1、光通信原理與技術光纖通信新技術光放大器 目前有實用意義的光放大器主要有三種：l半導體激光放大器l非線性光纖放大器l摻雜光纖放大器 半導體激光放大器（SOA）l是在LD兩端鍍上增透膜而成的，是粒子數反轉分布的受激輻射產生的放大，材料與LD相同（AlGaAs/InGaAsP），又分為諧振型或稱F-P式光放大器（FPA）和行波式光放大器（TWLA）lSOA的主要優點是尺寸小、功率消耗低，便于光電集成，其主要缺點是插入損耗大、對偏振態敏感l非線性光纖放大器受激拉曼散射光纖放大器（SRA）利用石英光纖的非線性效應制成在合適波長的強光作用下，石英光纖會出現受激拉曼散射（SRS）效應，當信號光和泵光沿著光纖

2、一起傳輸時，光功率將由泵光轉移到信號光，從而把信號光放大。SRA具有頻帶寬、增益高、輸出功率大、響應快等優點。其缺點是泵浦效率低、閾值高，因而需要的泵浦功率很高l受激布里淵散射光纖放大器（SBA）l摻雜光纖放大器（EDFA）lEDFA的特點 高增益、低噪聲、偏振不敏感，能放大不同速率和調制方式的信號，具有幾十納米的放大帶寬l光放大器的特性指標1、功率增益=10lg（輸出光功率/輸入光功率）（dB） 放大器的放大能力與泵浦功率和光纖長度的參數有關2、飽和輸出：最大增益下降3dB時對應的輸出功率。表示最大輸出能力3、噪聲系數：F=（SNR）in/（SNR）out 表示噪聲的大小 SNR指的是將輸入

3、光信號轉變為輸出電信號時的信噪比 EDFA的工作原理l餌（Er）是一種稀土元素（屬于鑭系元素），原子序數是68，原子量為167.3.光放大利用了鑭系元素的4f能級l在摻餌光線中，由于石英基質的作用，4f的每一個能級分裂成一個能帶l當有1.55m信號光通過已被激活的摻餌光纖時，在信號光的感應下，亞穩態上的粒子以受激輻射的方式躍遷到基態。對應于每一次的躍遷，都將產生一個與感應光子完全一樣的光子，從而實現了信號光在摻餌光纖的傳播過程中不斷放大。在放大過程中，亞穩態的粒子也會以自發輻射的方式躍遷到基態，自發輻射產生的光子也會被放大，這種放大的自發輻射（ASE：Amplified Spontaneous

4、 Emission）會消耗泵浦功率并引入噪聲l當用1480nm波長的光泵浦時，Er+3從基態躍遷至該能帶的上部，然后粒子迅速以非輻射方式由泵浦態預馳至亞穩態，在亞穩態上積累 摻餌光纖放大器的特性指標l功率增益l輸出飽和功率l噪聲系數功率增益功率增益=10lg(輸出光功率/輸入光功 率)dBl表示放大器的放大能力l增益的大小與泵浦功率和光纖長度等因素有關l放大器的功率增益隨泵浦功率的增加而增加l有飽和現象：當泵浦功率達到一定值時，放大器增益出現飽和，即泵浦功率再增加，而增益基本保持不變l功率增益與光纖長度之間的關系 開始時功率增益隨摻餌光纖長度的增加而上升，當光纖長度達到一定值后，增益反而逐漸下

5、降 當光纖為某一長度時，可獲得最佳增益，這個光纖長度稱為最大增益的光纖長度 在給定的摻餌光纖的情況下，應選擇合適的泵浦功率和光纖長度，以達到最大增益l輸出飽和功率 輸出飽和功率是一個描述輸入信號功率與輸出信號功率之間關系的參量，從圖中可以看出，在摻餌光纖放大器中，輸入信號功率和輸出信號功率并不完全呈正比關系，而是存在著飽和的趨勢 摻餌光纖放大器的最大輸出功率常用3dB飽和輸出功率來表示。當飽和增益下降3dB時所對應的輸出功率值為3dB飽和輸出功率。它代表了摻餌光纖放大器的最大輸出能力 噪聲系數l摻餌光纖放大器的噪聲主要來源有：信號光的散彈噪聲信號光波與放大器自發輻射光波間的差拍噪聲被放大的自發

6、輻射的散彈噪聲光放大器自發輻射的不同頻率光波間差拍噪聲l噪聲系數F 衡量摻餌光纖放大器噪聲特性可用噪聲系數F來表示，它定義為： F=（放大器的輸入信噪比）/（放大器的輸出信噪比）l據分析，摻餌光纖放大器噪聲系數的極限為3dB，對于0.98m泵浦源的EDFA，摻餌光纖長度為30m時，測得的噪聲系數為3.2dBl采用1.48m泵浦源時，在摻餌光纖長度為60m時，測得的噪聲系數為4.1dBl0.98m泵浦的放大器的噪聲系數要優于1.48m泵浦的放大器的噪聲系數lEDFA光放大器結構 三種結構性能差異l前向泵浦：噪聲性能好l后向泵浦：輸出功率大l雙向泵浦：兼有上述優點，但成本高l電中繼存在的問題 采用

7、電中繼的辦法，即在中繼時進行光電變換（接收）后，對電信號放大整形（再生），然后再進行電光變換（發射），繼續傳輸。電中繼裝置復雜、體積大、耗能多，對多信道復用和雙向復用系統實現起來特別困難，但它不僅可以對損耗限制系統，而且可以對色散限制系統進行再生l光中繼的優勢 利用已經實用的光放大器技術，可以用光中繼代替電中繼。它的優點是結構簡單，價格便宜，可以使用遠程光泵浦，對多信道復用和雙向復用系統實現中繼也比較容易，但目前對色散限制系統再生還難以采用光放大器l光放大器在系統中應用的四種形式l放大器的級聯應當遵循的原則1、第一級光放大器應當有低噪聲，后續級應當有高飽和增益2、在增益得到補償后要特別注意色散

8、積累效應3、光纖的非線性效應也可能對系統性能產生較大的影響4、用較多的低增益的放大器近距離地級聯比用較小的高增益的放大器遠距離地級聯可以獲得更大的總傳輸距離l總的噪聲系數 Feff=F1+F2/G1+F3/(G1G2)+.+Fk/(G1G2Gk-1) 式中，Fi，Gi，i=1，2，k，分別為第i個放大器的噪聲系數和增益波分復用系統l光波分復用（WDM）的基本原理是：在發送端將不同波長的光信號組合起來（復用），并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進行傳輸，在接收端又將組合波長的光信號分開（解復用），并作進一步處理，恢復出原信號后送入不同的終端，因此將此項技術稱為光波長分割復用，簡稱光波分復用技術l光

9、纖通信復用技術主要分為：光波復用 -波分復用（WDM） -空分復用（SDM）光信號復用 -時分復用（TDM）副載波復用（SCM）波分復用系統l主要優點：提高光纖利用率傳輸容量倍增不同容量的光纖系統和不同性質的信號可兼容傳輸可更靈活地進行光纖通信組網（不改變光纜設施）節省線路投資降低器件的超高速要求 波分復用系統l使單根光纖的通信容量成倍的提高采用多種信道復用方法信道復用方式可分為時分復用和頻分復用兩類l時分復用中，不同的信道占不同的時隙，在時域上形成復合數據，這一概念擴展到光頻范圍就是光學時分復用，由于還需要進一步解決色散導致的脈沖展寬的限制等問題，目前還沒有完全實用化chenbeizengj

10、ia 波分復用系統l在頻分復用中，不同的信道采用頻率不同的光載波，復合后在同一條光纖中傳輸，在接收端用去復用技術恢復每一信道的信號。顯然，這樣可以更充分地利用光纖巨大的寬帶潛力。l當頻分復用信道間隔較大（100GHz以上）時用信道的波長作為標志比較方便，通常稱為波分復用。可使用直接檢測的接收技術，目前已經實用化l波分復用技術的發展1310nm/1550nm窗口的波分復用（CWDM）仍用于接入網，但很少用于長距離傳輸1550nm窗口的密集波分復用（DWDM）可廣泛用于長距離傳輸，用于建設全光網絡lDWDM密集波分復用 波分復用技術的發展lDWDM：密集波分復用-光載波波長間隔小于0.8nml更為

11、密集的頻分復用，信道間隔可以小到與碼率相比的地步，要采用相干檢測技術lDWDM技術特點高容量：可以充分利用光纖的巨大帶寬資源，使傳輸容量比單波長傳輸增加幾倍至幾十倍低成本：在大容量長途傳輸時可以節約大量光纖和再生器，大大降低傳輸成本透明性高：與信號速率、格式無關，是引入寬帶新業務（例如CATV）的方便手段波長路由：利用WDM選路實現網絡交換和恢復從而實現未來透明的、具有高度生存性的光聯網lDWDM系統的分類以系統接口分類：集成式或開放式系統以信道數分類：4、8、16、32等以總容量分類：400Gbit/s、320Gbit/s等以信道承載業務類型分類：PDH、SDH、ATM、IP或混合業務等lW

12、DM系統的基本結構 WDM系統的基本結構l光發射機l光中繼放大l光接收機l光監控信道l網絡管理系統 光發射機l光發射機位于WDM系統的發送端。在發送端首先將來自終端設備（如SDH端機）輸出的光信號，利用光轉發器（OTU）把符合ITU-TG.957建議的非特定波長的光信號。OUT對輸入端的信號波長沒有特殊要求，可以兼容任意廠家的SDH信號，其輸出端滿足G.692的光接口，即標準的光波長和滿足長距離傳輸要求的光源；利用合波器合成多路光信號；通過光功率放大器（BA：Booster Amplifier）放大輸出多路光信號。 光中繼放大l經過一定距離傳輸后，要用摻餌光纖放大器（EDFA）對光信號進行中繼

13、放大。在應用時可根據具體情況，將EDFA用作“線放（LA：Line Amplifier）”、“功放（BA）”和“前放（PA：Preamplifier）”。在WDM系統中，對EDFA必須采用增益平坦技術，使得EDFA對不同波長的光信號具有接近相同的放大增益。與此同時，還要考慮到不同數量的光信道同時工作的各種情況，保證光信道的增益競爭不影響傳輸性能 光接收機l在接收端l光前置放大器（PA）放大經傳輸而衰減的主信道光信號l分波器從主信道光信號中分出特定波長的光信號l接收機要滿足一般接收機對光信號靈敏度、過載功率等參數的要求，能承受有一定光噪聲的信號，要有足夠的電帶寬 光監控信道l光監控信道（OSC：

14、Optical Supervisory Channel）的主要動能是監控系統內各信道的傳輸情況，在發送端，插入本結點產生的波長為1510nm的光監控信號，與主信道的光信號合波輸出l在接收端，將接收到的光信號分離，輸出（1510nm）波長的光監控信號和業務信道光信號。幀同步字節、公務字節和網管所用的開銷字節等都是通過光監控信道來傳送l網絡管理系統 網絡管理系統通過光監控信道物理層傳送開銷字節到其他結點或接收來自其他結點的開銷字節對WDM系統進行管理，實現配置管理、故障管理、性能管理和安全管理等功能，并與上層管理系統（如TMN）相連l光波分復用器的性能參數基本要求插入損耗小隔離度大帶內平坦，帶外插

15、入損耗變化陡峭溫度穩定性好復用通路數多尺寸小l插入損耗 插入損耗是指由于增加光波分復用器/解復用器而產生的附加損耗，定義為該無源器件的輸入和輸出端口之間的光功率之比，即 a=10lg（Pi/Po）（dB） 其中Pi為發送進輸入端口的光功率；Po為輸出端口接收到的光功率l串擾抑制度 串擾是指其他信道的信號耦合進某一信道，并使該信道傳輸質量下降的影響程度，有時也可用隔離度來表示這一程度。對于解復用器Cij=-10lgPi/Pji(dB) 其中，Pi是波長為i的光信號的輸入光功率，Pji是波長為j的光信號串入到波長為i信道的光功率l回波損耗 回波損耗是指從無源器件的輸入端口返回的光功率與輸入光功率的

16、比，即RL=-10lgPr/Pj（dB） 其中，Pj為發送進輸入端口的光功率，Pr為從同一個端口接收到的返回光功率l反射系數 反射系數是指在WDM器件的給定端口的反射光功率Pr與入射光功率Pj之比，即R=10lgPr/Pjl工作波長范圍 工作波長范圍是指WDM器件能夠按照規定的性能要求工作的波長范圍（min-max）l信道寬度 信道寬度是指各光源之間為避免串擾應具有的波長間隔l長距離大容量波分復用系統的組成副載波復用l在副載波復用技術中，包含兩次調制。第一次是電調制，即將多個基帶信號分別調制到具有不同的微波頻率的電載波上；然后再進行光調制，即將這些經頻分復用的群信號調制到光載波，從而形成光信號

17、，使之進入光。同樣在接收端先進行光解調，再進行電解調，恢復為原各路基帶信號。由于通常稱電載波為副載波，因此該復用方式簡稱為副載波復用方式l在此通信方式中，因為各副載波所傳輸的信號之間的相互無關，彼此獨立，故可實現模擬和數字以及圖像信號的兼容，加之微波技術的成熟以及其產品的實用化，使之更適用于用戶接入網的CATV多頻道的傳輸系統之中l光纖SCM系統與微波通信的情況十分相似l可以基本上原封不動的沿用十分成熟的射頻和微波的技術和設備，構成靈活方便的傳送多路信號的光纖傳輸系統，向用戶提供語音、數據和圖像等多種業務光孤子通信l光孤子（Soliton）是經光纖長距離傳輸后，其幅度和寬度都不變的超短光脈沖（

18、ps數量級）l光孤子的形成是光纖的群速度色散和非線性效應相互平衡的結果。利用光孤子作為載體的通信方式稱為光孤子通信。光孤子通信的傳輸距離可達到上萬公里，甚至幾萬公里，目前還處于試驗階段l我們知道，光纖通信的傳輸距離和傳輸速率受到光纖損耗和色散的限制。光纖放大器投入應用后，克服了損耗的限制，增加了傳輸距離。此時，光纖傳輸系統，尤其是傳輸速率在Gb/s以上的系統，光纖色散引起的脈沖展寬光纖色散引起的脈沖展寬，對傳輸速率的限制，成為提高系統性能的主要障礙成為提高系統性能的主要障礙l為了增加傳輸距離，在光纖線路上，每隔一定的距離，可設置一個光纖放大器，以周期地補充光功率的損耗。但是多個光纖放大器產生的

19、噪聲累積又妨礙了傳輸距離的增加，因而要求提高傳輸信號的光功率，這樣便產生非線性效應。非線性效應對光纖通信有害也有利，事實證明，克服其害還不如利用其利l光纖非線性效應和色散單獨起作用時，在光纖中傳輸的光信號都要產生脈沖展寬，對傳輸速率的提高是有害的。但是如果適當選擇相關參數，使兩種效應相互平衡，就可以保持脈沖寬度不變，因而形成光孤子l光孤子的形成l在討論光纖傳輸理論時，假設了光纖折射率n和入射光強（光功率）無關，始終保持不變。這種假設在低功率條件下是正確的，獲得了與實驗一致的結果。然而，在高功率條件下，折射率n隨光強而變化，這種特性稱為非線性效應。l在強光作用下，光折射率n可以表示為l式中，E為

20、電場，n0為E=0時的光纖折射率，約為1.45。這種光折射率n隨光強|E|2而變化特性，稱為克爾（Kerr）效應， =10-22(m/V)2，稱為克爾系數。雖然光纖中電場較大，為106（V/m），但總的折射率變化 還是很小（10-10）。即使如此，這種變化對光線傳輸特性的特性的影響還是很大的220Ennn2n220Ennnnl設波長為、光強為|E|2的光脈沖在長度為L的光纖中傳輸，則光強感應的折射率變化 由此引起的相位變化為 這種使脈沖不同部位產生不同相移的特性，稱為自相位調制（SPM）22)()(tEntnl脈沖的光強頻率調制 l在脈沖上升部分，|E|2增加， ，得到0，頻率下移；在脈沖頂部

21、，|E|2不變， ，得到=0，頻率不變；在脈沖下降部分， |E|2減小，nt0，頻率上移。頻移使脈沖頻率改變分布，其前部（頭）頻率降低，后部（尾）頻率升高。這種情況稱脈沖已被線性調頻，或稱啁啾（Chirp）。l設光纖無損耗，在光纖中傳輸的已調波為線性偏振模式，氣場可以表示為 E（r，z，t）=R(r)U(z，t)exp-i(0t-0z) 式中，R(r)為徑向本征函數，U(z，t)為脈沖的調制包絡函數，0為光載波頻率，0為調制頻率= 0時的傳輸常數。0)(tt0tntnl設已調波E（r，z，t）的頻譜在= 0處有峰值，頻譜較窄，則可近似為單色平面波。由于非線性克爾效應，傳輸常數應寫成： 式中，P

22、為光功率，Aeff為光纖有效截面積。由此可見，不僅是折射率的函數，而且是光功率的函數)(20effAPnncncl在0和P=0附近，把展開成級數，得到l式中， ，Vg為群速率，即脈沖包絡線的運動速度l ，比例于一階色散，描述群速度與頻率的關系。l 。令2P=1/LNL，1/LNL稱為非線性度，表示非線性效應對光脈沖傳輸特性的影響PP220 0000)(21)(),(gV1|000|22 0effeffPcAnAP/|/202l在式中雖然略去高次項，但仍然較完整地描述了光脈沖在光纖中傳輸的特性，式中右邊第三項和第四項最為重要，這兩項正好體現了光纖色散和非線性效應的影響l如果00，適當選擇相關參數

23、，使兩項絕對值相等，光纖色散和非線性效應便相互抵消，因而輸入脈沖寬度保持不變，形成穩定的光孤子 光纖色散l波長為的光纖色散系數C()的定義為l式中，=d/d=1/Vg為群延時，Vg為群速度；=2f=2c/為光載波頻率，c為光速；0=d2/d2,比例于一階色散。 022)()(cddddddCl由上式描述的單模光纖色散特性如圖所示，圖中D為零色散波長。在 D時，C() 0,稱為光纖正常色散區；在D時， C() 0，0 0,稱為光纖反常色散區 單模光纖色散特性l圖示出光脈沖在反常色散光纖中傳輸時，由于非線性效應產生的啁啾被壓縮或展寬。對反常色散光纖，群速度與光載波頻率成正比，在脈沖中載頻高的部分傳

24、播很快，而載頻低的部分則傳播的慢 脈沖在反常色散光纖中傳輸因啁啾效應被壓縮或展寬l對正常色散光纖，結論正相反。因此，具有正啁啾的光脈沖通過反常色散光纖時，脈沖前部（頭）頻率低，傳播得慢，而后部（尾）頻率高，傳播得快l這種脈沖形象地被稱為“紅頭紫尾”光脈沖。在傳播過程中，“紫”尾逐漸接近“紅”頭，因而脈沖被壓縮l相反，具有負啁啾的光脈沖通過反常色散光纖時，前部（頭）傳播得快，后部（尾）傳播得慢， “紫”頭和“紅”尾逐漸分離，結果脈沖被展寬。由此可見，適當選擇相關參數，可以使光脈沖寬度保持不變l光孤子通信系統的構成和性能 光孤子通信系統構成框圖l光孤子源產生一系列脈沖寬度很窄的光脈沖，即光孤子流，

25、作為信息的載體進入光調制器，使信息對光孤子流進行調制。被調制的光孤子流經摻餌光纖放大器和光隔離器后，進入光纖進行傳輸l為克服光纖損耗引起的光孤子減弱，在光纖線路上周期地插入EDFA，向光孤子注入能量，以補償因光纖傳輸而引起的能量消耗，確保光孤子穩定傳輸。在接收端，通過光檢測器和解調裝置，恢復光孤子所承載的信息l光孤子源是光孤子通信系統的關鍵。要求光孤子源提供的脈沖寬度為ps數量級，并有規定的形狀和峰值。光孤子源有很多種類，主要有摻餌光纖孤子激光器、鎖模半導體激光器等l目前，光孤子通信系統已經有許多實驗結果。例如，對光纖線路直接實驗系統，在傳輸速率為10Gb/s時，傳輸距離達到1000k；在傳輸

26、速率為20Gb/s時，傳輸距離達到350km。對循環光纖間接實驗系統，傳輸速率為10Gb/s，傳輸距離達106kml循環光纖間接光孤子實驗系統圖l事實上，對于單信道光纖通信系統來說，光孤子通信系統的性能并不比在零色散波長工作的常規（非光孤子）系統更好l循環光纖間接實驗結果表明，零色散波長常規系統的傳輸速率為2.4Gb/s時，傳輸距離可達21000km，而為5Gb/s時可達14300km。然而，零色散波長系統只能實現單信道傳輸，而光孤子系統則可用于WDM系統，使傳輸速率大幅度增加，因而具有廣泛的應用前景光交換技術l目前的商用光纖通信系統，單信道傳輸速率已超過10Gb/，實驗WDM系統的傳輸速率已超過3.28Tb/sl但是，由于大量新業務的出現和國際互聯網的發展，今后通信網絡還可能變得擁擠。原因是在現有通信網絡中，高速光纖通信系統僅僅充當點對點的傳輸手段，網絡中重要的交