光纖通信器件、系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容提要光纖通信發(fā)展歷程簡要回顧光纖通信的最新進展從中國信息通信發(fā)展趨勢看光纖通信的未來光纖通信的支撐技術(shù)1、光纖通信發(fā)展歷程簡要回顧

傳輸技術(shù)的演進模擬信號數(shù)字傳輸：高質(zhì)、安全、集成……光纖傳輸：寬帶、低損、無電磁干擾、價低……光纖數(shù)字傳輸綜合好處→PDH飛速發(fā)展PDH的組網(wǎng)缺點→SDH：靈活的組網(wǎng)能力、強大的網(wǎng)管、帶寬管理及自愈保護……SDH與PDH均為TDM（時分復用）電子電路限制高速SDH的發(fā)展電子瓶頸波分復用（WDM，DWDM）+EDFA擴展傳輸容量的新手段全光通信網(wǎng)信息高速公路的骨干網(wǎng)為充分利用光子學的寬帶性，傳輸系統(tǒng)的 走向為:

電子型光電混合型全光型。

(1)傳統(tǒng)的電傳輸系統(tǒng)EMUX電端機再生中繼再生中繼EDMUX電復用電解復用電端機同軸電纜、微波……O/E/O光纜EMUX光發(fā)送再生中繼再生中繼EDMUX電復用電解復用光接收(2)光電混合型光纖傳輸系統(tǒng)TXEDFAEDFATXTXTXTXTXTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX40km40km40km40km40km40km40km40km40km1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXMUX120km120km120kmWDM+EDFA革新了光纖傳輸DEM20多年來光纖通信技術(shù)在發(fā)掘、利用光纖帶寬資源，擴展光纖傳輸能力方面進展神速。（傳輸能力主要指：通信容量和傳輸距離）。①在光波長和光纖類型方面 多模光纖單模光纖 短波長800nm長波長1300nm、1550nm

一纖一波一纖多波②在單纖傳輸容量方面？DWDM及相關(guān)技術(shù)在90年代中期開始走向成熟并進入商業(yè)化應(yīng)用。AT&T于1996年3月建立了世界上第一條8通道的DWDM系統(tǒng)。AT&T、MCI、Worldcom、Sprint等公司在他們美國境內(nèi)的90%網(wǎng)絡(luò)上裝上了DWDM系統(tǒng)。1997年-1998年，全球DWDM市場從17億美元增加到22億美元，年增長率為32％。系統(tǒng)增加到4000多條，增長率為98%。至2004年市場總額預計為74億美元。增長率為23%。超長距離（全光無中繼）Corvis：160()2.5(Gb/s)3200(km)(Chicago-Seattle)Alcatel:48()10(Gb/s)4000(km)超高密度Nortel、Sycamore：160()10(Gb/s)開始推向商用Lucent:1022()系統(tǒng)已在實驗室成功。超大容量Siemens:7.04Tb/s(17640G)50kmNEC:3.2Tb/s(16020G)1500kmDWDM的最新報導7.04(Tb/s)÷64(kb/s/路)=1.1(億路電話)8kHz我國光纖通信的現(xiàn)狀1986年建立了國內(nèi)第一條光纜干線寧漢光纜1999年建成8縱8橫光纖骨干網(wǎng)，覆蓋了除臺灣外所有省會城市和75％地市。目前，我國長途骨干網(wǎng)的光纜長度達到了17萬公里，并經(jīng)中美、中日、中韓等海纜和歐亞大陸橋光纜與國際光纜網(wǎng)連接。我國總的光纜線路總長度超過100萬公里，居世界前列。FLAG－FiberOpticLink aroundtheGlobe架空光纜直埋光纜北京上海至歐洲至日本FLAG至韓國至朝鮮至俄羅斯我國光纜骨干網(wǎng)分布圖至東南亞在光纖通信線路建設(shè)的同時，果斷地將傳輸技術(shù)從正在廣泛發(fā)展的PDH，跳越式地改用SDH（SynchronousDigitalHierarchy，同步數(shù)字系列）。SDH傳輸技術(shù)的優(yōu)越性有：1、SDH在傳輸高速信息時，比PDH更經(jīng)濟有效；2、其靈活的組網(wǎng)能力和強大的生存能力增加了網(wǎng)絡(luò)性能；3、根據(jù)ITU-T制定的SDH標準，能構(gòu)成統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)，允許不同廠家設(shè)備共用。目前，我國99.8％的國家長途線路均采用SDH，已擁有世界上最大的基于SDH的光纖通信網(wǎng)路。全球通信業(yè)務(wù)，特別是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)急劇增長網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量數(shù)據(jù)年增40%電話年增10%199820002002200420062008年份全球話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢預測用戶數(shù)速率峰值容量模擬MODEM100萬56kb/s56Gb/sADSL100萬6Mb/s6Tb/s以太網(wǎng)100萬100Mb/s100Tb/sAPON100萬155Mb/s155Tb/s接入速率與骨干網(wǎng)容量的關(guān)系未來5-10年內(nèi)，網(wǎng)上的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將超過話音業(yè)務(wù)（骨干網(wǎng)約3年，全網(wǎng)最有可能7-8年）業(yè)務(wù)總量將大幅度增加（數(shù)百倍）IP業(yè)務(wù)將最終成為主導的聯(lián)網(wǎng)協(xié)議未來5年內(nèi)省際干線網(wǎng)帶寬將以100%的速度增長。中國網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢超寬帶、超高速帶來新的技術(shù)挑戰(zhàn)衰減損耗輸入信號輸出信號時間時間色散脈沖展寬頻率非線性新頻率光纖中的損耗、色散和非線性及其對光信號傳輸?shù)挠绊?。在傳輸損耗方面，主要是打通1.31.55m窗口。使整個低損耗窗口擴展至1.281.625m，共計345nm，即約43THz。若采用0.4nm（即50GHz）的波長間隔進行WDM，能安排800個信道。光放大器(OA)是WDM成功的關(guān)鍵。隨著波長數(shù)目的增加，寬帶OA成為研究重點，具有很大市場。光放大器類型：摻雜（稀土元素：鉺、氟、鐠等）光纖放大器,如EDFA半導體光放大器（SOA）受激喇曼光纖放大器隨著傳輸速率的提高，色散成了制約光纖通信系統(tǒng)的主要因素之一。例如G.652光纖

2.5Gbit/s時，>400km 10Gbit/s時，>25km色散位移光纖（DSF,G.653）：將零色散波長移至1550，曾認為是長距離傳輸?shù)睦硐牍饫w。但在加載WDM時，發(fā)現(xiàn)光纖非線性（四波混頻，F(xiàn)WM）引起信道間串擾，致使系統(tǒng)無法工作。少量的色散有利于FWM的抑制。今后將采用非零色散光纖(NZDF,G.655)。對已鋪設(shè)的常規(guī)光纖(G.652)，采用色散補償技術(shù)，克服色散的影響。1.9281.931.9321.9341.9361.9381.94x101401234567x10-13w1=1.931e14;w2=1.931e14+1e11;w3=1.931e14+2.6e11;w5=1.931e14+3.4e11;L=50km四波混頻模擬結(jié)果,光纖長度50公里DWDM光纖傳輸系統(tǒng)色散補償OMUXODMUXOA光發(fā)送光發(fā)送光發(fā)送λ１λ２λΝ光接收光接收光接收λ１λ２λΝ正色散光纖負色散、大光斑光纖支撐DWDM的器件與子系統(tǒng)自聚焦透鏡（SelfocLens）1個周期（Pitch）折射率分布光學不變原理：光束的寬度和發(fā)散角的乘積為常數(shù)。SelfocLens通過對光束進行擴束，達到準直目的。光纖P/4自聚焦透鏡P/4自聚焦透鏡光纖單模光纖準直器結(jié)構(gòu)80光纖P/4自聚焦透鏡P/4自聚焦透鏡光纖單模光纖準直器的應(yīng)用光波分復用器DEM1234MUX1234波分復用合波器（WDM）/分波器（WDDM）是將不同波長光信號進行組合/分開的器件，是DWDM系統(tǒng)最基本的無源器件。通過它，光纖的頻帶資源可以得到充分利用。WDM的基本功能是將N個不同波長的光信號合在一起，輸入至光纖中去；WDDM則是將N個合在一起的不同波長光信號分開。中心波長：符合ITU-T建議，即WDM系統(tǒng)的技術(shù)要求L,200,100GHzGHzf=DL,2,1,0,1.193(THz)nfnfn=D=L,6.1,8.0,52.1552nmnmnmnDD=lll絕對參考e.g.采用EDFA的32波長DWDM系統(tǒng)各信道的頻率安排如下：1.192(THz)nfn0.1=L,2,1,0n=,31波分復用器分類：980/1550、1480/1550泵浦/信號波分復用器（全光纖熔融拉錐型）。1310/1550波分復用器（全光纖熔融拉錐型）。1550波段內(nèi)粗波分復用器（有可能用全光纖熔融拉錐方法實現(xiàn)）。1、粗波分復用器2密集波分復用器DWDM一、干涉濾光膜型波分復用器輸入光纖14320(監(jiān)管信道)干涉濾光膜1—161—1516干涉濾光膜型DWDM的一種工藝方案1—1415二、光柵型波分復用器輸入光14321.體光柵型2.光纖光柵型布拉格光柵1—161—151616161—15、161—15、16FBG環(huán)形器光纖光柵的應(yīng)用三、陣列波導光柵型波分復用器(AWG)AWG12341234123412341234123412341234光開關(guān)光開關(guān)類型1、機械式光開關(guān)移動光纖、套管或自聚焦透鏡式電磁驅(qū)動、壓電陶瓷驅(qū)動等移動反射鏡、透射鏡式2、磁光、電光效應(yīng)式光開關(guān)3、集成光學光開關(guān)集成光波導光開關(guān)（電光、熱光）M-Z型光開關(guān)MEMS用DWDM+光開關(guān)可構(gòu)成OADM、OXC等光交換系統(tǒng)本節(jié)點信息輸入光纖1234DEMMUX輸出光纖123411223344RXTX1234123412

3412

3412341234動態(tài)交叉連接光開關(guān)11光隔離器和環(huán)行器Faraday效應(yīng)：不具有旋光性的材料，在外磁場作用下，使通過它的偏振光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)。具有這種效應(yīng)的材料叫磁光材料。磁光材料引起的光偏振面旋轉(zhuǎn)方向取決于外加磁場，與光的傳播方向無關(guān)（非互易）。這種效應(yīng)與材料的固有旋光效應(yīng)不同，在固有旋光效應(yīng)材料中，旋轉(zhuǎn)方向取決于光的傳播方向，與外加磁場無關(guān)(互易)。外加磁場外加磁場Faraday旋磁材料外加磁場外加磁場固有磁光材料磁光材料的光偏轉(zhuǎn)角：l—材料厚度（毫米）H—磁場強度（奧斯忒）V—維爾德常數(shù)（度/奧斯忒·毫米）lVH=q光隔離器的原理外加磁場外加磁場450起偏器解偏器偏振無關(guān)光隔離器的工藝結(jié)構(gòu)RR(450)FR(450)RR(450)FR(450)oeeeoooePBSRR(450)FR(450)eeooRR(450)FR(450)oeoe端口1端口1端口2端口2端口3反射鏡偏振合波器光環(huán)行器的原理光環(huán)行器的應(yīng)用啁啾光柵色散補償TxRxRxTx單纖雙向系統(tǒng)波長間插器（InterLeaver）由于光放大器有限的帶寬，增加波長數(shù)目的有效方法是減少波長間隔。50GHz的WDM/WDDM尚不成熟，而100GHz的干涉濾光膜型WDM/WDDM已經(jīng)非常成熟。通過波長間插是實現(xiàn)高密集波分復用的有效方法之一。波長間插器的原理12…

N13…

N-112…

N24…

N13…

N-112…

N24…

N=100GHz=50GHz摻鉺光纖放大器EDFA摻鉺光纖放大器原理圖輸入信號耦合器980/1550nmWDM泵浦光摻鉺光纖輸出信號光隔離器1.1.2稀土元素（鑭系元素）原子序數(shù)57—71：鑭La、鐠Pr、釹Nd、鉺Er、鐿Yd等。當鉺摻入至光纖后，被三重電離：二個外層（6s）和一個內(nèi)層（4f）電子電離。光學特性主要取決于4f層（5s和5p層為飽和層）摻雜光纖的特性（中心工作波長、帶寬等）取決于摻入的雜質(zhì)，而不是光纖本身。980nm1s10ms15201560nm4I11/24I15/24I13/2EDFA的能帶結(jié)構(gòu)和光放大原理1480nm泵浦源的選取0.98mm和1.48mm為無激發(fā)態(tài)吸收的能帶，因而是常用的兩個泵浦波長。這兩個波長的泵浦源都可用半導體激光器實現(xiàn)。和1.48mm比較，0.98mm屬于三能級系統(tǒng)。增益大，泵浦效率高，噪聲?。傻椭?dB）,是目前光纖放大器的首選泵浦波長。泵浦方式同向泵浦優(yōu)點：易于實現(xiàn)；

缺點：易飽和，噪聲大。反向泵浦優(yōu)點：不易飽和；噪聲較低。雙向泵浦優(yōu)點：優(yōu)點相結(jié)合，光均勻分布，增益也較平穩(wěn)。工作波長于光纖最小損耗窗口一致，在光纖通信中獲得很好的應(yīng)用。能量轉(zhuǎn)換效率高：激光工作物質(zhì)集中在光纖芯子中的近軸部分，而信號光和泵浦光也是在光纖的近軸部分最強,使得光與物質(zhì)的作用很充分。增益高，噪聲低，輸出功率大。增益特性穩(wěn)定：EDFA增益對溫度不敏感。EDFA的特性波長固定：鉺離子能級間的能極差決定了EDFA的工作波長是固定的，只能放大1.55左右波長的光波。增益帶寬不平坦：EDFA的增益帶寬約40nm，但增益帶寬不平坦。在WDM光纖通信系統(tǒng)中需要采取特殊的手段來進行增益譜補償。EDFA的不足實測的EDFA增益譜特性1.531.541.551.56,(m)增益,dB2010EDFA輸入光纖輸出光纖EDFA在WDM系統(tǒng)中的應(yīng)用在長途干線通信中，它可使光信號直接在光域進行放大而無須轉(zhuǎn)換成電信號進行處理，代替了光---電---光中繼，使成本降低，設(shè)備簡化，維護運轉(zhuǎn)方便。用在WDM/DWDM干線系統(tǒng)的EDFA一般稱為數(shù)字式光纖放大器。此類EDFA需增益均衡。用在CATV中的EDFA稱為模擬型光纖放大器，噪聲系數(shù)是其重要指標。喇曼光纖放大器根據(jù)目前發(fā)展趨勢，必須進一步增加傳輸容量?？刹捎玫姆椒ㄓ校涸黾用坎ㄩL傳輸速率減少波長間隔，i.e.增加波長數(shù)增加總的傳輸帶寬新的光放大器系統(tǒng)。由于EDFA是利用鉺離子能級間的受激躍遷實現(xiàn)光放大，因此其中心波長較為固定且?guī)捰邢蕖９饫w喇曼放大器是實現(xiàn)超寬帶光放大的有效途徑，其好處有：增益介質(zhì)即為普通傳輸光纖，與光纖系統(tǒng)具有良好兼容性。中心波長由泵浦波長決定，不受其他因素牽制。增益高、帶寬大、噪聲系數(shù)低、溫度穩(wěn)定性好。受激喇曼散射（SRS）是光纖中的一種非線性現(xiàn)象,它將一部分入射光功率轉(zhuǎn)移到頻率比其低（波長比其長）的斯托克斯波上。石英光纖具有很寬的SRS增益譜，最大值所對應(yīng)的頻率比泵浦頻率低13.2THz（波長間隔約100nm）1.451.51.551.61.651.71.751.8x10-610-410-310-2wavelength(m)stockspower(W)Ps--lPPumpSignalEDFADistributedAmp.DiscreteAmp.分布式喇曼光纖放大器原理框圖EqualizerSRS的閾值功率是一個相對值，它與光纖的材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)和長度等有關(guān)。普通單模光纖的泵浦閾值功率一般在0.5—1W左右。因此任何降低閾值功率，使得普通的大功率半導體激光器能作為泵浦使用，是光纖喇曼放大器實用化的關(guān)鍵。00.511.522.5x10400.050.10.150.20.25length(m)stocksandpumppower(W)P--L泵浦源解決方案：FiberLaser：DCFL，RamanFL。CompactDPSSLDiodePumps組合泵浦供應(yīng)商：JDS，SDL，SPECTRA-PHYSICS喇曼光纖放大器的關(guān)鍵技術(shù)在光纖選擇方面，要同時考慮增加SRS效率、減少噪聲、形成合理的色散補償（SiFiber，P-dopedFiber）。不同光纖的SRS譜特性喇曼光纖放大器的噪聲特性喇曼光纖放大器與EDFA構(gòu)成超寬帶放大器可用多個不同波長的泵浦同時激勵，實現(xiàn)更大的放大帶寬；泵浦波長應(yīng)進行優(yōu)化設(shè)計。喇曼光纖放大器中泵浦與泵浦之間、泵浦與信號、信號與信號之間的相互作用需進行深入研究，以便獲得良好的放大性能。隨著DWDM技術(shù)的發(fā)展，喇曼光纖放大器將成為一個重要的部件（Subsystem），具有廣闊市場。某些器件的突破（高功率半導體泵浦光源、高效SRS光纖、DCF）成為喇曼光纖放大器能否盡早進入市場的關(guān)鍵。在推向?qū)嵱没?，還有很多技術(shù)和工藝問題需要解決。半導體光放大器和波長轉(zhuǎn)換器SOA:SemiconductorOptical Amplifier無光學諧振腔的半導體LD，在驅(qū)動電流作用下，形成布居反轉(zhuǎn)，通過受激輻射產(chǎn)生光放大。SOA的中心波長與材料、器件結(jié)構(gòu)有關(guān)。工作原理

用于光纖傳輸系統(tǒng)(1310nm或其它波長)

—需解決耦合、偏振相關(guān)等問題。用于PIC(PhotonicIntegratedCircuits)

—laser/EAarray(含StarCoupler), AWG(arrayedWaveguidegrating), Detectorarray等。溫度穩(wěn)定性：可采用量子阱結(jié)構(gòu)。原理：有泵浦—通，無泵浦—斷唯一的高速光開關(guān)，能實現(xiàn)光數(shù)據(jù)包交換。(基于光纖的放大器載流子的壽命通常較大,因而無法實現(xiàn)高速切換)SOA光門SOA1SOA2延遲線在多波長DWDM光網(wǎng)絡(luò)中，采用波長轉(zhuǎn)換可解決阻塞問題，增加靈活性，擴大容量（與固定波長相比）SOA波長轉(zhuǎn)換器的主要特性高輸出信噪比（允許級聯(lián)）輸出功率適中（約0dBm）輸入/輸出波長間隔大比特率透明能實現(xiàn)同一波長轉(zhuǎn)換SOA波長轉(zhuǎn)換器有基于XGM、XPM和FWM等SOA波長轉(zhuǎn)換器原理：由于增益飽和作用，輸入的AM調(diào)制 信號實際上調(diào)制了SOA的增益， 從而使另一束CW光的輸出幅度產(chǎn)生 相應(yīng)變 化。XGM波長轉(zhuǎn)換器輸入光功率增益SOACWCSCSOACWSCC同向反向SOA波長轉(zhuǎn)換器原理SOA波長轉(zhuǎn)換器的帶寬 由于該類波長轉(zhuǎn)換器(XGM/XPM)均為帶內(nèi)復合，因此轉(zhuǎn)換速率與