第5章波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)

1、 光纖通信光纖通信 原理與應(yīng)用原理與應(yīng)用 第5章 波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng) 第5章 波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng) 5.1 光纖通信系統(tǒng)新技術(shù)簡(jiǎn)述 5.2 波分復(fù)用（WDM）技術(shù) 5.3 光中繼器 5.1 5.1 光纖通信系統(tǒng)新技術(shù)簡(jiǎn)述光纖通信系統(tǒng)新技術(shù)簡(jiǎn)述從20世紀(jì)90年代起，光纖通信進(jìn)入了一個(gè)發(fā)展十分迅速、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)的新階段。本章簡(jiǎn)要介紹多信道復(fù)用光纖通信系統(tǒng)、微波副載波復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)、相干光通信系統(tǒng)、光纖孤子通信系統(tǒng)的基本概念和發(fā)展?fàn)顩r。 1 1多信道復(fù)用光纖通信技術(shù)多信道復(fù)用光纖通信技術(shù) （1）光波分復(fù)用（）光波分復(fù)用（OWDM）技術(shù)）技術(shù) 在光域內(nèi)進(jìn)行波長(zhǎng)分割復(fù)用，使不同的信道占用不同的波長(zhǎng)

2、，在單根光纖、多個(gè)波長(zhǎng)上完成多信道復(fù)用，而光信號(hào)的中繼放大則用摻鉺光纖放大器來實(shí)現(xiàn)。該技術(shù)已經(jīng)實(shí)用化。 （2）光時(shí)分復(fù)用（）光時(shí)分復(fù)用（OTDM）技術(shù)）技術(shù) 在光域內(nèi)進(jìn)行時(shí)間分割復(fù)用，使不同的信道占用不同的時(shí)隙，在單根光纖、單個(gè)波長(zhǎng)上完成多信道復(fù)用。由于要在光域內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行選路、識(shí)別、同步等處理，故需要全光邏輯和存儲(chǔ)器件，而這些器件目前尚不成熟，所以O(shè)TDM還在研究之中。 （3）光碼分復(fù)用（）光碼分復(fù)用（OCDM）技術(shù)）技術(shù) 在光域內(nèi)進(jìn)行碼型分割復(fù)用，用不同的碼型代表不同的信道，在單根光纖、單個(gè)波長(zhǎng)上完成多信道復(fù)用。目前，該技術(shù)尚在研究之中。 2微波副載波復(fù)用（微波副載波復(fù)用（SCM）技術(shù)）技

3、術(shù) 在發(fā)送端用基帶電信號(hào)對(duì)微波信號(hào)進(jìn)行幅度、頻率或相位調(diào)制，形成已調(diào)信號(hào)副載波，再將多路已調(diào)信號(hào)副載波合起來共同對(duì)一個(gè)光源進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，然后經(jīng)單根光纖傳輸；在接收端經(jīng)光/電轉(zhuǎn)換后用可調(diào)微波本振信號(hào)混頻進(jìn)行檢測(cè)。3. 相干光通信技術(shù)相干光通信技術(shù) 在發(fā)送端用基帶電信號(hào)對(duì)光載波進(jìn)行幅度、頻率或相位調(diào)制，形成已調(diào)信號(hào)光波，經(jīng)單根光纖傳輸后，在接收端使用本振相干光與已調(diào)信號(hào)光波混頻進(jìn)行相干檢測(cè)。相干光通信對(duì)光源的譜線純度和光頻率的穩(wěn)定性要求非?？量?，其完全實(shí)用化仍有相當(dāng)大的距離。 4. 光纖孤子通信技術(shù)光纖孤子通信技術(shù) 大功率光脈沖輸入光纖時(shí)，可以產(chǎn)生非線性效應(yīng)導(dǎo)致光脈沖壓縮。通過適當(dāng)選擇有關(guān)參數(shù)，并

4、采用光纖放大器來補(bǔ)償光纖損耗，可使非線性壓縮與光纖色散展寬相互抵消，從而使光纖中傳輸?shù)墓饷}沖寬度始終保持不變，這種光脈沖稱為光孤子。利用光孤子作為載波，適合超長(zhǎng)距離、超高速的光纖通信。 目前，世界上已建立了多個(gè)光纖孤子實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，也進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。但從技術(shù)成熟性來看，光纖孤子通信還遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)用水平。5.2 5.2 波分復(fù)用（波分復(fù)用（WDM）技術(shù)）技術(shù)5.2.1 基本概念基本概念 1基本問題基本問題（1）目前常用光纖的低損耗區(qū)寬度 目前單根光纖的低損耗區(qū)寬度約為200 nm。 單個(gè)工作波長(zhǎng)(1.31 m或1.55 m) 占用光纖低損耗區(qū)的波長(zhǎng)范圍最多只有2.5。所以，單波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)沒有充分利

5、用光纖低損耗區(qū)的帶寬資源。（2）采用波分復(fù)用（WDM）方式提高光纖帶寬利用率 波分復(fù)用方式是讓不同波長(zhǎng)的光信號(hào)分別攜帶各自的用戶信息，同時(shí)在一根光纖內(nèi)傳輸。如果光載波間隔為幾個(gè)納米，則一根光纖可以同時(shí)容納幾十個(gè)波長(zhǎng)的光載波信道。2幾種波分復(fù)用的區(qū)別幾種波分復(fù)用的區(qū)別 （1）密集波分復(fù)用（）密集波分復(fù)用（DWDM） DWDM是指頻率間隔為100 GHz (相應(yīng)波長(zhǎng)間隔約為0.80 nm)，信道數(shù)為8,16, 32, 40等的復(fù)用；也可以是頻率間隔為200 GHz (相應(yīng)波長(zhǎng)間隔約為1.60 nm)，信道數(shù)為8,16等的復(fù)用。 （2）粗波分復(fù)用（）粗波分復(fù)用（CWDM） CWDM是指波長(zhǎng)間隔為20

6、 nm (相應(yīng)頻率間隔約為2.50 THz)，信道數(shù)為4, 8或16的復(fù)用。（3）寬帶波分復(fù)用（）寬帶波分復(fù)用（BWDM） BWDM是指不在同一個(gè)低損耗窗口內(nèi)、具有較寬波長(zhǎng)間隔的兩個(gè)波長(zhǎng)的復(fù)用。（4）光頻分復(fù)用（）光頻分復(fù)用（OFDM） OFDM是指1550 nm低損耗窗口內(nèi)更多波長(zhǎng)光信號(hào)的復(fù)用，其頻率間隔為110 GHz，相應(yīng)波長(zhǎng)間隔約為0.0080.08 nm。 5.2.2 波分復(fù)用系統(tǒng)的組成波分復(fù)用系統(tǒng)的組成1波分復(fù)用系統(tǒng)的基本構(gòu)成和分類波分復(fù)用系統(tǒng)的基本構(gòu)成和分類 波分復(fù)用系統(tǒng)分為單向波分復(fù)用系統(tǒng)和雙向波分復(fù)用系統(tǒng)兩種類型。 （1）單向波分復(fù)用系統(tǒng)）單向波分復(fù)用系統(tǒng) 發(fā)送端有N個(gè)光發(fā)送

7、器和1個(gè)合波器，接收端有N個(gè)光接收器和1個(gè)分波器，收發(fā)兩端共用1根光纖。N個(gè)光發(fā)送器發(fā)送N個(gè)不同波長(zhǎng)的光波，這些光波通過合波器后合并起來，耦合進(jìn)單根光纖進(jìn)行傳輸。合并光波傳送到接收端后，分波器將這N個(gè)不同波長(zhǎng)的光波分開，分別送給與這些波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的接收器，將光波載荷的信息提取出來。利用兩套相同的單向波分復(fù)用系統(tǒng)才可以進(jìn)行雙工通信，這需要使用兩根光纖，故稱為雙纖單向WDM傳輸系統(tǒng)。目前，實(shí)際的WDM系統(tǒng)主要采用雙纖單向傳輸方式。（2）雙向波分復(fù)用系統(tǒng)雙向波分復(fù)用系統(tǒng) 通信兩端各有N個(gè)光發(fā)送器、N個(gè)光接收器和1個(gè)合波/分波器，通信兩端共用1根光纖。2N個(gè)光發(fā)送器發(fā)送2N個(gè)不同波長(zhǎng)的光波，分別與對(duì)端光

8、接收器的接收波長(zhǎng)一致。合波/分波器可以同時(shí)完成光波的合并或分開。1根光纖能夠同時(shí)傳輸來自兩個(gè)不同方向的光波，可以進(jìn)行雙工通信，故稱為單纖雙向WDM傳輸系統(tǒng) 。2波分復(fù)用系統(tǒng)的基本特點(diǎn)波分復(fù)用系統(tǒng)的基本特點(diǎn)（1）充分利用光纖的低損耗帶寬資源，使單根光纖的傳輸容量增大幾倍至幾十倍以上，進(jìn)一步顯示了光纖通信的巨大優(yōu)勢(shì)。 （2）各個(gè)載波信道彼此獨(dú)立，可以互不干擾地同時(shí)傳輸不同特性的信號(hào)，各種信號(hào)的合路與分路能夠方便地進(jìn)行，為寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)提供了可能。 （3）初步解決了中繼全光化問題，為全光通信網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。（4）節(jié)省了光纖和光電型中繼器，大大降低了建設(shè)成本，方便了已建成系統(tǒng)的擴(kuò)容。3波

9、分復(fù)用系統(tǒng)的主要特性指標(biāo)波分復(fù)用系統(tǒng)的主要特性指標(biāo)（1）信道中心波長(zhǎng)：信道中心波長(zhǎng)：指每個(gè)信道內(nèi)分配給光源的波長(zhǎng)。（2）信道帶寬信道帶寬與與信道平坦帶寬信道平坦帶寬：信道帶寬是指每個(gè)信道內(nèi)分配給光源的波長(zhǎng)范圍；信道平坦帶寬是指幅度傳輸特性曲線波動(dòng)范圍不超過1 dB的帶寬大小，用來表示帶寬的平直程度。信道平坦帶寬越大，越能容納光源波長(zhǎng)的微小變化。（3）信道間隔信道間隔：是指相鄰信道的波長(zhǎng)間隔。通常信道間隔大于信道帶寬。（4）信道隔離度：信道隔離度：指由一個(gè)信道耦合到另一個(gè)信道中的信號(hào)大小，隔離度越大，則耦合信號(hào)越小。所以，隔離度大一些為好。隔離度的倒數(shù)稱為串?dāng)_，信道內(nèi)的散射或反射都可以產(chǎn)生串?dāng)_。

10、信道隔離度定義為s10lg(dBiIji信道 中的輸入光功率隔離度）()信道 中來自信道 的串?dāng)_光功率（5）插入損耗：插入損耗： 指由于WDM器件的引入而產(chǎn)生的傳輸功率損耗，包括WDM器件自身固有損耗，以及WDM器件與光纖的連接損耗。插入損耗越小越好。插入損耗定義為inWDM10lg()(dB)WDM器件某一輸入端口的入射光功率插入損耗器件某一輸出端口的出射光功率（6）溫度穩(wěn)定性：）溫度穩(wěn)定性： 指溫度每變化1時(shí)的波長(zhǎng)漂移大小。要求在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)，波長(zhǎng)漂移應(yīng)當(dāng)小于信道帶寬，遠(yuǎn)小于信道間隔。（7）偏振穩(wěn)定性：）偏振穩(wěn)定性： 指插入損耗對(duì)光波偏振狀態(tài)的敏感程度，敏感程度越大，則輸出光功率越不

11、穩(wěn)定。4波分復(fù)用器件的類型波分復(fù)用器件的類型 包括復(fù)用器（即合波器）和解復(fù)用器（即分波器），它們是多信道光波合并與分開所不可缺少的重要光學(xué)器件。復(fù)用/解復(fù)用器主要分為光纖耦合型、角度色散型、干涉型等幾種類型。5.2.3 光纖耦合型波分復(fù)用器件光纖耦合型波分復(fù)用器件 1熔錐式光纖耦合器熔錐式光纖耦合器 將并排放置的兩根或多根光纖的一定長(zhǎng)度部位扭絞在一起，將扭絞處逐漸燒成熔融狀態(tài)，同時(shí)慢慢拉伸光纖，使扭絞部位形成耦合區(qū)。在耦合區(qū)內(nèi)各個(gè)光纖的包層變薄，纖芯彼此靠近。根據(jù)靠近程度的不同，可以形成光場(chǎng)之間的強(qiáng)、弱耦合。以致在一根光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獠?，很容易跑到另一根光纖內(nèi)傳輸和輸出；或者也容易分散跑到幾根光

12、纖內(nèi)傳輸和輸出 。 2研磨式光纖耦合器研磨式光纖耦合器 將兩根光纖一定長(zhǎng)度部位的包層一側(cè)研磨拋光，將兩根光纖并排放置使研磨拋光部位面對(duì)面緊貼在一起，在它們之間涂有一層折射率匹配液，形成耦合區(qū)，在該區(qū)域能夠產(chǎn)生光場(chǎng)之間的耦合。根據(jù)包層研磨變薄程度的不同，也可以產(chǎn)生光場(chǎng)之間的強(qiáng)、弱耦合。 3波導(dǎo)型光纖耦合器波導(dǎo)型光纖耦合器 (即光波導(dǎo)耦合器即光波導(dǎo)耦合器) 實(shí)用中，常將多個(gè)22端口光纖耦合器適當(dāng)串并聯(lián)起來，構(gòu)成比較復(fù)雜的多端口光纖耦合器，稱為星形耦合器(a) 四個(gè)22耦合器構(gòu)成一個(gè)44耦合器 (b) 12個(gè)22耦合器構(gòu) 成一個(gè)88耦合器 5.2.4 角度色散型波分復(fù)用器件角度色散型波分復(fù)用器件 1

13、光柵：光柵：在玻璃襯底上沉積環(huán)氧樹脂、在其上制造光柵線而構(gòu)成。光柵是利用多縫衍射原理，使得不同波長(zhǎng)的同級(jí)主極大出現(xiàn)在觀測(cè)屏的不同位置上來實(shí)現(xiàn)分光。其優(yōu)點(diǎn)是波長(zhǎng)選擇性好、信道間隔小、復(fù)用信道數(shù)多，缺點(diǎn)是插入損耗較大、對(duì)光信號(hào)的偏振性較敏感。 2棱鏡：棱鏡：利用折射率隨波長(zhǎng)而變化的性質(zhì)，使得不同波長(zhǎng)的光線出現(xiàn)在不同位置上來實(shí)現(xiàn)分光。 光柵和棱鏡都是利用角度色散來分光， 并通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制成波分復(fù)用器件。圖5-5 光柵型波分復(fù)用器原理圖除上述普通光柵做成的波分復(fù)用器以外，還有一種陣列波導(dǎo)光柵（AWG）型波分復(fù)用器。AWG的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、信道間隔更窄，適用于多信道的大型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。AWG是一種平面

14、光路（Planar Light-wave Circuit, PLC）器件，是目前研究開發(fā)的熱點(diǎn)。 5.2.5 干涉型波分復(fù)用器件干涉型波分復(fù)用器件 1介質(zhì)膜濾波式波分復(fù)用器介質(zhì)膜濾波式波分復(fù)用器 由多層介質(zhì)薄膜構(gòu)成，其中高折射率層和低折射率層交替疊合。 多層介質(zhì)膜波分復(fù)用器的優(yōu)點(diǎn)是帶寬頂部平坦，波長(zhǎng)響應(yīng)尖銳，溫度穩(wěn)定性好，插入損耗低，對(duì)光信號(hào)的偏振性不敏感，在實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)用較廣泛。 2馬赫馬赫-曾德爾（曾德爾（Mach-Zehnder）干涉式波分復(fù)用器）干涉式波分復(fù)用器馬赫-曾德爾干涉式波分復(fù)用器是利用M-Z干涉儀兩個(gè)不同長(zhǎng)度的光路，提供相移隨波長(zhǎng)的依賴關(guān)系，使得分別從干涉儀兩個(gè)輸入端口射入的

15、兩波長(zhǎng)光線，能夠從一個(gè)輸出端口射出（即合波）；或者使得從干涉儀一個(gè)輸入端口射入的兩波長(zhǎng)光線，能夠分別從兩個(gè)輸出端口射出（即分波）。5.2.6 波分復(fù)用系統(tǒng)對(duì)光纖的新要求波分復(fù)用系統(tǒng)對(duì)光纖的新要求 1制約波分復(fù)用系統(tǒng)的主要因素制約波分復(fù)用系統(tǒng)的主要因素 （1）偏振模色散（）偏振模色散（PMD） 由于實(shí)際單模光纖的幾何形狀不完善（如橫截面不圓、軸心線不居中等）和折射率分布不對(duì)稱，致使單模光纖中基模的兩個(gè)正交極化分量在光纖中傳播速度不一致，產(chǎn)生傳播時(shí)延差，引起光脈沖展寬的現(xiàn)象，稱為偏振模色散。PMD具有隨機(jī)變化的特性，難于用傳統(tǒng)固定的色散補(bǔ)償方法來消除它。在10 Gb/s及更高速率的波分復(fù)用系統(tǒng)中，

16、偏振模色散成為限制系統(tǒng)性能的一個(gè)主要因素。 PMDPMDDLDPMD是偏振模色散系數(shù)(ps/km1/2) ，要求：DPMD0.5 ps/km1/2 (10 Gb/s時(shí)) 或 0.2 ps/km1/2 (40 Gb/s時(shí))偏振模色散平均時(shí)延差為（2）高階色散）高階色散 光纖色散與光波長(zhǎng)的二階和二階以上的變化關(guān)系，稱為高階色散。通常，用零色散波長(zhǎng)附近范圍內(nèi)的色散斜率來反映高階色散的大小，稱為零色散斜率。零色散斜率的定義式為 002000( )()d ( )limps/(nmkm)dDDDSITU-T規(guī)定G.652光纖在零色散波長(zhǎng)范圍(1300 nm 0 1324 nm)內(nèi)的零色散斜率S00.093

17、 ps/(nm2 km) （3）非線性效應(yīng)）非線性效應(yīng) 光纖折射率與光波電場(chǎng)強(qiáng)度的二階和二階以上的變化關(guān)系，稱為非線性效應(yīng)。由于非線性折射率的存在，產(chǎn)生了幾種重要的非線性效應(yīng)。 自相位調(diào)制自相位調(diào)制（SPM） 在非線性折射率作用下，光纖中傳輸?shù)膹?qiáng)光波，其光強(qiáng)波動(dòng)引起了光波自身相位發(fā)生波動(dòng)，從而導(dǎo)致光波頻譜變化的現(xiàn)象，稱為自相位調(diào)制。 自相位調(diào)制的危害性：SPM產(chǎn)生的頻率變化可以導(dǎo)致傳輸光波的頻譜變寬，在這種情況下就會(huì)因模內(nèi)色散而使光脈沖的時(shí)域波形展寬，引起碼間干擾。 交叉相位調(diào)制交叉相位調(diào)制（XPM） 當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上不同頻率的強(qiáng)光波同時(shí)在光纖中傳輸時(shí)，其中任一個(gè)光波的非線性相位偏移不僅與該光

18、波自身的光強(qiáng)有關(guān)，也與其他光波的光強(qiáng)有關(guān)，后者稱為交叉相位調(diào)制。 XPM的危害性：交叉相位調(diào)制能夠引起相鄰信道光波信號(hào)之間的串?dāng)_。 四波混頻四波混頻（FWM） 當(dāng)三個(gè)頻率分別為f1, f2和f3的光波同時(shí)在光纖中傳輸時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生頻率為f = fi + fj fk（i, j, k從1, 2, 3中取值）的光波。其中頻率為f= fi + fj - fk（i, j k）的光波最有可能落在EDFA通帶內(nèi)，與f1, f2和f3的光波一起在光纖中傳輸，稱為四波混頻。 FWM的危害性：在四波混頻情況下，原有光波的部分功率會(huì)轉(zhuǎn)移到新頻率的光波中去，致使原有頻率信號(hào)光強(qiáng)下降，信噪比變壞。FWM所產(chǎn)生的最大破壞是

19、在零色散區(qū)域附近。WDM系統(tǒng)的信道間隔越小，四波混頻的影響就越嚴(yán)重。G.653光纖有較大的FWM。2新型光纖的推出新型光纖的推出（1）大有效面積光纖）大有效面積光纖 在高功率傳輸系統(tǒng)中，光纖的非線性效應(yīng)是系統(tǒng)傳輸性能的主要限制因素。康寧公司開發(fā)出大有效面積光纖(LEAF) ，通過增加光纖的有效面積，可以有效地降低光纖中光功率密度，使光纖能攜帶更高功率的光信號(hào)，同時(shí)又能減小非線性效應(yīng)。（2）低水峰光纖）低水峰光纖 為了在一根光纖上開放更多的波分復(fù)用信道，朗訊公司開發(fā)出一種稱為全波光纖（All-Wave Fiber）的單模光纖，即G.652C低水峰單模光纖。全波光纖采用新的工藝技術(shù)消除了水吸收峰，

20、使光纖的損耗在12601625 nm范圍內(nèi)都趨于平坦，使原來分離的1310 nm窗口和1550 nm窗口連成了一個(gè)很寬的大傳輸窗口，大大拓寬了光纖的可用帶寬。 （3）低色散斜率光纖）低色散斜率光纖 色散會(huì)隨傳輸距離而積累，并且傳輸距離越長(zhǎng)，色散積累量就越大。由于色散斜率的存在，WDM系統(tǒng)各個(gè)波長(zhǎng)信道的色散積累量是不相同的 。會(huì)隨距離的增加而增大。當(dāng)傳輸距離超過一定值后，具有較大色散積累量信道的色散值超過正常標(biāo)準(zhǔn)，就會(huì)增大誤碼，使整個(gè)WDM系統(tǒng)的傳輸距離受到限制。貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出新一代的低色散斜率G.655真波光纖（TrueWave Fiber ），光纖零色散斜率已降到0.05 ps/(nm2k

21、m)以下。（4）低雙折射光纖）低雙折射光纖 在10 Gb/s及更高速率的系統(tǒng)中，偏振模色散（PMD）成為限制系統(tǒng)性能的因素之一?？梢酝ㄟ^采用旋轉(zhuǎn)工藝使光纖的圓整度得到改善來降低PMD。所謂旋轉(zhuǎn)工藝，是在制備光纖的拉絲過程中利用計(jì)算機(jī)控制來旋轉(zhuǎn)預(yù)制棒，確保光纖截面接近理想的圓形，使折射率分布的對(duì)稱性提高，這樣制成的光纖稱為G.652B低雙折射單模光纖。按照G.652B規(guī)定，低雙折射單模光纖的DPMD應(yīng)低于0.5 ps/km1/2。 5.3 5.3 光中繼器光中繼器 由于光纖損耗和色散的影響，使得所傳輸?shù)墓饷}沖信號(hào)的幅度下降和波形失真，影響通信質(zhì)量。因此，光纖長(zhǎng)途線路上每隔一定距離（約5070 k

22、m）就要設(shè)置一個(gè)光中繼器，用來將經(jīng)過光纖傳輸后有較大衰減和畸變的光信號(hào)變成沒有衰減和畸變的光信號(hào)，然后再輸入光纖內(nèi)繼續(xù)傳輸，從而增大光的傳輸距離。 光中繼器主要分為兩大類：光電轉(zhuǎn)換型中繼器和全光型中繼器。 5.3.1 光電轉(zhuǎn)換型中繼器光電轉(zhuǎn)換型中繼器 將接收到的光信號(hào)經(jīng)過光/電轉(zhuǎn)換、放大和再生，恢復(fù)出原來的數(shù)字電信號(hào)，然后再對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制（即電/光轉(zhuǎn)換），產(chǎn)生出光信號(hào)輸入光纖繼續(xù)傳輸。此外，還要完成區(qū)間通信和公務(wù)、監(jiān)控、倒換等輔助信息的上下路功能。目前實(shí)用的光纖通信系統(tǒng)中，絕大多數(shù)是采用這種中繼器。光電轉(zhuǎn)換型中繼器通常由光接收、光發(fā)送和電分插復(fù)用（ EADM）等單元組成。 光電轉(zhuǎn)換型中繼器框圖

23、 5.3.2 全光型中繼器概述全光型中繼器概述 全光型中繼器（AO Repeater）是指不需要采用光-電-光轉(zhuǎn)換方式，而是利用光放大器（OA）直接在光域?qū)λp和畸變了的光信號(hào)進(jìn)行處理的光中繼器。 光放大器分類：光放大器分類：非光纖結(jié)構(gòu)型 半導(dǎo)體激光放大器（受激輻射型）光纖拉曼放大器光放大器分類非線性光纖放大器受激散射型光纖布里淵放大器光纖結(jié)構(gòu)型摻雜光纖放大器 摻鉺光纖放大器 （受激輻射型）目前能夠作為中繼器使用的，有摻雜光纖放大器和光纖拉曼放大器。其中技術(shù)最成熟、性能最優(yōu)異的光放大器是20世紀(jì)80年代末期研制出來的摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器。 5.3.3 摻鉺光纖放大器（摻鉺光纖放大器（E

24、DFA） 1摻鉺光纖放大器的工作原理摻鉺光纖放大器的工作原理 摻鉺光纖放大器的核心部件是摻鉺光纖（EDF），它是在光纖石英玻璃材料內(nèi)摻入稀土元素鉺離子（Er3+），從而產(chǎn)生增益機(jī)制為實(shí)現(xiàn)光的放大提供了可能。 當(dāng)摻鉺光纖處于激活狀態(tài)時(shí)，如果有1.55 m波長(zhǎng)的光信號(hào)通過該摻鉺光纖，則在信號(hào)光子激勵(lì)下，該光纖亞穩(wěn)態(tài)上的電子會(huì)以受激輻射方式躍遷到基態(tài)能級(jí)E1 上，同時(shí)釋放出與信號(hào)光子完全相干的受激輻射光子，從而使光信號(hào)在摻鉺光纖中傳播的過程中得到了放大。 2摻鉺光纖放大器的基本結(jié)構(gòu)摻鉺光纖放大器的基本結(jié)構(gòu)按照泵浦激光耦合形式的不同，摻鉺光纖放大器分為正正向泵浦式向泵浦式(噪聲系數(shù)較低)、反向泵浦式反

25、向泵浦式(輸出光功率較大)和雙向泵浦式雙向泵浦式(輸出光功率最大)三種基本結(jié)構(gòu)。3摻鉺光纖放大器的主要指標(biāo)摻鉺光纖放大器的主要指標(biāo)（1）工作波長(zhǎng)）工作波長(zhǎng) 工作波長(zhǎng)范圍寬，增益平坦區(qū)為15301565 nm，屬于C波段。目前實(shí)用的波分復(fù)用系統(tǒng)多在此頻帶內(nèi)。（2）功率增益）功率增益 功率增益約為1540 dB，最大輸出光功率約為1020 dBm。增益特性與光偏振狀態(tài)無關(guān)，也與光的正、反向傳播方向無關(guān)。（3）噪聲系數(shù)）噪聲系數(shù) 噪聲系數(shù)約為48 dB。主要噪聲源是ASE（放大的自發(fā)輻射）噪聲。（4）泵浦源）泵浦源 泵浦源的激光波長(zhǎng)為980 nm或1480 nm，泵浦效率高，僅用幾毫瓦的泵浦功率就可

26、以獲得3040 dB的高增益光放大，泵浦效率可達(dá)10 dB/mW。（5）耦合損耗）耦合損耗 EDFA與線路光纖的耦合損耗小，約為0.1 dB。（6）隔離度：）隔離度：隔離度大，無串?dāng)_。（7）可靠性：）可靠性：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。（8）適用性）適用性 對(duì)傳輸速率透明，適用于PDH和SDH系統(tǒng)。 5.3.4 光纖拉曼放大器（光纖拉曼放大器（FRA） 1光纖拉曼放大器的工作原理光纖拉曼放大器的工作原理 光纖拉曼放大器是利用受激拉曼散射效應(yīng)做成的一種光學(xué)器件。受激拉曼散射是頻率較高的分子振動(dòng)（稱為光學(xué)聲子）參與的光散射 。 FRA利用受激拉曼散射的斯托克斯波來放大輸入信號(hào)光波，當(dāng)一束波長(zhǎng)為 (相應(yīng)頻率

27、 = 2c/ ) 的弱信號(hào)光與一束波長(zhǎng)為P (P ，相應(yīng)頻率P = 2c/P )的強(qiáng)泵浦相干光同時(shí)在一根光纖中傳輸時(shí)，理論已證明：只要P 在拉曼增益帶寬內(nèi)，信號(hào)光波就會(huì)因拉曼增益而被放大。由于拉曼增益帶寬很大，所以光纖拉曼放大器是一個(gè)寬帶光放大器。2光纖拉曼放大器的基本結(jié)構(gòu)光纖拉曼放大器的基本結(jié)構(gòu) 按照泵浦激光耦合形式的不同，光纖拉曼放大器可以分為兩種基本結(jié)構(gòu)，即正向泵浦式和反向泵浦式。正向泵浦式使用一個(gè)泵浦源，其泵浦光與信號(hào)光以相同方向進(jìn)入光纖，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是泵浦光的功率閾值較低；反向泵浦式也使用一個(gè)泵浦源，其泵浦光與信號(hào)光以相反方向進(jìn)入光纖，由于泵浦光與信號(hào)光逆向傳輸，兩者相互作用長(zhǎng)度變

28、短，使泵浦光噪聲對(duì)信號(hào)光的干擾減小，所以這種方式的優(yōu)點(diǎn)是噪聲系數(shù)較低。 3光纖拉曼放大器的主要指標(biāo)光纖拉曼放大器的主要指標(biāo)（1）工作波長(zhǎng)）工作波長(zhǎng) 工作波長(zhǎng)范圍寬，可以覆蓋光纖通信中使用的光波長(zhǎng)，如1310 nm和1550 nm；也可以覆蓋激光器輸出的其他光波長(zhǎng)，如1240 nm和1400 nm的半導(dǎo)體激光器信號(hào)、15701580 nm的分布反饋半導(dǎo)體激光器信號(hào)等。（2）拉曼增益）拉曼增益 拉曼增益為幾至幾十分貝，與泵浦光的功率有關(guān)，最大輸出光功率超過20 dBm。拉曼增益還與信號(hào)光和泵浦光的頻率差（或波長(zhǎng)差）有關(guān)，兩者頻率差為13.2 THz時(shí)，拉曼增益達(dá)到峰值，峰值附近的增益平坦帶寬約為5 THz。（3）噪聲系數(shù)）噪聲系數(shù) 噪聲系數(shù)為4 dB以上，主要噪聲源是放大的自發(fā)拉曼散射噪聲。自發(fā)拉曼散射在整個(gè)拉曼增益帶寬內(nèi)產(chǎn)生光子，所有頻率的自發(fā)拉曼散射光都隨信號(hào)一起在光纖中傳輸并得到不同程度的放大。因此，光纖拉曼放大器輸出中不僅有所需要的信號(hào)，而且還包括很寬頻率范圍（約10 THz或更大）的背景噪聲。（4）泵浦源）泵浦源 泵浦源的波長(zhǎng)范圍很寬，可以覆蓋近紅外波段。泵浦光功率為幾百毫