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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，光时分复用技术和波长变换技术等。 7. 1 光纤光放大器 为什么要进行光信号放大？ 光纤放大器的实质是： 把工作物质制作成光纤形状的固体激光器，所以也称为光纤激光器。 20世纪80年代末期，波长为1.55 μm的掺铒(Er)光纤放大器(EDFA： Erbium Doped Fiber Amplifier)研制成功并投入实用，把光纤通信技术水平推向一个新高度，成为光纤通信发展史上一个重要的里程碑。 7.1.1掺铒光纤放大器(EDFA)工作原理 EDFA的工作机理基于受激辐射原理 从下图可以看到，在掺铒光纤(EDF)中，铒离子(Er3+) 存在容易形成粒子数反转分布的三个能级： 7.1.2 EDFA的构成和特性 三种泵浦掺铒光纤方式 不同泵浦方式下转换效率及噪声特性比较 7.1.3 掺铒光纤放大器的优点和应用 EDFA的主要优点有： 工作波长正好落在光纤通信最佳波段(1500～1600 nm)； 其主体是一段光纤(EDF)，与传输光纤的耦合损耗很小， 可达0.1 dB。 ? 增益高，约为30～40 dB; 饱和输出光功率大， 约为10～15 dBm； 增益特性与光偏振状态无关。 ? 噪声指数小， 一般为4～7 dB； 用于多信道传输时， 隔离度大，无串扰，适用于波分复用系统。 ? 频带宽，在1550 nm窗口，频带宽度为20～40 nm， 可进行多信道传输，有利于增加传输容量。 如果加上1310 nm掺镨光纤放大器(PDFA)，频带可以增加一倍。 所以“波分复用+光纤放大器”被认为是充分利用光纤带宽增加传输容量最有效的方法。 1550 nm EDFA在各种光纤通信系统中得到广泛应用，并取得了良好效果。 已经介绍过的副载波CATV系统，WDM或OFDM系统，相干光系统以及光孤子通信系统，都应用了EDFA，并大幅度增加了传输距离。 EDFA的应用， 归纳起来可以分为三种形式， 如图7.5所示。 中继放大器 （LA：Line Amplifier）在光纤线路上每隔一定的距离设置一个光纤放大器，以延长干线网的传输距离） 前置放大器 （PA：Preamplifier) 置于光接收机的前面，放大非常微弱的光信号，以改善接收灵敏度。作为前置放大器，对噪声要求非常苛刻。 后置放大器 （BA： Booster Amplifier) 置于光接收机的后面，以提高发射机功率。对后置放大器噪声要求不高，而饱和输出光功率是主要参数。 7.2 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。 7.2.1 光波分复用原理 1. WDM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。 光波分复用（WDM）的基本原理是：在发送端将不同波长的光信号组合起来(复用)，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开(解复用)，并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端，因此将此项技术称为光波长分割复用， 简称光波分复用技术。 光纤的带宽有多宽？ 如图7.6所示，在光纤的两个低损耗传输窗口： 波长为1.31 μm(1.25～1.35μm)的窗口，相应的带宽(|Δf|=|-Δλc/λ2|, λ和Δλ分别为中心波长和相应的波段宽度， c为真空中光速)为17700 GHz； 波长为1.55 μm(1.50～1.60 μm)的窗口， 相应的带宽为12500 GHz。 两个窗口合在一起，总带宽超过30THz。如果信道频率间隔为10 GHz， 在理想情况下， 一根光纤可以容纳3000个信道。 由于目前一些光器件与技术还不十分成熟，因此要实现光信道十分密集的光频分复用(OFDM)还较为困难。在这