光纖通信器件系統(tǒng)和網(wǎng)絡.ppt

1、,光纖通信器件、系統(tǒng)和網(wǎng)絡,上海交通大學 “區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)” 國家重點實驗室 陳建平 Tel：62827183 E-mail：,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,1、光纖通信發(fā)展歷程 簡要回顧,101,107,102,106,103,105,104,104,105,103,106,102,107,101,108,100,109,10-1,1010,10-2,1011,10-3,1012,10-4,1013,10-5,1014,10-6,1015,ELF,VF,VLF,LF,MF,HF,VHF

2、,UHF,SHF,EHF,自由空間波長，m,頻率，Hz,電力、電話,無線電、電視,微波,紅外,可見光,雙鉸線,同軸電纜,光纖,衛(wèi)星/微波,AM無線電,FM無線電,通信波段劃分及相應傳輸媒介,頻段劃分,傳輸介質,傳 輸 技 術 的 演 進 模擬信號數(shù)字傳輸：高質、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

3、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),O/E/O,光 纜,E M U X,光發(fā)送,再生 中繼,再生 中繼,E D M U X,電復用 電解復用,光接收,(2)光電混合型光纖傳輸系統(tǒng),(3)DWDM光纖傳輸系統(tǒng),O M U X,O D M U X,OA,OA,OA,光發(fā)送,光發(fā)送,光發(fā)送,，,光接收,光接收,光接收,TX,EDFA,EDFA,TX,TX,TX,TX,TX,TX,TX,40km,40km,40km,40km,40km,40km,40km,40km,40km,TX,TX,TX,TX,TX,TX,TX,TX,M U X,120 km,12

4、0 km,120 km,WDM+EDFA 革新了光纖傳輸,D E M, 20多年來光纖通信技術在發(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）。 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,在單纖傳輸容量方面,2、光纖通信的最新進展,DWDM及相關技術在90年代中期開始走向成熟并進入商業(yè)化應用。 AT w2=1.931e14+1e11; w3=1.931e14+2.6e11; w5=1.931e14+3.4e11; L=50km,四波混頻模擬結果,光纖長度50公里,DWDM光纖傳輸系

5、統(tǒng)色散補償,O M U X,O D M U X,OA,光發(fā)送,光發(fā)送,光發(fā)送,光接收,光接收,光接收,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（Selfoc Lens）,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)。 Selfoc Lens 通過對光束進行擴束，達到準直目的。,P/4 自聚焦透鏡,光纖,單模光纖準直器結構,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用,光波分復用器,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

6、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)的技術要求,e.g. 采用EDFA的32波長DWDM系統(tǒng)各信道的頻率安排如下：,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,1,

7、4,3,2,0 (監(jiān)管信道),干涉濾光膜,116,115,16,干涉濾光膜型DWDM的一種工藝方案,114,15,二、光柵型波分復用器,輸入光,1,4,3,2,1. 體光柵型,2. 光纖光柵型,布拉格光柵,116,115,16,16,16,115、16,115、16,FBG,環(huán)形器,光纖光柵的應用,三、陣列波導光柵型波分復用器(AWG),光開關,光開關類型,1、機械式光開關,移動光纖、套管或自聚焦透鏡式,電磁驅動、壓電陶瓷驅動等,移動反射鏡、透射鏡式,2、磁光、電光效應式光開關,3、集成光學光開關,集成光波導光開關（電光、熱光）,M-Z型光開關,MEMS,用DWDM+光開關可構成OADM、OX

8、C等光交換系統(tǒng),本節(jié)點信息,輸入光纖 1234,DEM,MUX,輸出光纖 1234,1,1,2,2,3,3,4,4,RX,TX,1 2 3 4,1 2 3 4,1 2 3 4,1 2 3 4,1,2,3,4,1,2,3,4,動態(tài)交叉連接,光開關,光隔離器和環(huán)行器,Faraday效應：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。具有這種效應的材料叫磁光材料。 磁光材料引起的光偏振面旋轉方向取決于外加磁場，與光的傳播方向無關（非互易）。 這種效應與材料的固有旋光效應不同，在固有旋光效應材料中，旋轉方向取決于光的傳播方向，與外加磁場無關(互易)。,外加磁場,外加磁場,Far

9、aday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）,光隔離器的原理,外加磁場,外加磁場,450,起偏器,解偏器,偏振無關光隔離器的工藝結構,RR(450) FR (450),RR(450) FR (450),o,e,e,e,o,o,o,e,PBS,RR(450) FR (450),e,e,o,o,RR(450) FR (450),o,e,o,e,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)行器的應用,啁啾光柵,色散補償,Tx,Rx,Rx,Tx,單纖雙向系統(tǒng),波

10、長間插器（Inter Leaver）,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,1 2 N,1 3 N-1,1 2 N,2 4 N,1 3 N-1,1 2 N,2 4 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 980/1550nm WDM,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)5771：鑭La、鐠Pr、釹Nd、鉺Er

11、、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，而不是光纖本身。,980nm,1s 10ms,15201560 nm,4I11/2,4I15/2,4I13/2,EDFA的能帶結構和光放大原理,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

12、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用。 能量轉換效率高：激光工作物質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

13、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,1.53 1.54 1.55 1.56, (m),增益,dB,20 10,EDFA,輸入光纖,輸出光纖,EDFA在WDM系統(tǒng)中的應用,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換成電信號進行處理，代替了光-電-光中繼，使成本降低，設備簡化，維護運轉方便。 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?增加

14、每波長傳輸速率 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?光纖喇曼放大器是實現(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，最大值所對應的頻率比泵浦頻率低13.2THz（波長間隔約100nm）,P,Pum

15、p,Signal,EDFA,Distributed Amp.,Discrete Amp.,分布式喇曼光纖放大器原理框圖,Equalizer,SRS的閾值功率是一個相對值，它與光纖的材料、結構參數(shù)和長度等有關。 普通單模光纖的泵浦閾值功率一般在0.51W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鍵。,0,0.5,1,1.5,2,2.5,x 10,4,0,0.05,0.1,0.15,0.2,0.25,length (m),stocks and pump power (W),P-L,泵浦源解決方案： Fiber Laser：DCFL，Raman

16、 FL。 Compact DPSSL Diode Pumps組合 泵浦供應商：JDS，SDL，SPECTRA-PHYSICS,喇曼光纖放大器的關鍵技術,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（Si Fiber，P-doped Fiber）。,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；泵浦波長應進行優(yōu)化設計。 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技術的發(fā)展，喇曼光纖放大器將成為一

17、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鍵。 在推向實用化之前，還有很多技術和工藝問題需要解決。,半導體光放大器和 波長轉換器,SOA:Semiconductor Optical Amplifier,無光學諧振腔的半導體LD，在驅動電流作用下，形成布居反轉，通過受激輻射產(chǎn)生光放大。 SOA的中心波長與材料、器件結構有關。,工作原理,用于光纖傳輸系統(tǒng)(1310nm或其它波長) 需解決耦合、偏振相關等問題。 用于PIC(Photonic Integrated Circuits) lase

18、r/EA array (含Star Coupler), AWG(arrayed Waveguide grating), Detector array等。 溫度穩(wěn)定性：可采用量子阱結構。,原理：有泵浦通，無泵浦斷 唯一的高速光開關，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,SOA1,SOA2,延遲線,在多波長DWDM光網(wǎng)絡中，采用波長轉換可解決阻塞問題，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 0 dBm） 輸入/輸出波長間隔大 比特率透明 能實現(xiàn)同一波長轉換 SOA波長

19、轉換器有基于XGM、XPM和FWM等,SOA波長轉換器,原理：由于增益飽和作用，輸入的AM調制信號實際上調制了SOA的增益，從而使另一束CW光的輸出幅度產(chǎn)生相應變化。,XGM波長轉換器,輸入光功率,增益,SOA,CW,C,S,C,SOA,CW,S,C,C,同向,反向,SOA波長轉換器原理,SOA波長轉換器的帶寬 由于該類波長轉換器(XGM/XPM)均為帶內(nèi)復合，因此轉換速率與載流子濃度有關，從而影響調制帶寬。 長腔比短腔有利，但工作電流大，易燒壞。 影響帶寬的其它因素：電流、輸入功率、限制因子、差分增益等。,消光比：由于差分增益的不同，從長波長短波長的消光比要比從短波長長波長大。 XGM波長轉換器的消光比較差，尤其對短波長長波長,20 15 10 5 0,消光比(c )，dB,-30 -20 -10 0 10 20 30 c - s,25 20 15 10 5,增益，dB,SOA有源區(qū)載流子濃度的變化引起折射率變化，從而導致CW光的相位隨之規(guī)劃。采用Mach-Zehndle