第 7 章 光纤通信新技术 7.1 光放大器 7.2 光波分复用技术 7.3 光交换技术 7.4 光孤子通信 7.5 相干光通信技术 第 7 章 光纤通信新技术 7.1 光放大器 7.2 光波分复用技术 7.3 光交换技术 7.4 光孤子通信 7.5 相干光通信技术 7.6 光时分复用技术 7.7 波长变换技术 返回主目录

第 7 章 光纤通信新技术 光纤通信发展的目标是提高通信能力和通信质量，降低价格，满足社会需要。进入20世纪90年代以后，光纤通信成为一个发展迅速、 技术更新快、新技术不断涌现的领域。 本章主要介绍一些已经实用化或者有重要应用前景的新技术，如光放大技术，光波分复用技术，光交换技术，光孤子通信，相干光通信，光时分复用技术，波长变换技术和无源光网络（PON）技术（第8章）等等。

7.1 光放大器 7.1.1 光放大器概述 7.1.2 掺铒光纤放大器EDFA 7.1.3 半导体光放大器SOA 7.1 光放大器 7.1.1 光放大器概述 7.1.2 掺铒光纤放大器EDFA 7.1.3 半导体光放大器SOA 7.1.4 光纤拉曼放大器FRA

7.1.1 光放大器概述

7.1.1 光放大器概述

7.1.1 光放大器概述 光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要里程碑。 7.1.1 光放大器概述 光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要里程碑。 光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光－电－光(O-E-O)变换方式。 装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道，在WDM系统中复杂性和成本倍增。 可实现3R中继。 3R regenerator：Reamplifier、Reshaping、Retiming。 光放大器（O-O） 多波长同时放大、低成本，只能实现1R中继。

光放大器的重要性 动机：解决电中继器设备复杂、维护难、成本高的问题 历史：以1985年英国南安普顿大学首先研制 成功的掺铒光纤放大器 David Payne 历史：以1985年英国南安普顿大学首先研制 成功的掺铒光纤放大器 (Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA) 代表的全光放大技术是光纤通信技 术上的一次革命 影响：光放大器最重要的意义在于促使波分复用技术 (WDM) 走向实用化、促进了光接入网的实用化

光放大器的重要性 EDFA在DWDM系统中的应用 TDM系统 DWDM系统 120 km 120 km 120 km TX RX Reg

光放大器的原理 光放大器的功能：提供光信号增益，以补偿光信号的传输衰减，增大系统的无中继传输距离。 在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数反转（非线性光纤放大器除外），然后通过受激辐射实现对入射光的放大。 光放大器是基于受激辐射（或受激散射）原理实现对入射光信号放大的一种器件。其机制与激光器完全相同。实际上，光放大器在结构上是一个没有反馈或反馈较小的激光器。 光放大器与激光器的唯一区别就是光放大器没有正反馈机制

光放大器的类型 利用稀土掺杂的光纤放大器（EDFA、PDFA） 利用半导体制作的半导体光放大器（SOA） 利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器（FRA、FBA） ( FBA: Fiber Brillouin Amplifier) EDFA SOA

几种光放大器的比较 放大器类型 原理 激励方式 工作长度 噪声特性 与光纤耦合 与光偏振关系 稳定性 掺稀土光纤放大器 粒子数反转 光 数米到数十米 好 容易 无 半导体光放大器 电 100m~1mm 差 很难 大 光纤(喇曼)放大器 光学非线性(喇曼)效应 数千米

光放大器的应用 线路放大(In-line)：周期性补偿各段光纤损耗 功率放大(Boost)：增加入纤功率,延长传输距离 前置预放大(Pre-Amplify):提高接收灵敏度 局域网的功率放大器：补偿分配损耗，增大网络节点数

研究新热点 展宽带宽：C-band 40nm, L-band 再加40nm； 均衡功能：针对点对点系统的增益均衡，针对全光网的功率均衡； 监控管理功能：在线放大器，全光网路由改变； 动态响应特性； 其它波段的光纤放大器，如Raman放大器。

光纤的波段 当前使用的单模石英光纤，如G.652C，G.652D，已经基本消除氢氧根吸收峰，它们的传输带宽，可以从1260nm到1675nm，共有415nm宽度。一般把这415nm宽度划分成O、E、S、C、L、U六个波段，具体划分方法如下； 初始(O)波段 1260nm-1360nm 扩展(E)波段 1360nm-1460nm 短(S)波段 1460nm-1530nm 常规(C)波段 1530nm-1565nm 长(L)波段 1565nm-1625nm 超长(U)波段 1625nm-1675nm 当前各国光纤通信大都运用在C与L波段，而且仅使用其中的一小部分，还有大部分频率未曾使用。

7.1 光放大器 7.1.1 光放大器概述 7.1.2 掺铒光纤放大器EDFA 7.1.3 半导体光放大器SOA 7.1 光放大器 7.1.1 光放大器概述 7.1.2 掺铒光纤放大器EDFA 7.1.3 半导体光放大器SOA 7.1.4 光纤拉曼放大器FRA

7.1.2 掺铒光纤放大器EDFA 掺杂光纤放大器利用掺入石英光纤的稀土离子作为增益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放大，放大器的特性主要由掺杂元素决定。 工作波长为1550nm的铒(Er)掺杂光纤放大器(EDFA) 工作波长为1300nm的镨(Pr)掺杂光纤放大器(PDFA) 工作波长为1400nm的铥(Tm)掺杂光纤放大器(TDFA) 目前，EDFA最为成熟，是光纤通信系统必备器件。

掺铒光纤放大器给光纤通信领域带来的革命 EDFA解决了系统容量提高的最大的限制—光损耗 补偿了光纤本身的损耗，使长距离传输成为可能 大大增加了功率预算的冗余，系统中引入各种新型光器件成为可能 支持了最有效的增加光通信容量的方式—WDM 推动了全光网络的研究开发热潮

为什么要用掺铒光纤放大器 工作频带正处于光纤损耗最低处(1525-1565nm)； 频带宽，可以对多路信号同时放大—支持波分复用； 对数据率/格式透明，系统升级成本低； 增益高(>40dB)、输出功率大(~30dBm)、噪声低(4~5dB)； 全光纤结构，与光纤系统兼容； 增益与信号偏振态无关，故稳定性好； 所需的泵浦功率低(数十毫瓦)。

EDFA的优点

EDFA的工作原理 EDFA采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大。 Input signal 1530nm-1570nm Amplified output signal Fiber containing erbium dopant Power laser (Pump) 980nm or 1480nm 信号光与波长较其为短的光波(泵浦光)同沿光纤传输，泵浦光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能级，并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号光沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。

EDFA中的Er3+能级结构 泵浦波长可以是520、650、800、980、1480nm 波长短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。 铒离子简化能级示意图 泵浦能带 吸收泵浦光 快速非辐射跃迁 亚稳态能带 1480nm 自发辐射产生噪声 受激吸收 受激辐射光放大 980nm 1520～1570nm 基态能带

掺铒光纤放大器 (EDFA) 原理：把泵浦光能量转化为信号光能量 工作范围：1300 ~ 1560 nm 泵浦能带 快速非辐射跃迁 亚稳态能带 hv hv 980 nm hv hv hv hv hv hv 铒离子的三能带结构 4 23

掺铒光纤放大器的基本结构 掺铒光纤：当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时，Er3+从低能级被激发到高能级上，由于在高能级上的寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较低能级（亚稳态能级）上，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。 半导体泵浦二极管：为信号放大提供足够的能量，使物质达到粒子数反转。 波分复用耦合器：将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。 光隔离器：使光传输具有单向性，放大器不受发射光影响，保证稳定工作。

三种泵浦方式的EDFA 同向泵浦(前向泵浦)型：好的噪声性能 反向泵浦(后向泵浦)型：输出信号功率高 LD2 WDM2 EDF APC in out LD1 WDM1 LD WDM 同向泵浦(前向泵浦)型：好的噪声性能 反向泵浦(后向泵浦)型：输出信号功率高 双向泵浦型：输出信号功率比单泵浦源高3dB，且放大特性与信号传输方向无关

由于光纤对1480nm的光损耗较小，所以1480nm泵浦光又常用于遥泵方式。 Multistage EDFA Remote Pumping 由于光纤对1480nm的光损耗较小，所以1480nm泵浦光又常用于遥泵方式。

图7.3(b) 实用光纤放大器构成方框图 光输入 电源 监视和 告警电路 泵浦监视 和控制电路 泵浦 LD P D 探测器 输入隔离器 输入 WDM 输出耦合器 输出隔离器 输出 掺铒 光纤 热 沉 光输入 ＋5 V 0 V －5 V 电源 监视 激光器驱动输入 光输出 图7.3(b) 实用光纤放大器构成方框图

EDFA的工作特性 光放大器的增益 光放大器的噪声 EDFA的多信道放大特性 EDFA的大功率化

一、光放大器的增益 增益G是描述光放大器对信号放大能力的参数。定义为： G与光放大器的泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入光信号有很复杂的关系。 输出信号光功率 输入信号光功率

增益G与输入光信号功率的关系 输入光功率较小时，G是一常数(30dB)，即输出光功率PS,OUT与输入光功率PS,IN成正比例。G0为光放大器的小信号增益。 G0 饱和输出功率：放大器增益相对小信号增益下降3dB时的输出功率。 3dB Pout,sat 当PS,IN增大到一定值后，光放大器的增益G开始快速下降。增益饱和现象。 饱和区域

增益G与输入光波长的关系 增益谱G()：增益G与信号光波长的关系。光放大器的增益谱不平坦。

小信号增益随泵浦功率而变的曲线 对于给定的放大器长度（EDF长度），增益随泵浦功率在开始时按指数增加，当泵浦功率超过一定值时，增益增加变缓，并趋于一恒定值。

因此，在EDFA设计中，需要在掺铒光纤结构参数的基础上，选择合适的泵浦功率和光纤长度，使放大器工作于最佳状态。 小信号增益随放大器长度而变的曲线 当泵浦功率一定时，放大器在某一最佳长度时获得最大增益，如果放大器长度超过此值，由于泵浦的消耗，最佳点后的掺铒光纤不能受到足够泵浦，而且要吸收已放大的信号能量，导致增益很快下降。 因此，在EDFA设计中，需要在掺铒光纤结构参数的基础上，选择合适的泵浦功率和光纤长度，使放大器工作于最佳状态。

二、放大器的噪声 所有光放大器在放大过程中都会把自发辐射（或散射）叠加到信号光上，导致被放大信号的信噪比（SNR）下降，其降低程度通常用噪声指数Fn来表示，其定义为： 主要噪声源：放大的自发辐射噪声（ASE），它源于放大器介质中电子空穴对的自发复合。 自发复合导致宽谱背景噪声。 ASE ：Amplified Spontaneous Emission

EDFA放大1540nm波长信号时产生的影响 ASE噪声叠加在信号上，导致信噪比下降。 宽谱光源

ASE噪声 信号光和ASE噪声一同输入到光检测器中进行检测，各种频率分量相互拍频： 因此，在PD之后，ASE 带来的噪声包括： 它们落在检测器带宽内降低接收机的信噪比 nsp粒子数反转因子，F是光放大器的噪声系数 解决办法：通过一个带通滤波器 抑制ASE噪声功率 37 7

三、 EDFA的多信道放大特性 EDFA的增益恢复时间g~10ms (SOA的g=0.1~1ns), 其增益不能响应调制信号的快速变化，四波混频效应也很小，所以在多信道放大中不引入信道间串扰(SOA则不然)，是其能够用于多信道放大的关键所在。 EDFA对信道的插入、分出或无光故障等因素引起的输入光功率的变化（较低速变化）能产生响应--瞬态特性。在系统应用中应予以控制--增益钳制。

EDFA的级联特性 信道间增益竞争，多级级连使用导致“尖峰效应” 多信道放大中存在的其它问题： 增益平坦 增益钳制 高的输出功率

增益平坦 增益谱的形状随信号功率而变，在有信道插入、分出的动态情况下，失衡情况更加严重 固有的增益不平坦，增益差随级联放大而积累增大 各信道的信噪比差别增大 1544 1569 各信道的接收灵敏度不同 典型的EDFA增益谱 增益谱的形状随信号功率而变，在有信道插入、分出的动态情况下，失衡情况更加严重

光发射机 N 1 2 3 光接收机 EDFA 光功率 波长 光功率 波长 BER 总接收光功率

增益平坦/均衡技术(1) 1. 滤波器均衡： 采用透射谱与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器使增益平坦, 如：薄膜滤波、紫外写入长周期光纤光栅、周期调制的双芯光纤等。 只能实现静态增益谱的平坦，在信道功率突变时增益谱仍会发生变化。 EDFA + 均衡器 → 合成增益

增益平坦/均衡技术(2) 2. 新型宽谱带掺杂光纤： 2. 新型宽谱带掺杂光纤： 如掺铒氟化物玻璃光纤（30nm平坦带宽）、铒/铝共掺杂光纤（20nm平坦带宽）等， 静态增益谱平坦，掺杂工艺复杂。 3. 声光滤波调节： 根据各信道功率，反馈控制放大器输出端的多通道声光带阻滤波器，调节各信道输出功率使之均衡，动态均衡需要解复用、光电转换、结构复杂，实用性受限。

增益平坦/均衡技术(3) 4. 预失真技术 不灵活，传输链路变换后，输入功率也要随之调整

增益钳制 EDFA对信道的插入、分出或信道无光故障等因素引起的输入光功率的变化（较低速变化）能产生响应--瞬态特性 瞬态特性使得剩余信道获得过大的增益，并输出过大的功率，而产生非线性，最终导致其传输性能的恶化--需进行自动增益控制

增益钳制技术(1) 电控：监测EDFA的输入光功率，根据其大小调整泵浦功率，从而实现增益钳制，是目前最为成熟的方法。 In Out EDFA LD Pump 泵浦控制均衡放大器（电控）

增益钳制技术(2) 在系统中附加一波长信道，根据其它信道的功率，改变附加波长的功率，而实现增益钳制。 注入激光

四、EDFA的大功率化(1) WDM系统要求EDFA具有足够高的输出功率，以保证各信道获得足够的光功率。 方法：多级泵浦 22 19 16 输出功率（dBm） 1540 1570

EDFA的大功率化(2) 双包层光纤是实现高功率EDFA的重要技术，信号光在中心的（掺铒）纤芯里以单模传播，而泵浦光则在纤芯和内包层中以多模传输。 =0.7% =1.3% 纤芯 内包层 外包层 芯层：5m 内包层： 50m 内包层的作用：一是包绕纤芯，将信号光限制在纤芯内；二是将泵浦光耦合到内包层，并反复穿越单模纤芯，被掺杂离子吸收，形成粒子数反转而实现增益。利用了行波放大原理。 用于制作大功率EDFA的双包层光纤结构图

EDFA的宽带化

长波段（L-band）掺铒光纤放大器 L波段的造价甚高的原因：低反转水平，需长掺铒光纤，强泵浦，此波段其它光器件价格较高。

7.1 光放大器 7.1.1 光放大器概述 7.1.2 掺铒光纤放大器EDFA 7.1.3 半导体光放大器SOA 7.1 光放大器 7.1.1 光放大器概述 7.1.2 掺铒光纤放大器EDFA 7.1.3 半导体光放大器SOA 7.1.4 光纤拉曼放大器FRA

7.1.3 半导体光放大器SOA SOA也是一种重要的光放大器，其结构类似于普通的半导体激光器。 R1 R2 I 半导体光放大器示意图 半导体光放大器的放大特性主要决定于激光腔的反射特性与有源层的介质特性。 根据光放大器端面反射率和工作偏置条件，将半导体光放大器分为：----法布里－珀罗放大器(FP－SOA) ----行波放大器(TW－SOA)

F-P半导体光放大器 入射光从左端面进入，通过具有增益的有源层，到达右端面后，部分从右端面反射，然后反向通过有源层至左端面，部分光从右端面出射，其余部分又从端面反射，再次通过有源层，如此反复，使入射光得到放大。 多峰值、带宽窄，不适合通信系统应用，只可用于一些信号处理。

行波半导体光放大器 TW－SOA与FP－SOA的区别在于端面的反射率大小， TW－SOA具有极低的端面反射率，通常在0.1%以下。 对光信号偏振态的敏感性； 对光信号增益的饱和性。

行波半导体光放大器

SOA增益偏振相关性

SOA增益偏振相关性

SOA增益偏振相关性 降低SOA偏振灵敏性的方法 相同结构SOA互相垂直并接，在输入端采用偏振分束器将信号分成TE和TM偏振信号,分别输入至相互垂直的SOA，然后将两只SOA放大的TE和TM偏振信号合成，得到与输入光同偏振态的放大信号。 相同结构SOA互相垂直串接，所得增益将与偏振无关 输入光信号往返两次通过同一SOA，但反向通过前，采用法拉第旋转器使返回光旋转900 降低SOA偏振灵敏性的方法

SOA的应用 多信道放大中存在问题 其他应用： 光波长转换（XGM, XPM, FWM） 噪声大 信道串扰(交叉增益调制XGM、四波混频FWM) 增益饱和引起信号畸变 其他应用： 光波长转换（XGM, XPM, FWM） 光开关：直接调制SOA的注入电流实现光的通断。特点：高速、无损 光信号处理器件。

SOA Product

7.1 光放大器 7.1.1 光放大器概述 7.1.2 掺铒光纤放大器EDFA 7.1.3 半导体光放大器SOA 7.1 光放大器 7.1.1 光放大器概述 7.1.2 掺铒光纤放大器EDFA 7.1.3 半导体光放大器SOA 7.1.4 光纤拉曼放大器FRA

7.1.4 光纤拉曼放大器FRA 拉曼现象在1928年被发现。 90年代早期，EDFA取代它成为焦点，FRA受到冷遇。 人们对FRA的兴趣来源于这种放大器可以提供整个波段的放大。通过适当改变泵浦激光波长，就可以达到在任意波段进行宽带光放大，甚至可在1270～1670nm整个波段内提供放大。

光纤拉曼放大器 光功率(dB) 波长 1550nm 1550nm 经光纤传输衰减的光 光纤 (a)无泵激光的1550nm传输 波长 光功率(dB) 1550nm 1450nm 1450nm 1550nm 如果一个弱信号和一个强泵浦光同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，则弱信号即可被放大。这种基于SRS(受激拉曼散射)机制的光放大器称为光纤拉曼放大器FRA。 光纤 (b)有泵激光的1550nm传输

光纤拉曼放大器原理简介(1) FRA原理简介： 物理机制： A.光纤拉曼散射效应（SRS) 一个入射光子（pump)的湮灭，产生一个下移stokes频率的光子和另一个具有相当能量和动量的光学声子 B.与pump光子相差stokes频率的信号光子，经受激散射过程被放大 FRA是靠非线性散射实现放大功能，不需要能级间粒子数反转

光纤拉曼放大器原理简介(2) 频率为p和s的泵浦光和信号光通过耦合器输入光纤，当这两束光在光纤中一起传输时，泵浦光的能量通过SRS效应转移给信号光，使信号光得到放大。 峰值增益频移：～13.2THz 反向泵浦为主，也可同向泵浦 支撑技术: 14nm的大功率泵浦激光器，目前已取得实用化

Properties of Raman Scattering in Fibers 特性： 在所有类型光纤中都会发生 峰值增益频移~13 THz (60-100nm) 增益具有偏振依赖性，当泵浦光与信号光偏振方向平行时 增益最大，垂直时增益最小为零 增益谱很宽(125nm)但并不平坦

光纤拉曼放大器－超低噪声放大原理 脉 冲 幅 度 z FRA以传输光纤作为放大介质－分布式放大，从而实现一种“无损耗”传输（可降低入纤光功率，避免非线性效应） 集中放大 Nonlinear Effects 脉 冲 幅 度 分布放大 分立放大的缺点：泵浦功率大(W),对光纤损害. Noise High z

Raman Amplifiers 分布放大 分立放大

光纤拉曼放大器－宽带放大原理 机制：拉曼增益与泵浦波长相关 方法：多波长泵浦 增益：各个泵浦波长拉曼增益谱的加权和（以dB为单位）

Ultraflat amplifier

光纤拉曼放大器的泵浦要求 高能量输出。 消偏输出和偏振混合输出。（拉曼散射增益具有偏振依赖性） 泵浦波长至关重要。信号光在1300nm波段时，最佳泵浦波长约在1220～1240nm，而在1550nm波段时，最佳泵浦波长约在1440～1460nm左右处。高功率双包层拉曼光纤激光器是最佳的泵浦源。

光纤拉曼放大器特性 Advantages: Disadvantages: 理论上可以得到任意波长的增益，前提是需要合适的泵浦源； 分布或分立放大均能实现； 使用光纤作为放大介质意味着在线放大的可能，可以减少噪声的积累。 Disadvantages: 泵浦功率高（500mW）

Raman放大的优点 （a）增益谱宽：除了覆盖常用的C+L波段，还覆盖了S和S+波段。而常用的EDFA一般只能单独放大C波段或者L波段； （b）增益谱与介质无关：增益谱不是由特定的掺杂元素决定，只要有合适的泵浦光源，光纤透明窗口内任何位置上的信号都可得到放大； （c）增益平坦； （d）噪声低。

Raman放大的缺点 （1）增益较低，需要与EDFA配合使用； （2）泵浦转化效率低，需要瓦级高功率泵浦激光器。

光纤放大器比较

宽带Raman+EDFA光放大器 Raman 放大器 C band EDFA pump filter Raman Fiber

Raman+EDFA光放大器增益曲线

几种光放大器的比较 放大器类型 原理 激励方式 工作长度 噪声特性 与光纤耦合 与光偏振关系 稳定性 掺稀土光纤放大器 粒子数反转 光 数米到数十米 好 容易 无 半导体光放大器 电 100m~1mm 差 很难 大 光纤(喇曼)放大器 光学非线性(喇曼)效应 数千米 最好