第7章
光纤通信新技术
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
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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
目前，“掺铒光纤放大器(EDFA)+密集波分复用(WDM)+非
零色散光纤(NZDSF，即G.655光纤)+光子集成(PIC)”正成为国际 上长途高速光纤通信线路的主要技术方向。
如果一个区域内所有的光纤传输链路都升级为 WDM传输， 我们就可以在这些 WDM 链路的交叉 ( 结点 ) 处设置以波长为单位 对光信号进行交叉连接的光交叉连接设备(OXC)，或进行光上下 路的光分插复用器(OADM)，则在原来由光纤链路组成的物理层 上面就会形成一个新的光层。 在这个光层中，相邻光纤链路中的波长通道可以连接起来， 形成一个跨越多个 OXC 和 OADM 的光通路，完成端到端的信息
35.0 30.0 25.0 增益 / dB 20.0 15.0 10.0 5.0 I I I 噪声指数 / dB 输出光功率 / dBm I I I I 增益 / dB
0.0
－5.0 －10.0 －40
－35 －30 －25 －20 －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
如果加上1310 nm掺镨光纤放大器(PDFA)，频带可以增加一 倍。 所以“波分复用+光纤放大器”被认为是充分利用光纤带宽 增加传输容量最有效的方法。
1550 nm EDFA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。
下表列出国外几家公司EDFA商品的技术参数。
7.1.3
掺铒光纤放大器的优点和应用
EDFA的主要优点有： • 工作波长正好落在光纤通信最佳波段(1500～1600 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。 • 增益高，约为30～40 dB; 饱和输出光功率大， 约为 10～15 dBm； 增益特性与光偏振状态无关。 • 噪声指数小， 一般为4～7 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。 • 频带宽，在1550 nm窗口，频带宽度为20～40 nm， 可 进行多信道传输，有利于增加传输容量。
EDFA的应用， 归纳起来可以分为三种形式， 如图7.5所示。 •中继放大器 （LA：Line Amplifier）在光纤线路上每隔一定的 距离设置一个光纤放大器，以延长干线网的传输距离）
•前置放大器 （PA：Preamplifier) 置于光接收机的前面，放大非 常微弱的光信号，以改善接收灵敏度。作为前置放大器，对噪声 要求非常苛刻。
由于1310/1550 nm的复用超出了EDFA的增益范围，只在一
些专门场合应用，所以经常用 WDM 这个更广义的名称来代替 DWDM。
WDM技术对网络升级、发展宽带业务(如CATV， HDTV 和
IP over WDM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。
/ mW
80
增 益 / dB
40 转换效率 92.6％ 30 20 10 0 0 5 10 (b)
图7.2
输 出 信 号 光 功 率
60 40 20 0 0
增益系数 6.3 dB / mW
20 40 60 80 输入泵浦光功率 / mW (a)
15 20
输入泵浦光功率 / mW
(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
10
－0 25 1 截 面 / (× m2 )
8 6 4 2 0 吸收
6 4 2 增益 1 .4 8 1 .5 0 1 .5 2 1 .5 4 1 .5 6 波长 / m (b) 0
(a)
图 7.1 (a) 硅光纤中铒离子的能级图； (b) EDFA的吸收和增益频谱
为提高放大器增益， 应提高对泵浦光的吸收，使基态 Er3+尽
插入损耗小，反射损耗大。
图7.4是EDFA商品的特性曲线，图中显示出增益、 噪声指数 和输出信号光功率与输入信号光功率的关系。 在泵浦光功率一定的条件下，当输入信号光功率较小时，放 大器增益不随输入信号光功率而变化，基本上保持不变。
当信号光功率增加到一定值 ( 一般为-20 dBm) 后，增益开始 随信号光功率的增加而下降， 因此出现输出信号光功率达到饱 和的现。
等多种因素，通常由实验获得最佳增益。
对泵浦光源的基本要求是大功率和长寿命。波长为 1480
μm的InGaAsP多量子阱(MQW)激光器， 输出光功率高达100 mW,
泵浦光转换为信号光效率在6 dB/mW以上。
泵浦
掺铒光纤
输入信号
输出信号
光隔离器
波分复用器
光隔离器
图7.3(a)
图7.3(a)
光纤放大器构成原理图
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。 但是激发态是不稳定的，Er3+很快返回到能级2。 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
光纤放大器的实质是： 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 μm的掺铒(Er)光纤放大器
(EDFA： Erbium
Doped 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。
热
沉
光输入
＋5 V
输入隔离器
输入 WDM
电源
监视
0V －5 V 监视和
泵浦 LD 泵浦监视 和控制电路 泵浦 LD 掺铒 光纤
告警电路
PD
激光器驱动输入
探测器
光输出 输出耦合器 输出隔离器 输出 WDM
图7.3(b)
图7.3(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。 • 对波分复用器的基本要求是： 插入损耗小，熔拉双锥光纤耦合器型和干涉滤波型波分复用 器最适用。 • 光隔离器的作用是: 防止光反射，保证系统稳定工作和减小噪声 • 对光隔离器的的基本要求是：
7.1.1
图7.1示出掺铒光纤放大器(EDFA)的工作原理，说明了光信 号放大的原因。 从图7.1(a)可以看到，在掺铒光纤(EDF)中，铒离子(Er3+)有 三个能级：
• 能级1代表基态， 能量最低
• 能级2是亚稳态，处于中间能级
• 能级3代表激发态， 能量最高
当泵浦(Pump, 抽运)光的光子能量等于能级3和能级1的能量差 时，铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到激发态(1→3)。 但是激发态是不稳定的，Er3+很快返回到能级2。
光波分复用（WDM）的基本原理是：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。
4 .0
－1 km 衰 减 / (dB· )
目前该系统是在1550 nm波长区段内，同时用8，16或更多个
波长在一对光纤上(也可采用单光纤)构成的光通信系统，其中各 个波长之间的间隔为1.6 nm、 0.8 nm或更低，约对应于200 GHz,
100 GHz或更窄的带宽。
WDM、 DWDM和OFDM在本质上没有多大区别 以往技术人员习惯采用WDM 和DWDM来区分是1310/1550 nm 简单复用还是在1550 nm波长区段内密集复用，但目前在电信 界应用时，都采用DWDM技术。
号光得到放大。 由此可见，这种放大是由于泵浦光的能量转换为信号光的结 果。
－ 1) m 损 耗 或 增 益 /( dB·
4 F9 / 2 4 I9 / 2 4 I1 1 / 2 4 I1 3 / 2 1 .4 8m 泵浦 4 I1 5 / 2
0 .6 5m 0 .8 0m 3 0 .9 8m 2 1 .5 3m 光信号 1
可能跃迁到激发态，图7.1(b)示出EDFA增益和吸收频谱。
图7.2(a)示出输出信号光功率和输入泵浦光功率的关系， 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60 mW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%。 图7.2(b)是小信号条件下增益和泵浦光功率的关系，当泵浦 光功率小于6mW时，增益系数为6.3dB/mW。
3 .0 2 .0 1 .0 0 8 00
信道间隔 1~1 0 GHz
… 载波频率
1 00 0 1 20 0
1 40 0 1 60 0
1 80 0
波长 / n m
图7.6 中心波长在1.3 μm和1.55 μm的硅光纤低损耗传输窗口
(插图表示1.55 μm传输窗口的多信道复用)
光纤的带宽有多宽？