第10章实现DWDM通信的关键技术PPT讲稿.ppt

第第1010章实现章实现DWDMDWDM通信的关键技术通信的关键技术第1页，共152页，编辑于2022年，星期日【本章内容简介本章内容简介】实现实现DWDM通信通信需要很多与其功能相适应的高新技术和器需要很多与其功能相适应的高新技术和器件。件。本章主要介绍组成本章主要介绍组成DWDM通信系统的通信系统的关键器件光源与光波转换技术、光合波关键器件光源与光波转换技术、光合波/分分波技术、光开关、光放大器，以及光纤光波技术、光开关、光放大器，以及光纤光缆技术等知识。缆技术等知识。第2页，共152页，编辑于2022年，星期日【本章重点难点本章重点难点】单纵模光源，光信单纵模光源，光信号调制，光波转换技术，光合波号调制，光波转换技术，光合波/分波技术，分波技术，EDFA，光纤非线性效应。，光纤非线性效应。第3页，共152页，编辑于2022年，星期日10.1 10.1 光源与光波转换技术光源与光波转换技术10.2 10.2 光波分复用器光波分复用器/解复用器（合波解复用器（合波/分波器）和光开关分波器）和光开关10.3 10.3 光放大器技术光放大器技术10.4 10.4 光纤光缆技术光纤光缆技术小结小结第4页，共152页，编辑于2022年，星期日10.1 10.1 光源与光波转换技术光源与光波转换技术前面已经叙述过组成前面已经叙述过组成DWDM的关键器的关键器件之一是件之一是OTU，而构成，而构成OTU的主要部件是的主要部件是光源。光源。因此，光源技术是实现因此，光源技术是实现DWDM系统的系统的关键要素之一。关键要素之一。第5页，共152页，编辑于2022年，星期日10.1.1光纤通信系统对光源的光纤通信系统对光源的要求要求1光纤通信系统对光源的一般要光纤通信系统对光源的一般要求求在光纤通信中，实现电信号转变为光在光纤通信中，实现电信号转变为光信号的关键器件是光源，光源性能的优劣信号的关键器件是光源，光源性能的优劣直接影响光纤通信系统的传输性能。直接影响光纤通信系统的传输性能。为了保证光信号的传输质量，光纤通为了保证光信号的传输质量，光纤通信对光源的要求可以概括如下。信对光源的要求可以概括如下。第6页，共152页，编辑于2022年，星期日（1）发光波长与光纤的低损耗窗口）发光波长与光纤的低损耗窗口相符，即与石英光纤相符，即与石英光纤3个低损耗窗口个低损耗窗口0.85 m、1.3 m或或1.55 m相适应。相适应。（2）有足够高的、稳定的输出光功）有足够高的、稳定的输出光功率，以满足系统对光中继段距离的要率，以满足系统对光中继段距离的要求。求。第7页，共152页，编辑于2022年，星期日（3）调制特性好，响应速度快，以）调制特性好，响应速度快，以利于高速率、大容量数字信号的传输。利于高速率、大容量数字信号的传输。（4）单色性和方向性好，以减少光）单色性和方向性好，以减少光纤的材料色散，提高光源和光纤的耦纤的材料色散，提高光源和光纤的耦合效率。合效率。第8页，共152页，编辑于2022年，星期日（5）温度稳定性好，寿命长。）温度稳定性好，寿命长。（6）强度噪声要小，以提高模拟调）强度噪声要小，以提高模拟调制系统的信噪比。制系统的信噪比。（7）体积小，重量轻，便于安装和）体积小，重量轻，便于安装和使用，也利于光源和光纤的耦合。使用，也利于光源和光纤的耦合。第9页，共152页，编辑于2022年，星期日2DWDM系统对光源的特殊要系统对光源的特殊要求求在在SDH系统中由于只有一个光信道，系统中由于只有一个光信道，工作波长可以在一个很宽的区域内变化。工作波长可以在一个很宽的区域内变化。而而DWDM系统的最重要特点是同时传系统的最重要特点是同时传输多个光信道，每个信道系统采用不同的输多个光信道，每个信道系统采用不同的波长，且波长间隔仅为波长，且波长间隔仅为0.8nm甚至更小，甚至更小，这就对激光器提出了较高要求。这就对激光器提出了较高要求。第10页，共152页，编辑于2022年，星期日除了有准确的工作波长外，在整个寿除了有准确的工作波长外，在整个寿命期间波长偏移量都应在一定的范围之内，命期间波长偏移量都应在一定的范围之内，以避免不同的波长相互干扰。以避免不同的波长相互干扰。即激光器必须工作在标准波长，且具即激光器必须工作在标准波长，且具有很好的稳定性。有很好的稳定性。第11页，共152页，编辑于2022年，星期日另一方面，由于采用了光放大器，另一方面，由于采用了光放大器，DWDM系统的无再生中继距离大大延长。系统的无再生中继距离大大延长。SDH系统再生距离一般在系统再生距离一般在5060km，由再生器进行整形、定时和再生，恢复，由再生器进行整形、定时和再生，恢复成数字信号继续传输。成数字信号继续传输。第12页，共152页，编辑于2022年，星期日而而DWDM系统中，每隔系统中，每隔80km有一个有一个EDFA，只进行放大，没有整形和定时功能，只进行放大，没有整形和定时功能，不能有效去除因线路色散和反射等带来的不能有效去除因线路色散和反射等带来的不利影响。不利影响。系统经系统经500600km传输后才进行光传输后才进行光电再生，因而要求延长光源的色散受限距电再生，因而要求延长光源的色散受限距离，由过去的离，由过去的5060km提高到提高到600km以以上，这大大提高了对光源的要求。上，这大大提高了对光源的要求。第13页，共152页，编辑于2022年，星期日总体上，应用在总体上，应用在DWDM系统上的光源系统上的光源有两个突出特点：有两个突出特点：（1）比较大的色散容纳值；）比较大的色散容纳值；（2）标准而稳定的波长。）标准而稳定的波长。第14页，共152页，编辑于2022年，星期日3两种光信号调制方式两种光信号调制方式（1）直接调制光发射机组成框图）直接调制光发射机组成框图第15页，共152页，编辑于2022年，星期日图图10-1 直接调制光发射组成框图直接调制光发射组成框图第16页，共152页，编辑于2022年，星期日（2）外腔调制光发射机组成框图）外腔调制光发射机组成框图第17页，共152页，编辑于2022年，星期日图图10-2 外腔调制光发射组成框图外腔调制光发射组成框图第18页，共152页，编辑于2022年，星期日4DWDM系统对光源采取的措系统对光源采取的措施施（1）采用外调制技术）采用外调制技术（2）采用波长稳定技术）采用波长稳定技术（3）波长稳定控制实例）波长稳定控制实例第19页，共152页，编辑于2022年，星期日第20页，共152页，编辑于2022年，星期日10.1.2光源类型光源类型为减小光纤中的频率（色度）色散，为减小光纤中的频率（色度）色散，要求光源产生的光信号是单纵模的激光。要求光源产生的光信号是单纵模的激光。用于用于DWDM系统的光源一般应具备光系统的光源一般应具备光谱范围宽、信道光谱窄、复用信道数多以谱范围宽、信道光谱窄、复用信道数多以及信道波长及其间隔高度稳定等特点。及信道波长及其间隔高度稳定等特点。常用光源有单纵模激光器（常用光源有单纵模激光器（SLM）、）、量子阱（量子阱（QW）半导体激光器和掺铒光纤）半导体激光器和掺铒光纤激光器。激光器。第21页，共152页，编辑于2022年，星期日1单纵模激光器单纵模激光器（1）获得单纵模的途径）获得单纵模的途径（2）SLM工作原理工作原理第22页，共152页，编辑于2022年，星期日图图10-5 激光器产生单纵模为主振模的原理图激光器产生单纵模为主振模的原理图第23页，共152页，编辑于2022年，星期日（3）分布反馈激光器（）分布反馈激光器（DFB）第24页，共152页，编辑于2022年，星期日图图10-6 布拉格反射原理图布拉格反射原理图第25页，共152页，编辑于2022年，星期日2量子阱半导体激光器量子阱半导体激光器量子阱（量子阱（QW）半导体激光器是一种）半导体激光器是一种窄带隙有源区夹在宽带隙半导体材料中间窄带隙有源区夹在宽带隙半导体材料中间或交替重叠生长的半导体激光器，是一种或交替重叠生长的半导体激光器，是一种很有发展前途的激光器。很有发展前途的激光器。（1）量子阱）量子阱（2）QW激光器的主要特点激光器的主要特点第26页，共152页，编辑于2022年，星期日3掺铒光纤激光器掺铒光纤激光器（1）掺铒光纤激光器的工作原理）掺铒光纤激光器的工作原理（2）光纤激光器的优点）光纤激光器的优点第27页，共152页，编辑于2022年，星期日4波长可调谐半导体激光器波长可调谐半导体激光器波长可调谐单模激光器是波分复用系波长可调谐单模激光器是波分复用系统、相干光通信系统及光交换网络的关键统、相干光通信系统及光交换网络的关键器件，它可以根据需求进行光波长的改变。器件，它可以根据需求进行光波长的改变。主要考虑性能指标有调谐速度和波长主要考虑性能指标有调谐速度和波长调谐范围。调谐范围。第28页，共152页，编辑于2022年，星期日改变波长的方法之一是：通过改变注改变波长的方法之一是：通过改变注入电流，使发光材料的折射率发生变化，入电流，使发光材料的折射率发生变化，从而在一定范围内改变和控制激光器输出从而在一定范围内改变和控制激光器输出波长。波长。第29页，共152页，编辑于2022年，星期日10.1.3光波长转换器光波长转换器（OTU）1OTU的基本结构和工作原理的基本结构和工作原理在开放式的在开放式的DWDM系统中，发送端需系统中，发送端需采用采用OTU将非标准的波长转换为标准波长，将非标准的波长转换为标准波长，以满足以满足DWDM系统的波长复用。系统的波长复用。同样，接收端还需同样，接收端还需OTU将标准波长还将标准波长还原为非标准波长。原为非标准波长。第30页，共152页，编辑于2022年，星期日目前目前OTU实现波长转换的方式有两种：实现波长转换的方式有两种：一种是光一种是光/电电/光（光（O/E/O）变换方式，另一）变换方式，另一种是全光变换方式。种是全光变换方式。第31页，共152页，编辑于2022年，星期日常用的常用的OTU依然是光依然是光/电电/光光（O/E/O）的变换方式，如图）的变换方式，如图10-7所示。所示。E/O变换采用外调制方式，这样可以变换采用外调制方式，这样可以消除直接调制产生的啁啾声，获得较大的消除直接调制产生的啁啾声，获得较大的色散容限，以实现长距离无再生传输。色散容限，以实现长距离无再生传输。第32页，共152页，编辑于2022年，星期日图图10-7 光光/电电/光波长转换器原理图光波长转换器原理图第33页，共152页，编辑于2022年，星期日2实际实际OTU电路组成电路组成图图10-8所示为采用铌酸锂外调制技术所示为采用铌酸锂外调制技术的的OTU。第34页，共152页，编辑于2022年，星期日图图10-8 实际实际OTU电路组成框图电路组成框图第35页，共152页，编辑于2022年，星期日3OTU的应用的应用（1）SDH系统接入系统接入DWDM系统中应系统中应用用在发送端使用在发送端使用OTU：在接收端使用在接收端使用OUT（2）在中继器中使用）在中继器中使用OTU第36页，共152页，编辑于2022年，星期日图图10-9 OTU在发射端、接收端应用在发射端、接收端应用第37页，共152页，编辑于2022年，星期日图图10-10 OTU在再生中继站应用在再生中继站应用第38页，共152页，编辑于2022年，星期日4全光网络中的应用全光网络中的应用在光传送网中，在光传送网中，OTU可用做波长路由可用做波长路由变换器，通过波长的再利用可扩大网络的变换器，通过波长的再利用可扩大网络的容量和实现灵活组网。容量和实现灵活组网。OTU作为波长路由器的基本功能如作为波长路由器的基本功能如下。下。第39页，共152页，编辑于2022年，星期日（1）进行透明的互操作、解决波长争）进行透明的互操作、解决波长争用、波长路由选定，以及在动态业务模用、波长路由选定，以及在动态业务模式下较好地利用网络资源。式下较好地利用网络资源。第40页，共152页，编辑于2022年，星期日（2）在大容量、多节点的网状网中，采）在大容量、多节点的网状网中，采用波长变换能大大降低网络的阻塞率，用波长变换能大大降低网络的阻塞率，以提高全网的波长利用率和提高全网的以提高全网的波长利用率和提高全网的传输效率。传输效率。第41页，共152页，编辑于2022年，星期日（3）在全光网络中，利用）在全光网络中，利用OTU作为网作为网关，实现子网的连接和通信，这样无关，实现子网的连接和通信，这样无须了解子网的内部情况，就可以实现须了解子网的内部情况，就可以实现光通道的建立、故障定位和隔离。光通道的建立、故障定位和隔离。第42页，共152页，编辑于2022年，星期日10.2 10.2 光波分复用器光波分复用器/解复用器（合波解复用器（合波/分波器）和光开关分波器）和光开关10.2.1光波分复用器光波分复用器/解复用解复用器（合波器（合波/分波器）分波器）光波分复用器光波分复用器/解复用器是解复用器是DWDM技技术中的关键部件，将不同光源的信号结合术中的关键部件，将不同光源的信号结合在一起经一根传输光纤输出的器件称为光在一起经一根传输光纤输出的器件称为光复用器。复用器。第43页，共152页，编辑于2022年，星期日反之，经同一传输光纤送来的多波长反之，经同一传输光纤送来的多波长信号分解为单波长信号分别输出的器件称信号分解为单波长信号分别输出的器件称为光解复用器。为光解复用器。从原理上说，该器件光路是互易的从原理上说，该器件光路是互易的（双向互逆），即只要将光解复用器的输（双向互逆），即只要将光解复用器的输出端和输入端反过来使用，就是光复用器，出端和输入端反过来使用，就是光复用器，因此，光复用器和光解复用器原理是相同因此，光复用器和光解复用器原理是相同的（除非有特殊的要求）。的（除非有特殊的要求）。第44页，共152页，编辑于2022年，星期日光波分复用器光波分复用器/解复用器在超高速、大解复用器在超高速、大容量波分复用系统中起着关键作用，其性容量波分复用系统中起着关键作用，其性能指标主要有插入损耗和串扰，这些指标能指标主要有插入损耗和串扰，这些指标的优劣对系统的传输质量有决定性影响。的优劣对系统的传输质量有决定性影响。第45页，共152页，编辑于2022年，星期日因此，因此，DWDM系统要求光波分复用器系统要求光波分复用器/解复用器：损耗及其偏差小、信道间的串解复用器：损耗及其偏差小、信道间的串扰小、通带损耗平坦、偏振相关性低。扰小、通带损耗平坦、偏振相关性低。DWDM系统中常用的光波分复用器系统中常用的光波分复用器/解复用器主要有光栅型光波分复用器和介解复用器主要有光栅型光波分复用器和介质膜滤波器等。质膜滤波器等。第46页，共152页，编辑于2022年，星期日1光栅型光波分复用器光栅型光波分复用器第47页，共152页，编辑于2022年，星期日图图10-11 光栅型光波复用器结构示意图光栅型光波复用器结构示意图第48页，共152页，编辑于2022年，星期日2介质膜滤波器型光波分复用器介质膜滤波器型光波分复用器第49页，共152页，编辑于2022年，星期日图图10-12 多波道光波复用多波道光波复用/解复用器件结构解复用器件结构第50页，共152页，编辑于2022年，星期日10.2.2滤光器和光开关滤光器和光开关1滤光器滤光器第51页，共152页，编辑于2022年，星期日图图10-13 滤光器谐振腔示意图滤光器谐振腔示意图第52页，共152页，编辑于2022年，星期日2光开关光开关第53页，共152页，编辑于2022年，星期日图图10-14 光半导体放大器作为光开关原理图光半导体放大器作为光开关原理图第54页，共152页，编辑于2022年，星期日10.3 10.3 光放大器技术光放大器技术在光纤通信中，总是希望能将光信号在光纤通信中，总是希望能将光信号不失真地传送得越远越好。不失真地传送得越远越好。然而，由于光纤传输损耗等各种因素然而，由于光纤传输损耗等各种因素影响，使得光信号的幅度在传输过程中会影响，使得光信号的幅度在传输过程中会变得越来越小，从而限制了光纤通信系统变得越来越小，从而限制了光纤通信系统的传送距离。的传送距离。第55页，共152页，编辑于2022年，星期日20世纪世纪80年代末光纤放大器的出现，年代末光纤放大器的出现，使光信号的中继放大问题得到有效解决。使光信号的中继放大问题得到有效解决。可以说，光纤放大器的出现预示着光可以说，光纤放大器的出现预示着光纤通信将进入一个新纪元。纤通信将进入一个新纪元。第56页，共152页，编辑于2022年，星期日因为利用光纤放大器可以大大提高发因为利用光纤放大器可以大大提高发射端入纤光功率，实现光射端入纤光功率，实现光/光中继放大，可光中继放大，可以提高接收端的接收灵敏度。以提高接收端的接收灵敏度。正是光纤放大器的商用化，促使了正是光纤放大器的商用化，促使了DWDM光纤通信系统的迅速成熟和发展。光纤通信系统的迅速成熟和发展。第57页，共152页，编辑于2022年，星期日10.3.1光放大器应用与分类光放大器应用与分类1传统光传统光/电电/光中继器的不足光中继器的不足为了延长通信距离，在光纤通信系统为了延长通信距离，在光纤通信系统中需加再生中继器，实现对衰减的光信号中需加再生中继器，实现对衰减的光信号进行放大、再生、整形。而采用光进行放大、再生、整形。而采用光/电电/光中光中继器存在以下一些不足。继器存在以下一些不足。第58页，共152页，编辑于2022年，星期日（1）需要大量的光发送和光接收设）需要大量的光发送和光接收设备，实现光备，实现光/电、电电、电/光转换，使设备光转换，使设备很复杂。很复杂。第59页，共152页，编辑于2022年，星期日（2）采用光）采用光/电电/光中继器的无中继通光中继器的无中继通信距离不能过长，否则由于信号的过信距离不能过长，否则由于信号的过度衰减，中继器无法实现信号的再生。度衰减，中继器无法实现信号的再生。这种中继器的通信距离一般在这种中继器的通信距离一般在10km以内。以内。第60页，共152页，编辑于2022年，星期日（3）在）在DWDM系统中，由于光系统中，由于光/电电/光中继器只能对单波道信号进行光光中继器只能对单波道信号进行光/电电、电、电/光转换，需增加大量的波分复用光转换，需增加大量的波分复用器和解复用器，使中继设备过于庞大、器和解复用器，使中继设备过于庞大、复杂。复杂。第61页，共152页，编辑于2022年，星期日2采用光放大器作为再生中继器采用光放大器作为再生中继器的优势的优势（1）采用光放大器可使光信号传输）采用光放大器可使光信号传输距离大大延长，减少了通信系统的再距离大大延长，减少了通信系统的再生中继器的数目。生中继器的数目。第62页，共152页，编辑于2022年，星期日（2）在）在DWDM系统中，可以实现全系统中，可以实现全波道的光信号同时放大，不需进行光波道的光信号同时放大，不需进行光波的分解和复用，节省了大量的波分波的分解和复用，节省了大量的波分复用器复用器/解复用器和光接收、光发送等解复用器和光接收、光发送等光光/电、电电、电/光转换设备，使光中继器光转换设备，使光中继器设备变得非常简单，造价降低。设备变得非常简单，造价降低。第63页，共152页，编辑于2022年，星期日（3）采用光放大器可以实现光纤通）采用光放大器可以实现光纤通信系统的全光传输，克服了电子瓶颈信系统的全光传输，克服了电子瓶颈对传输速率的限制，极大地提高了传对传输速率的限制，极大地提高了传输容量和系统的可靠性。输容量和系统的可靠性。第64页，共152页，编辑于2022年，星期日3光放大器的分类光放大器的分类光放大器有半导体光放大器、非线性光放大器有半导体光放大器、非线性光纤放大器（受激拉曼散射光纤放大器和光纤放大器（受激拉曼散射光纤放大器和受激布里渊散射光纤放大器）、掺杂光纤受激布里渊散射光纤放大器）、掺杂光纤放大器（包括放大器（包括EDFA）等。）等。（1）半导体光放大器）半导体光放大器（2）非线性光纤放大器）非线性光纤放大器（3）掺杂光纤放大器）掺杂光纤放大器第65页，共152页，编辑于2022年，星期日10.3.2EDFA放大器放大器1EDFA概述概述EDFA是固体激光技术与光纤制造技是固体激光技术与光纤制造技术结合的产物。术结合的产物。其关键技术有二：其一，掺铒光纤其关键技术有二：其一，掺铒光纤（EDF）；其二，泵浦源。）；其二，泵浦源。第66页，共152页，编辑于2022年，星期日EDF是用石英光纤作为基质（也可采是用石英光纤作为基质（也可采用氟化物光纤），在纤芯中掺入固体激光用氟化物光纤），在纤芯中掺入固体激光工作物质铒离子而形成的。工作物质铒离子而形成的。掺铒光纤与常规光纤相比更细，采用掺铒光纤与常规光纤相比更细，采用纤形的理由是：纤形的理由是：（1）提高信号光与能量光的密度，）提高信号光与能量光的密度，以提高它们的相互作用效率；以提高它们的相互作用效率；第67页，共152页，编辑于2022年，星期日（2）延长信号光与高能级粒子的作）延长信号光与高能级粒子的作用区，以提高放大增益；用区，以提高放大增益；（3）使有源区能量密度加大，降低）使有源区能量密度加大，降低对泵浦光功率的要求。对泵浦光功率的要求。第68页，共152页，编辑于2022年，星期日2EDFA的主要优缺点的主要优缺点EDFA之所以得到这样迅速的发展，之所以得到这样迅速的发展，源于它一系列突出的优点。源于它一系列突出的优点。第69页，共152页，编辑于2022年，星期日（1）工作波长与光纤最小损耗窗口一）工作波长与光纤最小损耗窗口一致，可在光纤通信中获得应用。致，可在光纤通信中获得应用。第70页，共152页，编辑于2022年，星期日（2）耦合效率高。）耦合效率高。因为是光纤型放大器，易与传输光纤耦因为是光纤型放大器，易与传输光纤耦合连接。合连接。也可用熔接技术与传输光纤熔接在一也可用熔接技术与传输光纤熔接在一起，损耗可低至起，损耗可低至0.1dB。这样的熔接反射损耗也很小，不易自激。这样的熔接反射损耗也很小，不易自激。第71页，共152页，编辑于2022年，星期日（3）能量转换效率高。）能量转换效率高。激光工作物质集中在光纤芯子中，且激光工作物质集中在光纤芯子中，且集中在光纤芯子中的近轴部分，而信号光集中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，这和泵浦光也是在光纤的近轴部分最强，这使得光与介质的作用很充分；再加之有较使得光与介质的作用很充分；再加之有较长的作用长度，因而有较高的转换效率。长的作用长度，因而有较高的转换效率。第72页，共152页，编辑于2022年，星期日（4）增益高、噪声低、输出功率大。）增益高、噪声低、输出功率大。增益可达增益可达40dB，输出功率在单泵浦时，输出功率在单泵浦时可达可达14dBm，而在双泵浦时可达，而在双泵浦时可达17dBm，甚至甚至20dBm。充分泵浦时，噪声系数可低至充分泵浦时，噪声系数可低至34dB。串话也很小。串话也很小。第73页，共152页，编辑于2022年，星期日（5）增益特性稳定。）增益特性稳定。EDFA增益对温度不敏感，在增益对温度不敏感，在100范范围内，增益特性保持稳定。围内，增益特性保持稳定。增益与偏振无关也是增益与偏振无关也是EDFA的一大特点。的一大特点。这一特性至关重要，因为一般通信光这一特性至关重要，因为一般通信光纤并不能使传输信号偏振态保持不变。纤并不能使传输信号偏振态保持不变。第74页，共152页，编辑于2022年，星期日（6）可实现透明的传输。）可实现透明的传输。所谓透明，是指可同时传输模拟信号和所谓透明，是指可同时传输模拟信号和数字信号、高比特率信号和低比特率信号，数字信号、高比特率信号和低比特率信号，信号的速率、码型格式、协议均不发生变化，信号的速率、码型格式、协议均不发生变化，而且各波道信号不会产生干扰。系统需要扩而且各波道信号不会产生干扰。系统需要扩容时，可只改动终端设备而不改动线路。容时，可只改动终端设备而不改动线路。第75页，共152页，编辑于2022年，星期日EDFA也有其固有的缺点：也有其固有的缺点：（1）波长固定。）波长固定。铒离子能级间的能级差决定了铒离子能级间的能级差决定了EDFA的工作波长是固定的，只能放大的工作波长是固定的，只能放大1500nm左右波长的光波。左右波长的光波。第76页，共152页，编辑于2022年，星期日光纤换用不同的基质时，铒离子能级光纤换用不同的基质时，铒离子能级只发生微小的变化，因此可调节的激光跃只发生微小的变化，因此可调节的激光跃迁波长范围有限。迁波长范围有限。为了改变工作波长，只能换用其他元为了改变工作波长，只能换用其他元素，比如用素，比如用PDFA可工作在可工作在1310nm波段等。波段等。第77页，共152页，编辑于2022年，星期日（2）增益带宽不平坦。）增益带宽不平坦。EDFA的增益带宽约的增益带宽约40nm，但增益带，但增益带宽不平坦。宽不平坦。在在DWDM光纤通信系统中需要采取特光纤通信系统中需要采取特殊的手段来进行增益谱补偿。殊的手段来进行增益谱补偿。第78页，共152页，编辑于2022年，星期日3EDFA的结构与工作原理的结构与工作原理（1）EDFA的基本结构组成的基本结构组成第79页，共152页，编辑于2022年，星期日图图10-15 EDFA的基本结构的基本结构第80页，共152页，编辑于2022年，星期日（2）EDFA3种不同的结构方式（泵种不同的结构方式（泵浦方式）浦方式）第81页，共152页，编辑于2022年，星期日图图10-16 3种泵浦方式的种泵浦方式的EDFA结构结构第82页，共152页，编辑于2022年，星期日3种泵浦方式的比较如下：种泵浦方式的比较如下：从增益的角度看，双向泵浦增益最从增益的角度看，双向泵浦增益最大，反向泵浦次之，同向泵浦增益最低；大，反向泵浦次之，同向泵浦增益最低；从噪声性能角度看，由于反向泵浦从噪声性能角度看，由于反向泵浦光很强，不易达到饱和，因而噪声性能较光很强，不易达到饱和，因而噪声性能较好，而同向泵浦由于吸收，泵浦光沿光纤好，而同向泵浦由于吸收，泵浦光沿光纤长度而衰减，使输出光功率在一定光纤长长度而衰减，使输出光功率在一定光纤长度上达到饱和而使噪声增加。度上达到饱和而使噪声增加。第83页，共152页，编辑于2022年，星期日（3）EDFA的工作原理的工作原理第84页，共152页，编辑于2022年，星期日图图10-17 EDFA的工作原理图的工作原理图第85页，共152页，编辑于2022年，星期日（4）典型的）典型的EDFA产品介绍产品介绍第86页，共152页，编辑于2022年，星期日图图10-18 典型的典型的EDFA组成图组成图第87页，共152页，编辑于2022年，星期日4EDFA的噪声和性能指标的噪声和性能指标（1）放大器的噪声）放大器的噪声放大器本身产生的噪声使信号的信噪放大器本身产生的噪声使信号的信噪比下降，造成对传输距离的限制，因而是比下降，造成对传输距离的限制，因而是放大器的一项重要指标。放大器的一项重要指标。光纤放大器的噪声主要来自它的自发光纤放大器的噪声主要来自它的自发辐射。辐射。第88页，共152页，编辑于2022年，星期日（2）EDFA的性能指标的性能指标净增益或增益净增益或增益净增益或增益净增益或增益G是指输出信号光功率是指输出信号光功率Pout与输入信号光功率与输入信号光功率Pin之比，一般以分贝之比，一般以分贝（dB）来表示。）来表示。G=Pout/PinG=10lg(Pout/Pin)dB第89页，共152页，编辑于2022年，星期日净增益或增益反映信号光经过光纤放净增益或增益反映信号光经过光纤放大器后得到了多大加强。大器后得到了多大加强。对于掺铒光纤放大器其增益一般为对于掺铒光纤放大器其增益一般为3040dB，有的甚至可高达，有的甚至可高达54dB。第90页，共152页，编辑于2022年，星期日增益系数增益系数增益系数是指从泵浦光源输入增益系数是指从泵浦光源输入1mW泵浦光功率通过光纤放大器所能获得的增泵浦光功率通过光纤放大器所能获得的增益，其单位为益，其单位为dB/mW。第91页，共152页，编辑于2022年，星期日例如，用输出光功率例如，用输出光功率150mW，波长，波长为为980nm的半导体激光二极管去泵浦铒光的半导体激光二极管去泵浦铒光纤放大器，可获得纤放大器，可获得35dB的增益，其增益系的增益，其增益系数为数为7/30dB/mW。第92页，共152页，编辑于2022年，星期日增益和增益系数的区别在于：增益主增益和增益系数的区别在于：增益主要是针对输入信号光而言的，而增益系数要是针对输入信号光而言的，而增益系数主要是针对输入泵浦光而言的。主要是针对输入泵浦光而言的。第93页，共152页，编辑于2022年，星期日图图10-19 EDFA增益与泵浦光功率关系增益与泵浦光功率关系第94页，共152页，编辑于2022年，星期日饱和输出功率饱和输出功率饱和输出功率是指光纤放大器的增益饱和输出功率是指光纤放大器的增益降低到它的最大增益一半时的输出功率。降低到它的最大增益一半时的输出功率。一般来说，随着输入信号光功率的增一般来说，随着输入信号光功率的增加，光纤放大器的输出光功率也将随之增加，光纤放大器的输出光功率也将随之增加，如图加，如图10-20所示。所示。第95页，共152页，编辑于2022年，星期日图图10-20 EDFA输出光与输入光关系输出光与输入光关系 第96页，共152页，编辑于2022年，星期日但放大器的输出光功率不可能无限制但放大器的输出光功率不可能无限制地增加，当光纤放大器的输出功率变得和地增加，当光纤放大器的输出功率变得和泵浦光功率可以相比较时，光纤放大器的泵浦光功率可以相比较时，光纤放大器的输出就将变得饱和，增益将随之降低或压输出就将变得饱和，增益将随之降低或压缩。缩。换句话说，输入信号光功率的增加和换句话说，输入信号光功率的增加和输出光功率的增加两者之间不一定是线性输出光功率的增加两者之间不一定是线性关系。关系。第97页，共152页，编辑于2022年，星期日当增益降低到最大值的一半时，其输当增益降低到最大值的一半时，其输出功率即为饱和输出功率。出功率即为饱和输出功率。如果以分贝为单位，其饱和输出功率如果以分贝为单位，其饱和输出功率即为在光纤放大器的增益曲线上从它的最即为在光纤放大器的增益曲线上从它的最大值降低大值降低dB时的输出功率，如图时的输出功率，如图10-21所所示。示。第98页，共152页，编辑于2022年，星期日 图图10-21 EDFA增益与输出光功率关系增益与输出光功率关系第99页，共152页，编辑于2022年，星期日5DWDM系统对系统对EDFA的要求的要求（1）增益平坦的）增益平坦的EDFA（2）EDFA的增益动态调节和锁定技的增益动态调节和锁定技术术（3）EDFA的光浪涌的光浪涌（4）EDFA的级联的级联（5）使用）使用EDFA的安全措施的安全措施第100页，共152页，编辑于2022年，星期日6EDFA的应用的应用第101页，共152页，编辑于2022年，星期日10.4 10.4 光纤光缆技术光纤光缆技术DWDM系统信号在光纤中要能有效长系统信号在光纤中要能有效长距离传输，不仅要考虑光纤传输特性损耗距离传输，不仅要考虑光纤传输特性损耗和色散对光信号的影响，还要考虑光纤的和色散对光信号的影响，还要考虑光纤的非线性效应对光信号的影响。非线性效应对光信号的影响。第102页，共152页，编辑于2022年，星期日10.4.1光纤的非线性效应光纤的非线性效应1光纤的非线性效应概述光纤的非线性效应概述从本质上讲，所有的介质都是非线性从本质上讲，所有的介质都是非线性的，只是有些介质的非线性效应很小，一的，只是有些介质的非线性效应很小，一般情况下难以表现出来。般情况下难以表现出来。第103页，共152页，编辑于2022年，星期日光纤也是如此，在常规光纤系统中，光纤也是如此，在常规光纤系统中，由于传输码速不高，功率不大，光纤一般由于传输码速不高，功率不大，光纤一般呈线性传输特性。呈线性传输特性。然而，在高码速、大光功率传输时，然而，在高码速、大光功率传输时，光纤开始呈现非线性传输特性。光纤开始呈现非线性传输特性。第104页，共152页，编辑于2022年，星期日由于由于DWDM系统多个光波道通路的增系统多个光波道通路的增加以及光纤放大器的使用，使得光纤产生加以及光纤放大器的使用，使得光纤产生非线性效应，并已成为最终限制系统性能非线性效应，并已成为最终限制系统性能（高码速、长距离传输）的因素。（高码速、长距离传输）的因素。第105页，共152页，编辑于2022年，星期日光纤非线性效应，一方面可以引起传光纤非线性效应，一方面可以引起传输信号的附加损耗、信道之间的串话、信输信号的附加损耗、信道之间的串话、信号频率的移动等；另一方面，可以利用它号频率的移动等；另一方面，可以利用它开发出新型的光学器件，如激光器、放大开发出新型的光学器件，如激光器、放大器、调制器等；再者利用非线性效应可以器、调制器等；再者利用非线性效应可以克服色散的影响，实现高码速、长距离传克服色散的影响，实现高码速、长距离传输。输。第106页，共152页，编辑于2022年，星期日例如，光弧子通信就是利用非线性与例如，光弧子通信就是利用非线性与色散效应对光脉冲的影响效果相反，使光色散效应对光脉冲的影响效果相反，使光脉冲宽度在传输过程中保持不变，实现超脉冲宽度在传输过程中保持不变，实现超窄光脉冲通信。窄光脉冲通信。（光脉冲宽度只有（光脉冲宽度只有fs，1fs=1015s，称，称为飞秒）。为飞秒）。第107页，共152页，编辑于2022年，星期日2什么是光纤的非线性效应什么是光纤的非线性效应线性或非线性指的是光在传输介质中线性或非线性指的是光在传输介质中传输介质的性质，而非光本身的性质。传输介质的性质，而非光本身的性质。当介质受到强光场的作用时，组成介当介质受到强光场的作用时，组成介质的原子或分子内的电子相对于原子核发质的原子或分子内的电子相对于原子核发生微小的位移或振动，使介质产生极化。生微小的位移或振动，使介质产生极化。第108页，共152页，编辑于2022年，星期日也就是说光场的存在使得介质的特性也就是说光场的存在使得介质的特性发生了变化。发生了变化。极化后的介质内出现了偶极子，这些极化后的介质内出现了偶极子，这些偶极子能辐射出相应频率的电磁波。偶极子能辐射出相应频率的电磁波。这种感生的辐射场叠加到原入射场后，这种感生的辐射场叠加到原入射场后，便是介质内的总光场。介质特性的改变又便是介质内的总光场。介质特性的改变又反过来影响了光场。反过来影响了光场。第109页，共152页，编辑于2022年，星期日图图10-22 P与与E的关系图的关系图第110页，共152页，编辑于2022年，星期日10.4.2非线性效应的影响非线性效应的影响光纤的非线性效应可分为弹性非线性光纤的非线性效应可分为弹性非线性效应和受激非弹性散射效应。效应和受激非弹性散射效应。弹性非线性效应是指在作用过程中电弹性非线性效应是指在作用过程中电磁场和介质之间无能量交换，只是产生新磁场和介质之间无能量交换，只是产生新的频率。的频率。第111页，共152页，编辑于2022年，星期日受激非弹性散射效应是指光纤在受光受激非弹性散射效应是指光纤在受光强度激发过程中，光场的部分能量转移给强度激发过程中，光场的部分能量转移给非线性介质，即这种散射效应不仅产生新非线性介质，即这种散射效应不仅产生新的频率，而且还发生能量转移。的频率，而且还发生能量转移。第112页，共152页，编辑于2022年，星期日1弹性非线性效应对折射率的影弹性非线性效应对折射率的影响响当光场很强时，当光场很强时，E很大，很大，n就变成非线就变成非线性。性。折射指数对光强度的依赖特性引起多折射指数对光强度的依赖特性引起多种非线