡。 用在CATV中的EDFA稱(chēng)為模擬型光纖放大器，噪聲系數(shù)是其重要指標(biāo)。,喇曼光纖放大器,根據(jù)目前發(fā)展趨勢(shì)，必須進(jìn)一步增加傳輸容量。可采用的方法有： 增加

14、每波長(zhǎng)傳輸速率 減少波長(zhǎng)間隔，i.e.增加波長(zhǎng)數(shù) 增加總的傳輸帶寬新的光放大器系統(tǒng)。 由于EDFA是利用鉺離子能級(jí)間的受激躍遷實(shí)現(xiàn)光放大，因此其中心波長(zhǎng)較為固定且?guī)捰邢蕖?光纖喇曼放大器是實(shí)現(xiàn)超寬帶光放大的有效途徑，其好處有： 增益介質(zhì)即為普通傳輸光纖，與光纖系統(tǒng)具有良好兼容性。 中心波長(zhǎng)由泵浦波長(zhǎng)決定，不受其他因素牽制。 增益高、帶寬大、噪聲系數(shù)低、溫度穩(wěn)定性好。,受激喇曼散射（SRS）是光纖中的一種非線(xiàn)性現(xiàn)象,它將一部分入射光功率轉(zhuǎn)移到頻率比其低（波長(zhǎng)比其長(zhǎng)）的斯托克斯波上。 石英光纖具有很寬的SRS增益譜，最大值所對(duì)應(yīng)的頻率比泵浦頻率低13.2THz（波長(zhǎng)間隔約100nm）,P,Pum

15、p,Signal,EDFA,Distributed Amp.,Discrete Amp.,分布式喇曼光纖放大器原理框圖,Equalizer,SRS的閾值功率是一個(gè)相對(duì)值，它與光纖的材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)和長(zhǎng)度等有關(guān)。 普通單模光纖的泵浦閾值功率一般在0.51W左右。因此任何降低閾值功率，使得普通的大功率半導(dǎo)體激光器能作為泵浦使用，是光纖喇曼放大器實(shí)用化的關(guān)鍵。,0,0.5,1,1.5,2,2.5,x 10,4,0,0.05,0.1,0.15,0.2,0.25,length (m),stocks and pump power (W),P-L,泵浦源解決方案： Fiber Laser：DCFL，Raman

16、 FL。 Compact DPSSL Diode Pumps組合 泵浦供應(yīng)商：JDS，SDL，SPECTRA-PHYSICS,喇曼光纖放大器的關(guān)鍵技術(shù),在光纖選擇方面，要同時(shí)考慮增加SRS效率、減少噪聲、形成合理的色散補(bǔ)償（Si Fiber，P-doped Fiber）。,不同光纖的SRS譜特性,喇曼光纖放大器的噪聲特性,喇曼光纖放大器與EDFA構(gòu)成超寬帶放大器,可用多個(gè)不同波長(zhǎng)的泵浦同時(shí)激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)更大的放大帶寬；泵浦波長(zhǎng)應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 喇曼光纖放大器中泵浦與泵浦之間、泵浦與信號(hào)、信號(hào)與信號(hào)之間的相互作用需進(jìn)行深入研究，以便獲得良好的放大性能。,隨著DWDM技術(shù)的發(fā)展，喇曼光纖放大器將成為一

17、個(gè)重要的部件（Subsystem），具有廣闊市場(chǎng)。 某些器件的突破（高功率半導(dǎo)體泵浦光源、高效SRS光纖、DCF）成為喇曼光纖放大器能否盡早進(jìn)入市場(chǎng)的關(guān)鍵。 在推向?qū)嵱没埃€有很多技術(shù)和工藝問(wèn)題需要解決。,半導(dǎo)體光放大器和 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器,SOA:Semiconductor Optical Amplifier,無(wú)光學(xué)諧振腔的半導(dǎo)體LD，在驅(qū)動(dòng)電流作用下，形成布居反轉(zhuǎn)，通過(guò)受激輻射產(chǎn)生光放大。 SOA的中心波長(zhǎng)與材料、器件結(jié)構(gòu)有關(guān)。,工作原理,用于光纖傳輸系統(tǒng)(1310nm或其它波長(zhǎng)) 需解決耦合、偏振相關(guān)等問(wèn)題。 用于PIC(Photonic Integrated Circuits) lase

18、r/EA array (含Star Coupler), AWG(arrayed Waveguide grating), Detector array等。 溫度穩(wěn)定性：可采用量子阱結(jié)構(gòu)。,原理：有泵浦通，無(wú)泵浦?jǐn)?唯一的高速光開(kāi)關(guān)，能實(shí)現(xiàn)光數(shù)據(jù)包交換 。(基于光纖的放大器載流子的壽命通常較大,因而無(wú)法實(shí)現(xiàn)高速切換),SOA光門(mén),SOA1,SOA2,延遲線(xiàn),在多波長(zhǎng)DWDM光網(wǎng)絡(luò)中，采用波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換可解決阻塞問(wèn)題，增加靈活性，擴(kuò)大容量（與固定波長(zhǎng)相比） SOA波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的主要特性 高輸出信噪比（允許級(jí)聯(lián)） 輸出功率適中（約 0 dBm） 輸入/輸出波長(zhǎng)間隔大 比特率透明 能實(shí)現(xiàn)同一波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換 SOA波長(zhǎng)

19、轉(zhuǎn)換器有基于XGM、XPM和FWM等,SOA波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器,原理：由于增益飽和作用，輸入的AM調(diào)制信號(hào)實(shí)際上調(diào)制了SOA的增益，從而使另一束CW光的輸出幅度產(chǎn)生相應(yīng)變化。,XGM波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器,輸入光功率,增益,SOA,CW,C,S,C,SOA,CW,S,C,C,同向,反向,SOA波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器原理,SOA波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的帶寬 由于該類(lèi)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器(XGM/XPM)均為帶內(nèi)復(fù)合，因此轉(zhuǎn)換速率與載流子濃度有關(guān)，從而影響調(diào)制帶寬。 長(zhǎng)腔比短腔有利，但工作電流大，易燒壞。 影響帶寬的其它因素：電流、輸入功率、限制因子、差分增益等。,消光比：由于差分增益的不同，從長(zhǎng)波長(zhǎng)短波長(zhǎng)的消光比要比從短波長(zhǎng)長(zhǎng)波長(zhǎng)大。 XGM波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的消光比較差，尤其對(duì)短波長(zhǎng)長(zhǎng)波長(zhǎng),20 15 10 5 0,消光比(c )，dB,-30 -20 -10 0 10 20 30 c - s,25 20 15 10 5,增益，dB,SOA有源區(qū)載流子濃度的變化引起折射率變化，從而導(dǎo)致CW光的相位隨之規(guī)劃。采用Mach-Zehndle