《光纤通信新技术》PPT课件.ppt
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1、7.1 光纤放大器7.2 光波分复用技术7.3 光交换技术7.4 光孤子通信7.5 相干光通信技术7.6 光时分复用技术7.7 波长变换技术,第 7 章 光纤通信新技术,返回主目录,第7章 光纤通信新技术,光纤通信发展的目标是提高通信能力和通信质量,降低价格,满足社会需要。进入20世纪90年代以后,光纤通信成为一个发展迅速、技术更新快、新技术不断涌现的领域。,本章主要介绍一些已经实用化或者有重要应用前景的新技术,如光放大技术,光波分复用技术,光交换技术,光孤子通信,相干光通信,光时分复用技术和波长变换技术等。,7.1 光 纤 放 大 器,光放大器有半导体光放大器和光纤放大器两种类型。半导体光放
2、大器的优点是小型化,容易与其他半导体器件集成;缺点是性能与光偏振方向有关,器件与光纤的耦合损耗大。光纤放大器的性能与光偏振方向无关,器件与光纤的耦合损耗很小,因而得到广泛应用。,光纤放大器实际上是把工作物质制作成光纤形状的固体激光器,所以也称为光纤激光器。,20世纪80年代末期,波长为1.55 m的掺铒(Er)光纤放大器(EDFA:ErbiumDoped Fiber Amplifier)研制成功并投入实用,把光纤通信技术水平推向一个新高度,成为光纤通信发展史上一个重要的里程碑。,7.1.1 掺铒光纤放大器EDFA工作原理,图 7.1掺铒光纤放大器的工作原理(a)硅光纤中铒离子的能级图;(b)E
3、DFA的吸收和增益频谱,图7.2掺铒光纤放大器的特性(a)输出信号光功率与泵浦光功率的关系;(b)小信号增益与泵浦光功率的关系,7.1.2 掺铒光纤放大器的构成和特性,图7.3光纤放大器构成方框图(a)光纤放大器构成原理图;(b)实用光纤放大器外形图及其构成方框图,波长为980 nm的泵浦光转换效率更高,达10 dB/mW,而且噪声较低,是未来发展的方向。,掺铒光纤(EDF)和高功率泵浦光源是关键器件,把泵浦光与信号光耦合在一起的波分复用器和置于两端防止光反射的光隔离器也是不可缺少的。,对泵浦光源的基本要求是大功率和长寿命。波长为1480 m的InGaAsP多量子阱(MQW)激光器,输出光功率
4、高达100 mW,泵浦光转换为信号光效率在6 dB/mW以上。,图7.4 掺铒光纤放大器增益、噪声指数和输出光功率与输 入光功率的关系曲线,7.1.3掺铒光纤放大器的优点和应用 EDFA有许多优点,并已得到广泛应用。EDFA的主要优点有:(1)工作波长正好落在光纤通信最佳波段(15001600 nm);其主体是一段光纤(EDF),与传输光纤的耦合损耗很小,可达0.1 dB。(2)增益高,约为3040 dB;饱和输出光功率大,约为1015 dBm;增益特性与光偏振状态无关。(3)噪声指数小,一般为47 dB;用于多信道传输时,隔离度大,无串扰,适用于波分复用系统。,(4)频带宽,在1550 nm
5、窗口,频带宽度为2040 nm,可进行多信道传输,有利于增加传输容量。,7.2 光波分复用技术,在光纤通信系统中除了大家熟知的时分复用(TDM)技术外,还出现了其他的复用技术,例如光时分复用(OTDM)、光波分复用(WDM)、光频分复用(OFDM)以及副载波复用(SCM)技术。本节主要讲述WDM技术。,7.2.1光波分复用原理 1.WDM的概念 光波分复用(WDM:Wavelength Division Multiplexing)技术是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术。其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
6、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割复用,简称光波分复用技术。,图7.6 中心波长在1.3 m和1.55 m的硅光纤低损耗传输窗口(插图表示1.55 m传输窗口的多信道复用),2.WDM系统的基本形式 光波分复用器和解复用器是WDM技术中的关键部件,将不同波长的信号结合在一起经一根光纤输出的器件称为复用器(也叫合波器)。反之,经同一传输光纤送来的多波长信号分解为各个波长分别输出的器件称为解复用器(也叫分波器)。从原理上讲,这种器件是互易的(双向可逆),即只要将解复用器的输出端和输入端反过来使用,就是复用器。因此复用器和解复用器是
7、相同的(除非有特殊的要求)。WDM系统的基本构成主要有以下两种形式:,(1)双纤单向传输。单向WDM传输是指所有光通路同时在一根光纤上沿同一方向传送。如图7.7所示,在发送端将载有各种信息的、具有不同波长的已调光信号1,2,n通过光复用器组合在一起,并在一根光纤中单向传输。由于各信号是通过不同光波长携带的,因而彼此之间不会混淆。在接收端通过光解复用器将不同波长的信号分开,完成多路光信号传输的任务。反方向通过另一根光纤传输的原理与此相同。,(2)单纤双向传输。双向WDM传输是指光通路在一根光纤上同时向两个不同的方向传输。如图7.8所示,所用波长相互分开,以实现双向全双工的通信。,双向WDM系统在
8、设计和应用时必须要考虑几个关键的系统因素,如为了抑制多通道干扰(MPI),必须注意到光反射的影响、双向通路之间的隔离、串扰的类型和数值、两个方向传输的功率电平值和相互间的依赖性、光监控信道(OSC)传输和自动功率关断等问题,同时要使用双向光纤放大器。所以双向WDM系统的开发和应用相对说来要求较高,但与单向WDM系统相比,双向WDM系统可以减少使用光纤和线路放大器的数量。,另外,通过在中间设置光分插复用器(OADM)或光交叉连接器(OXC),可使各波长光信号进行合流与分流,实现波长的上下路(Add/Drop)和路由分配,这样就可以根据光纤通信线路和光网的业务量分布情况,合理地安排插入或分出信号。
9、,3.光波分复用器的性能参数 光波分复用器是波分复用系统的重要组成部分,为了确保波分复用系统的性能,对波分复用器的基本要求是: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,尺寸小等。(1)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,=10 lg,其中P0为发送进输入端口的光功率;P0为从输出端口接收到的光功率。,(2)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,其中Pi是波长为i的光信号的输入光
10、功率,Pij是波长为i的光信号串入到波长为j信道的光功率。(3)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=-10(7.3)其中Pj为发送进输入端口的光功率,Pr为从同一个输入端口接收到的返回光功率。,(4)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=10(7.4)(5)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到max)。(6)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。(7)偏振相关损耗。偏振相关损耗(PDL:Polarizationdependen
11、t Loss)是指由于偏振态的变化所造成的插入损耗的最大变化值。,7.2.2WDM系统的基本结构 实际的WDM系统主要由五部分组成:光发射机、光中继放大、光接收机、光监控信道和网络管理系统,如图7.9所示,图7.9 实际WDM系统的基本结构,将EDFA用作“线放(LA:Line Amplifier)”#,“功放(BA)”和“前放(PA:Preamplifier)”。,7.2.3WDM技术的主要特点 1.充分利用光纤的巨大带宽资源 光纤具有巨大的带宽资源(低损耗波段),WDM技术使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍甚至几百倍,从而增加光纤的传输容量,降低成本,具有很大的应用价值和经济
12、价值。2.同时传输多种不同类型的信号 由于WDM技术使用的各波长的信道相互独立,因而可以传输特性和速率完全不同的信号,完成各种电信业务信号的综合传输,如PDH信号和SDH信号,数字信号和模拟信号,多种业务(音频、视频、数据等)的混合传输等。,3.节省线路投资 采用WDM技术可使N个波长复用起来在单根光纤中传输,也可实现单根光纤双向传输,在长途大容量传输时可以节约大量光纤。另外,对已建成的光纤通信系统扩容方便,只要原系统的功率余量较大,就可进一步增容而不必对原系统作大的改动。4.降低器件的超高速要求 随着传输速率的不断提高,许多光电器件的响应速度已明显不足,使用WDM技术可降低对一些器件在性能上
13、的极高要求,同时又可实现大容量传输。,5.高度的组网灵活性、经济性和可靠性 WDM技术有很多应用形式,如长途干线网、广播分配网、多路多址局域网。可以利用WDM技术选择路由,实现网络交换和故障恢复,从而实现未来的透明、灵活、经济且具有高度生存性的光网络。,7.2.4 光滤波器与光波分复用器 在前面介绍耦合器时,已经简单地介绍了波分复用器(WDM)。在这一部分我们将介绍各种各样的波长选择技术,即光滤波技术。光滤波器在WDM系统中是一种重要元器件,与波分复用有着密切关系,常常用来构成各种各样的波分复用器和解复用器。,图7.10光滤波器的三种应用(a)单纯的滤波应用;(b)波分复用器中应用;(c)波长
14、路由器中应用,如果一个波长路由器的路由方式不随时间变化,就称为静态路由器;路由方式随时间变化,则称之为动态路由器。静态路由器可以用波分复用器来构成,如图7.11所示。波长分插复用器可以看成是波长路由器的简化形式,它只有一个输入端口和一个输出端口,再加上一个用于分插波长的本地端口。,图7.11 由波分复用器构成静态路由器,下面将介绍一些波长选择技术及其在WDM系统中的应用。1.光栅 光栅(Grating)广泛地用来将光分离为不同波长的单色光。在WDM系统中,光栅主要用在解复用器中,以分离出各个波长。图7.13是光栅的两个例子,图7.13(a)是透射光栅,图7.13(b)是反射光栅。我们以透射光栅
15、为例来说明光栅的基本原理。如图7.14所示,设两个相邻缝隙间的距离即栅距为a,光源离光栅平面足够远(相对于a而言),入射角为i,衍射角为d,通过两相邻缝隙对应光线的光程差由()决定,而,图7.13光栅(a)透射光栅;(b)反射光栅,7.14 透射光栅的工作原理,光栅方程为 a(sini-sind)=m,其中m为整数,当a和i一定时,不同的d对应不同的波长,也就是说,像面上的不同点对应不同的波长,于是可用作WDM中的解复用器。2.布喇格光栅 布喇格光栅(Bragg Grating)广泛用于光纤通信之中。一般情况下,传输媒质的周期性微扰可以看作是布喇格光栅;这种微扰通常引起媒质折射率周期性的变化。
16、,半导体激光器使用布喇格光波导作分布反馈可以获得单频输出(如DFB激光器);在光纤中,写入布喇格光栅后可以用于光滤波器、光分插复用器和色散补偿器。设两列波沿着同一方向传播,其传播常数分别为0和1,如果满足布喇格相位匹配条件:,其中为光栅周期,则一个波的能量可以耦合到另一个波中去。在反射型滤波器中,我们假设传播常数为0的光波从左向右传播,如果满足条件:,则这个光波的能量可以耦合到沿它的反方向传播的具有相同波长的反射光中去。设0=2neff/0,其中0为输入光的波长,neff为波导或光纤的有效折射率。也就是说,如果0=2neff,光波将发生反射,这个波长0就称作布喇格波长。随着入射光波的波长偏离布
17、喇格波长,其反射率就会降低,如图7.15(a)所示。如果具有几个波长的光同时传输到光纤布喇格光栅上,则只有波长等于布喇格波长的光才反射,而其它的光全部透射。,图7.15(a)中的功率反射谱是针对折射率均匀周期性变化的光栅而言的,为了消除不需要的旁瓣,新研制成功了一种称为变迹光栅(Apodized Grating)的光栅,它与渐变折射率光纤有点类似,其折射率沿光栅纤芯到边沿逐渐减小,变迹光栅的功率反射谱如图7.15(b)所示。注意变迹光栅旁瓣的减少是以主瓣加宽为代价的。,图7.15布喇格光栅的反射谱(a)均匀折射率情形;(b)变迹折射率情形,3.光纤光栅 光纤光栅(Fiber Grating)是
18、一种非常有吸引力的全光纤器件,其用途非常广泛,可用作光滤波器、光分插复用器和色散补偿器。对于全光纤器件,其主要优点有:插入损耗低,易于与光纤耦合,对偏振不敏感,温度系数低,封装简单,成本也较低。,1 2 n,紫外掩模写入法,相位掩模板,光纤布喇格光栅(FBG:Fiber Bragg Grating)是一种反射型光纤光栅,光栅使正向传输模(单模光纤中即为基模)同反向传输模之间发生耦合,光栅的波矢应等于传输模波矢的2倍,也就是说,光栅的周期应等于传输光波在光纤内部的波长的一半,这种光纤光栅只对在布喇格波长及其附近很窄的波长范围内的光发生反射,而不影响其它波长的光通过。,图7.16 基于光纤光栅结构
19、的光分插复用器(a)简单光分;(b)光分插,4.法布里-珀罗滤波器 法布里-珀罗(FP:FabryPerot)滤波器是由两块平行放置的高反射率的镜面形成的腔构成的,如图7.18所示。这种滤波器也叫FP干涉仪,输入光垂直到达第一个镜面,从第二个镜面出来的光就是输出。这个器件传统上用作干涉仪,现在也用在WDM系统中作滤波器。F-滤波器的功率传递函数TFP(f)与光的频率f有关:TFP(f)=,图7.18 FP滤波器,若用自由空间波长表示,则 TFP()=,这里A表示每个镜面的吸收损耗,R为每个镜面的反射率(假设两个镜相同),光在腔内单程传播的时延为,腔内介质的折射率为n,腔长为l,因此=nl/c,
20、c为真空中光速。A=0及R=0.75、0.9和0.99时FP滤波器的功率传递函数如图7.19所示。反射率R越大,相邻信道的隔离就越好。,图7.19FP 滤波器的功率传递函数,功率传递函数TFP(f)是频率f的周期函数,当f满足f=k/2,k为正整数时,传递函数TFP(f)的值处在波峰(通带)上。FP滤波器的两个紧邻的通带之间的光谱范围称作自由光谱范围(FSR:Free Spectral Range),用FWHM表示传递函数的半高宽,比值FSR/FWHM称作FP滤波器的精细度(F:Finesse),则,F-P滤波器选择不同的波长时一般有两种方法:一种是改变腔的长度;另一种是改变腔内介质的折射率。
21、改变腔长有机械移镜和用压电材料(PZT)两种办法。,5.多层介质薄膜滤波器 薄膜谐振腔滤波器(ThinFilm Resonant Cavity Filter)也是一个F-P干涉仪,只不过其反射镜是采用多层介质薄膜而已,常称为多层介质薄膜滤波器(Multilayer Dielectric ThinFilm Filter)。这种滤波器用作带通滤波器,只允许特定波长的光通过而让其它所有波长的光反射,腔的长度决定要通过的波长。薄膜谐振多腔滤波器(ThinFilm Resonant Multicavity Filter)的结构如图7.20所示,由反射介质薄膜隔开的两个或多个腔构成。改成多腔后与单腔相比,
22、通带顶部更加平坦,边缘更为尖锐,如图7.21所示。这种滤波器多个级联后,就可以做成波分复用器,如图7.22 所示。由于这种滤波器通带顶部平坦,边缘尖锐,温度变化时性能稳定,插入损耗低,对光的偏振不敏感,所以在系统应用中是非常有吸引力的,如今已经广泛用在商业系统中。,图7.20 三腔介质薄膜谐振腔滤波器,图7.21 单腔、双腔、三腔介质薄膜滤波器的传输谱,图7.22 基于多层介质薄膜滤波器的波分复用/解复用器,6.马赫-曾德尔干涉仪 马赫-曾德尔干涉仪(MZI:MachZehnder Interferometer)使用两条不同长度的干涉路径来决定不同的波长输出。MZI通常以集成光波导的形式出现,
23、即用两个3 dB定向耦合器来连接两条不同长度的光通路,如图7.23(a)所示,衬底通常采用硅(Si),波导区采用二氧化硅(SiO2)。一个MZI可用图7.23(b)表示。MZI可用来作滤波器和波分复用器。虽然多层介质薄膜滤波器在窄带滤波方面性能较好,但在宽带滤波方面MZI非常有用,例如用来分开1.31 m和1.55 m两个波长的光信号。当然,通过级联几个MZI也可以做成窄带滤波器,如图7.23(c)所示,但是这将导致损耗大大增加。,图7.23 马赫-曾德尔干涉仪(MZI)(a)结构图;(b)方框图;(c)四级MZI,MZI可用来作滤波器和波分复用器。虽然多层介质薄膜滤波器在窄带滤波方面性能较好
24、,但在宽带滤波方面MZI非常有用,例如用来分开1.31m和1.55m两个波长的光信号。当然,通过级联几个MZI也可以做成窄带滤波器,如图7.23(c)所示,但是这将导致损耗大大增加。从原理上讲,级联几个MZI后性能较好,但是在实际工作中存在波长随温度和时间的变化而漂移的现象,串扰性能远不如理想情况,级联后的窄带MZI的通带不平坦,相反地,多层介质多腔薄膜滤波器的通带和阻带都比较平坦。现在简单分析MZI的工作原理。考虑MZI作为一个解复用器的情况。这时只有一个输入,假设从输入端口1输入,经过第一个定向耦合器后,功率平均分配到两臂上,但是在两臂上的信号有了/2的相差,下臂上的信号比上臂滞后/2。,
25、如果下臂与上臂的长度差为L,则下臂信号的相位进一步滞后L,为光在MZI介质中的传输常数。在第二个定向耦合器的输出1处,来自下臂的信号又比来自上臂的信号延迟了/2,因此,在输出1处,两信号总的相位差为+L+。同理,在输出2处,两信号总的相位差为+L-=L。在输入1的所有波长中,满足L=k(k为奇数)条件的波长,由输出1输出;满足L=k(k为偶数)条件的波长由输出2输出。而=,n为介质折射率,为光波长,通过适当设计就可以实现波的解复用。如果两臂长度差为L,只是输入1输入,则单个MZI的功率传递函数为,T11(f)T12(f),=,其中f为光频率。如果将MZI级联就构成多级马赫-曾德尔干涉仪(Mul
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