第八課 光通信(下)

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上節(jié)課知識(shí)點(diǎn)回顧4.2光纖通信概論光纖通信系統(tǒng)的組成:電端機(jī)（收發(fā)），發(fā)送光端機(jī)，光纖（光纜），中繼器，接收光端機(jī)4.3 光纖通信中的光電子器件4.3.1概述——光有源器件與無源器件4.3.2光纖

光纖的結(jié)構(gòu)、光纖的導(dǎo)光原理、光纖特性的分析方法、光纖的分類、光纖的特性參數(shù)、光纖的傳輸特性4.3.2光放大器4.3.3波分復(fù)用器和解復(fù)用器4.3.4其它通信光電子器件摻鉺光纖放大器技術(shù)

EDFA：Erbium-dopedOpticalFiberAmplifier波分復(fù)用技術(shù)WDM：WavelengthDivisionMultiplexing

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光纖通信最具代表性技術(shù)光纖通信最具代表性技術(shù)—EDFA

摻鉺光纖放大器（EDFA）：利用摻鉺光纖對(duì)輸入信號(hào)光的能量進(jìn)行放大的一種光放大器件功能：提供光信號(hào)增益，補(bǔ)償光信號(hào)在通路中的傳輸衰減，增大系統(tǒng)的無中繼傳輸距離。4.3.3光放大器光放大器的出現(xiàn)，可視為光纖通信發(fā)展史上的重要里程碑。光放大器出現(xiàn)之前，光纖通信的中繼器采用光－電－光(O-E-O)變換方式。裝置復(fù)雜、耗能多、不能同時(shí)放大多個(gè)波長信道，在WDM系統(tǒng)中復(fù)雜性和成本倍增；可實(shí)現(xiàn)1R、2R、3R中繼（

re-amplifying

；

re-shaping

；

re-timing

）光放大器：光－光（O-O）變換方式多波長放大、低成本；只能實(shí)現(xiàn)1R中繼光放大器的原理在泵浦能量（電或光）的作用下，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（非線性光纖放大器除外），然后通過受激輻射實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的放大。光放大器是基于受激輻射(或受激散射)原理實(shí)現(xiàn)入射光信號(hào)放大的一種器件。其機(jī)制與激光器完全相同。實(shí)際上，光放大器在結(jié)構(gòu)上是一個(gè)沒有反饋或反饋較小的激光器。

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光放大器的應(yīng)用a）線路放大(In-line)：周期性補(bǔ)償各段光纖損耗b）功率放大(Boost)：增加入纖功率,延長傳輸距離c）前置預(yù)放大(Pre-Amplify):提高接收靈敏度d）局域網(wǎng)的功率放大器：補(bǔ)償分配損耗，增大網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)光放大器的主要類型摻雜光纖放大器。就是利用摻有稀土金屬離子的光纖作為激光工作物質(zhì)的一種放大器——EDFA就是其中的典型代表。傳輸光纖放大器?？梢岳脗鬏敼饫w作為增益介質(zhì)，不需要額外的有源光纖，主要有受激拉曼散射(StimulatedRamanScattering，SRS)光纖放大器、受激布里淵散射(StimulatedBrilliouinScattering，SBS)光纖放大器等。

——其中光纖拉曼放大器已經(jīng)實(shí)用化。半導(dǎo)體激光放大器。其結(jié)構(gòu)大體上與激光二極管(LaserDiode，LD)相同，由半導(dǎo)體材料制成，不屬于光纖放大器。這幾種類型的光放大器的工作原理和激勵(lì)方式各不相同。幾種光放大器的比較摻鉺光纖放大器EDFA摻雜光纖放大器利用摻入石英光纖的稀土離子作為增益介質(zhì)，在泵浦光的激發(fā)下實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的放大，放大器的特性主要由摻雜元素決定。工作波長為1550nm的鉺(Er)摻雜光纖放大器(EDFA)工作波長為1300nm的鐠(Pr)摻雜光纖放大器(PDFA)工作波長為1400nm的銩(Tm)摻雜光纖放大器(TDFA)目前，EDFA最為成熟，是光纖通信系統(tǒng)必備器件。EDFA的工作原理EDFA采用摻鉺離子單模光纖為增益介質(zhì)，在泵浦光作用下產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在信號(hào)光誘導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)受激輻射放大。Inputsignal1530nm-1570nmAmplifiedoutputsignalPowerlaser(Pump)980nmor1480nmFibercontainingerbiumdopant信號(hào)光與波長較其為短的光波(泵浦光)同沿光纖傳輸，泵浦光的能量被光纖中的稀土元素離子（Er3+）吸收而使其躍遷至更高能級(jí)，并可通過能級(jí)間的受激發(fā)射轉(zhuǎn)移為信號(hào)光的能量。信號(hào)光沿光纖長度得到放大，泵浦光沿光纖長度不斷衰減。EDFA中的Er3+能級(jí)結(jié)構(gòu)泵浦波長可以是520、650、800、980、1480nm波長短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。鉺離子簡化能級(jí)示意圖EDFA的基本結(jié)構(gòu)三種泵浦方式的EDFALD2WDM2EDFAPCAPCinoutLD1WDM1LDWDMEDFAPCAPCinoutLDWDMEDFAPCAPCinout同向泵浦(前向泵浦)型：好的噪聲性能反向泵浦(后向泵浦)型：輸出信號(hào)功率高雙向泵浦型：輸出信號(hào)功率比單泵浦源高3dB，且放大特性與信號(hào)傳輸方向無關(guān)EDFA的優(yōu)點(diǎn)工作波長（1525-1565nm）與光纖最小損耗窗口一致（1550nm），且增益范圍較寬，可在光纖通信中獲得廣泛應(yīng)用。耦合效率高。因?yàn)槭枪饫w型放大器，易與光纖耦合連接。能量轉(zhuǎn)換效率高。激光工作物質(zhì)集中在光纖芯子，且集中在光纖芯子中的近軸部分，而信號(hào)光和泵浦光也是在近軸部分最強(qiáng)，這使得光與物質(zhì)作用很充分。增益高(>40dB)、噪聲低(4~5dB)。增益特性不敏感。EDFA增益對(duì)溫度和偏振都不敏感，在100°C內(nèi)增益特性保持穩(wěn)定?？蓪?shí)現(xiàn)信號(hào)的透明傳輸?？赏瑫r(shí)傳輸模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，高速率信號(hào)和低速率信號(hào)，系統(tǒng)擴(kuò)容時(shí)，可只改動(dòng)端機(jī)而不改動(dòng)線路。

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EDFA的工作特性光放大器的增益光放大器的噪聲

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3dBPout,sat飽和區(qū)域GSS光放大器的增益增益G是描述光放大器對(duì)信號(hào)放大能力的參數(shù)。 定義為：飽和輸出功率：放大器增益降至小信號(hào)增益一半時(shí)的輸出功率。增益飽和現(xiàn)象：當(dāng)PS,IN增大到一定值后，光放大器的增益G開始下降。小信號(hào)增益（GSS

）：輸入光功率較小時(shí)，G是一常數(shù)，G0

=30dB增益譜寬

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光放大器的噪聲所有光放大器在放大過程中都會(huì)把自發(fā)輻射（或散射）疊加到信號(hào)光上，導(dǎo)致被放大信號(hào)的信噪比（SNR）下降，其降低程度通常用噪聲指數(shù)Fn來表示，其定義為：主要噪聲源：放大的自發(fā)輻射噪聲（ASE），它源于放大器介質(zhì)中電子空穴對(duì)的自發(fā)復(fù)合。

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光纖拉曼放大器FRA拉曼放大現(xiàn)象在1928年被發(fā)現(xiàn)。90年代早期，EDFA取代它成為焦點(diǎn)，光纖拉曼放大（FRA）受到冷遇。隨著光纖通信網(wǎng)容量的增加，特別是高功率二極管泵浦激光器的迅猛發(fā)展，又為FRA的實(shí)現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。人們對(duì)FRA的興趣來源于這種放大器可以提供整個(gè)波長波段的放大。通過適當(dāng)改變泵浦激光波長，就可以達(dá)到在任意波段進(jìn)行寬帶光放大，甚至可在1270～1670nm整個(gè)波段內(nèi)提供放大。

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光纖拉曼放大器FRA光纖(a)無泵激光的1550nm傳輸光功率(dB)波長1550nm波長光功率(dB)1550nm1450nm光纖(b)有泵激光的1550nm傳輸1550nm經(jīng)光纖傳輸衰減的光1450nm1550nm如果一個(gè)弱信號(hào)和一個(gè)強(qiáng)泵浦光同時(shí)在光纖中傳輸，并使弱信號(hào)波長置于泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)，則弱信號(hào)即可被放大。這種基于SRS機(jī)制的光放大器稱為光纖拉曼放大器FRA。頻率為p和s的泵浦光和信號(hào)光通過耦合器輸入光纖，當(dāng)這兩束光在光纖中一起傳輸時(shí)，泵浦光的能量通過SRS效應(yīng)轉(zhuǎn)移給信號(hào)光，使信號(hào)光得到放大。峰值增益頻移：～13.2THz反向泵浦為主，也可同向泵浦支撐技術(shù):14nm的大功率泵浦激光器，目前以取得實(shí)用化光纖拉曼放大器原理FRA是靠非線性散射實(shí)現(xiàn)放大功能，不需要能級(jí)間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)光放大器的增益帶寬

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半導(dǎo)體激光放大器SOAR1R2ISOA也是一種重要的光放大器，其結(jié)構(gòu)類似于普通的半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體光放大器的放大特性主要決定于激光腔的反射特性與有源層的介質(zhì)特性。根據(jù)光放大器端面反射率和工作偏置條件，將半導(dǎo)體光放大器分為：法布里－珀羅放大器(FP－SOA)；行波放大器(TW－SOA)4.3.4波分復(fù)用器與解復(fù)用器波分復(fù)用DWM的基本概念波分復(fù)用器以及解復(fù)用器

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26光波分復(fù)用WDM的基本概念復(fù)用（Multiplexing）:在相同的信道上利用相互正交的物理量（時(shí)間，頻率（波長），偏振）擴(kuò)大傳輸容量！光時(shí)分復(fù)用（TDM，TimeDivisionMultiplexing）:在一根光纖上利用不同的時(shí)隙傳輸多路光信號(hào)的一項(xiàng)技術(shù)（短脈沖產(chǎn)生（ps-fs)＋光延時(shí)，技術(shù)難點(diǎn)較多！）2.5Gb/s10Gb/s27光波分復(fù)用WDM的基本概念光波分復(fù)用（WDM，WavelengthDivisionMultiplexing）技術(shù)：在一根光纖上同時(shí)傳送多波長光信號(hào)的一項(xiàng)技術(shù)。它是在發(fā)送端將不同波長的光信號(hào)組合起來（復(fù)用），并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進(jìn)行傳輸，在接收端又將組合波長的光信號(hào)分開（解復(fù)用）并作進(jìn)一步處理，恢復(fù)出原信號(hào)送入不同的終端。28單模光纖的帶寬資源1310nm窗口（1270nm-1350nm）和1550nm窗口（1480nm-1600nm）各有80nm和120nm低損耗區(qū)可用。0.2dB/km0.5dB/km2dB/km高質(zhì)量激光光源譜寬：0.4nm～1.6nm（1550nm附近），幾十分之一或幾百分之一。WDM的實(shí)現(xiàn)WDM技術(shù)的實(shí)現(xiàn)依靠波分復(fù)用器和解復(fù)用器波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)框圖WDM的出現(xiàn)極大的降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本W(wǎng)DM的分類DWDM-密集波分復(fù)用信道波長間隔小(目前常用為0.8或0.4nm)，總波數(shù)可達(dá)到160波以上，一般只用40波左右對(duì)激光器波長穩(wěn)定性要求高，需配置溫控電路一般用于跨數(shù)省的干線工程，需要昂貴的EDFA和更昂貴的拉曼放大器，以保證長距離的傳輸CWDM-粗波分復(fù)用信道波長間隔大(一般為20nm)，系統(tǒng)總波數(shù)4、8、16等都有，常用8波對(duì)激光器波長穩(wěn)定性的要求低主要用于滿足城域網(wǎng)的建設(shè)，所以一般可不加裝放大器，成本低廉，高帶寬，在中短距離光傳輸中贏得了大量市場EDFA在WDM系統(tǒng)中的應(yīng)用光波分復(fù)用器/解復(fù)用器

光波分復(fù)用器/解復(fù)用器（WDM/DWDM）是波分復(fù)用系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。其功能是將多個(gè)波長不同的光信號(hào)復(fù)合后送入同一根光纖中傳送（波分復(fù)用器）或?qū)⒃谝桓饫w中傳送的多個(gè)不同波長的光信號(hào)分解后送入不同的接收機(jī)（解復(fù)用器）。波分復(fù)用器和解復(fù)用器也分別被稱為合波器和分波器，是一種與波長有關(guān)的光纖耦合器。光波分復(fù)用器/解復(fù)用器性能的優(yōu)劣對(duì)于WDM系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量有決定性的影響。34WDM/DWDM器的分類根據(jù)制造的特點(diǎn)，WDM器件大致有熔錐光纖型、干涉濾波器型和光柵型等幾種類型。熔融拉錐型介質(zhì)薄膜型光柵型陣列波導(dǎo)型熔融拉錐型波分復(fù)用器將兩根或多根光纖排列，進(jìn)行熔融拉錐制成設(shè)光纖a(直通臂)傳輸?shù)妮敵龉夤β蕿镻a，光纖b(耦合臂)的輸出光功率為Pb，根據(jù)耦合理論得到：

Pa=cos2(CλL)Pb=sin2(CλL)L為耦合器有效作用長度，Cλ為取決于光纖參數(shù)和光波長的耦合系數(shù)選擇光纖參數(shù)，調(diào)整有效作用長度，可以使光纖a的輸出Pa(λ1)最大時(shí)，光纖b的輸出Pb(λ1)=0；從而實(shí)現(xiàn)不同波長的光從不同光纖輸出。介質(zhì)薄膜型波分復(fù)用器介質(zhì)薄膜型波分復(fù)用器是由多個(gè)介質(zhì)薄膜干涉濾波器構(gòu)成的器件。介質(zhì)薄膜干涉濾波器是由若干層不同材料，不同折射率的介質(zhì)薄膜按照設(shè)計(jì)要求疊加而成的。通過對(duì)薄膜厚度的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)薄膜對(duì)一定波長的光反射（或透射），其他波長的光透射（或反射），各層反射光疊加，就可以在濾波器前端面形成很強(qiáng)的反射光（或透射光），從而形成所要求的濾波特性。多個(gè)不同波長的介質(zhì)薄膜干涉濾光片串在一起實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用衍射光柵型波分復(fù)用器在Si襯底上沉積環(huán)氧樹脂后制造成光柵多波長信號(hào)經(jīng)光纖輸入和普通透鏡或自聚焦透鏡聚焦在反射光柵上反射光柵將各波長分開，然后經(jīng)透鏡將各個(gè)波長的光聚焦在各自的光纖采用普通透鏡的WDM采用漸變折射率透鏡，簡化了裝置的校準(zhǔn)。

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4.3.5通信光器件光器件的作用：是構(gòu)成光纖通信系統(tǒng)的必備元件。實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的輸出、探測、連接、能量分路/合路、波長復(fù)用/解復(fù)用、光路轉(zhuǎn)換、能量衰減、方向阻隔、光-電-光轉(zhuǎn)換、光信號(hào)放大、光信號(hào)調(diào)制等功能。光器件發(fā)展趨勢：集成化、全光化

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光連接器Connector光衰減器Attenuator光耦合器Coupler光隔離器與環(huán)行器Isolators&Circulators光調(diào)制器Modulators光開光Switches光波長轉(zhuǎn)換器復(fù)用器與濾波器MultiplexerandFilter通信光器件

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光連接器作用：將光纖之間或光纖與器件之間的光路進(jìn)行連通。類型：活動(dòng)連接器、固定連接器FC型：螺紋連接。外部材料為金屬SC型：外殼采用工程塑料，矩形結(jié)構(gòu)，便于密集安裝，不用螺紋連接，可以直接插拔。ST型：采用帶鍵的卡口式鎖緊機(jī)構(gòu)，確保連接時(shí)準(zhǔn)確對(duì)中。作用：根據(jù)用戶需求對(duì)光信號(hào)能量進(jìn)行預(yù)期的衰減常用于系統(tǒng)中吸收或反射掉光功率余量，評(píng)估系統(tǒng)損耗以及各類實(shí)驗(yàn)中分為固定衰減器和可變衰減器光衰減器

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光耦合器光耦合器：對(duì)同一波長的光功率進(jìn)行分路或合路，完成光信號(hào)的分配、合成、提取、監(jiān)控等功能。按結(jié)構(gòu)分為Y型、X型、1N型、MN型等類型。1321243光隔離器與環(huán)行器用途：放置于激光器及光放大器前面，防止系統(tǒng)中的反射光對(duì)器件性能的影響甚至損傷，即只允許光單向傳輸。主要指標(biāo)：低的插入損耗(對(duì)正向入射光，～1dB)高的隔離度(對(duì)反向反射光，40～50dB)原理：一般由起偏器、檢偏器和旋光器組成。與輸入偏振態(tài)有關(guān)的光隔離器的工作原理起偏器與檢偏器的透光軸成450角，旋光器使通過的光發(fā)生450旋轉(zhuǎn)。當(dāng)垂直偏振光入射時(shí)，全部通過起偏器。經(jīng)旋光器后，光軸旋轉(zhuǎn)450，恰與檢偏器透光軸一致而獲得低損耗傳輸。如果有反射光出現(xiàn)且反向進(jìn)入隔離器的只是與檢偏器光軸一致的那一部分光，經(jīng)旋光器被旋轉(zhuǎn)450

，變成水平線偏振光，正好與起偏器透光軸垂直，所以光隔離器能阻止反射光的通過。光隔離器工作原理光環(huán)形器基本原理：工作原理等同于隔離器，光傳送順序：1234（三端口，四端口，多端口）主要特性：

插入損耗隔離度三端口光環(huán)行器四端口光環(huán)行器IsolatorsIsolator/couplerhybrids

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光調(diào)制器光調(diào)制器：實(shí)現(xiàn)從電信號(hào)到光信號(hào)的轉(zhuǎn)換。光調(diào)制的分類：從光源調(diào)制角度看，有兩種方法實(shí)現(xiàn)光調(diào)制：其一，將調(diào)制信號(hào)直接注入激光器（調(diào)制激光器驅(qū)動(dòng)電流），而實(shí)現(xiàn)激光輸出光強(qiáng)度等參數(shù)的調(diào)制--內(nèi)調(diào)制或直接調(diào)制（簡單、經(jīng)濟(jì)、引入較大的啁啾）；其二，將調(diào)制信號(hào)控制激光器后接的外調(diào)制器，利用調(diào)制器的電光、聲光等物理效應(yīng)使其輸出光的強(qiáng)度等參數(shù)隨信號(hào)而變--外調(diào)制（調(diào)制信號(hào)啁啾小）。按被調(diào)制光波的參數(shù)分：強(qiáng)度調(diào)制、相位調(diào)制、偏振調(diào)制等。直接調(diào)制和外調(diào)制光源的外調(diào)制技術(shù)調(diào)制信號(hào)不直接施加在LD上，而是施加在光調(diào)制器上。外調(diào)制技術(shù)分類：電光調(diào)制ElectroopticEffects電致吸收Electro-AbsorptionEffects磁光調(diào)制MagnetoopticEffects聲光調(diào)制AcousticModulators其中電光調(diào)制和電致吸收最為常用。

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光開關(guān)光開關(guān)是光網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵器件，用于實(shí)現(xiàn)光通道的通斷和轉(zhuǎn)換。開關(guān)時(shí)間是光開關(guān)的主要指標(biāo)。不同的應(yīng)用場合，對(duì)光開關(guān)的開關(guān)時(shí)間要求不同。應(yīng)用開關(guān)時(shí)間需求光路的交換及管理(OADM、OXC)1~10ms保護(hù)開關(guān)1~10ms光包交換1ns外調(diào)制10ps光開關(guān)可以分為：機(jī)械光開關(guān)、熱光開關(guān)、電光開關(guān)、微光機(jī)電系統(tǒng)（MOEMS）

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光波長轉(zhuǎn)換器光波長轉(zhuǎn)換器（WavelengthConverter）是一種實(shí)現(xiàn)將光信號(hào)從某一波長的光載波轉(zhuǎn)換至另一波長光載波的器件，是波分復(fù)用光通信系統(tǒng)向光網(wǎng)絡(luò)演變的一個(gè)關(guān)鍵性器件。它可以在光通信網(wǎng)絡(luò)中廣泛地用于光交換、波長路由以及光信號(hào)的全光再生等。光－電－光式光波長轉(zhuǎn)換器全光波長轉(zhuǎn)換器

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光-電-光式光波長轉(zhuǎn)換器inReceiver/PhotodiodeElect.Amplifier/regenerator+driverLaserExternalmodulatorout

特點(diǎn)信號(hào)格式透明轉(zhuǎn)換速率可達(dá)10Gbit/s可以實(shí)現(xiàn)消光比增強(qiáng)及信號(hào)再生偏振無關(guān)信噪比高允許in=out輸入信