光纤通信器件、系统和网络
内 容 提 要
1,光纤通信发展历程简要回顾
2,光纤通信的最新进展
3,从中国信息通信发展趋势看光纤通
信的未来
4,光纤通信的支撑技术
1、光纤通信发展历程
简要回顾
101
107
102
106
103
105
104
104
105
103
106
102
107
101
108
100
109
10-1
1010
10-2
1011
10-3
1012
10-4
1013
10-5
1014
10-6
1015
ELF VF VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF
自由空间波长,m
频率,Hz
电力、电话 无线电、电视 微波 红外 可见光
双铰线
同轴电缆
光纤卫星 /微波AM无线电 FM无线电
通信波段划分及相应传输媒介
频段
划分
传
输
介
质
传 输 技 术 的 演 进
? 模拟信号数字传输：高质、安全、集成 ……
? 光纤传输：宽带、低损、无电磁干扰、价低 ……
? 光纤数字传输综合好处 → PDH飞速发展
? PDH的组网缺点 → SDH：灵活的组网能力、强大的网
管、带宽管理及自愈保护 ……
? SDH与 PDH均为 TDM（时分复用）电子电路限制高速
SDH的发展 ?电子瓶颈
? 波分复用（ WDM,DWDM） +EDFA ?扩展传输容量的
新手段
? 全光通信网 ?信息高速公路的骨干网
?为充分利用光子学的宽带性，传输系统的
走向为,
电子型 ?光电混合型 ?全光型。
(1)传统的电传输系统
E
M
U
X
电端机 再生中继 再生中继
E
D
M
U
X
电复用 电解复用
电端机
同轴电缆、微波 ……
O/E/O
光 缆
E
M
U
X
光发送 再生中继 再生中继
E
D
M
U
X
电复用 电解复用
光接收
(2)光电混合型光纤传输系统
(3)DWDM光纤传输系统
O
M
U
X
O
D
M
U
X
OA OAOA
光发送
光发送
光发送
λ １
λ
２
λ
Ν
λ １,λ ２ …… λ Ν
光接收
光接收
光接收
λ １
λ ２
λ Ν
TX
EDFAEDFA
TXTX
TX
TXTX
TXTX
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTRTX TX
40km 40km 40km 40km 40km 40km 40km 40km 40km
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTRTX TX1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTRTX TX1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTRTX TX1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTRTX TX1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTRTX TX1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTRTX TX1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTRTX TX
TXTX
TXTX
TXTX
TX
TX
M
U
X
120 km 120 km120 km
WDM+EDFA 革新了光纤传输
DE
M
? 20多年来光纤通信技术在发掘、利用
光纤带宽资源，扩展光纤传输能力方面进展
神速。（ 传输能力 主要指：通信容量和传输
距离）。
① 在光波长和光纤类型方面
? 多模光纤 ?单模光纤
? 短波长 800nm?长波长 1300nm,1550nm
? 一纤一波 ?一纤多波
② 在单纤传输容量方面？
2、光纤通信的最新进展
?DWDM及相关技术在 90年代中期开始走向成
熟并进入商业化应用。
?AT&T于 1996年 3月建立了世界上第一条 8通
道的 DWDM系统。
?AT&T,MCI,Worldcom,Sprint等公司在
他们美国境内的 90%网络上装上了 DWDM系
统。
?1997年 -1998年，全球 DWDM市场从 17亿美
元增加到 22亿美元，年增长率为 32％。系
统增加到 4000多条，增长率为 98%。至
2004年市场总额预计为 74亿美元。增长率
为 23%。
超长距离（全光无中继）
? Corvis,160(?)?2.5(Gb/s)?3200(km)
(Chicago-Seattle)
? Alcatel,48(?)?10(Gb/s)?4000(km)
超高密度
? Nortel,Sycamore,160(?)?10(Gb/s)开始
推向商用
? Lucent,1022(?)系统已在实验室成功。
超大容量
? Siemens:7.04Tb/s(176?40G)50km
? NEC:3.2Tb/s(160?20G)1500km
DWDM的最新报导
7.04(Tb/s)÷ 64(kb/s/路 )
=1.1(亿路电话 )
00000000
00000001
11111111
8kHz
3、从中国信息通信发展趋势
看光纤通信的未来
我国光纤通信的现状
?1986年建立了国内第一条光缆干线 ? 宁汉光
缆
?1999年建成 8纵 8横光纤骨干网，覆盖了除台
湾外所有省会城市和 75％地市。
?目前，我国长途骨干网的光缆长度达到了 17
万公里，并经中美、中日、中韩等海缆和欧
亚大陆桥光缆与国际光缆网连接。
?我国总的光缆线路总长度超过 100万公里，
居世界前列。
FLAG－ Fiber Optic Link
around the Globe
架空光缆
直埋光缆
北京
上海
至欧洲
至日本
FLAG
至韩国
至朝鲜
至俄罗斯
我国光缆骨干网分布图
至东南亚
?在光纤通信线路建设的同时，果断地将传输技
术从正在广泛发展的 PDH，跳越式地改用 SDH
（ Synchronous Digital Hierarchy，同步数
字系列）。
?SDH传输技术的优越性有,1,SDH在传输高速
信息时，比 PDH更经济有效； 2、其灵活的组网
能力和强大的生存能力增加了网络性能； 3、
根据 ITU-T制定的 SDH标准，能构成统一的网络，
允许不同厂家设备共用。
?目前，我国 99.8％的国家长途线路均采用 SDH，
已拥有世界上最大的基于 SDH的光纤通信网路。
? IP业务爆炸性增长（ 300%）
? IP业务的不确定性造成网络资源的不平衡
? 带宽租用业务正在兴起
? 宽带接入业务（ ADSL等）的发展和宽带新业
务新应用，如,HDTV(16M)，战场通信
(2.8T),Telepresence(15T)等。
? 网络生存性要求消耗大量容量 (多 30-130%)
? 带宽换 QoS的轻载网新思路需要更大的带宽
? 通信市场的正弹性定律和竞争的刺激
骨干网的容量需求
?全球通信业务，特别是数据业务急剧增长
网络业务量
数据年增 40%
电话年增 10%
1998 2000 2002 2004 2006 2008 年份
全球话音和数据业务发展趋势预测
用户数 速率 峰值容量
模拟
MODEM
100万 56kb/s 56Gb/s
ADSL 100万 6Mb/s 6Tb/s
以太网 100万 100Mb/s 100Tb/s
APON 100万 155Mb/s 155Tb/s
接入速率与骨干网容量的关系
? 未来 5-10年内，网上的数据业务将超过话
音业务（骨干网约 3年，全网最有可能 7-8
年）
? 业务总量将大幅度增加（数百倍）
? IP业务将最终成为主导的联网协议
? 未来 5年内省际干线网带宽将以 100%的速
度增长 。
中国网络业务发展趋势
4、光纤通信的支撑技术
超宽带、超高速带来新的技术挑战
衰减损耗
输入信号 输出信号
时间
时间
色散 脉冲展宽
频率
非线性 新频率
光纤中的 损耗、色散和非线性 及其对
光信号传输的影响。
?在传输损耗方面，主要是打通 1.3
?1.55?m窗口。使整个低损耗窗口扩展至
1.28 ? 1.625?m，共计 345nm，即约
43THz。若采用 0.4 nm （即 50GHz）的波
长间隔进行 WDM，能安排 800个信道。
OHˉ吸收峰RS
IAUA
45THz
?光放大器 (OA)是 WDM成功的关
键。随着波长数目的增加，宽带 OA成
为研究重点，具有很大市场。
光放大器类型：
?掺杂（稀土元素：铒、氟、镨
等）光纤放大器,如 EDFA
?半导体光放大器（ SOA）
?受激喇曼光纤放大器
?随着传输速率的提高，色散
成了制约光纤通信系统的主要因素
之一。
例如 G.652光纤
2.5Gbit/s时,>400 km
10Gbit/s时,>25 km
?色散位移光纤（ DSF,G.653）：将零色散
波长移至 1550?，曾认为是长距离传输
的理想光纤。但在加载 WDM时，发现光纤
非线性（四波混频,FWM）引起信道间串
扰，致使系统无法工作。
?少量的色散有利于 FWM的抑制。今后将
采用非零色散光纤 (NZDF,G.655)。
?对已铺设的常规光纤 (G.652),采用色
散补偿技术，克服色散的影响。
1.928 1.93 1.932 1.934 1.936 1.938 1.94
x 10 14
0
1
2
3
4
5
6
7 x 10
-13
w1=1.931e14;
w2=1.931e14+1e11;
w3=1.931e14+2.6e11;
w5=1.931e14+3.4e11;
L=50km
四波混频模拟结果,光纤长度 50公里
DWDM光纤传输系统色散补偿
O
M
U
X
O
D
M
U
X
OA
光发送
光发送
光发送
λ １
λ ２
λ Ν
光接收
光接收
光接收
λ １
λ ２
λ Ν
正色散光纤
负色散、大光斑光纤
支撑 DWDM的器件与子系统
自聚焦透镜（ Selfoc Lens）
1个周期（ Pitch ）
折
射
率
分
布
?光学不变原理,光束的宽度和发
散角的乘积为常数。
?Selfoc Lens 通过对光束进行扩束，
达到准直目的。
光纤
P/4 自聚焦透镜
P/4 自聚焦透镜 光纤
单模光纤准直器结构
80
光纤
P/4 自聚焦透镜 P/4 自聚焦透镜
光纤
单模光纤准直器的应用
光波分复用器
DEM
?1
?2
?3
?4
MUX
?1
?2
?3
?4
?波分复用合波器（ WDM） /分波器（ WDDM）是
将不同波长光信号进行组合 /分开的器件，
是 DWDM系统最基本的无源器件。通过它，光
纤的频带资源可以得到充分利用 。
?WDM的基本功能是将 N 个不同波长的光信号
合在一起，输入至光纤中去； WDDM则是将 N
个合在一起的不同波长光信号分开。
中心波长：符合 ITU-T建议，即
WDM系统的技术要求
L,200,100 GHzGHzf =D
L,2,1,0,1.193 (THz) nfnfn =D??=
L,6.1,8.0
,52.1552
nmnm
nmn
?D
D??=
?
??
绝对
参考
e.g,采用 EDFA的 32波长 DWDM系统各信道
的频率安排如下：
1.192 (THz)nfn 0.1??=
L,2,1,0n =,31
波分复用器分类：
?980/1550,1480/1550泵浦 /信号波分复用
器（全光纤熔融拉锥型）。
?1310/1550波分复用器（全光纤熔融拉锥
型）。
?1550波段内粗波分复用器（有可能用全光
纤熔融拉锥方法实现）。
1、粗波分复用器
2 密集波分复用器 DWDM
一、干涉滤光膜型波分复用器
输入光纤
?1 ?4?3?2
?0 (监管信道 )
干涉滤光膜
?1— ?16
?1— ?15
?16
干涉滤光膜型 DWDM的一种工艺方案
?1— ?14
?15
二、光栅型波分复用器
输入光
?1
?4?3
?2
1,体光栅型
2,光纤光栅型
布拉格光栅?
1— ?16 ?1— ?15
?16
?
?16 ?16
?1— ?15,?16 ?1— ?15,?16FBG
环形器
光纤光栅的应用
三、阵列波导光栅型波分复用器 (AWG)
AWG
?1?2?3?4
?1?2?3?4
?1?2?3?4
?1?2?3?4
?1?2?3?4
?1?2?3?4
?1?2?3?4
?1?2?3?4
光开关
光开关类型
1、机械式光开关
?移动光纤、套管或自聚焦透镜式
电磁驱动、压电陶瓷驱动等
?移动反射镜、透射镜式
2、磁光、电光效应式光开关
3、集成光学光开关
?集成光波导光开关（电光、热光）
M-Z型 光开关
?MEMS
用 DWDM+光开关 可构成 OADM,OXC等光交换系统
本节点信息
输入光纤
?1?2?3?4
DEM MUX
输出光纤
?1?2?3?4
?1?1
?2?2
?3?3
?4 ?4
RXTX
?1 ?2 ?3 ?4
?1 ?2 ?3 ?4 ?1 ?2?3 ?4
?1 ?2?3 ?4
?1
?2
?3
?4
?1
?2
?3
?4
动态交叉连接 光开关
1
1
光隔离器和环行器
?Faraday效应,不具有旋光性的材料，在
外磁场作用下，使通过它的偏振光的偏振
面发生旋转。具有这种效应的材料叫 磁光
材料 。
?磁光材料引起的光偏振面旋转方向取决于
外加磁场，与光的传播方向无关（非互
易）。
?这种效应与材料的 固有旋光效应 不同，在
固有旋光效应材料中，旋转方向取决于光
的传播方向，与外加磁场无关 (互易 )。
外加磁场
外加磁场
Faraday旋磁材料
外加磁场
外加磁场
固有磁光材料
?磁光材料的光偏转角：
l — 材料厚度（毫米）
H — 磁场强度（奥斯忒）
V— 维尔德常数（度 /奥斯忒 ·毫米）
lVH=q
光隔离器的原理
外加磁场
外加磁场
450起偏器 解偏器
偏振无关 光隔离器的工艺结构
RR(450) FR (450)
RR(450) FR (450)
o
e
e
e
o
o
o
e
PBS
RR(450) FR (450)
e
e
o
o
RR(450) FR (450)
o
e
o
e
端口 1
端口 1
端口 2
端口 2
端口 3
反射镜
偏振合波器
光环行器的原理
光环行器的应用
啁啾光栅
色散补偿
Tx
Rx
Rx
Tx
单纤双向系统
波长间插器（ Inter Leaver）
?由于光放大器有限的带宽，增加波
长数目的有效方法是减少波长间隔。
?50GHz的 WDM/WDDM尚不成熟，而
100GHz的干涉滤光膜型 WDM/WDDM已
经非常成熟。通过波长间插是实现
高密集波分复用的有效方法之一。
?波长间插器的原理
?1 ?2 … ?N ?1 ?3 … ?N-1
?1 ?2 … ?N ?2 ?4 … ?N
?1 ?3 … ?N-1
?1 ?2 … ?N
?2 ?4 … ?N
D?=100GHz
D?=50GHz
掺铒光纤放大器 EDFA
掺铒光纤放大器原理图
输入信号 耦合器980/1550nm WDM
泵浦光
掺铒光纤
输出信号
光隔离器
1.1.2稀土元素（镧系元素）
?原子序数 57— 71：镧 La、镨 Pr、钕 Nd、
铒 Er、镱 Yd等。
?当铒掺入至光纤后，被三重电离：二个
外层（ 6s）和一个内层（ 4f）电子电离。
光学特性主要取决于 4f层（ 5s和 5p层为
饱和层）
?掺杂光纤的特性（中心工作波长、带宽
等）取决于掺入的杂质，而不是光纤本
身。
各层的电子分布
K L M N O P
序
数
序
数
元
素 s s / p s / p / d s / p / d / f s / p / d / f s / p / d
7 57 镧 La 2 2 / 6 2 / 6 / 1 0 2 / 6 / 1 0 / - 2 / 6 / 1 / - 2 / - / -
8 58 铯 Ce 2 2 / 6 2 / 6 / 1 0 2 / 6 / 1 0 / 2 2 / 6 / - / - 2 / - / -
9 59 镨 Pr 2 2 / 6 2 / 6 / 1 0 2 / 6 / 1 0 / 3 2 / 6 / - / - 2 / - / -
0 60 钕 Nd 2 2 / 6 2 / 6 / 1 0 2 / 6 / 1 0 / 4 2 / 6 / - / - 2 / - / -
1 61 钷 Pm 2 2 / 6 2 / 6 / 1 0 2 / 6 / 1 0 / 5 2 / 6 / - / - 2 / - / -
2 62 钐 Sm 2 2 / 6 2 / 6 / 1 0 2 / 6 / 1 0 / 6 2 / 6 / - / - 2 / - / -
3 63 铕 Eu 2 2 / 6 2 / 6 / 1 0 2 / 6 / 1 0 / 7 2 / 6 / - / - 2 / - / -
4 64 钆 Gd 2 2 / 6 2 / 6 / 1 0 2 / 6 / 1 0 / 7 2 / 6 / 1 / - 2 / - / -
5 65 铽 Tb 2 2 / 6 2 / 6 / 1 0 2 / 6 / 1 0 / 9 2 / 6 / - / - 2 / - / -
6 66 镝 Dy 2 2 / 6 2 / 6 / 1 0 2 / 6 / 1 0 / 1 0 2 / 6 / - / - 2 / - / -
7 67 钬 Ho 2 2 / 6 2 / 6 / 1 0 2 / 6 / 1 0 / 1 1 2 / 6 / - / - 2 / - / -
8 68 铒 Er 2 2 / 6 2 / 6 / 1 0 2 / 6 / 1 0 / 1 2 2 / 6 / - / - 2 / - / -
9 69 铥 Tm 2 2 / 6 2 / 6 / 1 0 2 / 6 / 1 0 / 1 3 2 / 6 / - / - 2 / - / -
0 70 镱 Yb 2 2 / 6 2 / 6 / 1 0 2 / 6 / 1 0 / 1 4 2 / 6 / - / - 2 / - / -
1 71 镥 Lu 2 2 / 6 2 / 6 / 1 0 2 / 6 / 1 0 / 1 4 2 / 6 / 1 / - 2 / - / -
980nm
??1?s
??10ms
1520?1560 nm
4I11/2
4I15/2
4I13/2
EDFA的能带结构和光放大原理
1480nm
泵浦源的选取
? 0.98?m和 1.48?m为无激发态吸收的能带, 因
而是常用的两个泵浦波长 。 这两个波长的泵
浦源都可用半导体激光器实现 。
? 和 1.48?m比较, 0.98?m属于三能级系统 。 增
益大, 泵浦效率高, 噪声小 （ 可低至 3dB）,
是目前光纤放大器的首选泵浦波长 。
泵浦方式
? 同向泵浦 优点,易于实现；
缺点,易饱和，噪声大。
? 反向泵浦 优点,不易饱和；噪声较低。
? 双向泵浦 优点,优点相结合，光均匀
分布，增益也较平稳。
? 工作波长于光纤最小损耗窗口一致，
在光纤通信中获得很好的应用。
? 能量转换效率高：激光工作物质集中
在光纤芯子中的近轴部分，而信号光
和泵浦光也是在光纤的近轴部分最强,
使得光与物质的作用很充分。
? 增益高，噪声低，输出功率大。
? 增益特性稳定,EDFA增益对温度不敏
感。
EDFA的特性
? 波长固定：铒离子能级间的能极差决
定了 EDFA的工作波长是固定的，只能
放大 1.55左右波长的光波。
? 增益带宽不平坦,EDFA的增益带宽约
40nm，但增益带宽不平坦。在 WDM光纤
通信系统中需要采取特殊的手段来进
行增益谱补偿。
EDFA的不足
实测的 EDFA增益谱特性
1.53 1.54 1.55 1.56,?(?m)
增益,dB
20
10
EDFA
输入光纤 输出光纤
EDFA在 WDM系统中的应用
? 在长途干线通信中，它可使光信号直接
在光域进行放大而无须转换成电信号进
行处理，代替了光 ---电 ---光中继，使
成本降低，设备简化，维护运转方便。
? 用在 WDM/DWDM干线 系统的 EDFA一般称为
数字式光纤放大器 。此类 EDFA需增益均
衡。
? 用在 CATV中的 EDFA称为模拟型光纤放
大器，噪声系数是其重要指标。
喇曼光纤放大器
?根据目前发展趋势，必须进一步增加传输容
量。可采用的方法有：
? 增加每波长传输速率
? 减少波长间隔, i.e.增加波长数
? 增加总的传输带宽 ?新的光放大器系统。
?由于 EDFA是利用铒离子能级间的受激跃迁实
现光放大，因此其中心波长较为固定且带宽
有限。
?光纤喇曼放大器是实现超宽带光放大的有
效途径，其好处有：
?增益介质即为普通传输光纤，与光纤系统
具有良好兼容性。
?中心波长由泵浦波长决定，不受其他因素
牵制。
?增益高、带宽大、噪声系数低、温度稳定
性好。
?受激喇曼散射（ SRS） 是光纤中的一种非
线性现象,它 将一部分入射光功率转移到
频率比其低（波长比其长）的斯托克斯波
上。
?石英光纤具有很宽的 SRS增益谱，最大值
所对应的频率比泵浦频率低 13.2THz（波
长间隔约 100nm）
1.45 1.5 1.55 1.6 1.65 1.7 1.75 1.8
x 10-6
10-4
10-3
10-2
wavelength (m)
stoc
ks
po
we
r (
W
)
Ps--?
P
PumpSignal EDFA
Distributed Amp,Discrete Amp.
分布式喇曼光纤放大器原理框图
Equalizer
?SRS的阈值功率是一个相对值，它与光纤
的材料、结构参数和长度等有关。
?普通单模光纤的泵浦阈值功率一般在
0.5— 1W左右。因此任何降低阈值功率，
使得普通的大功率半导体激光器能作为泵
浦使用，是光纤喇曼放大器实用化的关键。
0 0.5 1 1.5 2 2.5
x 10 4
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
length (m)
sto
ck
s a
nd
pu
mp
po
we
r (
W
)
P--L
?泵浦源解决方案：
? Fiber Laser,DCFL,Raman FL。
? Compact DPSSL
? Diode Pumps组合
泵浦供应商,JDS,SDL,SPECTRA-PHYSICS
喇曼光纤放大器的关键技术
?在光纤选择方面，要同时考虑增加 SRS效
率、减少噪声、形成合理的色散补偿
（ Si Fiber,P-doped Fiber）。
不同光纤的 SRS谱特性
喇曼光纤放大器的噪声特性
喇曼光纤放大器与 EDFA构成超宽带放大器
?可用多个不同波长的泵浦同时激励，实
现更大的放大带宽；泵浦波长应进行优
化设计。
?喇曼光纤放大器中泵浦与泵浦之间、泵
浦与信号、信号与信号之间的相互作用
需进行深入研究，以便获得良好的放大
性能。
?随着 DWDM技术的发展，喇曼光纤放大器将
成为一个重要的部件（ Subsystem），具有
广阔市场。
?某些器件的突破（高功率半导体泵浦光源、
高效 SRS光纤,DCF）成为喇曼光纤放大器
能否尽早进入市场的关键。
?在推向实用化之前，还有很多技术和工艺
问题需要解决。
半导体光放大器和
波长转换器
SOA:Semiconductor Optical
Amplifier
?无光学谐振腔的半导体 LD，在驱动电流
作用下，形成布居反转，通过受激辐射
产生光放大。
?SOA的中心波长与材料、器件结构有关 。
工作原理
?用于光纤传输系统 (1310nm或其它波长 )
— 需解决耦合、偏振相关等问题。
?用于 PIC(Photonic Integrated Circuits)
— laser/EA array (含 Star Coupler),
AWG(arrayed Waveguide grating),
Detector array等。
?温度稳定性：可采用量子阱结构。
?原理：有泵浦 — 通，无泵浦 — 断
?唯一的高速光开关，能实现光数据包
交换 。 (基于光纤的放大器载流子的
寿命通常较大,因而无法实现高速切
换 )
SOA光门
SOA1
SOA2
延迟线
?在多波长 DWDM光网络中，采用波长转换
可解决阻塞问题，增加灵活性，扩大容
量（与固定波长相比）
?SOA波长转换器的主要特性
?高输出信噪比（允许级联）
?输出功率适中（约 0 dBm）
?输入 /输出波长间隔大
?比特率透明
?能实现同一波长转换
?SOA波长转换器有基于 XGM,XPM和 FWM等
SOA波长转换器
?原理：由于增益饱和作用，输入的 AM调制
信号实际上调制了 SOA的增益，
从而使另一束 CW光的输出幅度产生
相应变 化。
XGM波长转换器
输入光功率
增益
SOACW?
C
?S
?C
SOA CW?S ?C?
C
同向
反向
SOA波长转换器原理
SOA波长转换器的带宽
由于该类波长转换器 (XGM/XPM)均
为带内复合，因此转换速率与载流子
浓度有关，从而影响调制带宽。
?长腔比短腔有利，但工作电流大，
易烧坏。
?影响带宽的其它因素：电流、输入
功率、限制因子、差分增益等。
?消光比：由于差分增益的不同，从 长波
长 ?短波长 的消光比要比 从 短 波长 ?长
波长 大 。
?XGM波长转换器的消光比较差，尤其对 短
波长 ?长 波长
20
15
10
5
0
消光比
(?
c )
，
dB
-30 -20 -10 0 10 20 30
?c - ?s
25
20
15
10
5
增益，
dB
?SOA有源区载流子浓度的变化引起折射率
变化，从而导致 CW光的相位随之规划。采
用 Mach-Zehndler干涉仪，可将这一变化
反映出来。
?4dB的增益变化可产生 1800的相移。 (在
XGM中要求 10dB的变化才能达到同样效果 )
?XPM转换的信号是窄谱信号，有利于抑制
WDM信号的串扰，适合长距离传输。
XPM波长转换器
SOA1
SOA2
CW?C
?S
?C
结束语
?未来单模光纤的带宽可达 40THz,WDM是充分
挖掘这一带宽的最佳方法。与此同时,TDM仍
将继续向更高速率迈进。
?光放大器是 WDM成功的关键。超宽带平坦型光
放大器是下一步开发的目标，具有很大市场。
?长距离、高速传输时，色散成为制约因素。
今后将采用非零色散光纤 NZDF— 在工作波段
内，色散系数及其斜率均非常小，但色散不
为零。
?对已铺设的常规光纤，采用色散补偿技术。
为减小非线性效应，可采用大光斑尺寸光纤。
其它希望突破的技术包括：
¤ 高速半导体激光器（ LD）,调制器及集
成组件（包括单波长和多波长、波长固
定和可调谐）、光孤子源及其传输技术
等。高速、高灵敏度探测器（雪崩二极
管,OEIC）。 大功率泵浦源。
¤ 光开关，滤波器，波长转换器（ XGM、
XPM,FWM等），多波长（ ?64） WDMs,合
波器 (OMU)和分波器 (ODU)等
¤ 全光型 3R (retiming,reshaping and
regenerating)中继器。
20多年来，光纤通信给人类信息
领域带来了深刻变化。
人们在享受着微电子文明的同时，
将享受光电子、光子带来的文明。
硅谷象征着微电子技术的高度发
达；随着光子学的发展，光谷
（ Photonic Valley）也将相继开花。
谢谢
内 容 提 要
1,光纤通信发展历程简要回顾
2,光纤通信的最新进展
3,从中国信息通信发展趋势看光纤通
信的未来
4,光纤通信的支撑技术
1、光纤通信发展历程
简要回顾
101
107
102
106
103
105
104
104
105
103
106
102
107
101
108
100
109
10-1
1010
10-2
1011
10-3
1012
10-4
1013
10-5
1014
10-6
1015
ELF VF VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF
自由空间波长,m
频率,Hz
电力、电话 无线电、电视 微波 红外 可见光
双铰线
同轴电缆
光纤卫星 /微波AM无线电 FM无线电
通信波段划分及相应传输媒介
频段
划分
传
输
介
质
传 输 技 术 的 演 进
? 模拟信号数字传输：高质、安全、集成 ……
? 光纤传输：宽带、低损、无电磁干扰、价低 ……
? 光纤数字传输综合好处 → PDH飞速发展
? PDH的组网缺点 → SDH：灵活的组网能力、强大的网
管、带宽管理及自愈保护 ……
? SDH与 PDH均为 TDM（时分复用）电子电路限制高速
SDH的发展 ?电子瓶颈
? 波分复用（ WDM,DWDM） +EDFA ?扩展传输容量的
新手段
? 全光通信网 ?信息高速公路的骨干网
?为充分利用光子学的宽带性，传输系统的
走向为,
电子型 ?光电混合型 ?全光型。
(1)传统的电传输系统
E
M
U
X
电端机 再生中继 再生中继
E
D
M
U
X
电复用 电解复用
电端机
同轴电缆、微波 ……
O/E/O
光 缆
E
M
U
X
光发送 再生中继 再生中继
E
D
M
U
X
电复用 电解复用
光接收
(2)光电混合型光纤传输系统
(3)DWDM光纤传输系统
O
M
U
X
O
D
M
U
X
OA OAOA
光发送
光发送
光发送
λ １
λ
２
λ
Ν
λ １,λ ２ …… λ Ν
光接收
光接收
光接收
λ １
λ ２
λ Ν
TX
EDFAEDFA
TXTX
TX
TXTX
TXTX
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTRTX TX
40km 40km 40km 40km 40km 40km 40km 40km 40km
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTRTX TX1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTRTX TX1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTRTX TX1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTRTX TX1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTRTX TX1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTRTX TX1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTR
1310
RPTRTX TX
TXTX
TXTX
TXTX
TX
TX
M
U
X
120 km 120 km120 km
WDM+EDFA 革新了光纤传输
DE
M
? 20多年来光纤通信技术在发掘、利用
光纤带宽资源，扩展光纤传输能力方面进展
神速。（ 传输能力 主要指：通信容量和传输
距离）。
① 在光波长和光纤类型方面
? 多模光纤 ?单模光纤
? 短波长 800nm?长波长 1300nm,1550nm
? 一纤一波 ?一纤多波
② 在单纤传输容量方面？
2、光纤通信的最新进展
?DWDM及相关技术在 90年代中期开始走向成
熟并进入商业化应用。
?AT&T于 1996年 3月建立了世界上第一条 8通
道的 DWDM系统。
?AT&T,MCI,Worldcom,Sprint等公司在
他们美国境内的 90%网络上装上了 DWDM系
统。
?1997年 -1998年，全球 DWDM市场从 17亿美
元增加到 22亿美元，年增长率为 32％。系
统增加到 4000多条，增长率为 98%。至
2004年市场总额预计为 74亿美元。增长率
为 23%。
超长距离（全光无中继）
? Corvis,160(?)?2.5(Gb/s)?3200(km)
(Chicago-Seattle)
? Alcatel,48(?)?10(Gb/s)?4000(km)
超高密度
? Nortel,Sycamore,160(?)?10(Gb/s)开始
推向商用
? Lucent,1022(?)系统已在实验室成功。
超大容量
? Siemens:7.04Tb/s(176?40G)50km
? NEC:3.2Tb/s(160?20G)1500km
DWDM的最新报导
7.04(Tb/s)÷ 64(kb/s/路 )
=1.1(亿路电话 )
00000000
00000001
11111111
8kHz
3、从中国信息通信发展趋势
看光纤通信的未来
我国光纤通信的现状
?1986年建立了国内第一条光缆干线 ? 宁汉光
缆
?1999年建成 8纵 8横光纤骨干网，覆盖了除台
湾外所有省会城市和 75％地市。
?目前，我国长途骨干网的光缆长度达到了 17
万公里，并经中美、中日、中韩等海缆和欧
亚大陆桥光缆与国际光缆网连接。
?我国总的光缆线路总长度超过 100万公里，
居世界前列。
FLAG－ Fiber Optic Link
around the Globe
架空光缆
直埋光缆
北京
上海
至欧洲
至日本
FLAG
至韩国
至朝鲜
至俄罗斯
我国光缆骨干网分布图
至东南亚
?在光纤通信线路建设的同时，果断地将传输技
术从正在广泛发展的 PDH，跳越式地改用 SDH
（ Synchronous Digital Hierarchy，同步数
字系列）。
?SDH传输技术的优越性有,1,SDH在传输高速
信息时，比 PDH更经济有效； 2、其灵活的组网
能力和强大的生存能力增加了网络性能； 3、
根据 ITU-T制定的 SDH标准，能构成统一的网络，
允许不同厂家设备共用。
?目前，我国 99.8％的国家长途线路均采用 SDH，
已拥有世界上最大的基于 SDH的光纤通信网路。
? IP业务爆炸性增长（ 300%）
? IP业务的不确定性造成网络资源的不平衡
? 带宽租用业务正在兴起
? 宽带接入业务（ ADSL等）的发展和宽带新业
务新应用，如,HDTV(16M)，战场通信
(2.8T),Telepresence(15T)等。
? 网络生存性要求消耗大量容量 (多 30-130%)
? 带宽换 QoS的轻载网新思路需要更大的带宽
? 通信市场的正弹性定律和竞争的刺激
骨干网的容量需求
?全球通信业务，特别是数据业务急剧增长
网络业务量
数据年增 40%
电话年增 10%
1998 2000 2002 2004 2006 2008 年份
全球话音和数据业务发展趋势预测
用户数 速率 峰值容量
模拟
MODEM
100万 56kb/s 56Gb/s
ADSL 100万 6Mb/s 6Tb/s
以太网 100万 100Mb/s 100Tb/s
APON 100万 155Mb/s 155Tb/s
接入速率与骨干网容量的关系
? 未来 5-10年内，网上的数据业务将超过话
音业务（骨干网约 3年，全网最有可能 7-8
年）
? 业务总量将大幅度增加（数百倍）
? IP业务将最终成为主导的联网协议
? 未来 5年内省际干线网带宽将以 100%的速
度增长 。
中国网络业务发展趋势
4、光纤通信的支撑技术
超宽带、超高速带来新的技术挑战
衰减损耗
输入信号 输出信号
时间
时间
色散 脉冲展宽
频率
非线性 新频率
光纤中的 损耗、色散和非线性 及其对
光信号传输的影响。
?在传输损耗方面，主要是打通 1.3
?1.55?m窗口。使整个低损耗窗口扩展至
1.28 ? 1.625?m，共计 345nm，即约
43THz。若采用 0.4 nm （即 50GHz）的波
长间隔进行 WDM，能安排 800个信道。
OHˉ吸收峰RS
IAUA
45THz
?光放大器 (OA)是 WDM成功的关
键。随着波长数目的增加，宽带 OA成
为研究重点，具有很大市场。
光放大器类型：
?掺杂（稀土元素：铒、氟、镨
等）光纤放大器,如 EDFA
?半导体光放大器（ SOA）
?受激喇曼光纤放大器
?随着传输速率的提高，色散
成了制约光纤通信系统的主要因素
之一。
例如 G.652光纤
2.5Gbit/s时,>400 km
10Gbit/s时,>25 km
?色散位移光纤（ DSF,G.653）：将零色散
波长移至 1550?，曾认为是长距离传输
的理想光纤。但在加载 WDM时，发现光纤
非线性（四波混频,FWM）引起信道间串
扰，致使系统无法工作。
?少量的色散有利于 FWM的抑制。今后将
采用非零色散光纤 (NZDF,G.655)。
?对已铺设的常规光纤 (G.652),采用色
散补偿技术，克服色散的影响。
1.928 1.93 1.932 1.934 1.936 1.938 1.94
x 10 14
0
1
2
3
4
5
6
7 x 10
-13
w1=1.931e14;
w2=1.931e14+1e11;
w3=1.931e14+2.6e11;
w5=1.931e14+3.4e11;
L=50km
四波混频模拟结果,光纤长度 50公里
DWDM光纤传输系统色散补偿
O
M
U
X
O
D
M
U
X
OA
光发送
光发送
光发送
λ １
λ ２
λ Ν
光接收
光接收
光接收
λ １
λ ２
λ Ν
正色散光纤
负色散、大光斑光纤
支撑 DWDM的器件与子系统
自聚焦透镜（ Selfoc Lens）
1个周期（ Pitch ）
折
射
率
分
布
?光学不变原理,光束的宽度和发
散角的乘积为常数。
?Selfoc Lens 通过对光束进行扩束，
达到准直目的。
光纤
P/4 自聚焦透镜
P/4 自聚焦透镜 光纤
单模光纤准直器结构
80
光纤
P/4 自聚焦透镜 P/4 自聚焦透镜
光纤
单模光纤准直器的应用
光波分复用器
DEM
?1
?2
?3
?4
MUX
?1
?2
?3
?4
?波分复用合波器（ WDM） /分波器（ WDDM）是
将不同波长光信号进行组合 /分开的器件，
是 DWDM系统最基本的无源器件。通过它，光
纤的频带资源可以得到充分利用 。
?WDM的基本功能是将 N 个不同波长的光信号
合在一起，输入至光纤中去； WDDM则是将 N
个合在一起的不同波长光信号分开。
中心波长：符合 ITU-T建议，即
WDM系统的技术要求
L,200,100 GHzGHzf =D
L,2,1,0,1.193 (THz) nfnfn =D??=
L,6.1,8.0
,52.1552
nmnm
nmn
?D
D??=
?
??
绝对
参考
e.g,采用 EDFA的 32波长 DWDM系统各信道
的频率安排如下：
1.192 (THz)nfn 0.1??=
L,2,1,0n =,31
波分复用器分类：
?980/1550,1480/1550泵浦 /信号波分复用
器（全光纤熔融拉锥型）。
?1310/1550波分复用器（全光纤熔融拉锥
型）。
?1550波段内粗波分复用器（有可能用全光
纤熔融拉锥方法实现）。
1、粗波分复用器
2 密集波分复用器 DWDM
一、干涉滤光膜型波分复用器
输入光纤
?1 ?4?3?2
?0 (监管信道 )
干涉滤光膜
?1— ?16
?1— ?15
?16
干涉滤光膜型 DWDM的一种工艺方案
?1— ?14
?15
二、光栅型波分复用器
输入光
?1
?4?3
?2
1,体光栅型
2,光纤光栅型
布拉格光栅?
1— ?16 ?1— ?15
?16
?
?16 ?16
?1— ?15,?16 ?1— ?15,?16FBG
环形器
光纤光栅的应用
三、阵列波导光栅型波分复用器 (AWG)
AWG
?1?2?3?4
?1?2?3?4
?1?2?3?4
?1?2?3?4
?1?2?3?4
?1?2?3?4
?1?2?3?4
?1?2?3?4
光开关
光开关类型
1、机械式光开关
?移动光纤、套管或自聚焦透镜式
电磁驱动、压电陶瓷驱动等
?移动反射镜、透射镜式
2、磁光、电光效应式光开关
3、集成光学光开关
?集成光波导光开关（电光、热光）
M-Z型 光开关
?MEMS
用 DWDM+光开关 可构成 OADM,OXC等光交换系统
本节点信息
输入光纤
?1?2?3?4
DEM MUX
输出光纤
?1?2?3?4
?1?1
?2?2
?3?3
?4 ?4
RXTX
?1 ?2 ?3 ?4
?1 ?2 ?3 ?4 ?1 ?2?3 ?4
?1 ?2?3 ?4
?1
?2
?3
?4
?1
?2
?3
?4
动态交叉连接 光开关
1
1
光隔离器和环行器
?Faraday效应,不具有旋光性的材料，在
外磁场作用下，使通过它的偏振光的偏振
面发生旋转。具有这种效应的材料叫 磁光
材料 。
?磁光材料引起的光偏振面旋转方向取决于
外加磁场，与光的传播方向无关（非互
易）。
?这种效应与材料的 固有旋光效应 不同，在
固有旋光效应材料中，旋转方向取决于光
的传播方向，与外加磁场无关 (互易 )。
外加磁场
外加磁场
Faraday旋磁材料
外加磁场
外加磁场
固有磁光材料
?磁光材料的光偏转角：
l — 材料厚度（毫米）
H — 磁场强度（奥斯忒）
V— 维尔德常数（度 /奥斯忒 ·毫米）
lVH=q
光隔离器的原理
外加磁场
外加磁场
450起偏器 解偏器
偏振无关 光隔离器的工艺结构
RR(450) FR (450)
RR(450) FR (450)
o
e
e
e
o
o
o
e
PBS
RR(450) FR (450)
e
e
o
o
RR(450) FR (450)
o
e
o
e
端口 1
端口 1
端口 2
端口 2
端口 3
反射镜
偏振合波器
光环行器的原理
光环行器的应用
啁啾光栅
色散补偿
Tx
Rx
Rx
Tx
单纤双向系统
波长间插器（ Inter Leaver）
?由于光放大器有限的带宽，增加波
长数目的有效方法是减少波长间隔。
?50GHz的 WDM/WDDM尚不成熟，而
100GHz的干涉滤光膜型 WDM/WDDM已
经非常成熟。通过波长间插是实现
高密集波分复用的有效方法之一。
?波长间插器的原理
?1 ?2 … ?N ?1 ?3 … ?N-1
?1 ?2 … ?N ?2 ?4 … ?N
?1 ?3 … ?N-1
?1 ?2 … ?N
?2 ?4 … ?N
D?=100GHz
D?=50GHz
掺铒光纤放大器 EDFA
掺铒光纤放大器原理图
输入信号 耦合器980/1550nm WDM
泵浦光
掺铒光纤
输出信号
光隔离器
1.1.2稀土元素（镧系元素）
?原子序数 57— 71：镧 La、镨 Pr、钕 Nd、
铒 Er、镱 Yd等。
?当铒掺入至光纤后，被三重电离：二个
外层（ 6s）和一个内层（ 4f）电子电离。
光学特性主要取决于 4f层（ 5s和 5p层为
饱和层）
?掺杂光纤的特性（中心工作波长、带宽
等）取决于掺入的杂质，而不是光纤本
身。
各层的电子分布
K L M N O P
序
数
序
数
元
素 s s / p s / p / d s / p / d / f s / p / d / f s / p / d
7 57 镧 La 2 2 / 6 2 / 6 / 1 0 2 / 6 / 1 0 / - 2 / 6 / 1 / - 2 / - / -
8 58 铯 Ce 2 2 / 6 2 / 6 / 1 0 2 / 6 / 1 0 / 2 2 / 6 / - / - 2 / - / -
9 59 镨 Pr 2 2 / 6 2 / 6 / 1 0 2 / 6 / 1 0 / 3 2 / 6 / - / - 2 / - / -
0 60 钕 Nd 2 2 / 6 2 / 6 / 1 0 2 / 6 / 1 0 / 4 2 / 6 / - / - 2 / - / -
1 61 钷 Pm 2 2 / 6 2 / 6 / 1 0 2 / 6 / 1 0 / 5 2 / 6 / - / - 2 / - / -
2 62 钐 Sm 2 2 / 6 2 / 6 / 1 0 2 / 6 / 1 0 / 6 2 / 6 / - / - 2 / - / -
3 63 铕 Eu 2 2 / 6 2 / 6 / 1 0 2 / 6 / 1 0 / 7 2 / 6 / - / - 2 / - / -
4 64 钆 Gd 2 2 / 6 2 / 6 / 1 0 2 / 6 / 1 0 / 7 2 / 6 / 1 / - 2 / - / -
5 65 铽 Tb 2 2 / 6 2 / 6 / 1 0 2 / 6 / 1 0 / 9 2 / 6 / - / - 2 / - / -
6 66 镝 Dy 2 2 / 6 2 / 6 / 1 0 2 / 6 / 1 0 / 1 0 2 / 6 / - / - 2 / - / -
7 67 钬 Ho 2 2 / 6 2 / 6 / 1 0 2 / 6 / 1 0 / 1 1 2 / 6 / - / - 2 / - / -
8 68 铒 Er 2 2 / 6 2 / 6 / 1 0 2 / 6 / 1 0 / 1 2 2 / 6 / - / - 2 / - / -
9 69 铥 Tm 2 2 / 6 2 / 6 / 1 0 2 / 6 / 1 0 / 1 3 2 / 6 / - / - 2 / - / -
0 70 镱 Yb 2 2 / 6 2 / 6 / 1 0 2 / 6 / 1 0 / 1 4 2 / 6 / - / - 2 / - / -
1 71 镥 Lu 2 2 / 6 2 / 6 / 1 0 2 / 6 / 1 0 / 1 4 2 / 6 / 1 / - 2 / - / -
980nm
??1?s
??10ms
1520?1560 nm
4I11/2
4I15/2
4I13/2
EDFA的能带结构和光放大原理
1480nm
泵浦源的选取
? 0.98?m和 1.48?m为无激发态吸收的能带, 因
而是常用的两个泵浦波长 。 这两个波长的泵
浦源都可用半导体激光器实现 。
? 和 1.48?m比较, 0.98?m属于三能级系统 。 增
益大, 泵浦效率高, 噪声小 （ 可低至 3dB）,
是目前光纤放大器的首选泵浦波长 。
泵浦方式
? 同向泵浦 优点,易于实现；
缺点,易饱和，噪声大。
? 反向泵浦 优点,不易饱和；噪声较低。
? 双向泵浦 优点,优点相结合，光均匀
分布，增益也较平稳。
? 工作波长于光纤最小损耗窗口一致，
在光纤通信中获得很好的应用。
? 能量转换效率高：激光工作物质集中
在光纤芯子中的近轴部分，而信号光
和泵浦光也是在光纤的近轴部分最强,
使得光与物质的作用很充分。
? 增益高，噪声低，输出功率大。
? 增益特性稳定,EDFA增益对温度不敏
感。
EDFA的特性
? 波长固定：铒离子能级间的能极差决
定了 EDFA的工作波长是固定的，只能
放大 1.55左右波长的光波。
? 增益带宽不平坦,EDFA的增益带宽约
40nm，但增益带宽不平坦。在 WDM光纤
通信系统中需要采取特殊的手段来进
行增益谱补偿。
EDFA的不足
实测的 EDFA增益谱特性
1.53 1.54 1.55 1.56,?(?m)
增益,dB
20
10
EDFA
输入光纤 输出光纤
EDFA在 WDM系统中的应用
? 在长途干线通信中，它可使光信号直接
在光域进行放大而无须转换成电信号进
行处理，代替了光 ---电 ---光中继，使
成本降低，设备简化，维护运转方便。
? 用在 WDM/DWDM干线 系统的 EDFA一般称为
数字式光纤放大器 。此类 EDFA需增益均
衡。
? 用在 CATV中的 EDFA称为模拟型光纤放
大器，噪声系数是其重要指标。
喇曼光纤放大器
?根据目前发展趋势，必须进一步增加传输容
量。可采用的方法有：
? 增加每波长传输速率
? 减少波长间隔, i.e.增加波长数
? 增加总的传输带宽 ?新的光放大器系统。
?由于 EDFA是利用铒离子能级间的受激跃迁实
现光放大，因此其中心波长较为固定且带宽
有限。
?光纤喇曼放大器是实现超宽带光放大的有
效途径，其好处有：
?增益介质即为普通传输光纤，与光纤系统
具有良好兼容性。
?中心波长由泵浦波长决定，不受其他因素
牵制。
?增益高、带宽大、噪声系数低、温度稳定
性好。
?受激喇曼散射（ SRS） 是光纤中的一种非
线性现象,它 将一部分入射光功率转移到
频率比其低（波长比其长）的斯托克斯波
上。
?石英光纤具有很宽的 SRS增益谱，最大值
所对应的频率比泵浦频率低 13.2THz（波
长间隔约 100nm）
1.45 1.5 1.55 1.6 1.65 1.7 1.75 1.8
x 10-6
10-4
10-3
10-2
wavelength (m)
stoc
ks
po
we
r (
W
)
Ps--?
P
PumpSignal EDFA
Distributed Amp,Discrete Amp.
分布式喇曼光纤放大器原理框图
Equalizer
?SRS的阈值功率是一个相对值，它与光纤
的材料、结构参数和长度等有关。
?普通单模光纤的泵浦阈值功率一般在
0.5— 1W左右。因此任何降低阈值功率，
使得普通的大功率半导体激光器能作为泵
浦使用，是光纤喇曼放大器实用化的关键。
0 0.5 1 1.5 2 2.5
x 10 4
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
length (m)
sto
ck
s a
nd
pu
mp
po
we
r (
W
)
P--L
?泵浦源解决方案：
? Fiber Laser,DCFL,Raman FL。
? Compact DPSSL
? Diode Pumps组合
泵浦供应商,JDS,SDL,SPECTRA-PHYSICS
喇曼光纤放大器的关键技术
?在光纤选择方面，要同时考虑增加 SRS效
率、减少噪声、形成合理的色散补偿
（ Si Fiber,P-doped Fiber）。
不同光纤的 SRS谱特性
喇曼光纤放大器的噪声特性
喇曼光纤放大器与 EDFA构成超宽带放大器
?可用多个不同波长的泵浦同时激励，实
现更大的放大带宽；泵浦波长应进行优
化设计。
?喇曼光纤放大器中泵浦与泵浦之间、泵
浦与信号、信号与信号之间的相互作用
需进行深入研究，以便获得良好的放大
性能。
?随着 DWDM技术的发展，喇曼光纤放大器将
成为一个重要的部件（ Subsystem），具有
广阔市场。
?某些器件的突破（高功率半导体泵浦光源、
高效 SRS光纤,DCF）成为喇曼光纤放大器
能否尽早进入市场的关键。
?在推向实用化之前，还有很多技术和工艺
问题需要解决。
半导体光放大器和
波长转换器
SOA:Semiconductor Optical
Amplifier
?无光学谐振腔的半导体 LD，在驱动电流
作用下，形成布居反转，通过受激辐射
产生光放大。
?SOA的中心波长与材料、器件结构有关 。
工作原理
?用于光纤传输系统 (1310nm或其它波长 )
— 需解决耦合、偏振相关等问题。
?用于 PIC(Photonic Integrated Circuits)
— laser/EA array (含 Star Coupler),
AWG(arrayed Waveguide grating),
Detector array等。
?温度稳定性：可采用量子阱结构。
?原理：有泵浦 — 通，无泵浦 — 断
?唯一的高速光开关，能实现光数据包
交换 。 (基于光纤的放大器载流子的
寿命通常较大,因而无法实现高速切
换 )
SOA光门
SOA1
SOA2
延迟线
?在多波长 DWDM光网络中，采用波长转换
可解决阻塞问题，增加灵活性，扩大容
量（与固定波长相比）
?SOA波长转换器的主要特性
?高输出信噪比（允许级联）
?输出功率适中（约 0 dBm）
?输入 /输出波长间隔大
?比特率透明
?能实现同一波长转换
?SOA波长转换器有基于 XGM,XPM和 FWM等
SOA波长转换器
?原理：由于增益饱和作用，输入的 AM调制
信号实际上调制了 SOA的增益，
从而使另一束 CW光的输出幅度产生
相应变 化。
XGM波长转换器
输入光功率
增益
SOACW?
C
?S
?C
SOA CW?S ?C?
C
同向
反向
SOA波长转换器原理
SOA波长转换器的带宽
由于该类波长转换器 (XGM/XPM)均
为带内复合，因此转换速率与载流子
浓度有关，从而影响调制带宽。
?长腔比短腔有利，但工作电流大，
易烧坏。
?影响带宽的其它因素：电流、输入
功率、限制因子、差分增益等。
?消光比：由于差分增益的不同，从 长波
长 ?短波长 的消光比要比 从 短 波长 ?长
波长 大 。
?XGM波长转换器的消光比较差，尤其对 短
波长 ?长 波长
20
15
10
5
0
消光比
(?
c )
，
dB
-30 -20 -10 0 10 20 30
?c - ?s
25
20
15
10
5
增益，
dB
?SOA有源区载流子浓度的变化引起折射率
变化，从而导致 CW光的相位随之规划。采
用 Mach-Zehndler干涉仪，可将这一变化
反映出来。
?4dB的增益变化可产生 1800的相移。 (在
XGM中要求 10dB的变化才能达到同样效果 )
?XPM转换的信号是窄谱信号，有利于抑制
WDM信号的串扰，适合长距离传输。
XPM波长转换器
SOA1
SOA2
CW?C
?S
?C
结束语
?未来单模光纤的带宽可达 40THz,WDM是充分
挖掘这一带宽的最佳方法。与此同时,TDM仍
将继续向更高速率迈进。
?光放大器是 WDM成功的关键。超宽带平坦型光
放大器是下一步开发的目标，具有很大市场。
?长距离、高速传输时，色散成为制约因素。
今后将采用非零色散光纤 NZDF— 在工作波段
内，色散系数及其斜率均非常小，但色散不
为零。
?对已铺设的常规光纤，采用色散补偿技术。
为减小非线性效应，可采用大光斑尺寸光纤。
其它希望突破的技术包括：
¤ 高速半导体激光器（ LD）,调制器及集
成组件（包括单波长和多波长、波长固
定和可调谐）、光孤子源及其传输技术
等。高速、高灵敏度探测器（雪崩二极
管,OEIC）。 大功率泵浦源。
¤ 光开关，滤波器，波长转换器（ XGM、
XPM,FWM等），多波长（ ?64） WDMs,合
波器 (OMU)和分波器 (ODU)等
¤ 全光型 3R (retiming,reshaping and
regenerating)中继器。
20多年来，光纤通信给人类信息
领域带来了深刻变化。
人们在享受着微电子文明的同时，
将享受光电子、光子带来的文明。
硅谷象征着微电子技术的高度发
达；随着光子学的发展，光谷
（ Photonic Valley）也将相继开花。
谢谢
