光通信技術第六章第一頁，共五十八頁，2022年，8月28日第6章光纖通信新技術光纖通信發展的目標是提高通信能力和通信質量，降低價格，滿足社會需要。進入20世紀90年代以后，光纖通信成為一個發展迅速、技術更新快、新技術不斷涌現的領域。

本章主要介紹一些已經實用化或者有重要應用前景的新技術，如光放大技術，光波分復用技術，光交換技術，光孤子通信，相干光通信，光時分復用技術和波長變換技術等。第二頁，共五十八頁，2022年，8月28日6.1光纖放大器

光放大器有半導體光放大器和光纖放大器兩種類型。

?

半導體光放大器的優點是：小型化，容易與其他半導體器件集成

?

半導體光放大器的缺點是：性能與光偏振方向有關，器件與光纖的耦合損耗大。光纖放大器的性能與光偏振方向無關，器件與光纖的耦合損耗很小，因而得到廣泛應用。第三頁，共五十八頁，2022年，8月28日光纖放大器的實質是：把工作物質制作成光纖形狀的固體激光器，所以也稱為光纖激光器。

20世紀80年代末期，波長為1.55μm的摻鉺(Er)光纖放大器(EDFA：ErbiumDopedFiberAmplifier)研制成功并投入實用，把光纖通信技術水平推向一個新高度，成為光纖通信發展史上一個重要的里程碑。第四頁，共五十八頁，2022年，8月28日

6.1.1摻鉺光纖放大器工作原理圖6.1示出摻鉺光纖放大器(EDFA)的工作原理，說明了光信號放大的原因。從圖6.1(a)可以看到，在摻鉺光纖(EDF)中，鉺離子(Er3+)有三個能級：

?能級1代表基態，能量最低

?能級2是亞穩態，處于中間能級

?能級3代表激發態，能量最高第五頁，共五十八頁，2022年，8月28日當泵浦(Pump,抽運)光的光子能量等于能級3和能級1的能量差時，鉺離子吸收泵浦光從基態躍遷到激發態(1→3)。但是激發態是不穩定的，Er3+很快返回到能級2。如果輸入的信號光的光子能量等于能級2和能級1的能量差，則處于能級2的Er3+將躍遷到基態(2→1)，產生受激輻射光，因而信號光得到放大。

由此可見，這種放大是由于泵浦光的能量轉換為信號光的結果。第六頁，共五十八頁，2022年，8月28日

圖6.1摻鉺光纖放大器的工作原理

(a)硅光纖中鉺離子的能級圖；(b)EDFA的吸收和增益頻譜為提高放大器增益，應提高對泵浦光的吸收，使基態Er3+盡可能躍遷到激發態，圖6.1(b)示出EDFA增益和吸收頻譜。第七頁，共五十八頁，2022年，8月28日圖6.3(a)光纖放大器構成原理圖輸入信號光隔離器波分復用器泵浦摻鉺光纖光隔離器輸出信號圖6.3(a)第八頁，共五十八頁，2022年，8月28日監視和告警電路泵浦監視和控制電路泵浦LDPD探測器泵浦LD輸入隔離器輸入WDM輸出耦合器輸出隔離器輸出WDM摻鉺光纖熱沉光輸入＋5V0V－5V電源監視激光器驅動輸入光輸出圖6.3(b)圖6.3(b)實用光纖放大器外形圖及其構成方框圖第九頁，共五十八頁，2022年，8月28日

6.1.3摻鉺光纖放大器的優點和應用EDFA的主要優點有：?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0.1dB。

?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無關。

?噪聲指數小，一般為4～7dB；用于多信道傳輸時，隔離度大，無串擾，適用于波分復用系統。

?頻帶寬，在1550nm窗口，頻帶寬度為20～40nm，可進行多信道傳輸，有利于增加傳輸容量。第十頁，共五十八頁，2022年，8月28日如果加上1310nm摻鐠光纖放大器(PDFA)，頻帶可以增加一倍。所以“波分復用+光纖放大器”被認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中得到廣泛應用，并取得了良好效果。副載波CATV系統，WDM或OFDM系統，相干光系統以及光孤子通信系統，都應用了EDFA，并大幅度增加了傳輸距離。第十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日

圖6.5(a)光纖放大器的應用形式中繼放大器LDPD中繼放大器EDFA的應用，歸納起來可以分為三種形式，如圖6.5所示。

?中繼放大器（LA：LineAmplifier）在光纖線路上每隔一定的距離設置一個光纖放大器，以延長干線網的傳輸距離）

?前置放大器（PA：Preamplifier)置于光接收機的前面，放大非常微弱的光信號，以改善接收靈敏度。作為前置放大器，對噪聲要求非常苛刻。

?后置放大器（BA：BoosterAmplifier)置于光接收機的后面，以提高發射機功率。對后置放大器噪聲要求不高，而飽和輸出光功率是主要參數。第十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日圖6.5(b)光纖放大器的應用形式前置放大器和后置放大器

LDPD后置放大器前置放大器光纖第十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日6.2光波分復用技術隨著人類社會信息時代的到來，對通信的需求呈現加速增長的趨勢。發展迅速的各種新型業務(特別是高速數據和視頻業務)對通信網的帶寬(或容量)提出了更高的要求。

為了適應通信網傳輸容量的不斷增長和滿足網絡交互性、靈活性的要求，產生了各種復用技術。

在光纖通信系統中除了大家熟知的時分復用(TDM)技術外，還出現了其他的復用技術，例如光時分復用(OTDM)、光波分復用(WDM)、光頻分復用(OFDM)以及副載波復用(SCM)技術。第十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日

6.2.1光波分復用原理

1.WDM的概念

光波分復用(WDM：WavelengthDivisionMultiplexing)技術是在一根光纖中同時傳輸多個波長光信號的一項技術。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。第十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日

圖6.6中心波長在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用)第十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日

2.WDM系統的基本形式光波分復用器和解復用器是WDM技術中的關鍵部件，將不同波長的信號結合在一起經一根光纖輸出的器件稱為復用器(也叫合波器)。反之，經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)，即只要將解復用器的輸出端和輸入端反過來使用，就是復用器。

因此復用器和解復用器是相同的(除非有特殊的要求)。第十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日

WDM系統的基本構成主要有以下兩種形式：雙纖單向傳輸和單纖雙向傳輸。

(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6.7所示，在發送端將載有各種信息的、具有不同波長的已調光信號λ1,λ2,…,λn通過光復用器組合在一起，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用器將不同波長的信號分開，完成多路光信號傳輸的任務。反方向通過另一根光纖傳輸的原理與此相同。第十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日

圖6.7雙纖單向WDM傳輸第十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日

(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6.8所示，所用波長相互分開，以實現雙向全雙工的通信。圖6.8單纖雙向WDM傳輸第二十頁，共五十八頁，2022年，8月28日

雙向WDM系統在設計和應用時必須要考慮幾個關鍵的系統因素：

如為了抑制多通道干擾(MPI)，必須注意到光反射的影響、雙向通路之間的隔離、串擾的類型和數值、兩個方向傳輸的功率電平值和相互間的依賴性、光監控信道(OSC)傳輸和自動功率關斷等問題，同時要使用雙向光纖放大器。所以雙向WDM系統的開發和應用相對說來要求較高，但與單向WDM系統相比，雙向WDM系統可以減少使用光纖和線路放大器的數量。

第二十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日

?

插入損耗小

?隔離度大

?帶內平坦，帶外插入損耗變化陡峭

?

溫度穩定性好

?復用通路數多

?尺寸小等3.光波分復用器的性能參數光波分復用器是波分復用系統的重要組成部分，為了確保波分復用系統的性能，對波分復用器的基本要求是：第二十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日

6.2.2WDM系統的基本結構

實際的WDM系統主要由五部分組成：光發射機、光中繼放大、光接收機、光監控信道和網絡管理系統，如下圖所示。第二十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日

目前國際上已商用的系統有：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)。實驗室已實現了82×40Gb/s(3.28Tb/s)的速率，傳輸距離達3×100km=300km。OFC2000(OpticalFiberCommunicationConference)提供的情況有：

①BellLabs:82路×40Gb/s=3.28Tb/s在3×100km=300km的TrueWave(商標)光纖(即G.655光纖)上，利用C和L兩個波帶聯合傳輸；

②日本NEC:160×20Gb/s=3.2Tb/s，利用歸零信號沿色散平坦光纖，經過增益寬度為64nm的光纖放大器，傳輸距離達1500km;第二十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日③日本富士通(Fujitsu):128路×10.66Gb/s，經過C和L波帶注：C波帶為1525～1565nm，L波帶為1570～1620nm。，用分布喇曼放大(DRA:DistributedRamanAmplification),傳輸距離達6×140km=840km;

④日本NTT：

30路×42.7Gb/s，利用歸零信號，經過增益寬度為50nm的光纖放大器，傳輸距離達3×125km376km;⑤美國LucentTech:100路×10Gb/s=1Tb/s，各路波長的間隔縮小到25GHz,利用L波帶，沿NZDF光纖(G.655光纖)傳輸400km;

⑥美國Mciworldcom和加拿大Nortel:100路×10Gb/s=1Tb/s，沿NZDF光纖在C和L波帶傳輸4段，約200km;

⑦美國Qtera和Qwest:

兩個波帶4路×10Gb/s和2路×10Gb/s沿NZDF光纖傳輸23×105km=2415km,這個試驗雖然WDM路數不多，但在陸地光纜中卻是最長距離。第二十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日

6.2.3WDM技術的主要特點

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，具有很大的應用價值和經濟價值。

2.同時傳輸多種不同類型的信號由于WDM技術使用的各波長的信道相互獨立，因而可以傳輸特性和速率完全不同的信號，完成各種電信業務信號的綜合傳輸，如PDH信號和SDH信號，數字信號和模擬信號，多種業務(音頻、視頻、數據等)的混合傳輸等。第二十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日

3.節省線路投資采用WDM技術可使N個波長復用起來在單根光纖中傳輸，也可實現單根光纖雙向傳輸，在長途大容量傳輸時可以節約大量光纖。另外，對已建成的光纖通信系統擴容方便，只要原系統的功率余量較大，就可進一步增容而不必對原系統作大的改動。

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速度已明顯不足，使用WDM技術可降低對一些器件在性能上的極高要求，同時又可實現大容量傳輸。第二十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日

5.高度的組網靈活性、經濟性和可靠性

WDM技術有很多應用形式，如長途干線網、廣播分配網、多路多址局域網。可以利用WDM技術選擇路由，實現網絡交換和故障恢復，從而實現未來的透明、靈活、經濟且具有高度生存性的光網絡。第二十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日

6.2.4光濾波器與光波分復用器在前面介紹耦合器時，已經簡單地介紹了波分復用器(WDM)。在這一部分我們將介紹各種各樣的波長選擇技術，即光濾波技術。光濾波器在WDM系統中是一種重要元器件，與波分復用有著密切關系，常常用來構成各種各樣的波分復用器和解復用器。第二十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日波分復用器和解復用器主要用在:

?WDM終端

?波長路由器

?波長分插復用器(WavelengthAdd/DropMultiplexer,WADM)圖6.10為光濾波器的三種應用：

?單純的濾波應用(圖6.10(a))

?

波分復用/解復用器中應用(圖6.10(b))

?波長路由器中應用(圖6.10(c))。第三十頁，共五十八頁，2022年，8月28日l1光濾波器圖6.10(a)單純的濾波應用l1,l2,l3,l4l,l,l234第三十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日波分復用器l1l2l3l4圖6.10(b)波分復用器中應用l1,l2,l3,l4第三十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日

圖6.10(c)波長路由器中應用波長路由器l1,l2,l3,l4l1,l2,l3,l411112222l1,l2,l3,l42112l1,l2,l3,l41221波長路由器是波長選路網絡(WavelengthRoutingNetwork)中的關鍵部件，其功能可由圖7.10(c)的例子說明它有兩個輸入端口和兩個輸出端口，每路輸入都載有一組λ1,λ2,λ3和λ4WDM信號。第三十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日如果用來標記第i輸入鏈路上的波長λj,則路由器的輸入端口1上的波長記為、、、,輸入端口2上的波長記為、、、。在輸入端口1上的波長中，如果和由輸出端口1輸出，則和由輸出端口2輸出；在輸入端口2上的波長中，如果和由輸出端口2輸出，則和由輸出端口1輸出，這樣，我們就稱路由器交換了波長λ1和λ4。在本例中，波長路由器只有兩個輸入端口和兩個輸出端口，每一路上只有4個波長，但是在一般情況下，輸入和輸出的端口數是N(≥2)，并且每一端口的波長數是W(≥2)(參看圖7.33)。第三十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日如果一個波長路由器的路由方式不隨時間變化，就稱為靜態路由器；路由方式隨時間變化，則稱之為動態路由器。靜態路由器可以用波分復用器來構成，如下圖所示。第三十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日在WDM系統中，光纖布喇格光柵可用作濾波器、光分插復用器和色散補償器(DispersionCompensator)。

圖6.16(a)是一個簡單的光分器，由一個三端口光環行器和一個光纖布喇格光柵構成，由光柵反射回來的波長λ2從環行器的端口3取出，余下的波長繼續前行。在上面簡單的光分器的基礎上加上一個耦合器，就可以實現光的分插功能，如圖6.16(b)所示。第三十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日

圖6.16(a)基于光纖光柵結構的光分插復用器簡單分光；l1l2l3l4113光纖布喇格光柵l1l3l4lll4(a)2l23l2第三十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日圖6.16(b)基于光纖光柵結構的光分插復用器光分插l23l1l2l3l41(b)光纖布喇格光柵2l2l1l3l4耦合器l2第三十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日6.3光交換技術目前的商用光纖通信系統，單信道傳輸速率已超過10Gb/s，實驗WDM系統的傳輸速率已超過3.28Tb/s。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，網絡中重要的交換功能還是采用電子交換技術。傳統電子交換機的端口速率只有幾Mb/s到幾百Mb/s，不僅限制了光纖通信網絡速率的提高，而且要求在眾多的接口進行頻繁的復用/解復用，光/電和電/光轉換，因而增加了設備復雜性和成本，降低了系統的可靠性。第三十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日光交換主要有三種方式：

?空分光交換

?時分光交換

?

波分光交換雖然采用異步轉移模式(ATM)可提供155Mb/s或更高的速率，能緩解這種矛盾，但電子線路的極限速率約為20Gb/s。要徹底解決高速光纖通信網存在的矛盾，只有實現全光通信，而光交換是全光通信的關鍵技術。第四十頁，共五十八頁，2022年，8月28日

6.3.1空分光交換

空分光交換的功能是：使光信號的傳輸通路在空間上發生改變。

空分光交換的核心器件是光開關。光開關有電光型、聲光型和磁光型等多種類型，其中電光型光開關具有開關速度快、串擾小和結構緊湊等優點，有很好的應用前景。典型光開關是用鈦擴散在鈮酸鋰(Ti:LiNbO3)晶片上形成兩條相距很近的光波導構成的，并通過對電壓的控制改變輸出通路。第四十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日圖6.31(a)是由4個1×2光開關器件組成的2×2光交換模塊。1×2光開關器件就是Ti:LiNbO3定向耦合器型光開關，只是少用了一個輸入端而已。

圖6.31空分光交換(a)2×2光交換單元1×2光交換器件(a)第四十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日圖6.31(c)是由16個1×2光開關器件或4個2×2光交換單元組成的4×4光交換單元。圖6.31空分光交換(c)4×4光交換單元定向耦合器光波導光信號輸出光信號輸入(c)第四十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日

6.3.2時分光交換

時分光交換是以時分復用為基礎，用時隙互換原理實現交換功能的。時分復用是把時間劃分成幀，每幀劃分成N個時隙，并分配給N路信號，再把N路信號復接到一條光纖上。在接收端用分接器恢復各路原始信號，如圖6.32(a)所示。1復接器2N…分接器12N12…N時隙幀(a)

圖6.32(a)時分光交換時分復用原理第四十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日所謂時隙互換，就是把時分復用幀中各個時隙的信號互換位置。如圖6.32(b)，首先使時分復用信號經過分接器，在同一時間內，分接器每條出線上依次傳輸某一個時隙的信號；然后使這些信號分別經過不同的光延遲器件，獲得不同的延遲時間；最后用復接器把這些信號重新組合起來。1234分接器1延遲1延遲22延遲33延遲44(b)復接器輸入輸出4132圖6.32(b)時分光交換時隙互換原理第四十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日

6.3.3波分光交換

波分光交換(或交叉連接)是以波分復用原理為基礎，采用波長選擇或波長變換的方法實現交換功能的。

圖6.33(a)和(b)分別示出波長選擇法交換和波長變換法交換的原理框圖。第四十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日

圖6.33(a)波分交換的原理框圖：波長選擇法交換l1空分交換l2空分交換l3空分交換…lW空分交換l1,l2…lW12…NN…21WDMXWMUX分波器合波器(a)l1,l2…lWl1,l2…lWl1,l2…lWl1,l2…lWl1,l2…lW第四十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日l1l2lWNW×NW空分交換l1l2lWl1l2lWl1l2lWl1l2lWl1l2lWl1l2lWl1l2lW12…N12…NWDMXWMUX波長變換器(b)圖6.33(b)波分交換的原理框圖：波長變換法交換第四十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日設波分交換機的輸入和輸出都與N條光纖相連接，這N條光纖可能組成一根光纜。每條光纖承載W個波長的光信號。從每條光纖輸入的光信號首先通過分波器(解復用器)WDMX分為W個波長不同的信號。所有N路輸入的波長為λi(i=1,2,…,W)的信號都送到λi空分交換器，在那里進行同一波長N路(空分)信號的交叉連接，到底如何交叉連接，將由控制器決定。第四十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日然后，以W個空分交換器輸出的不同波長的信號再通過合波器(復用器)WMUX復接到輸出光纖上。這種交換機當前已經成熟，可應用于采用波長選路的全光網絡中。但由于每個空分交換器可能提供的連接數為N×N,故整個交換機可能提供的連接數為N2W，比下面介紹的波長變換法少。波長變換法與波長選擇法的主要區別是用同一個NW×NW空分交換器處理NW路信號的交叉連接，在空分交換器的輸出必須加上波長變換器，然后進行波分復接。這樣，可能提供的連接數為N2W2，即內部阻塞概率較小。波長變換器將在6.7節介紹。第五十頁，共五十八頁，2022年，8月28日6.4光孤子通信

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(ps數量級)。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上萬公里，甚至幾萬公里，目前還處于試驗階段。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，對傳輸速率的限制，成為提高系統性能的主要障礙。第五十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日為了增加傳輸距離，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，事實表明，克服其害還不如利用其利。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。第五十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日6.5相干光通信技術目前已經投入使用的光纖通信系統，都是采用光強調制-直接檢測(IM-DD)方式。這種方式的優點是：調制和解調簡單