光纤通信系统-第10章光纤通信新技术

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1、第10章光纤通信新技术20世纪90年代以来，光纤通信得到了迅速的发展，新技术不断涌现。关于光波分复用技术、通信网、全光网络技术己在前面相关章节中介绍。本章主要介绍光放大技术、光纤色散补偿技术、光交换技术、相干通信、光孤子通信等一些己经实用或有应用前景的新技术。10.1光纤放大器光信号在光纤中传输吋，不可避免会在存在着一定的损耗和色散，损耗导致光信号能量的降低，色散使信号展宽，从而限制了通信传输距离与码速的提高。因此，隔一定的距离就需没立一个中继器，以便对信号进行放大和再生。解决这问题的常规方法是FI前采用的光电屮继器。光电屮继器采用的是

2、光/电/光的变换和处理方式，这种方式已经满足不了现代电信传输的要求。补偿光纤损耗的最有效方法是用光放大器直接对光信号进行放大。至今已经研究山的光放大器有两大类：半导体光放大器和光纤放大器。每种又有几种不同的应用结构和形式，如图10.1所示。图10.1光放大器类型相比之下，波长为1550nm的掺餌光纤放大器（EDFA，ErbiumDopedFiberAmplifier得到了最为广泛的应用。10.1.1EDFA的工作原理EDFA主要由掺餌光纤（EDF）、泵浦光源、耦合器、隔离器等组成，如图10.2所示。图10.2EDFA的基本组成光耦合器的

3、作用是将信号光和泵浦光合在一起：光隔离器的作用是抑止光反射，以确保光放大器工作稳定，对它的要求是插入损耗低、与偏振无关、隔离度优于40dB。当较弱的信号光和较强的泵浦光一起输入进EDF时，泵浦光激活EDF中的餌粒子，在信号光子的感应下，餌粒子产生受激辐射，跃迁到基态，将一粒一粒的光子注入进信号光屮,完成放大作用。在餌粒子受激辐射过程中，有少部分粒子以自发辐射形式自己跃迁到基态，产生带宽极宽而且杂乱无章的光子，并在传播中不断扩大，从而形成了自发辐射噪声，并消耗了部分泵浦功率。因此，需设光滤波器，以降低噪声对系统的影响。目前应用的光滤波器带

4、宽一般为1〜3nm。10.1.2EDFA特性EDFA的基本特性有增益特性、输岀功率特性和噪声特性。1.增益特性增益特性表示了放大器的放大能力，其定义为输出功率与输入功率之比。EDFA的增益大小与多种因素有关，通常为15〜40dB。图10.3表示了信号增益与泵浦光功率的关系。图10.3增益（G）与泵浦光功率的关系小信号输入时的增益系数大于大信号输入时的增益系数。若定义增益为零时的泵浦光功率为泵浦阈值功率Pth,则当泵浦光功率Pp满足Pp/Pth大于3时，放大器增益出现饱和，即泵浦功率增加很多，而增益基本保持不变。此时放大器的增益效率（阁屮

5、曲线的斜率）将随着泵浦功率的增加而下降。阁10.4给出了增益与光纤长度的关系。图10.4增益(G)与掺餌光纤长度的关系开始时增益随掺餌光纤长度的增加而上升，但光纤超过了一定长度之后，增益反而逐渐下降，因此存在一个可获得最佳增益的最佳长度。这一长度只能是最大增益长度，而不是掺铒光纤的最佳长度，因为还牵涉到其他诸如噪声等的特性。1.输出功率特性理想的光放大器，不管输入功率多高，光信号都能按同一比例被放大，但实际的EDFA却并非如此。当输入功率增加时，受激辐射加快，以至于减少了粒子反转数，使受激辐射光减弱，输出功率趋于平稳。EDFA的输入/输

6、出关系如图10.5所示。阁10.5EDFA的输入/输出关系2.噪声特性EDFA的输出光中，除了有信号光外，还有自发辐射光，它们一起被放大，形成了影响信号光的噪声源，EDFA的噪声主要有以下四种：①信号光的散粒噪声；②被放大的自发辐射光的散粒噪声:③自发辐射光谱与信号光之间的差拍噪声;④自发辐射光谱间的差拍噪声。以上四种噪声中，后两种影响最大，尤其是第三种噪声是决定EDFA性能的主要因素。衡量EDFA的噪声特性可川噪声指数F来度量。其定义力EDFA的输入信噪比与输出信噪比的比值。它与同相传输的自发辐射频谱密度和放大器增益密切相关。10.1

7、.1EDFA基本结构EDFA的A部按泵浦方式分，有三种基本的结构：即同叫泵浦、反叫泵浦和双叫泵浦。1.同向泵浦这是一种信号光与泵浦光以同一方向从掺餌光纤的输入端注入的结构，也称为前向泵浦，如图10.6所示。图10.6同向泵浦式EDFA2.反向泵浦这是一种信号光与泵浦光从两个不同方向注入进掺餌光纤的结构，也称后向泵浦，如图10.7所示。图10.7反向泵浦式EDFA3.双向泵浦这是-种同向泵浦和反向泵浦同吋泵浦的-种结构，如图10.8所示。图10.8双向泵浦式EDFA4.三种泵浦方式的性能比较(1)信号输出功率与泵浦功率图10.9表示了三种

8、泵浦方式的信号输出功率与泵浦功率的关系。由于这三种方式的微分转换效率(即图屮曲线斜率)不同，因此在同样泵浦条件下，同向泵浦式EDFA的输出最低。图10.9信号输岀功率与泵浦功率的关系(2)噪声特性图10.1