第9章(光纤通信相关技术)

光发 TX 前放 A 光收 RX
《光纤通信技术》
3）作为线路放大器（LA） 将EDFA直接接入光纤传输链路中，作为在线放大器或中继器，实现光–光 放大，如下图所示：
光发 TX 光收 RX
多个LA 级联使用时一定要注意：每级EDFA 的增益要恰好抵消级间损耗，否 则，随着级联的增加噪声也会累积。
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EDFA的增益一般可达15~40dB，Ｇ与铒离子浓度、掺铒光纤长度、泵光功率 等有关。 2）输出特性：在没有信号光输入时，由于泵浦光的存在，EDFA仍有输出；
若有信号光输入时EDFA的输出和信号光呈正比；若输入信号过大，则EDFA的输
出饱和。EDFA的输出特性如下图所示：
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PO
A Pi
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2.EDFA的基本原理和结构 1）EDFA的基本原理 掺铒光纤放大器（EDFA）的核心部件是掺铒光纤和泵浦光源。 掺铒光纤中的基态铒离子（Er3+ ）在泵浦光的照射下，吸收泵浦光的能量 向高能级跃迁，但铒离子在高能级上的寿命很短(约1µs)，很快就以无辐射的形
式跃迁到亚稳态，在该能级上铒离子有较长寿命(约10ms)，从而在亚稳态和基
（3）光隔离器：左隔离器防止反射光影响上游光源，右隔离器防止反射光
影响光放大器。 （4）掺铒光纤：长10~100米，铒离子浓度为25mg/kg。 （5）光滤波器：滤除光放大器噪声，提高信噪比。
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3.EDFA的优缺点 1）优点 （1）工作波段在1550nm，与光纤的最低损耗窗口一致。 （2）耦合效率高,耦合损耗可小到0.1dB。 （3）能量转换效率高。 （4）可实现透明传输。 （5）增益特性稳定（100℃仍可保持基本不变）。
和本振光源的谱线要求不太高，在相干光通信系统设计中起着主要作用。其原理
如下图所示：
信号光 复用器 相干 探测 带通 包络检测 低通 基带信号
本 振 光
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2）零差接收机 当信号光的角频率ω s和本振光的角频率ω L相等时就构成零差接收机。其组 成框图和外差异步解调接收机相同，其频谱如下图所示：
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电信号
ASK ω S PSK FSK ωL 本 振 光
复用器
相干 探测
中放
ωL ωS
电信号处理
9.2.2 相干光通信系统的光发和光收 1.光发射机 光源要求为窄谱光源，频率稳定性要高，具有一定的频率调谐能力（理想光 源为单一频率光）。
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2.光接收机 １）外差接收机 （1）外差同步解调接收机 外差同步解调接收机的工作原理如下： 已调光信号和本振光经复用器汇合后，再经相干探测得到中频信号，经带通 滤波器滤掉不需要的频率成份；处理后的中频信号一路到混频器，另一路则先经 过载频恢复提取出载频时钟，再将时钟信号送到混频器；两路信号经混频后得到 解调信号，再经低通滤波器滤掉较高频率的信号成份后就得到频率较低的基带信 号。外差同步解调接收机的原理框图如下图所示：
态间形成粒子数反转分布。当1550nm波段的光信号通过掺铒光纤时，亚稳态的 铒离子以受激辐射的形式跃迁到基态，并产生出和入射光信号光子完全一样的 光子（称为全同光子），大大增加了信号光中的光子数量，实现了信号光在掺 铒光纤中的放大。
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2）EDFA的基本结构 EDFA由复用器、泵浦源、光隔离器、掺铒光纤、光滤波器等五部分组成，如 下图所示。其核心组成部分是掺铒光纤和泵浦光源。
NF
反向 双向
同向
EDF长度
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3.EDFA的应用方式
1）作为功率放大器（BA）
将EDFA放在光发射机后对光源信号进行放大，可增加入纤光功率，延长传输 距离，如下图所示：
光发 B TX 功放 光收 RX
2）作为前置放大器（PA）
将EDFA放在光接收机的前面，可提高接收灵敏度，如下图所示：
掺铒光纤 信号光输入 —→ 光隔离器 泵浦光 复用器 —→ 光隔离器 光滤波器 信号光输出
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2）反向泵浦：泵浦光与信号光从两个不同方向进入掺铒光纤，这种结
构具有较高的输出功率，其结构如下图所示：
掺铒光纤 信号光输入 —→ 耦合器
—→
光隔离器 泵浦光
光滤波器
信号光输出
光隔离器
3）双向泵浦：泵浦光从两个相反的方向进入掺铒光纤，这种结构输出功率
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1.光孤子的形成 设波长为λ ，光强为|E|2的光脉冲在长度为L的光纤中传输，则光强感应的折 射率变化会使相位发生变化，这种使脉冲不同部位产生不同相移的特性，称为自 相位调制（SPM）。 SPM会引起脉冲载波频率随时间而变化，如图所示，在脉冲上升部分，频率下 移；在脉冲顶部，频率不变（频移为0）；在脉冲下降部分，频率上移。这种由于 频移使脉冲频率改变分布，其前部（头）频率降低，后部（尾）频率升高，就称脉 冲被线性调频，也称频率啁啾（Chrip）。其中，光载波脉冲前部（头）频率降低，
ES ω
EL
ωS
E
ωL
ω
ω
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9.3 光孤子通信
光孤子是经光纤长距离传输后，其幅度和宽度都不变的超短光脉冲（ps数量级）。 光孤子的形成是光纤的群速度色散和非线性效应相互平衡的结果。利用光孤子作 为载体的通信方式称为光孤子通信。光孤子通信的传输距离可达上万公里，甚至几万 公里，目前还处于试验阶段。 光纤非线性效应和色散单独起作用时，在光纤中传输的光信号都要产生脉冲展宽， 对传输速率的提高是有害的。但是如果适当选择相关参数，使两种效应相互平衡，就 可以保持脉冲宽度不变，因而形成光孤子。
（6）增益高，噪声低（增益可达40dB），单向泵浦时输出光功率达14dBm；
双向泵浦时输出光功率达17dBm；噪声系数为4dB左右。 2）缺点 （1）波长固定。 （2）增益带宽不平坦。 （3）只解决了损耗问题而没有解决色散问题。
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4.EDFA的三种泵浦方式 EDFA的三种泵浦方式分别是同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。 1）同向泵浦：即泵浦光与信号光以相同的方向进入掺铒光纤，这种结构噪 声特性最好即噪声最低，其结构如下图所示：
3）噪声特性：EDFA的噪声主要是由其自发辐射引起的，一般用噪声系数 NF 来描述这一特性。
Pin Nin NF 10lg Pout Nout
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2.EDFA的泵浦特性 1）信号光输出功率Pout和泵光功率Pb的关系 Pout与Pb成正比，在相同泵光功率下，双向泵浦的EDFA输出功率最大，反向 泵浦次之，同向泵浦最小，如下图所示：
9.2 相干光通信
所谓相干光，就是两个激光器产生的两束激光，其光场具有空间 叠加、相互干涉的性质。要实现相干光通信，关键是要有频率稳定、 相位和偏振方向都可以控制的窄线谱激光器。
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9.2.1 相干光通信原理 1.相干光通信的基本概念 相干光通信：就是利用激光器的相干特性，在发射端对光载波进行幅度、频 率或相位调制；在接收端，则采用零差检测或外差检测，再将电信号检出。（零
后再按发送端调制形式进行解调就可以获得基带信号，再进行判决再生就可获得
相应的电信号。 光收部分的相干探测原理如下图所示：
信号光 ωS ωL 复用器 ωS ωL 较短光纤 放大 ω L -ω S
本 振 光
中频电信号 ω L -ω S=ω IF
起混频作用
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说明： （1）当中频信号的角频率 IF ＝０时，称为零差检测，光电检测器的输 出电流 I out 为：
信号光输入
复用器 —→ 光隔离器 泵浦源 LD
掺铒光纤 —→ 光隔离器 光滤波器 信号光输出
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EDFA各部分组成的功能如下： （1）复用器：将信号光和泵浦光混合送入掺铒光纤。（要求插入损耗小。）
（2）泵浦源：为低能级铒离子提供能量使其跃迁到高能级，其输出功率为
10~100mW，工作波长为980nm。（要求：大功率，长寿命。）
最高，可以获得更大的增益，其结构如下图所示：
掺铒光纤 信光入 —→ 复用器 复用器 —→ 光滤波器 信光出
泵光1
泵光2
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9.1.2 掺铒光纤放大器EDFA的特性及应用方式
1.EDFA的特性
1）增益特性：EDFA的输出光功率与输入光功率之比即为EDFA的增益特性。
Pout G 10 lg Pin
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PS信号光 ①ω S ② 本 振 光 复用器 相干 探测
③ PIF
带通 载频恢复 ④
低通
⑤ 基带信号
其频谱图如下图所示（发射机采用调幅方式）：
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①
ES ωS ω
②
EL ωL ω
③
EIF ω IF ω
④ Eˊ ω IF ωS ω
⑤
E ω 基带信号
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（2）外差异步解调接收机（包络解调） 异步解调的信噪比比同步解调高，且异步解调接收机设计简单，对信号光源
Pout 双向 反向 同向
Pb
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2）噪声特性：EDFA同向泵浦和双向泵浦的噪声系数有交叉点Ａ。在Ａ 点前，同向泵浦的噪声特性最好，双向次之，反向最差；在Ａ点后，则双向
泵浦的噪声特性最好，同向次之，反向仍最差，如下图所示：
NF
反向
同向 双向
A
P出
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3）泵浦方式与掺铒光纤长度的关系 泵浦方式和掺铒光纤长度的不同会影响EDFA的噪声系数。随着掺铒光纤长 度的增加，同向泵浦的EDFA其噪声系数基本不变，双向的噪声系数稳定性次之， 反向最差，如下图所示：
I out 2R( PS PL ) cos
（2）当 IF ≠０时，称为外差检测，则：
I out 2R( PS PL ) cos( IF )