光纤通讯系统器件和网络课件

光纤通信器件、系统和网络光纤通信器件、系统和网络光纤通讯系统器件和网络课件内内 容容 提提 要要1.光纤通信发展历程简要回顾光纤通信发展历程简要回顾2.光纤通信的最新进展光纤通信的最新进展3.从中国信息通信发展趋势看光纤通从中国信息通信发展趋势看光纤通信的未来信的未来4.光纤通信的支撑技术光纤通信的支撑技术光纤通讯系统器件和网络课件1、光纤通信发展历程、光纤通信发展历程简要回顾简要回顾光纤通讯系统器件和网络课件10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015ELFVFVLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF自由空间波长，自由空间波长，m频率，频率，Hz电力、电话电力、电话无线电、电视无线电、电视微波微波红外红外可见光可见光双铰线双铰线同轴电缆同轴电缆光纤光纤卫星卫星/微波微波AM无线电无线电FM无线电无线电通信波段划分及相应传输媒介通信波段划分及相应传输媒介频段频段划分划分传传输输介介质质光纤通讯系统器件和网络课件传传 输输 技技 术术 的的 演演 进进模拟信号数字传输：高质、安全、集成模拟信号数字传输：高质、安全、集成光纤传输：宽带、低损、无电磁干扰、价低光纤传输：宽带、低损、无电磁干扰、价低光纤数字传输综合好处光纤数字传输综合好处PDHPDH飞速发展飞速发展PDHPDH的组网缺点的组网缺点SDHSDH：灵活的组网能力、强大的网：灵活的组网能力、强大的网管、带宽管理及自愈保护管、带宽管理及自愈保护SDHSDH与与PDHPDH均为均为TDMTDM（时分复用）电子电路限制高速（时分复用）电子电路限制高速SDHSDH的发展的发展电子瓶颈电子瓶颈波分复用（波分复用（WDMWDM，DWDMDWDM）+EDFA+EDFA 扩展传输容量的扩展传输容量的新手段新手段全光通信网全光通信网信息高速公路的骨干网信息高速公路的骨干网光纤通讯系统器件和网络课件 为充分利用光子学的宽带性，传输系统的为充分利用光子学的宽带性，传输系统的走向为走向为:电子型电子型光电混合型光电混合型全光型。全光型。光纤通讯系统器件和网络课件(1)(1)传统的电传输系统传统的电传输系统E EM MU UX X电端机电端机再生再生中继中继再生再生中继中继E ED DM MU UX X电复用电复用 电解复用电解复用电端机电端机同轴电缆、微波同轴电缆、微波O/E/OO/E/O光光 缆缆E EM MU UX X光发送光发送再生再生中继中继再生再生中继中继E ED DM MU UX X电复用电复用 电解复用电解复用光接收光接收(2)(2)光电混合型光纤传输系统光电混合型光纤传输系统光纤通讯系统器件和网络课件(3)DWDM(3)DWDM光纤传输系统光纤传输系统OMUXODMUXOAOAOA光发送光发送光发送，光接收光接收光接收光纤通讯系统器件和网络课件TXEDFAEDFATXTXTXTXTXTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX40km40km40km40km40km40km40km40km40km1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXMUX120 km120 km120 kmWDM+EDFA WDM+EDFA 革新了光纤传输革新了光纤传输DEM光纤通讯系统器件和网络课件 20 20多年来光纤通信技术在发掘、利用多年来光纤通信技术在发掘、利用光纤带宽资源，扩展光纤传输能力方面进展光纤带宽资源，扩展光纤传输能力方面进展神速。（神速。（传输能力传输能力主要指：通信容量和传输主要指：通信容量和传输距离）。距离）。在光波长和光纤类型方面在光波长和光纤类型方面多模光纤多模光纤单模光纤单模光纤短波长短波长800nm800nm长波长长波长1300nm1300nm、1550nm1550nm一纤一波一纤一波一纤多波一纤多波光纤通讯系统器件和网络课件在单纤传输容量方面在单纤传输容量方面？光纤通讯系统器件和网络课件2、光纤通信的最新进展、光纤通信的最新进展光纤通讯系统器件和网络课件DWDMDWDM及相关技术在及相关技术在9090年代中期开始走向成年代中期开始走向成熟并进入商业化应用。熟并进入商业化应用。AT&TAT&T于于19961996年年3 3月建立了世界上第一条月建立了世界上第一条8 8通通道的道的DWDMDWDM系统。系统。AT&TAT&T、MCIMCI、WorldcomWorldcom、SprintSprint等公司在他等公司在他们美国境内的们美国境内的90%90%网络上装上了网络上装上了DWDMDWDM系统。系统。19971997年年-1998-1998年，全球年，全球DWDMDWDM市场从市场从1717亿美元亿美元增加到增加到2222亿美元，年增长率为亿美元，年增长率为3232。系统。系统增加到增加到40004000多条，增长率为多条，增长率为98%98%。至。至20042004年年市场总额预计为市场总额预计为7474亿美元。增长率为亿美元。增长率为23%23%。光纤通讯系统器件和网络课件超长距离（全光无中继）超长距离（全光无中继）CorvisCorvis：160(160()2.5(Gb/s)2.5(Gb/s)3200(km)3200(km)(Chicago-Seattle)(Chicago-Seattle)AlcatelAlcatel:48(48()10(Gb/s)10(Gb/s)4000(km)4000(km)超高密度超高密度NortelNortel、SycamoreSycamore：160(160()10(Gb/s)10(Gb/s)开始开始推向商用推向商用LucentLucent:1022:1022()系统已在实验室成功。系统已在实验室成功。超大容量超大容量SiemensSiemens:7.04Tb/s(176:7.04Tb/s(176 40G)50km40G)50kmNECNEC:3.2Tb/s(160:3.2Tb/s(160 20G)1500km20G)1500kmDWDMDWDM的最新报导的最新报导光纤通讯系统器件和网络课件 7.04(Tb/s)64(kb/s/路路)=1.1(亿路电话亿路电话)0000000000000001111111118kHz光纤通讯系统器件和网络课件3、从中国信息通信发展趋势、从中国信息通信发展趋势看光纤通信的未来看光纤通信的未来光纤通讯系统器件和网络课件我国光纤通信的现状我国光纤通信的现状19861986年建立了国内第一条光缆干线年建立了国内第一条光缆干线宁汉光宁汉光缆缆19991999年建成年建成8 8纵纵8 8横光纤骨干网，覆盖了除台横光纤骨干网，覆盖了除台湾外所有省会城市和湾外所有省会城市和7575地市。地市。目前，我国长途骨干网的光缆长度达到了目前，我国长途骨干网的光缆长度达到了1717万公里，并经中美、中日、中韩等海缆和欧万公里，并经中美、中日、中韩等海缆和欧亚大陆桥光缆与国际光缆网连接。亚大陆桥光缆与国际光缆网连接。我国总的光缆线路总长度超过我国总的光缆线路总长度超过100100万公里，居万公里，居世界前列。世界前列。光纤通讯系统器件和网络课件FLAGFiber Optic Link around the Globe架空光缆架空光缆直埋光缆直埋光缆北京北京上海上海至欧洲至欧洲至日本至日本FLAG至韩国至韩国至朝鲜至朝鲜至俄罗斯至俄罗斯我国光缆骨干网分布图我国光缆骨干网分布图至东南亚至东南亚光纤通讯系统器件和网络课件在光纤通信线路建设的同时，果断地将传输技在光纤通信线路建设的同时，果断地将传输技术从正在广泛发展的术从正在广泛发展的PDHPDH，跳越式地改用，跳越式地改用SDHSDH（Synchronous Digital HierarchySynchronous Digital Hierarchy，同步，同步数字系列）。数字系列）。SDHSDH传输技术的优越性有：传输技术的优越性有：1 1、SDHSDH在传输高速在传输高速信息时，比信息时，比PDHPDH更经济有效；更经济有效；2 2、其灵活的组网、其灵活的组网能力和强大的生存能力增加了网络性能；能力和强大的生存能力增加了网络性能；3 3、根据根据ITU-TITU-T制定的制定的SDHSDH标准，能构成统一的网络，标准，能构成统一的网络，允许不同厂家设备共用。允许不同厂家设备共用。目前，我国目前，我国99.899.8的国家长途线路均采用的国家长途线路均采用SDHSDH，已拥有世界上最大的基于，已拥有世界上最大的基于SDHSDH的光纤通信网的光纤通信网路。路。光纤通讯系统器件和网络课件IPIP业务爆炸性增长（业务爆炸性增长（300%300%）IPIP业务的不确定性造成网络资源的不平衡业务的不确定性造成网络资源的不平衡带宽租用业务正在兴起带宽租用业务正在兴起宽带接入业务（宽带接入业务（ADSLADSL等）的发展和宽带新业等）的发展和宽带新业务新应用，如：务新应用，如：HDTV(16M)HDTV(16M)，战场通信，战场通信(2.8T)(2.8T)，Telepresence(15T)Telepresence(15T)等。等。网络生存性要求消耗大量容量网络生存性要求消耗大量容量(多多30-130%)30-130%)带宽换带宽换QoSQoS的轻载网新思路需要更大的带宽的轻载网新思路需要更大的带宽通信市场的正弹性定律和竞争的刺激通信市场的正弹性定律和竞争的刺激骨干网的容量需求骨干网的容量需求光纤通讯系统器件和网络课件 全球通信业务，特别是数据业务急剧增长全球通信业务，特别是数据业务急剧增长网络业务量网络业务量数据年增数据年增40%电话年增电话年增10%1998 2000 2002 2004 2006 2008 1998 2000 2002 2004 2006 2008 年份年份全球话音和数据业务发展趋势预测全球话音和数据业务发展趋势预测光纤通讯系统器件和网络课件用户数用户数速率速率峰值容量峰值容量模拟模拟MODEMMODEM100100万万56kb/s56kb/s56Gb/s56Gb/sADSLADSL100100万万6Mb/s6Mb/s6Tb/s6Tb/s以太网以太网100100万万100Mb/s100Mb/s100Tb/s100Tb/sAPONAPON100100万万155Mb/s155Mb/s155Tb/s155Tb/s接入速率与骨干网容量的关系接入速率与骨干网容量的关系光纤通讯系统器件和网络课件未来未来5-105-10年内，网上的数据业务将超过话年内，网上的数据业务将超过话音业务（骨干网约音业务（骨干网约3 3年，全网最有可能年，全网最有可能7-87-8年）年）业务总量将大幅度增加（数百倍）业务总量将大幅度增加（数百倍）IPIP业务将最终成为主导的联网协议业务将最终成为主导的联网协议未来未来5 5年内省际干线网带宽将以年内省际干线网带宽将以100%100%的速的速度增长度增长。中国网络业务发展趋势中国网络业务发展趋势光纤通讯系统器件和网络课件4、光纤通信的支撑技术、光纤通信的支撑技术光纤通讯系统器件和网络课件超宽带、超高速带来新的技术挑战超宽带、超高速带来新的技术挑战光纤通讯系统器件和网络课件衰减衰减损耗损耗输入信号输入信号输出信号输出信号时间时间时间时间色散色散脉冲展宽脉冲展宽频率频率非线性非线性新频率新频率光纤中的光纤中的损耗、色散和非线性损耗、色散和非线性及其对及其对光信号传输的影响。光信号传输的影响。光纤通讯系统器件和网络课件 在传输损耗方面，主要是打通在传输损耗方面，主要是打通1 1.3 3 1.551.55 m m窗口。使整个低损耗窗口扩展至窗口。使整个低损耗窗口扩展至1.28 1.28 1.6251.625 m m，共计，共计345nm345nm，即约，即约43THz43THz。若采用。若采用0.4 nm 0.4 nm（即（即50GHz50GHz）的波）的波长间隔进行长间隔进行WDMWDM，能安排，能安排800800个信道。个信道。光纤通讯系统器件和网络课件OH吸收峰吸收峰RSIAUA45THz光纤通讯系统器件和网络课件 光放大器光放大器(OA)(OA)是是WDMWDM成功的关键。成功的关键。随着波长数目的增加，宽带随着波长数目的增加，宽带OAOA成为研成为研究重点，具有很大市场。究重点，具有很大市场。光纤通讯系统器件和网络课件光放大器类型：光放大器类型：掺杂（稀土元素：铒、氟、镨掺杂（稀土元素：铒、氟、镨等）光纤放大器等）光纤放大器,如如EDFAEDFA半导体光放大器（半导体光放大器（SOASOA）受激喇曼光纤放大器受激喇曼光纤放大器光纤通讯系统器件和网络课件 随着传输速率的提高，色散随着传输速率的提高，色散成了制约光纤通信系统的主要因素成了制约光纤通信系统的主要因素之一。之一。例如例如G.652G.652光纤光纤2.5Gbit/s2.5Gbit/s时，时，400 km400 km10Gbit/s10Gbit/s时，时，25 km25 km光纤通讯系统器件和网络课件色散位移光纤（色散位移光纤（DSF,G.653DSF,G.653）：将零色散）：将零色散波长移至波长移至15501550，曾认为是长距离传输，曾认为是长距离传输的理想光纤。但在加载的理想光纤。但在加载WDMWDM时，发现光纤时，发现光纤非线性（四波混频，非线性（四波混频，FWMFWM）引起信道间串）引起信道间串扰，致使系统无法工作。扰，致使系统无法工作。少量的色散有利于少量的色散有利于 FWMFWM的抑制。今后将的抑制。今后将采用非零色散光纤采用非零色散光纤(NZDF,G.655)(NZDF,G.655)。对已铺设的常规光纤对已铺设的常规光纤(G.652)(G.652)，采用色，采用色散补偿技术，克服色散的影响。散补偿技术，克服色散的影响。光纤通讯系统器件和网络课件1.9281.931.9321.9341.9361.9381.94x 101401234567x 10-13w1=1.931e14;w2=1.931e14+1e11;w3=1.931e14+2.6e11;w5=1.931e14+3.4e11;L=50km四波混频模拟结果四波混频模拟结果,光纤长度光纤长度5050公里公里光纤通讯系统器件和网络课件DWDMDWDM光纤传输系统色散补偿光纤传输系统色散补偿OMUXODMUXOA光发送光发送光发送光接收光接收光接收正色散光纤正色散光纤负色散、大光斑光纤负色散、大光斑光纤光纤通讯系统器件和网络课件支撑支撑DWDMDWDM的器件与子系统的器件与子系统光纤通讯系统器件和网络课件自聚焦透镜（自聚焦透镜（Selfoc Selfoc LensLens）1个周期（个周期（Pitch）折折射射率率分分布布光纤通讯系统器件和网络课件光学不变原理光学不变原理：光束的宽度和发：光束的宽度和发散角的乘积为常数。散角的乘积为常数。Selfoc Lens 通过对光束进行扩束，通过对光束进行扩束，达到准直目的。达到准直目的。光纤通讯系统器件和网络课件光纤光纤P/4 自聚焦透镜自聚焦透镜P/4 自聚焦透镜自聚焦透镜光纤光纤光纤通讯系统器件和网络课件单模光纤准直器结构单模光纤准直器结构80光纤通讯系统器件和网络课件光纤光纤P/4 自聚焦透镜自聚焦透镜P/4 自聚焦透镜自聚焦透镜光纤光纤单模光纤准直器的应用单模光纤准直器的应用光纤通讯系统器件和网络课件光波分复用器光波分复用器DEM 1 2 3 4MUX 1 2 3 4光纤通讯系统器件和网络课件波分复用合波器（波分复用合波器（WDMWDM）/分波器（分波器（WDDMWDDM）是）是将不同波长光信号进行组合将不同波长光信号进行组合/分开的器件，分开的器件，是是DWDMDWDM系统最基本的无源器件。通过它，光系统最基本的无源器件。通过它，光纤的频带资源可以得到充分利用纤的频带资源可以得到充分利用。WDMWDM的基本功能是将的基本功能是将 N N 个不同波长的光信号个不同波长的光信号合在一起，输入至光纤中去；合在一起，输入至光纤中去；WDDMWDDM则是将则是将N N 个合在一起的不同波长光信号分开。个合在一起的不同波长光信号分开。光纤通讯系统器件和网络课件中心波长：符合中心波长：符合ITU-TITU-T建议，即建议，即WDMWDM系统的技术要求系统的技术要求LL,200,100GHzGHzf=LL,2,1,0,1.193(THz)nfnfn=LL,6.1,8.0,52.1552nmnmnmn =l ll ll l绝对绝对参考参考光纤通讯系统器件和网络课件e.g.e.g.采用采用EDFAEDFA的的3232波长波长DWDMDWDM系统各信道系统各信道的频率安排如下：的频率安排如下：1.192(THz)nfn0.10.1 =LL,2,1,0n=,31光纤通讯系统器件和网络课件波分复用器分类：波分复用器分类：980/1550980/1550、1480/15501480/1550泵浦泵浦/信号波分复用信号波分复用器（全光纤熔融拉锥型）。器（全光纤熔融拉锥型）。1310/15501310/1550波分复用器（全光纤熔融拉锥型）波分复用器（全光纤熔融拉锥型）。15501550波段内粗波分复用器（有可能用全光波段内粗波分复用器（有可能用全光纤熔融拉锥方法实现）。纤熔融拉锥方法实现）。1 1、粗波分复用器、粗波分复用器光纤通讯系统器件和网络课件2 2 密集波分复用器密集波分复用器DWDM DWDM 一、干涉滤光膜型波分复用器一、干涉滤光膜型波分复用器输入光纤输入光纤 1 4 3 20(监管信道监管信道)干涉滤光膜干涉滤光膜光纤通讯系统器件和网络课件 1 16 1 15 16干涉滤光膜型干涉滤光膜型DWDMDWDM的一种工艺方案的一种工艺方案 1 14 15光纤通讯系统器件和网络课件二、光栅型波分复用器二、光栅型波分复用器输入光输入光 1 4 3 21.体光栅型体光栅型光纤通讯系统器件和网络课件2.光纤光栅型光纤光栅型布拉格光栅布拉格光栅 1 16 1 15 16光纤通讯系统器件和网络课件 16 16 1 15、16 1 15、16FBG环形器环形器光纤光栅的应用光纤光栅的应用光纤通讯系统器件和网络课件三、阵列波导光栅型波分复用器三、阵列波导光栅型波分复用器(AWG)(AWG)光纤通讯系统器件和网络课件AWG 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4光纤通讯系统器件和网络课件光开关光开关光纤通讯系统器件和网络课件光开关类型光开关类型1 1、机械式光开关、机械式光开关移动光纤、套管或自聚焦透镜式移动光纤、套管或自聚焦透镜式电磁驱动、压电陶瓷驱动等电磁驱动、压电陶瓷驱动等光纤通讯系统器件和网络课件移动反射镜、透射镜式移动反射镜、透射镜式光纤通讯系统器件和网络课件2 2、磁光、电光效应式光开关、磁光、电光效应式光开关光纤通讯系统器件和网络课件3 3、集成光学光开关、集成光学光开关集成光波导光开关（电光、热光）集成光波导光开关（电光、热光）M-ZM-Z型型光开关光开关光纤通讯系统器件和网络课件MEMSMEMS光纤通讯系统器件和网络课件用用DWDM+DWDM+光开关光开关可构成可构成OADMOADM、OXCOXC等光交换系统等光交换系统本节点信息本节点信息输入光纤输入光纤 1 2 3 4DEMMUX输出光纤输出光纤 1 2 3 4 1 1 2 2 3 3 4 4RXTX光纤通讯系统器件和网络课件 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4动态交叉连接动态交叉连接光开关光开关 1 1光纤通讯系统器件和网络课件光隔离器和环行器光隔离器和环行器光纤通讯系统器件和网络课件Faraday效应效应：不具有旋光性的材料，在外：不具有旋光性的材料，在外磁场作用下，使通过它的偏振光的偏振面磁场作用下，使通过它的偏振光的偏振面发生旋转。具有这种效应的材料叫发生旋转。具有这种效应的材料叫磁光材磁光材料料。磁光材料引起的光偏振面旋转方向取决于磁光材料引起的光偏振面旋转方向取决于外加磁场，与光的传播方向无关（非互易）外加磁场，与光的传播方向无关（非互易）。这种效应与材料的这种效应与材料的固有旋光效应固有旋光效应不同，在不同，在固有旋光效应材料中，旋转方向取决于光固有旋光效应材料中，旋转方向取决于光的传播方向，与外加磁场无关的传播方向，与外加磁场无关(互易互易)。光纤通讯系统器件和网络课件外加磁场外加磁场外加磁场外加磁场Faraday旋磁材料旋磁材料光纤通讯系统器件和网络课件外加磁场外加磁场外加磁场外加磁场固有磁光材料固有磁光材料光纤通讯系统器件和网络课件磁光材料的光偏转角：磁光材料的光偏转角：l l 材料厚度（毫米）材料厚度（毫米）H 磁场强度（奥斯忒）磁场强度（奥斯忒）V维尔德常数（度维尔德常数（度/奥斯忒奥斯忒毫米）毫米）l lVH=q q光纤通讯系统器件和网络课件光隔离器的原理光隔离器的原理外加磁场外加磁场外加磁场外加磁场450起偏器起偏器解偏器解偏器光纤通讯系统器件和网络课件偏振无关偏振无关光隔离器的工艺结构光隔离器的工艺结构RR(450)FR(450)RR(450)FR(450)oeeeoooePBS光纤通讯系统器件和网络课件RR(450)FR(450)eeooRR(450)FR(450)oeoe端口端口1端口端口1端口端口2端口端口2端口端口3反射镜反射镜偏振合波器偏振合波器光环行器的原理光环行器的原理光纤通讯系统器件和网络课件光环行器的应用光环行器的应用 啁啾光栅啁啾光栅色散补偿色散补偿光纤通讯系统器件和网络课件TxRxRxTx单纤双向系统单纤双向系统光纤通讯系统器件和网络课件波长间插器（波长间插器（Inter Inter LeaverLeaver）光纤通讯系统器件和网络课件由于光放大器有限的带宽，增加波由于光放大器有限的带宽，增加波长数目的有效方法是减少波长间隔。长数目的有效方法是减少波长间隔。50GHz50GHz的的WDM/WDDMWDM/WDDM尚不成熟，而尚不成熟，而100GHz100GHz的干涉滤光膜型的干涉滤光膜型WDM/WDDMWDM/WDDM已已经非常成熟。通过波长间插是实现经非常成熟。通过波长间插是实现高密集波分复用的有效方法之一。高密集波分复用的有效方法之一。光纤通讯系统器件和网络课件波长间插器的原理波长间插器的原理 1 2 N 1 3 N-1 1 2 N 2 4 N光纤通讯系统器件和网络课件 1 3 N-1 1 2 N 2 4 N=100GHz=50GHz光纤通讯系统器件和网络课件掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器EDFA光纤通讯系统器件和网络课件掺铒光纤放大器原理图掺铒光纤放大器原理图输入信号输入信号耦合器耦合器980/1550nm WDM980/1550nm WDM泵浦光泵浦光掺铒光纤掺铒光纤输出信号输出信号光隔离器光隔离器光纤通讯系统器件和网络课件1.1.21.1.2稀土元素（镧系元素）稀土元素（镧系元素）原子序数原子序数57577171：镧：镧LaLa、镨、镨PrPr、钕、钕NdNd、铒铒ErEr、镱、镱YdYd等。等。当铒掺入至光纤后，被三重电离：二个当铒掺入至光纤后，被三重电离：二个外层（外层（6s6s）和一个内层（）和一个内层（4f4f）电子电离。）电子电离。光学特性主要取决于光学特性主要取决于4f4f层（层（5s5s和和5p5p层为层为饱和层）饱和层）掺杂光纤的特性（中心工作波长、带宽掺杂光纤的特性（中心工作波长、带宽等）取决于掺入的杂质，而不是光纤本等）取决于掺入的杂质，而不是光纤本身。身。光纤通讯系统器件和网络课件980nm980nm1 s 10ms15201520 1560 nm nm4I11/24I15/24I13/2EDFAEDFA的能带结构和光放大原理的能带结构和光放大原理1480nm1480nm光纤通讯系统器件和网络课件泵浦源的选取泵浦源的选取0.980.98 m m和和1.481.48 m m为为无无激激发发态态吸吸收收的的能能带带，因因而而是是常常用用的的两两个个泵泵浦浦波波长长。这这两两个个波波长长的的泵泵浦源都可用半导体激光器实现。浦源都可用半导体激光器实现。和和1.481.48 m m比比较较，0.980.98 m m属属于于三三能能级级系系统统。增增益益大大，泵泵浦浦效效率率高高，噪噪声声小小（可可低低至至3dB3dB）,是目前光纤放大器的首选泵浦波长。是目前光纤放大器的首选泵浦波长。光纤通讯系统器件和网络课件泵浦方式泵浦方式同向泵浦同向泵浦优点优点：易于实现；：易于实现；缺点缺点：易饱和，噪声大。：易饱和，噪声大。反向泵浦反向泵浦优点优点：不易饱和；噪声较低。：不易饱和；噪声较低。双向泵浦双向泵浦优点优点：优点相结合，光均匀：优点相结合，光均匀 分布，增益也较平稳。分布，增益也较平稳。光纤通讯系统器件和网络课件工作波长于光纤最小损耗窗口一致，工作波长于光纤最小损耗窗口一致，在光纤通信中获得很好的应用。在光纤通信中获得很好的应用。能量转换效率高：激光工作物质集中能量转换效率高：激光工作物质集中在光纤芯子中的近轴部分，而信号光在光纤芯子中的近轴部分，而信号光和泵浦光也是在光纤的近轴部分最强和泵浦光也是在光纤的近轴部分最强,使得光与物质的作用很充分。使得光与物质的作用很充分。增益高，噪声低，输出功率大。增益高，噪声低，输出功率大。增益特性稳定：增益特性稳定：EDFAEDFA增益对温度不敏增益对温度不敏感。感。EDFAEDFA的特性的特性光纤通讯系统器件和网络课件波长固定：铒离子能级间的能极差决波长固定：铒离子能级间的能极差决定了定了EDFAEDFA的工作波长是固定的，只能的工作波长是固定的，只能放大放大1.551.55左右波长的光波。左右波长的光波。增益带宽不平坦：增益带宽不平坦：EDFAEDFA的增益带宽约的增益带宽约40nm40nm，但增益带宽不平坦。在，但增益带宽不平坦。在WDMWDM光纤光纤通信系统中需要采取特殊的手段来进通信系统中需要采取特殊的手段来进行增益谱补偿。行增益谱补偿。EDFAEDFA的不足的不足光纤通讯系统器件和网络课件实测的实测的EDFAEDFA增益谱特性增益谱特性光纤通讯系统器件和网络课件1.53 1.54 1.55 1.56,1.53 1.54 1.55 1.56,(m)m)增益增益,dB,dB20201010EDFAEDFA输入光纤输入光纤输出光纤输出光纤EDFAEDFA在在WDMWDM系统中的应用系统中的应用光纤通讯系统器件和网络课件在长途干线通信中，它可使光信号直接在长途干线通信中，它可使光信号直接在光域进行放大而无须转换成电信号进在光域进行放大而无须转换成电信号进行处理，代替了光行处理，代替了光-电电-光中继，使光中继，使成本降低，设备简化，维护运转方便。成本降低，设备简化，维护运转方便。用在用在WDM/DWDMWDM/DWDM干线干线系统的系统的EDFAEDFA一般称为一般称为数字式光纤放大器数字式光纤放大器。此类。此类EDFAEDFA需增益均需增益均衡。衡。用在用在CATVCATV中的中的EDFAEDFA称为模拟型光纤放称为模拟型光纤放大器，噪声系数是其重要指标。大器，噪声系数是其重要指标。光纤通讯系统器件和网络课件喇曼光纤放大器喇曼光纤放大器光纤通讯系统器件和网络课件根据目前发展趋势，必须进一步增加传输容根据目前发展趋势，必须进一步增加传输容量。可采用的方法有：量。可采用的方法有：增加每波长传输速率增加每波长传输速率减少波长间隔减少波长间隔，i.i.e.e.增加波长数增加波长数增加总的传输带宽增加总的传输带宽新的光放大器系统。新的光放大器系统。由于由于EDFAEDFA是利用铒离子能级间的受激跃迁实是利用铒离子能级间的受激跃迁实现光放大，因此其中心波长较为固定且带宽现光放大，因此其中心波长较为固定且带宽有限。有限。光纤通讯系统器件和网络课件光纤喇曼放大器是实现超宽带光放大的有光纤喇曼放大器是实现超宽带光放大的有效途径，其好处有：效途径，其好处有：增益介质即为普通传输光纤，与光纤系统增益介质即为普通传输光纤，与光纤系统具有良好兼容性。具有良好兼容性。中心波长由泵浦波长决定，不受其他因素中心波长由泵浦波长决定，不受其他因素牵制。牵制。增益高、带宽大、噪声系数低、温度稳定增益高、带宽大、噪声系数低、温度稳定性好。性好。光纤通讯系统器件和网络课件受激喇曼散射（受激喇曼散射（SRSSRS）是光纤中的一种非是光纤中的一种非线性现象线性现象,它它将一部分入射光功率转移到将一部分入射光功率转移到频率比其低（波长比其长）的斯托克斯波频率比其低（波长比其长）的斯托克斯波上。上。石英光纤具有很宽的石英光纤具有很宽的SRSSRS增益谱，最大值增益谱，最大值所对应的频率比泵浦频率低所对应的频率比泵浦频率低13.2THz13.2THz（波（波长间隔约长间隔约100nm100nm）光纤通讯系统器件和网络课件1.451.51.551.61.651.71.751.8x 10-610-410-310-2wavelength(m)stocks power(W)Ps-光纤通讯系统器件和网络课件PPumpSignalEDFADistributed Amp.Discrete Amp.分布式喇曼光纤放大器原理框图分布式喇曼光纤放大器原理框图Equalizer光纤通讯系统器件和网络课件SRSSRS的阈值功率是一个相对值，它与光纤的阈值功率是一个相对值，它与光纤的材料、结构参数和长度等有关。的材料、结构参数和长度等有关。普通单模光纤的泵浦阈值功率一般在普通单模光纤的泵浦阈值功率一般在0.50.51W1W左右。因此任何降低阈值功率，左右。因此任何降低阈值功率，使得普通的大功率半导体激光器能作为泵使得普通的大功率半导体激光器能作为泵浦使用，是光纤喇曼放大器实用化的关键。浦使用，是光纤喇曼放大器实用化的关键。光纤通讯系统器件和网络课件00.511.522.5x 10400.050.10.150.20.25length(m)stocks and pump power(W)P-L光纤通讯系统器件和网络课件泵浦源解决方案：泵浦源解决方案：Fiber Laser：DCFL，Raman FL。Compact DPSSLDiode Pumps组合组合泵浦供应商：泵浦供应商：JDS，SDL，SPECTRA-PHYSICS喇曼光纤放大器的关键技术喇曼光纤放大器的关键技术光纤通讯系统器件和网络课件在光纤选择方面，要同时考虑增加在光纤选择方面，要同时考虑增加SRSSRS效效率、减少噪声、形成合理的色散补偿率、减少噪声、形成合理的色散补偿（Si FiberSi Fiber，P-doped FiberP-doped Fiber）。）。光纤通讯系统器件和网络课件不同光纤的不同光纤的SRSSRS谱特性谱特性光纤通讯系统器件和网络课件喇曼光纤放大器的噪声特性喇曼光纤放大器的噪声特性光纤通讯系统器件和网络课件喇曼光纤放大器与喇曼光纤放大器与EDFAEDFA构成超宽带放大器构成超宽带放大器光纤通讯系统器件和网络课件可用多个不同波长的泵浦同时激励，实可用多个不同波长的泵浦同时激励，实现更大的放大带宽；泵浦波长应进行优现更大的放大带宽；泵浦波长应进行优化设计。化设计。喇曼光纤放大器中泵浦与泵浦之间、泵喇曼光纤放大器中泵浦与泵浦之间、泵浦与信号、信号与信号之间的相互作用浦与信号、信号与信号之间的相互作用需进行深入研究，以便获得良好的放大需进行深入研究，以便获得良好的放大性能。性能。光纤通讯系统器件和网络课件随着随着DWDMDWDM技术的发展，喇曼光纤放大器将技术的发展，喇曼光纤放大器将成为一个重要的部件（成为一个重要的部件（SubsystemSubsystem），具有），具有广阔市场。广阔市场。某些器件的突破（高功率半导体泵浦光源、某些器件的突破（高功率半导体泵浦光源、高效高效SRSSRS光纤、光纤、DCFDCF）成为喇曼光纤放大器）成为喇曼光纤放大器能否尽早进入市场的关键。能否尽早进入市场的关键。在推向实用化之前，还有很多技术和工艺在推向实用化之前，还有很多技术和工艺问题需要解决。问题需要解决。光纤通讯系统器件和网络课件半导体光放大器和半导体光放大器和 波长转换器波长转换器SOA:Semiconductor OpticalSOA:Semiconductor OpticalAmplifierAmplifier光纤通讯系统器件和网络课件无光学谐振腔的半导体无光学谐振腔的半导体LDLD，在驱动电流，在驱动电流作用下，形成布居反转，通过受激辐射作用下，形成布居反转，通过受激辐射产生光放大。产生光放大。SOASOA的中心波长与材料、器件结构有关的中心波长与材料、器件结构有关。工作原理工作原理 光纤通讯系统器件和网络课件用于光纤传输系统用于光纤传输系统(1310nm(1310nm或其它波长或其它波长)需解决耦合、偏振相关等问题。需解决耦合、偏振相关等问题。用于用于PIC(Photonic Integrated Circuits)PIC(Photonic Integrated Circuits)laser/EA array(含含Star Coupler),AWG(arrayed Waveguide grating),Detector array等。等。温度稳定性：可采用量子阱结构。温度稳定性：可采用量子阱结构。光纤通讯系统器件和网络课件原理：有泵浦原理：有泵浦通，无泵浦通，无泵浦断断唯一的高速光开关，能实现光数据包唯一的高速光开关，能实现光数据包交换交换 。(基于光纤的放大器载流子的基于光纤的放大器载流子的寿命通常较大寿命通常较大,因而无法实现高速切因而无法实现高速切换换)SOASOA光门光门光纤通讯系统器件和网络课件SOA1SOA2延迟线延迟线光纤通讯系统器件和网络课件在多波长在多波长DWDMDWDM光网络中，采用波长转换光网络中，采用波长转换可解决阻塞问题，增加灵活性，扩大容可解决阻塞问题，增加灵活性，扩大容量（与固定波长相比）量（与固定波长相比）SOASOA波长转换器的主要特性波长转换器的主要特性高输出信噪比（允许级联）高输出信噪比（允许级联）输出功率适中（约输出功率适中（约 0 dBm0 dBm）输入输入/输出波长间隔大输出波长间隔大比特率透明比特率透明能实现同一波长转换能实现同一波长转换SOASOA波长转换器有基于波长转换器有基于XGMXGM、XPMXPM和和FWMFWM等等SOASOA波长转换器波长转换器光纤通讯系统器件和网络课件原理：由于增益饱和作用，输入的原理：由于增益饱和作用，输入的AMAM调制调制信号实际上调制了信号实际上调制了SOASOA的增益，的增益，从而使另一束从而使另一束CWCW光的输出幅度产生光的输出幅度产生 相应相应变变化。化。XGMXGM波长转换器波长转换器输入光功率输入光功率增益增益光纤通讯系统器件和网络课件SOACW C S CSOACW S C C同向同向反向反向SOA波长转换器原理波长转换器原理光纤通讯系统器件和网络课件SOASOA波长转换器的带宽波长转换器的带宽由于该类波长转换器由于该类波长转换器(XGM/XPM)(XGM/XPM)均均为带内复合，因此转换速率与载流子为带内复合，因此转换速率与载流子浓度有关，从而影响调制带宽。浓度有关，从而影响调制带宽。长腔比短腔有利，但工作电流大，长腔比短腔有利，但工作电流大，易烧坏。易烧坏。影响带宽的其它因素：电流、输入影响带宽的其它因素：电流、输入功率、限制因子、差分增益等。功率、限制因子、差分增益等。光纤通讯系统器件和网络课件消光比：由于差分增益的不同，从消光比：由于差分增益的不同，从长波长波长长短波长短波长的消光比要比的消光比要比从从短短波长波长长长波长波长大大。XGMXGM波长转换器的消光比较差，尤其对波长转换器的消光比较差，尤其对短短波长波长长长波长波长光纤通讯系统器件和网络课件20151050消光比消光比(c)，dBdB-30 -20 -10 0 10 20 30 c-s252015105增益，增益，dBdB光纤通讯系统器件和网络课件SOASOA有源区载流子浓度的变化引起折射率有源区载流子浓度的变化引起折射率变化，从而导致变化，从而导致CWCW光的相位随之规划。采光的相位随之规划。采用用Mach-ZehndlerMach-Zehndler干涉仪，可将这一变化干涉仪，可将这一变化反映出来。反映出来。4dB4dB的增益变化可产生的增益变化可产生1801800 0的相移。的相移。(在在XGMXGM中要求中要求10dB10dB的变化才能达到同样效果的变化才能达到同样效果)XPMXPM转换的信号是窄谱信号，有利于抑制转换的信号是窄谱信号，有利于抑制WDMWDM信号的串扰，适合长距离传输。信号的串扰，适合长距离传输。XPMXPM波长转换器波长转换器光纤通讯系统器件和网络课件SOA1SOA2CW C S C光纤通讯系统器件和网络课件结束语结束语未来单模光纤的带宽可达未来单模光纤的带宽可达40THz40THz，WDMWDM是充分是充分挖掘这一带宽的最佳方法。与此同时，挖掘这一带宽的最佳方法。与此同时，TDMTDM仍仍将继续向更高速率迈进。将继续向更高速率迈进。光放大器是光放大器是WDMWDM成功的关键。超宽带平坦型光成功的关键。超宽带平坦型光放大器是下一步开发的目标，具有很大市场。放大器是下一步开发的目标，具有很大市场。长距离、高速传输时，色散成为制约因素。长距离、高速传输时，色散成为制约因素。今后将采用非零色散光纤今后将采用非零色散光纤NZDFNZDF在工作波段在工作波段内，色散系数及其斜率均非常小，但色散不内，色散系数及其斜率均非常小，但色散不为零。为零。对已铺设的常规光纤，采用色散补偿技术。对已铺设的常规光纤，采用色散补偿技术。为减小非线性效应，可采用大光斑尺寸光纤。为减小非线性效应，可采用大光斑尺寸光纤。光纤通讯系统器件和网络课件其它希望突破的技术包括：其它希望突破的技术包括：高速半导体激光器（高速半导体激光器（LDLD）、）、调制器及集调制器及集成组件（包括单波长和多波长、波长固成组件（包括单波长和多波长、波长固定和可调谐）、光孤子源及其传输技术定和可调谐）、光孤子源及其传输技术等。高速、高灵敏度探测器（雪崩二极等。高速、高灵敏度探测器（雪崩二极管、管、OEICOEIC）。）。大功率泵浦源。大功率泵浦源。光开关，滤波器，波长转换器（光开关，滤波器，波长转换器（XGMXGM、XPMXPM、FWMFWM等），多波长（等），多波长（6464）WDMs:WDMs:合波器合波器(OMU)(OMU)和分波器和分波器(ODU)(ODU)等等全光型全光型3R(retiming,reshaping and 3R(retiming,reshaping and regenerating)regenerating)中继器。中继器。光纤通讯系统器件和网络课件2020多年来，光纤通信给人类信息多年来，光纤通信给人类信息领域带来了深刻变化。领域带来了深刻变化。人们在享受着微电子文明的同时，人们在享受着微电子文明的同时，将享受光电子、光子带来的文明。将享受光电子、光子带来的文明。硅谷象征着微电子技术的高度发硅谷象征着微电子技术的高度发达；随着光子学的发展，光谷达；随着光子学的发展，光谷（Photonic ValleyPhotonic Valley）也将相继开花。）也将相继开花。光纤通讯系统器件和网络课件光纤通讯系统器件和网络课件谢谢谢谢光纤通讯系统器件和网络课件