第十章 光纤通信新技术[hardrock]
光纤通信新技术
光纤通信新技术光纤通信自20世纪70年代诞生以来发展很快，在光源、检测器、光纤光缆及系统等方面取得了很大的进展，光纤通信也已经成为现代信息网络最重要的基础设施。
随着人类社会经济和科技的不断发展，许多新的应用不断出现，对于光纤通信也提出了更高的要求。
为了满足光纤通信向着高速化、智能化、网络化发展的要求，许多新技术不断涌现，有的已经取得了相当的成果。
本章主要介绍光纤通信领域内的一些有代表性的新技术。
2第十一章光纤通信新技术11.1 色散补偿技术11.2 相干光通信11.3 光交换技术11.4 光孤子通信技术11.5 自由空间光通信FSO310.1 色散补偿技术高速光纤通信系统中，光纤损耗、色散和非线性效应是限制系统传输性能的主要因素。
光放大器的普遍采用解决了光纤损耗补偿问题。
随着光纤通信单信道传输速率的不断增大，色散补偿就成为高速光纤通信的关键技术之一。
国内、外已对色散补偿技术进行了广泛的理论和实验研究，提出了许多各具特色的色散补偿技术方案。
4511.1.1 色散补偿光纤DCF对光纤一阶群速度色散（GVD ）完全补偿的条件为（11-1）式中——传输光纤在波长处的色散系数；——色散补偿光纤在波长处的色散系数；——传输光纤的长度；——色散补偿光纤的长度。
0)()(＝＋c c t t L D L D λλ)(λt D )(λc D t L c L1. 色散补偿光纤的基本结构和补偿原理采用双模DCF的色散补偿技术，是由C.D.Poole等人提出来的，它是利用双模光纤的第1高阶模（LP11）在截止波长附近具有很大负波导色散的特点来实现色散补偿的。
基于LP01模的单模DCF在设计时采用较小的光纤内径，得到较高的相对折射率差Δ，从而实现在1550nm处较大的负色散。
672. DCF 的品质因数DCF 的品质因数FOM （Figure of Merit ）定义为（11-3）式中FOM 为品质因数，单位（ps/nm ·dB ）；D ——色散系数，单位（ps/nm ·km ）α——衰减系数，单位（dB/km ）。
光传输第10章 光纤通信新技术(光网络产品发展趋势及产品介绍)PPT课件
实现快速端到端电路。
I-NNI 信令：RSVP-TE
I-NNI 路由：OSPF-TE
运营商内部不同控制域间 E-NNI 信令：RSVP-TE E-NNI 路由： DDRP
数据传送－城域WDM迅速发展
GE、POS
λ
λ
λ
IP OVER DWDM
光传输网管系统 GE、POS
… 波长 1~32
•5G / 波长 •10G / 波长
； 降低升级和运营成本； 支持广播、组播，并内置光功率均衡功能。
DWDM+OCS-长途网智能端到端业务调度方案
ODF/DDF
跨环业务需要 多次人工转接
维护成本增加 故障率增加
骨干层多 点失效后业务 中断
单套设备调度、组网能力有限， 需要多套设备解决
占用机房资源
占用维护资源
OSN9500智能光网络设
ATM交换
PSTN/2G交换
SDH专线
ESCON/FICON/FC
DVB
OptiX BWS1600G长途波分系统
高效大颗粒 IP业务接入: ➢ GE ➢ 10GE ➢ 2.5G POS ➢ 10G POS
3G交换
NGN 软交换
GSR
数据大客户专线
长途波分传输网能够提供全业务接入，实现对SDH业务、ATM业务、 SAN业务、DVB业 务以及宽带数据IP等业务综合承载和长途传送；
GMPLS信令逐步实施到VC、波长和MPLS，在控制的层 次上形成完整的端到端体系；ASON标准逐渐成熟，在网 络间协议上业界逐步统一，不同管理域的ASON网络能够 对端到端电路实现相应的配置和管理。
数据业务的大颗粒化使城域WDM发展迅速，基于子波长 的调度能力成为城域WDM的重要需求，可配置波长调度 也将逐渐成熟并得到应用；OTN为光电层波长业务的端到 端提供设备支撑，成为下一代支持数据互连的传输设备之 一。
光纤通信新技术
光网络智能化技术
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新型光网络技术
05
总结词
光传送网（OTN）是一种新型的光网络技术，它通过使用数字封装技术将客户信号封装在光层进行传输，具有高带宽利用率、低延迟、高可靠性等优点。
详细描述
OTN通过将客户信号封装在数字容器中，实现了对客户信号的透明传输，同时提供了强大的故障恢复和保护能力。此外，OTN还支持多播和广播功能，能够实现灵活的带宽管理和调度。
软件定义光网络（SDON）
未来展望
06
随着数据流量的快速增长，超高速光传输技术成为光纤通信领域的研究重点。
超高速光传输技术通过提高信号传输速率，实现更大容量的数据传输。目前已经实现了Tbps级别的传输速率，未来还有望进一步提高。
超高速光传输技术
详细描述
总结词
超长距离光传输技术
总结词
超长距离光传输技术是实现跨洲际、跨大洋光传输的关键技术。
详细描述
自动交换光网络（ASON）
总结词
软件定义光网络（SDON）是一种基于软件的光网络技术，它通过使用软件编程的方式实现光网络的配置和控制。
详细描述
SDON通过将光网络的配置和控制功能抽象化，使得网络管理员可以通过软件编程的方式实现光网络的配置和管理。这大大提高了网络的灵活性和可扩展性，同时也降低了运营成本。此外，SDON还支持多种协议和标准，能够与其他网络技术进行无缝集成。
详细描述
通过采用先进的信号处理技术和新型的光纤材料，超长距离光传输技术能够实现数千公里甚至上万公里的光信号传输，为全球通信网络的建设提供有力支持。
VS
光网络智能化技术是实现光网络高效运维和智能控制的重要发展方向。
详细描述
光纤通信的新技术
光纤通信的新技术班级电信（一）班学号姓名2010年10月光纤通信的新技术摘要：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。
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，光时分复用技术和波长变换技术等。
关键词:光纤通信新技术特点1光放大技术1.1光纤放大器光放大器有半导体光放大器和光纤放大器两种类型。
半导体光放大器的优点是小型化，容易与其他半导体器件集成；缺点是性能与光偏振方向有关，器件与光纤的耦合损耗大。
光纤放大器的性能与光偏振方向无关，器件与光纤的耦合损耗很小，因而得到广泛应用。
1.2掺铒光纤放大器（EDFA）的优点工作波长正好落在光纤通信最佳波段；增益高；噪声系数小；频带宽。
1.3掺铒放大器的应用EDFA的应用可分为三种形式：中继放大器；前置放大器；后置放大器。
2光波分复用技术随着人类社会信息时代的到来，对通信的需求呈现加速增长的趋势。
发展迅速的各种新型业务(特别是高速数据和视频业务)对通信网的带宽(或容量)提出了更高的要求。
为了适应通信网传输容量的不断增长和满足网络交互性、灵活性的要求，产生了各种复用技术。
在光纤通信系统中除了大家熟知的时分复用(TDM)技术外，还出现了其他的复用技术，例如光时分复用(OTDM)、光波分复用(WDM)、光频分复用(OFDM)以及副载波复用(SCM)技术。
2.1光波分复用原理2.11WDM的概念光波分复用(WDM： Wavelength Division Multiplexing)技术是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术。
2.12WDM系统的基本形式光波分复用器和解复用器是WDM技术中的关键部件，将不同波长的信号结合在一起经一根光纤输出的器件称为复用器(也叫合波器)。
反之，经同一传输光纤送来的多波长信号分解为各个波长分别输出的器件称为解复用器(也叫分波器)。
第10章光纤通信新技术new.pptx
在强光作用下，光纤折射率n可以表=0时的光纤折射率，约为1.45。这种光
纤折射率n随光强|E|2而变化特性，称为克尔(Kerr)效应，n2
=10-22(m/V)2，称为克尔系数。虽然光纤中电场较大， 为
106(V/m)，但总的折射率变化Δn=n-n0= n2|E|2还是很小(10-10)。
电路层
电路层
虚道层
PDH 通道层 SDH 通道层 虚道层
电复用段层 电复用段层 光信道层OCH 光复用段层OMS
光传输段层OTS 物理层(光纤)
(没有
光传送网络
IP头处理、分段、 转发（光域）
IP包封成光分组、 光通路连接信息适 配、光通路监控 光分组的复用、段 信息适配、段监控
在光纤介质上提供 传输功能
NGN的特点
▪ 业务节点将是基于软交换的体系； ▪ 传送网络将是自动交换传送网(ASTN)； ▪ 城域网技术将是多业务传送平台(MSTP) ▪ 移动通信将是3G和超3G技术 ▪ 协议将是IPv6
11
光传送网络体系结构
光传送网的功能：为透明传送SDH、PDH、ATM、IP等业务 信号提供光通道。
IP ATM SDH
▪ 是一个极其松散定义的术语，泛指不同于目前的数据为中心
的融合网络
▪ 如果特指业务层则下一代网络指下一代业务网络， ▪ 如果特指传送层，则下一代网络指下一代传送网络。 ▪ 泛指的下一代网可以指两者，也可单指下一代业务网络。
▪ 下一代网络应该是因特网与电信网技术的结合，即"IP十
QoS=NGN"
10
§10.2 下一代光网络
7
孤子源
调制
EDFA
光纤传输系统
探测
脉冲源
光纤通信新技术
光波分复用器和解复用器是WDM技术中的关键部件，将 不同波长的信号结合在一起经一根光纤输出的器件称为复用器 (也叫合波器)。反之，经同一传输光纤送来的多波长信号分解 为各个波长分别输出的器件称为解复用器(也叫分波器)。 从原 理上讲， 这种器件是互易的(双向可逆)，即只要将解复用器的 输出端和输入端反过来使用， 就是复用器。因此复用器和解复 用器是相同的(除非有特殊的要求)。
波 长 /m
(b)
图1.1-1 (a) 硅光纤中铒离子的能级图； (b) EDFA的吸收和增益频谱
但是激发态是不稳定的，Er3+很快返回到能级2。如果输 入的信号光的光子能量等于能级2和能级1的能量差，则处于 能级2的Er3+将跃迁到基态(2→1)， 产生受激辐射光，因而信 号光得到放大。由此可见，这种放大是由于泵浦光的能量转 换为信号光的结果。为提高放大器增益， 应提高对泵浦光的 吸收， 使基态Er3+尽可能跃迁到激发态，图1.1-1(b)示出 EDFA增益和吸收频谱。
4.0 信 道 间隔
3.0 1~10 GHz
2.0
… 载 波 频率
1.0
0 800 1000 1200 1400 1600 1800
波 长 / nm
图2.1-1 中心波长在1.3 μm和1.55 μm的硅光纤低损耗传输窗口 (插图表示1.55 μm传输窗口的多信道复用)
目前该系统是在1550 nm波长区段内，同时用8，16或更多 个波长在一对光纤上(也可采用单光纤)构成的光通信系统，其 中各个波长之间的间隔为1.6 nm、 0.8 nm或更低，约对应于200 GHz#, 100 GHz或更窄的带宽。WDM、 DWDM和OFDM在本 质上没有多大区别。以往技术人员习惯采用WDM 和DWDM来 区分是1310/1550 nm 简单复用还是在1550 nm波长区段内密集 复用，但目前在电信界应用时，都采用DWDM技术。 由于 1310/1550 nm的复用超出了EDFA的增益范围，只在一些专门场 合应用，所以经常用WDM这个更广义的名称来代替DWDM。
第10章光纤通信新技术-Read
10.1.3 接收灵敏度
为分析相干光通信系统光接收机的性能，首先推导零差PSK的信噪比。 零差检测的信噪比为
4 R 2 PS PL SNR 4kT 2qRP B B L RL
（10.1.8）
为光检测器的响应度， P 为平均接收信号功率，4kT 为热噪 S B R 声功率，B为光接收机的等效噪声带宽，q为电子电荷。通过控制 RL 本振光的功率 P ，可使分母中的第一项占主导地位，从而得到散 L 粒噪声极限下的SNR：
EL (t ) EL cos(Lt L )
式中， ES S S EL L L
（10.1.2） 分别为信号光的幅度、频率和相位， 分别为本振光的幅度、频率和相位。
2
当信号光与本振光的偏振方向相同时，入射总光强P ES (t ) EL (t ) 因此有
P k[ES 2 EL2 2ES EL cos(IF t S L )]
5. 具有多种调制方式 在直接检测系统中，只能使用强度调制方式对光波进行调制。而在 相干光通信中，除了可以对光波进行幅度调制外，还可以进行频率 调制或相位调制。 由于相干光通信可以大大提高接收机的灵敏度，在EDFA出现之前， 拟用相干光通信大大延长线路的中继距离，显著提高传输容量。但 在相干光通信中需要有频率和相位十分稳定的激光光源，这给相干 光通信的实现带来了相当大的难度。
采用零差检测要求
S L
所以需要频率稳定性高、线宽窄的光源；另外，这种方式取决于 信号光与本振光之间的干涉，因此要通过在接收机内进行偏振控制来保 持它们之间的偏振方向。 当中频信号 IF 0时，称为外差检测。此时，
i(t ) 2R PS PL cos(IF t-S L )
IF 称为中频信号的频率。
光纤通信系统-第10章 光纤通信新技术
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、全光网络技术已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、光孤子通信等一些已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时，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，隔一定的距离就需设立一个中继器，以便对信号进行放大和再生。
解决这问题的常规方法是目前采用的光电中继器。
光电中继器采用的是光/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。
至今已经研究出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。
相比之下，波长为1550nm的掺铒光纤放大器（EDFA，Erbium Doped Fiber Amplifier 得到了最为广泛的应用。
10.1.1 EDFA的工作原理EDFA主要由掺铒光纤（EDF）、泵浦光源、耦合器、隔离器等组成，如图10.2所示。
光耦合器的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中的铒粒子，在信号光子的感应下，铒粒子产生受激辐射，跃迁到基态，将一粒一粒的光子注入进信号光中，完成放大作用。
在铒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宽一般为1～3nm。
10.1.2 EDFA特性EDFA的基本特性有增益特性、输出功率特性和噪声特性。
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2. 用于WDM系统中的EDFA
增益带宽 增益平坦 增益特性优化 噪声系数和饱和输出功率
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WDM系统中EDFA的要求
增益带宽 增益平坦 增益特性优化 噪声系数 饱和输出功率 光纤及各类接插件长期可靠性问题
光放大器
光纤放大器
掺稀土元素放大器
非线性效应放大器
半导体光放大器
谐振式
行波式
掺铒 光纤 放大器
掺镨 光纤 放大器
光纤 啦曼 放大器
光纤 布里渊 放大器
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图10-2 EDFA的基本组成
光耦合器 光隔离器 EDF
信号光输入
光隔离器 光滤波器
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10.4 光交换技术
现有的通信网络中，高速光纤通信系统只是用作点到 点的传输手段。网络中主要的交换功能还是采用电子交换 技 术 。 传 统 电 子 交 换 机 的 端 口 速 率 只 有 几 Mbit/s 到 几 百 Mbit/s，不仅限制了光纤通信网络速率的提高，而且要求 在众多的接口进行频繁的复用/解复用，光/电和电/光转 换，增加了设备的复杂性和成本。要彻底地解决高速光纤 通信网中存在的矛盾，必须要实现全光通信。光交换是实 现全光通信的关键技术。所谓光交换是指对送来的光信号 直接进行交换，无需经过光/电/光的变换方式。
D(ps/km·nm)
+20 +15
+5 0 -5
G.652
1310 1550
λ(nm)
- 20
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DCF
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DCF的品质因数
DCF的品质因数FOM（Figure of Merit）定义
为
FOM = D α
（11-3）
式中 FOM为品质因数，单位（ps/nm·dB）；
D——色散系数，单位（ps/nm·km）
α——衰减系数，单位（dB/km）。
FOM是DCF的重要参数，可以用来对不同类型的
DCF进行性能比较。
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色散补偿光纤DCF
对光纤一阶群速度色散（GVD）完全补偿的条件为
Dt (λ)Lt＋Dc (λ)Lc＝0
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EDFA与RA比较
放大机理 增益带宽
EDFA 掺铒光纤的受激发射 较窄，平坦增益谱约30nm
RA 光纤的 受激啦曼效应
理论上无限制
增益物质
掺铒光纤
传输光纤本身
使用位置
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有一定限制
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3
1. EDFA的工作原理
掺铒光纤放大器（EDFA，Erbium Doped Fiber Amplifier 是 目 前 最 成 熟 的 光 放 大 器 。 EDFA主要由掺铒光纤（EDF）、泵浦光源、耦合 器、隔离器等组成，如图10-4所示。
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光突发交换OBS
鉴于OPS网络的不成熟和OWS网络的颗粒度 较 大 等 缺 点 ， 提 出 了 光 突 发 交 换OBS的概念。 OBS网络结合了前述两者的优点，OBS网络中的 最小的单位称为突发信号（Burst），其中包括控 制突发（CB）和数据突发（DB）两部分。首先由 CB根据业务的要求沿着光通道确定带宽等，一旦 光路上所有节点都确认后再进行DB的传送。
泵浦光
反向泵浦式EDFA
光隔离器 光耦合器 EDF 光耦合器 光隔离器 光滤波器 信号光输出
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泵浦光
泵浦光
双向泵浦式EDFA
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1. 基本应用形式
光发送机
光纤
功率放大器
Booster Am plifie r
光接收机
光发送机 光发送机
式中
（11-1）
Dt (λ) DLc t(λ)
——传输光纤在波长处的色散系数； ——色散补偿光纤在波长处的色散系数； ——传输光纤的长度；
Lc ——色散补偿光纤的长度。
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G.652光纤＋DCF的补偿效果
Dispersion/ps/nm Residual dispersion/ps/nm
2007-6-11
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主要的色散补偿技术
色散补偿光纤 预啁啾技术 色散均衡器 光相位共轭色散补偿 色散支持传输 光纤自相位调制
2007-6-11
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色散补偿光纤DCF与常规单模光纤色散特性
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光纤
光纤
线路放大器
Line Am plifier
光纤
前置放大器 P re Am plifie r
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光接收机 光接收机
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3. EDFA对光纤传输系统的影响
非线性问题 光浪涌问题 色散问题 光纤线路的长期可靠性问题
2007-6-11
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的噪声特性可用噪声指数F来度量。其定 义为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。
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11
2000
20
15
1000
10
5
0
0
-5
-1000
-10
-15
-2000 1530
1535
1540 1545 1550 1555 Wavelength/nm
1560
-20
1565
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色散均衡器
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2007-6-11
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5
第十章 光纤通信新技术
10.1 光纤放大器 10.2 色散补偿技术 10.3 相干光通信 10.4 光交换技术 10.5 光孤子通信
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2
图10.1 光放大器类型
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10.2.3 EDFA基本结构
EDFA的内部按泵浦方式分，有三种基本的结构：即 同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。 同向泵浦
信号光与泵浦光以同一方向从掺铒光纤的输入端注入 的结构，也称为前向泵浦。 反向泵浦
信号光与泵浦光从两个不同方向注入进掺铒光纤的结 构，也称后向泵浦。 双向泵浦
光纤通信与传输技术基础
沈建华
通信与信息工程学院
10.1 光纤放大器
光信号在光纤中传输时，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，隔一定的距离就需设立一 个中继器，以便对信号进行放大和再生。解决这 问题的常规方法是目前采用的光电中继器。光电 中继器采用的是光/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。
相干光纤通信在发送端可对光载波进行幅度、频率或 相位调制；在接收端则利用零差或外差检测，这种检测技 术称为相干检测。
2007-6-11
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光波长交换OWS
光波长交换网络是目前最为成熟的光网络的 交换技术，在OWS网络中，业务的最小颗粒度为 一个波长，节点的OXC和OADM以波长为单位对 业务进行疏导和分插。根据端到端的波长是否连 续可以进一步分为波长通道和虚波长通道 （Virtual）两种实现形式。
同向泵浦和反向泵浦同时泵浦的结构。
2007-6-11
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三种不同泵浦方式EDFA结构
光耦合器 光隔离器 EDF 信号光 Nhomakorabea入光隔离器 光滤波器 信号光输出
信号光输入
泵浦光 光隔离器
同向泵浦式EDFA
EDF
光耦合器 光隔离器
光滤波器 信号光输出
信号光输入
灵活
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10.2 色散补偿技术
高速光纤通信系统中，光纤损耗、色散和非线 性效应是限制系统传输性能的主要因素。
光放大器的普遍采用解决了光纤损耗补偿问题。 随着光纤通信单信道传输速率的不断增大，色散 补偿就成为高速光纤通信的关键技术之一。国内、 外已对色散补偿技术进行了广泛的理论和实验研 究，提出了许多各具特色的色散补偿技术方案。
输出功率/dBm
放 大 ， 但 实 际 的 EDFA
C
却并非如此。当输入功 率增加时，受激辐射加 10
B
曲线A表示同向泵浦
A
曲线B表示反向泵浦 曲线C表示双向泵浦
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 O 稳。EDFA的输入/输出
-20
-10
0
输入功率/dBm
关系如图所示。
2007-6-11
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