光纤通信新技术.docx

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光纤通信新技术

第七章光纤通信新技术

（4学时）

一、教学目的及要求：

使学生熟悉现代社会中普遍采用的光纤通信新技术，了解与以前技术的异同，重点掌握光纤放大器和光波分复用技术。

二、教学重点及难点：

本章重点：

光放大器的类型及其特点、2、掺铒光纤放大器的工作原波分复用原理。

本章难点：

光纤放大器的工作原理。

三、教学手段：

板书与多媒体课件演示相结合

四、教学方法：

课堂讲解、提问

五、作业：

课外作业：

7-47-57-67-87-9

六、参考资料：

《光纤通信》刘增基第七章。

《光纤通信》杨祥林第七章

七、教学内容与教学设计：

教学内容

教学设计

备注

【导入】（2分钟）

回顾上节课的主要内容，借以引出这节课的主要内容。

导入

[提问]提问引出本章的教学内容。

2分钟

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。

7.1.1掺铒光纤放大器工作原理

下图示出掺铒光纤放大器（EDFA）的工作原理，说明了光信号为什么会放大的原因。

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）EDFA的吸收和增益频谱

如果输入的信号光的光子能量等于能级2和能级1的能量差，则处于能级2的Er3+将跃迁到基态（2→1），产生受激辐射光，因而信号光得到放大。

下图示出输出信号光功率和输入泵浦光功率的关系，由图可见，泵浦光功率转换为信号光功率的效率很高，达到92.6%。

当泵浦光功率为60mW时，吸收效率［（信号输入光功率-信号输出光功率）/泵浦光功率］为88%。

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

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。

设计高增益掺铒光纤（EDF）是实现光纤放大器的技术关键，EDF的增益取决于Er3+的浓度、光纤长度和直径以及泵浦光功率等多种因素，通常由实验获得最佳增益。

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980nm的泵浦光转换效率更高，达10dB/mW，而且噪声较低，是未来发展的方向。

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：

工作波长正好落在光纤通信最佳波段（1500～1600nm）；其主体是一段光纤（EDF），与传输光纤的耦合损耗很小，可达0.1dB。

（2）增益高，约为30～40dB;饱和输出光功率大，约为10～15dBm;增益特性与光偏振状态无关。

（3）噪声指数小，一般为4～7dB;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1550nm窗口，频带宽度为20～40nm，可进行多信道传输，有利于增加传输容量。

1550nmEDFA在各种光纤通信系统中得到广泛应用，并取得了良好效果。

已经介绍过的副载波CATV系统，WDM或OFDM系统，相干光系统以及光孤子通信系统，都应用了EDFA，并大幅度增加了传输距离。

EDFA的应用，归纳起来可以分为三种形式，如下图所示。

光纤放大器的应用形式

（a）中继放大器；（b）前置放大器和后置放大器

讲解

[板书]

[板书]

[板书]

[多媒体课件]

98分钟

7.2光波分复用技术

随着人类社会信息时代的到来，对通信的需求呈现加速增长的趋势。

发展迅速的各种新型业务（特别是高速数据和视频业务）对通信网的带宽（或容量）提出了更高的要求。

为了适应通信网传输容量的不断增长和满足网络交互性、灵活性的要求，产生了各种复用技术。

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：

WavelengthDivisionMultiplexing）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。

目前一些光器件与技术还不十分成熟，因此要实现光信道十分密集的光频分复用（OFDM）还较为困难。

WDM技术对网络升级、发展宽带业务（如CATV，HDTV和IPoverWDM等）、充分挖掘光纤带宽潜力、实现超高速光纤通信等具有十分重要意义，尤其是WDM加上EDFA更是对现代信息网络具有强大的吸引力。

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。

WDM系统的基本构成主要有以下两种形式：

（1）双纤单向传输。

（2）单纤双向传输。

双向WDM系统在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。

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，

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。

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

（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

（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（λmin到λmax）。

（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:

PolarizationdependentLoss）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，如下图所示

实际WDM系统的基本结构

目前国际上已商用的系统有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）。

7.2.3WDM技术的主要特点

1.充分利用光纤的巨大带宽资源

2.同时传输多种不同类型的信号

3.节省线路投资

4.降低器件的超高速要求

5.高度的组网灵活性、经济性和可靠性

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。

下图为光滤波器的三种应用：

单纯的滤波应用、波分复用/解复用器中应用和波长路由器中应用。

波分复用器和解复用器主要用在WDM终端和波长路由器以及波长分插复用器（WavelengthAdd/DropMultiplexer,WADM）中。

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）波长路由器中应用

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。

对光滤波器的主要要求有：

（1）一个好的光滤波器应有较低的插入损耗，并且损耗应该与输入光的偏振态无关。

（2）一个滤波器的通带应该对温度的变化不敏感。

温度系数是指温度每变化1℃的波长漂移。

（3）在一个WDM系统中，随着级联的滤波器越来越多，系统的通带就变得越来越窄

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。

下图是光栅的两个例子。

光栅

（a）透射光栅；（b）反射光栅

2.布喇格光栅

布喇格光栅（BraggGrating）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。

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。

为了消除不需要的旁瓣，新研制成功了一种称为变迹光栅（ApodizedGrating）的光栅，变迹光栅旁瓣的减少是以主瓣加宽为代价的。

3.光纤光栅

光纤光栅（FiberGrating）是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。

传统光纤的SiO2中掺入少量锗（Ge）后就具有了光敏特性，再由紫外（UV）光照射，就可引起光纤纤芯的折射率变化。

光纤光栅可以分为短周期（shortperiod）光纤光栅和长周期（longperiod）光纤光栅。

短周期光纤光栅也称光纤布喇格光栅，其周期可以和光波长相比较，典型值大约0.5μm；长周期光纤光栅的周期比光波长大得多，从几百微米到几毫米不等。

光纤布喇格光栅的特点是损耗低（0.1dB左右），波长准确度高（可达±0.05nm），邻近信道串扰抑制较高（可达40dB）以及通带顶部平坦。

光纤布喇格光栅可用作滤波器、光分插复用器和色散补偿器（DispersionCompensator）。

长周期光纤光栅的工作原理与光纤布喇格光栅稍微有些不同。

在光纤布喇格光栅中，纤芯中正向传输模的能量耦合到反向传输模上；而在长周期光纤光栅中，纤芯中正向传输模的能量耦合到包层里的正向传输模上，包层模沿着光纤传输时极容易消逝掉，因此相应波长位置的光波被衰减，出现一些损耗峰。

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，如下图所示。

这种滤波器也叫F-P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-P滤波器

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。

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（ThinFilmResonantCavityFilter）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（MultilayerDielectricThinFilmFilter）。

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（ThinFilmResonantMulticavityFilter）的结构如下图所示。

三腔介质薄膜谐振腔滤波器

6.马赫-曾德尔干涉仪

马赫-曾德尔干涉仪（MZI:

MachZehnderInterferometer）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，即用两个3dB定向耦合器来连接两条不同长度的光通路，衬底通常采用硅（Si），波导区采用二氧化硅（SiO2）。

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，但在宽带滤波方面MZI非常有用，例如用来分开1.31μm和1.55μm两个波长的光信号。

如果将MZI级联就构成多级马赫-曾德尔干涉仪（MultistageMachZehnderInterferometer）。

7.阵列波导光栅

阵列波导光栅（AWG:

ArrayedWaveguideGrating）是MZI的推广和一般形式。

如下图所示，它由两个多端口耦合器和连接它们的阵列波导构成。

AWG可用作n×1波分复用器和1×n波分解复用器。

与多级MZI相比，AWG损耗低，通带平坦，容易集成在一块衬底上。

阵列波导光栅（AWG）

8.声光可调谐滤波器

声光可调谐滤波器（AOTF:

AcoustoOpticTunableFilter）是一种多用途器件，是目前已知的惟一能够同时选择多个波长的可调谐滤波器，并且可用来构造波长路由器。

AOTF的基本原理是声与光的相互作用，下图是AOTF的集成光波导形式。

集成光波导AOTF

这种滤波器的实现可以通过沿着光波的传播方向或逆着光波的传播方向发射一列声波来完成。

声波传播引起媒质的密度周期性变化，其变化周期等于声波波长，这相当于形成了一个布喇格光栅。

布喇格条件决定要选择的波长，而这种滤波器的通带宽度则由声光相互作用的长度决定，声光相互作用的长度越长，通带就越窄。

这说明器件越长（声光相互作用长度越长），滤波器的通带就越窄；然而调谐速度与器件长度成反比，因为调谐速度主要由声波通过器件的时间决定。

如今，AOTF还没有完全实用化的原因主要有两个：

一是存在较大串扰，二是通带相对较宽。

讲解

[板书]

[板书]

[板书]

[多媒体课件]

98

分钟

【结束语】（2分钟）

展示并简单介绍本课程各章节的名称和主要内容。

布置作业。

小结

[幻灯片]展示本课程各章节名称。

让学生了解本课程内容框架，做到心里有数。

[作业]布置课外作业，下次上课交。

2分钟

八、课后小结：

教学实践发现，学生对课堂上演示的具体例子很感兴趣，参与意愿、投入程度明显较高。

作为导论课，应避免流于泛泛的理论陈述和空洞的说教，而应该用具体的例子来激发学生学习的兴趣，引导他们进行自行探究。