光纖通信技術(shù)南昌航空大學(xué)萬(wàn)生鵬第七章光纖通信新技術(shù)7.1光復(fù)用技術(shù)隨著人類(lèi)社會(huì)信息時(shí)代的到來(lái)，對(duì)通信的需求呈現(xiàn)加速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。發(fā)展迅速的各種新型業(yè)務(wù)(特別是高速數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù))對(duì)通信網(wǎng)的帶寬(或容量)提出了更高的要求。為了適應(yīng)通信網(wǎng)傳輸容量的不斷增長(zhǎng)和滿足網(wǎng)絡(luò)交互性、靈活性的要求，產(chǎn)生了各種復(fù)用技術(shù)。

在光纖通信系統(tǒng)中復(fù)用方式主要有：光時(shí)分復(fù)用(OTDM)光波分復(fù)用(WDM)光頻分復(fù)用(OFDM)副載波復(fù)用(SCM)光碼分復(fù)用(OCDM)7.1光復(fù)用技術(shù)分類(lèi)第一個(gè)商用的IM/DD系統(tǒng)完成于1977年。在1992年商用IM/DD系統(tǒng)的比特速率提高到2.5Gb/s（當(dāng)時(shí)是采用電的SDH復(fù)用）。為了進(jìn)一步提高傳輸容量，可以采用兩條發(fā)展方向。一是采用電的或光的時(shí)分復(fù)用（ETDM或OTDM）技術(shù)繼續(xù)提高單一波長(zhǎng)信道的傳輸比特速率，但是采用ETDM會(huì)受到電子瓶頸的限制，因此人們偏向采用OTDM技術(shù)。另一是采用波分復(fù)用（WDM）技術(shù)。WDM技術(shù)的提出比較早，在上個(gè)世紀(jì)80年代就已經(jīng)開(kāi)始研究DWDM技術(shù)了，但是因?yàn)闆](méi)有合適的光放大器補(bǔ)償光纖損耗，而當(dāng)時(shí)采用電中繼的方法是非常不經(jīng)濟(jì)的，因此當(dāng)時(shí)影響不大。直到1990年商用化的EDFA出現(xiàn)后，DWDM和EDFA相結(jié)合取得了巨大成功，引起了光纖通信技術(shù)的革命性變化。1lmllt1tnt表三種復(fù)用技術(shù)的比較波長(zhǎng)控制全網(wǎng)同步用戶數(shù)其它WDM需要精確的波長(zhǎng)控制不需要由可用波長(zhǎng)數(shù)決定網(wǎng)絡(luò)協(xié)議復(fù)雜，目前技術(shù)比較成熟OTDM不需要波長(zhǎng)控制需嚴(yán)格的全網(wǎng)同步由可用時(shí)隙段決定網(wǎng)絡(luò)協(xié)議復(fù)雜，目前光存儲(chǔ)器發(fā)展不成熟OCDMA不需要波長(zhǎng)控制不需要由地址碼容量決定網(wǎng)絡(luò)協(xié)議簡(jiǎn)單，隨機(jī)接入，網(wǎng)絡(luò)具有軟容量，目前技術(shù)不成熟

7.2.1光波分復(fù)用原理

1.WDM的概念

光波分復(fù)用(WDM：WavelengthDivisionMultiplexing)技術(shù)是在一根光纖中同時(shí)傳輸多個(gè)波長(zhǎng)光信號(hào)的一項(xiàng)技術(shù)。光波分復(fù)用（WDM）的基本原理是：在發(fā)送端將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)組合起來(lái)(復(fù)用)，并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進(jìn)行傳輸，在接收端又將組合波長(zhǎng)的光信號(hào)分開(kāi)(解復(fù)用)，并作進(jìn)一步處理，恢復(fù)出原信號(hào)后送入不同的終端，因此將此項(xiàng)技術(shù)稱(chēng)為光波長(zhǎng)分割復(fù)用，簡(jiǎn)稱(chēng)光波分復(fù)用技術(shù)。7.2光波分復(fù)用技術(shù)圖

中心波長(zhǎng)在1.3μm和1.55μm的硅光纖低損耗傳輸窗口

(插圖表示1.55μm傳輸窗口的多信道復(fù)用)80001.02.03.04.0100012001400160018001~10GHz波長(zhǎng)/nm衰減(dB/km信道間隔載波頻率光纖的帶寬有多寬？

如上圖所示，在光纖的兩個(gè)低損耗傳輸窗口：波長(zhǎng)為1.31μm(1.25～1.35μm)的窗口，相應(yīng)的帶寬(|Δf|=|-Δλc/λ2|,λ和Δλ分別為中心波長(zhǎng)和相應(yīng)的波段寬度，c為真空中光速)為17700GHz；波長(zhǎng)為1.55μm(1.50～1.60μm)的窗口，相應(yīng)的帶寬為12500GHz。兩個(gè)窗口合在一起，總帶寬超過(guò)30THz。如果信道頻率間隔為10GHz，在理想情況下，一根光纖可以容納3000個(gè)信道。

由于目前一些光器件與技術(shù)還不十分成熟，因此要實(shí)現(xiàn)光信道十分密集的光頻分復(fù)用(OFDM)還較為困難。在這種情況下，人們把在同一窗口中信道間隔較小的波分復(fù)用稱(chēng)為密集波分復(fù)用(DWDM：DenseWavelengthDivisionMultiplexing)。目前該系統(tǒng)是在1550nm波長(zhǎng)區(qū)段內(nèi)，同時(shí)用8，16或更多個(gè)波長(zhǎng)在一對(duì)光纖上(也可采用單光纖)構(gòu)成的光通信系統(tǒng)，其中各個(gè)波長(zhǎng)之間的間隔為1.6nm、0.8nm或更低，約對(duì)應(yīng)于200GHz,100GHz或更窄的帶寬。

WDM、DWDM和OFDM在本質(zhì)上沒(méi)有多大區(qū)別以往技術(shù)人員習(xí)慣采用WDM和DWDM來(lái)區(qū)分是1310/1550nm簡(jiǎn)單復(fù)用還是在1550nm波長(zhǎng)區(qū)段內(nèi)密集復(fù)用，但目前在電信界應(yīng)用時(shí)，都采用DWDM技術(shù)。由于1310/1550nm的復(fù)用超出了EDFA的增益范圍，只在一些專(zhuān)門(mén)場(chǎng)合應(yīng)用，所以經(jīng)常用WDM這個(gè)更廣義的名稱(chēng)來(lái)代替DWDM。

WDM技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)升級(jí)、發(fā)展寬帶業(yè)務(wù)(如CATV，HDTV和IPoverWDM等)、充分挖掘光纖帶寬潛力、實(shí)現(xiàn)超高速光纖通信等具有十分重要意義，尤其是WDM加上EDFA更是對(duì)現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的吸引力。目前，“摻鉺光纖放大器(EDFA)+密集波分復(fù)用(WDM)+非零色散光纖(NZDSF，即G.655光纖)+光子集成(PIC)”正成為國(guó)際上長(zhǎng)途高速光纖通信線路的主要技術(shù)方向。如果一個(gè)區(qū)域內(nèi)所有的光纖傳輸鏈路都升級(jí)為WDM傳輸，我們就可以在這些WDM鏈路的交叉(結(jié)點(diǎn))處設(shè)置以波長(zhǎng)為單位對(duì)光信號(hào)進(jìn)行交叉連接的光交叉連接設(shè)備(OXC)，或進(jìn)行光上下路的光分插復(fù)用器(OADM)，則在原來(lái)由光纖鏈路組成的物理層上面就會(huì)形成一個(gè)新的光層。在這個(gè)光層中，相鄰光纖鏈路中的波長(zhǎng)通道可以連接起來(lái)，形成一個(gè)跨越多個(gè)OXC和OADM的光通路，完成端到端的信息傳送，并且這種光通路可以根據(jù)需要靈活、動(dòng)態(tài)地建立和釋放，這就是目前引人注目的、新一代的WDM全光網(wǎng)絡(luò)。

2.WDM系統(tǒng)的基本形式光波分復(fù)用器和解復(fù)用器是WDM技術(shù)中的關(guān)鍵部件，將不同波長(zhǎng)的信號(hào)結(jié)合在一起經(jīng)一根光纖輸出的器件稱(chēng)為復(fù)用器(也叫合波器)。反之，經(jīng)同一傳輸光纖送來(lái)的多波長(zhǎng)信號(hào)分解為各個(gè)波長(zhǎng)分別輸出的器件稱(chēng)為解復(fù)用器(也叫分波器)。從原理上講，這種器件是互易的(雙向可逆)，即只要將解復(fù)用器的輸出端和輸入端反過(guò)來(lái)使用，就是復(fù)用器。

因此復(fù)用器和解復(fù)用器是相同的(除非有特殊的要求)。

WDM系統(tǒng)的基本構(gòu)成主要有以下兩種形式：雙纖單向傳輸和單纖雙向傳輸。

(1)雙纖單向傳輸。

單向WDM傳輸是指所有光通路同時(shí)在一根光纖上沿同一方向傳送。如下圖所示，在發(fā)送端將載有各種信息的、具有不同波長(zhǎng)的已調(diào)光信號(hào)λ1,λ2,…,λn通過(guò)光復(fù)用器組合在一起，并在一根光纖中單向傳輸。由于各信號(hào)是通過(guò)不同光波長(zhǎng)攜帶的，因而彼此之間不會(huì)混淆。在接收端通過(guò)光解復(fù)用器將不同波長(zhǎng)的信號(hào)分開(kāi)，完成多路光信號(hào)傳輸?shù)娜蝿?wù)。反方向通過(guò)另一根光纖傳輸?shù)脑砼c此相同。

圖

雙纖單向WDM傳輸

(2)單纖雙向傳輸。雙向WDM傳輸是指光通路在一根光纖上同時(shí)向兩個(gè)不同的方向傳輸。如下圖所示，所用波長(zhǎng)相互分開(kāi)，以實(shí)現(xiàn)雙向全雙工的通信。圖單纖雙向WDM傳輸

雙向WDM系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和應(yīng)用時(shí)必須要考慮幾個(gè)關(guān)鍵的系統(tǒng)因素：

如為了抑制多通道干擾(MPI)，必須注意到光反射的影響、雙向通路之間的隔離、串?dāng)_的類(lèi)型和數(shù)值、兩個(gè)方向傳輸?shù)墓β孰娖街岛拖嗷ラg的依賴性、光監(jiān)控信道(OSC)傳輸和自動(dòng)功率關(guān)斷等問(wèn)題，同時(shí)要使用雙向光纖放大器。所以雙向WDM系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用相對(duì)說(shuō)來(lái)要求較高，但與單向WDM系統(tǒng)相比，雙向WDM系統(tǒng)可以減少使用光纖和線路放大器的數(shù)量。另外，通過(guò)在中間設(shè)置光分插復(fù)用器(OADM)或光交叉連接器(OXC)，可使各波長(zhǎng)光信號(hào)進(jìn)行合流與分流，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的上下路(Add/Drop)和路由分配，這樣就可以根據(jù)光纖通信線路和光網(wǎng)的業(yè)務(wù)量分布情況，合理地安排插入或分出信號(hào)。

?插入損耗小

?隔離度大

?帶內(nèi)平坦，帶外插入損耗變化陡峭

?

溫度穩(wěn)定性好

?復(fù)用通路數(shù)多

?尺寸小等3.光波分復(fù)用器的性能參數(shù)光波分復(fù)用器是波分復(fù)用系統(tǒng)的重要組成部分，為了確保波分復(fù)用系統(tǒng)的性能，對(duì)波分復(fù)用器的基本要求是：

(1)插入損耗

插入損耗是指由于增加光波分復(fù)用器/解復(fù)用器而產(chǎn)生的附加損耗，定義為該無(wú)源器件的輸入和輸出端口之間的光功率之比，即其中Pi為發(fā)送進(jìn)輸入端口的光功率；Po為從輸出端口接收到的光功率。(dB)

(2)串?dāng)_抑制度串?dāng)_是指其他信道的信號(hào)耦合進(jìn)某一信道，并使該信道傳輸質(zhì)量下降的影響程度，有時(shí)也可用隔離度來(lái)表示這一程度。對(duì)于解復(fù)用器其中Pi是波長(zhǎng)為λi的光信號(hào)的輸入光功率，Pij是波長(zhǎng)為λi的光信號(hào)串入到波長(zhǎng)為λj信道的光功率。其中Pj為發(fā)送進(jìn)輸入端口的光功率，Pr為從同一個(gè)輸入端口接收到的返回光功率。

(3)回波損耗

回波損耗是指從無(wú)源器件的輸入端口返回的光功率與輸入光功率的比，即

(4)反射系數(shù)反射系數(shù)是指在WDM器件的給定端口的反射光功率Pr與入射光功率Pj之比，即

(5)工作波長(zhǎng)范圍

工作波長(zhǎng)范圍是指WDM器件能夠按照規(guī)定的性能要求工作的波長(zhǎng)范圍(λmin到λmax)。

(6)信道寬度

信道寬度是指各光源之間為避免串?dāng)_應(yīng)具有的波長(zhǎng)間隔。

(7)偏振相關(guān)損耗

偏振相關(guān)損耗(PDL:PolarizationdependentLoss)是指由于偏振態(tài)的變化所造成的插入損耗的最大變化值。

7.2.2WDM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

實(shí)際的WDM系統(tǒng)主要由五部分組成：光發(fā)射機(jī)、光中繼放大、光接收機(jī)、光監(jiān)控信道和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，如下圖所示。

?光發(fā)射機(jī)位于WDM系統(tǒng)的發(fā)送端。在發(fā)送端首先將來(lái)自終端設(shè)備(如SDH端機(jī))輸出的光信號(hào)，利用光轉(zhuǎn)發(fā)器(OTU)把符合ITU-TG.957建議的非特定波長(zhǎng)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成符合ITU-TG.692建議的具有穩(wěn)定的特定波長(zhǎng)的光信號(hào)。

OTU對(duì)輸入端的信號(hào)波長(zhǎng)沒(méi)有特殊要求，可以兼容任意廠家的SDH信號(hào)，其輸出端滿足G.692的光接口，即標(biāo)準(zhǔn)的光波長(zhǎng)和滿足長(zhǎng)距離傳輸要求的光源；利用合波器合成多路光信號(hào)；通過(guò)光功率放大器(BA：BoosterAmplifier)放大輸出多路光信號(hào)。

?

用摻鉺光纖放大器(EDFA)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行中繼放大。在應(yīng)用時(shí)可根據(jù)具體情況，將EDFA用作“線放(LA：LineAmplifier)”,“功放(BA)”和“前放(PA：Preamplifier)”。在WDM系統(tǒng)中，對(duì)EDFA必須采用增益平坦技術(shù)，使得EDFA對(duì)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)具有接近相同的放大增益。與此同時(shí)，還要考慮到不同數(shù)量的光信道同時(shí)工作的各種情況，保證光信道的增益競(jìng)爭(zhēng)不影響傳輸性能。在接收端，光前置放大器(PA)放大經(jīng)傳輸而衰減的主信道光信號(hào)，分波器從主信道光信號(hào)中分出特定波長(zhǎng)的光信號(hào)。接收機(jī)不但要滿足一般接收機(jī)對(duì)光信號(hào)靈敏度、過(guò)載功率等參數(shù)的要求，還要能承受有一定光噪聲的信號(hào)，要有足夠的電帶寬。

?光監(jiān)控信道(OSC：OpticalSupervisoryChannel)的主要功能是：

監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)各信道的傳輸情況，在發(fā)送端，插入本結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的波長(zhǎng)為λs(1510nm)的光監(jiān)控信號(hào)，與主信道的光信號(hào)合波輸出；在接收端，將接收到的光信號(hào)分離，輸出λs(1510nm)波長(zhǎng)的光監(jiān)控信號(hào)和業(yè)務(wù)信道光信號(hào)。

幀同步字節(jié)、公務(wù)字節(jié)和網(wǎng)管所用的開(kāi)銷(xiāo)字節(jié)等都是通過(guò)光監(jiān)控信道來(lái)傳送的。

?網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)通過(guò)光監(jiān)控信道物理層傳送開(kāi)銷(xiāo)字節(jié)到其他結(jié)點(diǎn)或接收來(lái)自其他結(jié)點(diǎn)的開(kāi)銷(xiāo)字節(jié)對(duì)WDM系統(tǒng)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)配置管理、故障管理、性能管理和安全管理等功能，并與上層管理系統(tǒng)(如TMN)相連。

目前國(guó)際上已商用的系統(tǒng)有：4×2.5Gb/s(10Gb/s),8×2.5Gb/s(20Gb/s),16×2.5Gb/s(40Gb/s),40×2.5Gb/s(100Gb/s),32×10Gb/s(320Gb/s),40×10Gb/s(400Gb/s)。實(shí)驗(yàn)室已實(shí)現(xiàn)了82×40Gb/s(3.28Tb/s)的速率，傳輸距離達(dá)3×100km=300km。OFC2000(OpticalFiberCommunicationConference)提供的情況有：

BellLabs:82路×40Gb/s=3.28Tb/s在3×100km=300km的TrueWave(商標(biāo))光纖(即G.655光纖)上，利用C和L兩個(gè)波帶聯(lián)合傳輸；

日本NEC:160×20Gb/s=3.2Tb/s，利用歸零信號(hào)沿色散平坦光纖，經(jīng)過(guò)增益寬度為64nm的光纖放大器，傳輸距離達(dá)1500km;日本富士通(Fujitsu):128路×10.66Gb/s，經(jīng)過(guò)C和L波帶（注：C波帶為1525～1565nm，L波帶為1570～1620nm），用分布喇曼放大(DRA:DistributedRamanAmplification),傳輸距離達(dá)6×140km=840km;

日本NTT：

30路×42.7Gb/s，利用歸零信號(hào)，經(jīng)過(guò)增益寬度為50nm的光纖放大器，傳輸距離達(dá)3×125km;

美國(guó)LucentTech:100路×10Gb/s=1Tb/s，各路波長(zhǎng)的間隔縮小到25GHz,利用L波帶，沿NZDF光纖(G.655光纖)傳輸400km;

美國(guó)Mciworldcom和加拿大Nortel:100路×10Gb/s=1Tb/s，沿NZDF光纖在C和L波帶傳輸4段，約200km;

美國(guó)Qtera

和Qwest:

兩個(gè)波帶4路×10Gb/s和2路×10Gb/s沿NZDF光纖傳輸23×105km=2415km,這個(gè)試驗(yàn)雖然WDM路數(shù)不多，但在陸地光纜中卻是最長(zhǎng)距離。

武漢郵科院：12160公里的單根光纖（G.652）上每秒傳輸數(shù)據(jù)達(dá)到了1.031T采用密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)，武漢郵科院于2005年在上海到杭州開(kāi)通了80×40Gbit/s系統(tǒng)（國(guó)家“863”項(xiàng)目），該系統(tǒng)容量相當(dāng)于四千萬(wàn)對(duì)人同時(shí)通話。近兩年，國(guó)際上也有公司開(kāi)通或測(cè)試通過(guò)了單通道速率為100Gbit/s的系統(tǒng)。但是當(dāng)單通道速率達(dá)到400Gbit/s或1-Tbit/s后，由于受光信噪比、非線性和色散等因素制約，需要采用新的技術(shù)。無(wú)線移動(dòng)通信與光通信技術(shù)的發(fā)展也不斷出現(xiàn)交叉和融合，原來(lái)在寬帶無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)中廣泛使用的OFDM（正交頻分復(fù)用）和LDPC（低密度校驗(yàn)碼）等編碼技術(shù)，已成為超高速、超大容量、超長(zhǎng)距離（3U）光通信基礎(chǔ)研究的熱點(diǎn)。武漢郵科院：12160公里的單根光纖（G.652）上每秒傳輸數(shù)據(jù)達(dá)到了1.031T以現(xiàn)在鋪設(shè)的40Gb/s網(wǎng)絡(luò)為例，家庭用戶所使用的信號(hào)流量一般在Mb/s級(jí)左右。以1Mb/s流量為例，則一根光纖所能支持的最大用戶數(shù)量為4萬(wàn)戶。而對(duì)于1Tb/s骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)，在不改變光纖鏈路的同時(shí)，則可支持最大用戶100萬(wàn)戶，是原有的25倍。為了實(shí)現(xiàn)這種超高速、超大容量、超長(zhǎng)距離（3U）光傳輸，正交頻分復(fù)用、編碼、先進(jìn)調(diào)制格式、數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)模轉(zhuǎn)換、色散補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)的進(jìn)一步研究就顯得非常必要。

7.2.3WDM技術(shù)的主要特點(diǎn)1.充分利用光纖的巨大帶寬資源

光纖具有巨大的帶寬資源(低損耗波段)，WDM技術(shù)使一根光纖的傳輸容量比單波長(zhǎng)傳輸增加幾倍至幾十倍甚至幾百倍，從而增加光纖的傳輸容量，降低成本，具有很大的應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。2.同時(shí)傳輸多種不同類(lèi)型的信號(hào)

由于WDM技術(shù)使用的各波長(zhǎng)的信道相互獨(dú)立，因而可以傳輸特性和速率完全不同的信號(hào)，完成各種電信業(yè)務(wù)信號(hào)的綜合傳輸，如PDH信號(hào)和SDH信號(hào)，數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)，多種業(yè)務(wù)(音頻、視頻、數(shù)據(jù)等)的混合傳輸?shù)取?.節(jié)省線路投資采用WDM技術(shù)可使N個(gè)波長(zhǎng)復(fù)用起來(lái)在單根光纖中傳輸，也可實(shí)現(xiàn)單根光纖雙向傳輸，在長(zhǎng)途大容量傳輸時(shí)可以節(jié)約大量光纖。另外，對(duì)已建成的光纖通信系統(tǒng)擴(kuò)容方便，只要原系統(tǒng)的功率余量較大，就可進(jìn)一步增容而不必對(duì)原系統(tǒng)作大的改動(dòng)。

7.2.3WDM技術(shù)的主要特點(diǎn)4.降低器件的超高速要求隨著傳輸速率的不斷提高，許多光電器件的響應(yīng)速度已明顯不足，使用WDM技術(shù)可降低對(duì)一些器件在性能上的極高要求，同時(shí)又可實(shí)現(xiàn)大容量傳輸。5.高度的組網(wǎng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性

WDM技術(shù)有很多應(yīng)用形式，如長(zhǎng)途干線網(wǎng)、廣播分配網(wǎng)、多路多址局域網(wǎng)?？梢岳肳DM技術(shù)選擇路由，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換和故障恢復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)未來(lái)的透明、靈活、經(jīng)濟(jì)且具有高度生存性的光網(wǎng)絡(luò)。7.2.4光濾波器與光波分復(fù)用器在前面介紹耦合器時(shí)，已經(jīng)簡(jiǎn)單地介紹了波分復(fù)用器(WDM)。在這一部分我們將介紹各種各樣的波長(zhǎng)選擇技術(shù)，即光濾波技術(shù)。光濾波器在WDM系統(tǒng)中是一種重要元器件，與波分復(fù)用有著密切關(guān)系，常常用來(lái)構(gòu)成各種各樣的波分復(fù)用器和解復(fù)用器。波分復(fù)用器和解復(fù)用器主要用在:?WDM終端

?波長(zhǎng)路由器

?波長(zhǎng)分插復(fù)用器(WavelengthAdd/DropMultiplexer,WADM)光濾波器的三種應(yīng)用：

?單純的濾波應(yīng)用

?

波分復(fù)用/解復(fù)用器中應(yīng)用

?波長(zhǎng)路由器中應(yīng)用l1光濾波器圖(a)單純的濾波應(yīng)用l1,l2,l3,l4l,l,l234波分復(fù)用器l1l2l3l4圖

波分復(fù)用器中應(yīng)用l1,l2,l3,l4

圖波長(zhǎng)路由器波長(zhǎng)路由器l1,l2,l3,l4l1,l2,l3,l411112222l1,l2,l3,l42112l1,l2,l3,l41221波長(zhǎng)路由器是波長(zhǎng)選路網(wǎng)絡(luò)(WavelengthRoutingNetwork)中的關(guān)鍵部件，其功能可由下圖的例子說(shuō)明它有兩個(gè)輸入端口和兩個(gè)輸出端口，每路輸入都載有一組λ1,λ2,λ3和λ4WDM信號(hào)。如果一個(gè)波長(zhǎng)路由器的路由方式不隨時(shí)間變化，就稱(chēng)為靜態(tài)路由器；路由方式隨時(shí)間變化，則稱(chēng)之為動(dòng)態(tài)路由器。靜態(tài)路由器可以用波分復(fù)用器來(lái)構(gòu)成，如下圖所示。波長(zhǎng)分插復(fù)用器可以看成是波長(zhǎng)路由器的簡(jiǎn)化形式，它只有一個(gè)輸入端口和一個(gè)輸出端口，再加上一個(gè)用于分插波長(zhǎng)的本地端口。

對(duì)光濾波器的主要要求有：

(1)一個(gè)好的光濾波器應(yīng)有較低的插入損耗，并且損耗應(yīng)該與輸入光的偏振態(tài)無(wú)關(guān)。

在大多數(shù)系統(tǒng)中，光的偏振態(tài)隨機(jī)變化，如果濾波器的插入損耗與光的偏振有關(guān)(PDL:PolarizationdependentLoss),則輸出光功率將極其不穩(wěn)定。

(2)一個(gè)濾波器的通帶應(yīng)該對(duì)溫度的變化不敏感。

溫度系數(shù)是指溫度每變化1℃的波長(zhǎng)漂移。一個(gè)WDM系統(tǒng)要求在整個(gè)工作溫度范圍(大約100℃)內(nèi)，波長(zhǎng)漂移應(yīng)該遠(yuǎn)小于相鄰信道的波長(zhǎng)間隔。

(3)在一個(gè)WDM系統(tǒng)中，隨著級(jí)聯(lián)的濾波器越來(lái)越多，系統(tǒng)的通帶就變得越來(lái)越窄。

為了確保在級(jí)聯(lián)的末端還有一個(gè)相當(dāng)寬的通帶，單個(gè)濾波器的通帶傳輸特性應(yīng)該是平直的，以便能夠容納激光器波長(zhǎng)的微小變化。單個(gè)濾波器的通帶的平直程度常用1dB帶寬來(lái)衡量，如下圖所示。

圖

光濾波器的1dB帶寬下面將介紹一些波長(zhǎng)選擇技術(shù)及其在WDM系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1.光柵

光柵(Grating)廣泛地用來(lái)將光分離為不同波長(zhǎng)的單色光。在WDM系統(tǒng)中，光柵主要用在解復(fù)用器中，以分離出各個(gè)波長(zhǎng)。圖基于光纖光柵結(jié)構(gòu)的光分插復(fù)用器l1l2l3l4113光纖布喇格光柵l1l3l4lll42l23l2圖

基于光纖光柵結(jié)構(gòu)的光分插復(fù)用器光分插l23l1l2l3l41光纖布喇格光柵2l2l1l3l4耦合器l27.3OTDM技術(shù)1、概述OTDM是在光域上進(jìn)行時(shí)間分割復(fù)用，一般有兩種復(fù)用方式：

?比特間插(Bitinterleaved)?信元間插(Cellinterleaved)2、OTDM的原理和系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

圖OTDM技術(shù)原理示意圖鎖模激光器分路器調(diào)制器合束器支路i延時(shí)圖

光時(shí)分復(fù)用光路示意圖圖光時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)框圖Mod1Mod2…Modn……合路器光分路器T(n－1)T超短脈沖發(fā)生器幀同步時(shí)鐘E/OMUX接收機(jī)誤碼檢測(cè)光帶通濾波器全光開(kāi)關(guān)DEMUX光波時(shí)鐘產(chǎn)生時(shí)鐘提取電路EDFA延時(shí)線陣列待傳數(shù)據(jù)輸入復(fù)用信號(hào)輸入分路器或星形耦合器門(mén)限判決器與門(mén)延遲圖

光時(shí)分解復(fù)用示意光路圖OTDM的關(guān)鍵技術(shù)（1）超短光脈沖光源光時(shí)分復(fù)用要求光源產(chǎn)生高重復(fù)率（5～20GHz）、占空比相當(dāng)小的超窄光脈沖，脈寬越窄可以復(fù)用的路數(shù)越多，且譜寬也就越寬。能滿足這些要求的光源主要有鎖模環(huán)形光纖激光器（ML-FRL）、鎖模半導(dǎo)體激光器、DFB激光器加電吸收調(diào)制器（EAM）、增益開(kāi)關(guān)DFB激光器和超連續(xù)脈沖發(fā)生器。其中ML-FRL的特點(diǎn)是產(chǎn)生的脈沖幾乎沒(méi)有啁啾，在40GHz的高頻范圍不需要進(jìn)行啁啾補(bǔ)償或脈沖壓縮，就能產(chǎn)生ps級(jí)的超短變換極限光脈沖，輸出波長(zhǎng)較靈活，穩(wěn)定性好，是一種很有前途的光時(shí)分復(fù)用光源。（2）超短光脈沖的長(zhǎng)距離傳輸和色散抑制技術(shù)（3）光緩存（4）全光解復(fù)用技術(shù)相對(duì)于全光時(shí)分復(fù)用技術(shù)，解復(fù)用實(shí)現(xiàn)起來(lái)更困難。是將超高速光信號(hào)解復(fù)用成低速率光信號(hào)，它是實(shí)現(xiàn)高速OTDM傳輸所必須的技術(shù)。OTDM對(duì)全光解復(fù)用的要求是：快速穩(wěn)定的無(wú)誤碼工作、控制功率低、與偏振無(wú)關(guān)、定時(shí)抖動(dòng)值小。目前已研究出的結(jié)構(gòu)有：光克爾開(kāi)關(guān)、交叉相位調(diào)制頻移開(kāi)關(guān)、四波混頻（FWM）開(kāi)關(guān)和非線性光環(huán)路鏡（NOLM）及太赫茲光學(xué)非對(duì)稱(chēng)解復(fù)用器（TOAD）等。NOLM解復(fù)用器具有超高速、高穩(wěn)定性及低功耗等特點(diǎn)，是全光解復(fù)用的優(yōu)良器件。（5）全光時(shí)鐘提取全光時(shí)鐘恢復(fù)指的是用全光學(xué)方法從歸零碼光脈沖信號(hào)中提取出低時(shí)間抖動(dòng)（<1ps）的同步時(shí)鐘信號(hào)，以便把它分配到OTDM通信系統(tǒng)的解復(fù)用器、路由選擇器、信道選擇器和接收器等，超遠(yuǎn)距干線傳輸系統(tǒng)的光信號(hào)再生也要用到它。因此時(shí)鐘恢復(fù)對(duì)未來(lái)超高碼率網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)至關(guān)重要。全光時(shí)鐘提取器的機(jī)理一般基于兩路光波互作用，其中一路波是信號(hào)碼流（波長(zhǎng)λs），另一路波是預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)鐘信號(hào)（波長(zhǎng)λc），因此首先必須要找到一個(gè)適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)非線性介質(zhì)，鑒別或檢測(cè)二路光波之間的相位誤差。發(fā)生在這種非線性介質(zhì)中的多波互作用的基本原理是通過(guò)交叉相位調(diào)制（XPM）產(chǎn)生相移或四波混頻（FWM）信號(hào)，從而檢測(cè)出兩路波之間的相位誤差信息，并通過(guò)鎖相環(huán)糾正信號(hào)的相位抖動(dòng)。（6）全光3R技術(shù)全光3R再生(retiming、reshaping、reamplifying)

傳統(tǒng)的電鎖相環(huán)基本結(jié)構(gòu)OCDMA中的全光時(shí)鐘提取時(shí)鐘信號(hào)基于受激布里淵散射的時(shí)鐘恢復(fù)基本結(jié)構(gòu)圖7.4光碼分復(fù)用（OCDM）技術(shù)光碼分復(fù)用（OCDM）技術(shù)是一種全新的頻率資源利用思路，它的信道占據(jù)同一個(gè)寬頻帶，從而原則上不需要光濾波器件，不同信道之間相互獨(dú)立地發(fā)送或接收信號(hào)，不需要網(wǎng)際規(guī)模的時(shí)鐘同步。OCDM的異步操作模式能支持突發(fā)性業(yè)務(wù)，碼分多址本身的特性同時(shí)也提高了一定的安全性，從其潛在的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用前景來(lái)看，OCDM能滿足目前及將來(lái)通信發(fā)展的要求，即異步、高速、寬帶、可靠。7.4光碼分復(fù)用9.4.1

OCDM的基本原理光碼分復(fù)用技術(shù)和電碼分復(fù)用技術(shù)在原理上并沒(méi)有根本的區(qū)別，只是在OCDM通信系統(tǒng)中，每個(gè)用戶都擁有一個(gè)唯一的地址碼，該碼是一組光正交碼中的一個(gè)。在發(fā)送端，對(duì)要發(fā)送的數(shù)據(jù)地址碼進(jìn)行正交編碼，然后進(jìn)行信道復(fù)用。在接收端，用與發(fā)送端相同的地址碼進(jìn)行光正交解碼。OCDM通過(guò)光編碼和光解碼實(shí)現(xiàn)光信道的復(fù)用、解復(fù)用及信號(hào)交換，在光通信中具有極大的應(yīng)用前景。OCDM的典型原理圖如下圖所示。圖OCDMA的數(shù)據(jù)格式比特?cái)?shù)據(jù)地址碼經(jīng)地址碼編碼后的比特?cái)?shù)據(jù)時(shí)間時(shí)間時(shí)間比特周期用戶1電信號(hào)調(diào)制器光源光CDMA編碼器1用戶2電信號(hào)調(diào)制器光源光CDMA編碼器2光源用戶N電信號(hào)調(diào)制器光CDMA編碼器N光CDMA解碼器1探測(cè)器在時(shí)判決用戶1電信號(hào)光CDMA解碼器2探測(cè)器在時(shí)判決用戶2電信號(hào)光CDMA解碼器N探測(cè)器在時(shí)判決用戶N電信號(hào)圖OCDMA系統(tǒng)原理框圖N×N星形耦合器7.5光交換技術(shù)目前的商用光纖通信系統(tǒng)，單信道傳輸速率已超過(guò)10Gb/s，實(shí)驗(yàn)WDM系統(tǒng)的傳輸速率已超過(guò)3.28Tb/s。但是，由于大量新業(yè)務(wù)的出現(xiàn)和國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，今后通信網(wǎng)絡(luò)還可能變得擁擠。原因是在現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)中，高速光纖通信系統(tǒng)僅僅充當(dāng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸手段，網(wǎng)絡(luò)中重要的交換功能還是采用電子交換技術(shù)。

傳統(tǒng)電子交換機(jī)的端口速率只有幾Mb/s到幾百M(fèi)b/s，不僅限制了光纖通信網(wǎng)絡(luò)速率的提高，而且要求在眾多的接口進(jìn)行頻繁的復(fù)用/解復(fù)用，光/電和電/光轉(zhuǎn)換，因而增加了設(shè)備復(fù)雜性和成本，降低了系統(tǒng)的可靠性。7.5光交換技術(shù)光交換主要有三種方式：

?空分光交換

?時(shí)分光交換

?

波分光交換雖然采用異步轉(zhuǎn)移模式(ATM)可提供155Mb/s或更高的速率，能緩解這種矛盾，但電子線路的極限速率約為20Gb/s。要徹底解決高速光纖通信網(wǎng)存在的矛盾，只有實(shí)現(xiàn)全光通信，而光交換是全光通信的關(guān)鍵技術(shù)。

7.5.1空分光交換

空分光交換的功能是：使光信號(hào)的傳輸通路在空間上發(fā)生改變。

空分光交換的核心器件是光開(kāi)關(guān)。光開(kāi)關(guān)有電光型、聲光型和磁光型等多種類(lèi)型，其中電光型光開(kāi)關(guān)具有開(kāi)關(guān)速度快、串?dāng)_小和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，有很好的應(yīng)用前景。典型光開(kāi)關(guān)是用鈦擴(kuò)散在鈮酸鋰(Ti:LiNbO3)晶片上形成兩條相距很近的光波導(dǎo)構(gòu)成的，并通過(guò)對(duì)電壓的控制改變輸出通路。下圖是由4個(gè)1×2光開(kāi)關(guān)器件組成的2×2光交換模塊。1×2光開(kāi)關(guān)器件就是Ti:LiNbO3定向耦合器型光開(kāi)關(guān)，只是少用了一個(gè)輸入端而已。圖空分光交換(a)2×2光交換單元1×2光交換器件(a)這種2×2光交換模塊是最基本的光交換單元，它有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，通過(guò)電壓控制，可以實(shí)現(xiàn)平行連接和交叉連接，如圖(b)所示。圖a空分光交換圖b平行連接和交叉連接平行聯(lián)接交叉聯(lián)接(b)圖c是由16個(gè)1×2光開(kāi)關(guān)器件或4個(gè)2×2光交換單元組成的4×4光交換單元。圖空分光交換圖c4×4光交換單元

定向耦合器光波導(dǎo)光信號(hào)輸出光信號(hào)輸入(c)

7.5.2時(shí)分光交換

時(shí)分光交換是以時(shí)分復(fù)用為基礎(chǔ)，用時(shí)隙互換原理實(shí)現(xiàn)交換功能的。

時(shí)分復(fù)用是把時(shí)間劃分成幀，每幀劃分成N個(gè)時(shí)隙，并分配給N路信號(hào)，再把N路信號(hào)復(fù)接到一條光纖上。在接收端用分接器恢復(fù)各路原始信號(hào)，如下圖所示。1復(fù)接器2N…分接器12N12…N時(shí)隙幀(a)

圖

時(shí)分光交換時(shí)分復(fù)用原理所謂時(shí)隙互換，就是把時(shí)分復(fù)用幀中各個(gè)時(shí)隙的信號(hào)互換位置。如下圖，首先使時(shí)分復(fù)用信號(hào)經(jīng)過(guò)分接器，在同一時(shí)間內(nèi)，分接器每條出線上依次傳輸某一個(gè)時(shí)隙的信號(hào)；然后使這些信號(hào)分別經(jīng)過(guò)不同的光延遲器件，獲得不同的延遲時(shí)間；最后用復(fù)接器把這些信號(hào)重新組合起來(lái)。1234分接器1延遲1延遲22延遲33延遲44(b)復(fù)接器輸入輸出4132圖

時(shí)分光交換時(shí)隙互換原理圖時(shí)分光交換等效的空分交換12341234(c)下圖示出時(shí)分光交換的空分等效。

7.5.3波分光交換

波分光交換(或交叉連接)是以波分復(fù)用原理為基礎(chǔ)，采用波長(zhǎng)選擇或波長(zhǎng)變換的方法實(shí)現(xiàn)交換功能的。

圖7.33(a)和(b)分別示出波長(zhǎng)選擇法交換和波長(zhǎng)變換法交換的原理框圖。圖7.33(a)波分交換的原理框圖：波長(zhǎng)選擇法交換l1空分交換l2空分交換l3空分交換…lW空分交換l1,l2…lW12…NN…21WDMXWMUX分波器合波器(a)l1,l2…lWl1,l2…lWl1,l2…lWl1,l2…lWl1,l2…lWl1l2lWNW×NW空分交換l1l2lWl1l2lWl1l2lWl1l2lWl1l2lWl1l2lWl1l2lW12…N12…NWDMXWMUX波長(zhǎng)變換器(b)圖7.33(b)波分交換的原理框圖：波長(zhǎng)變換法交換設(shè)波分交換機(jī)的輸入和輸出都與N條光纖相連接，這N條光纖可能組成一根光纜。每條光纖承載W個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào)。從每條光纖輸入的光信號(hào)首先通過(guò)分波器(解復(fù)用器)WDM分為W個(gè)波長(zhǎng)不同的信號(hào)。所有N路輸入的波長(zhǎng)為λi(i=1,2,…,W)的信號(hào)都送到λi空分交換器，在那里進(jìn)行同一波長(zhǎng)N路(空分)信號(hào)的交叉連接，到底如何交叉連接，將由控制器決定。然后，以W個(gè)空分交換器輸出的不同波長(zhǎng)的信號(hào)再通過(guò)合波器(復(fù)用器)WMUX復(fù)接到輸出光纖上。這種交換機(jī)當(dāng)前已經(jīng)成熟，可應(yīng)用于采用波長(zhǎng)選路的全光網(wǎng)絡(luò)中。但由于每個(gè)空分交換器可能提供的連接數(shù)為N×N,故整個(gè)交換機(jī)可能提供的連接數(shù)為NW，比下面介紹的波長(zhǎng)變換法少。波長(zhǎng)變換法與波長(zhǎng)選擇法的主要區(qū)別是用同一個(gè)NW×NW空分交換器處理NW路信號(hào)的交叉連接，在空分交換器的輸出必須加上波長(zhǎng)變換器，然后進(jìn)行波分復(fù)接。這樣，可能提供的連接數(shù)為N2W2，即內(nèi)部阻塞概率較小。波長(zhǎng)變換器將在7.7節(jié)介紹。7.6光孤子通信“孤子”是soliton的譯名，最早是英國(guó)海軍工程師1834偶然發(fā)現(xiàn)的船舶在河流中航行時(shí)形成一種特殊的形狀不變的水波，當(dāng)時(shí)稱(chēng)之為孤波（solitorywave）。光學(xué)中孤波現(xiàn)象的研究起始于1965年，在光學(xué)中孤子這個(gè)詞描述光脈沖包絡(luò)在非線性介質(zhì)中傳播時(shí)不僅不失真，而且象粒子那樣經(jīng)受碰撞仍保持原形而繼續(xù)存在，稱(chēng)之為光學(xué)孤子或光孤子（opticalsoliton）1973年在理論上推斷光纖中能夠形成孤子。1980年用實(shí)驗(yàn)性方法在光纖中觀察到孤子。并且當(dāng)年提出了將光孤子用作信息載體，構(gòu)建一種新的光纖通信方案，稱(chēng)之為光纖孤子通信，或簡(jiǎn)稱(chēng)光孤子通信。

光孤子(Soliton)是經(jīng)光纖長(zhǎng)距離傳輸后，其幅度和寬度都不變的超短光脈沖(ps數(shù)量級(jí))。

光孤子的形成是光纖的群速度色散和非線性效應(yīng)相互平衡的結(jié)果。利用光孤子作為載體的通信方式稱(chēng)為光孤子通信。光孤子通信的傳輸距離可達(dá)上萬(wàn)公里，甚至幾萬(wàn)公里，目前還處于試驗(yàn)階段。我們知道，光纖通信的傳輸距離和傳輸速率受到光纖損耗和色散的限制。光纖放大器投入應(yīng)用后，克服了損耗的限制，增加了傳輸距離。此時(shí)，光纖傳輸系統(tǒng)，尤其是傳輸速率在Gb/s以上的系統(tǒng)，光纖色散引起的脈沖展寬，對(duì)傳輸速率的限制，成為提高系統(tǒng)性能的主要障礙。

為了增加傳輸距離，在光纖線路上，每隔一定的距離，可設(shè)置一個(gè)光纖放大器，以周期地補(bǔ)充光功率的損耗。但是多個(gè)光纖放大器產(chǎn)生的噪聲累積又妨礙了傳輸距離的增加，因而要求提高傳輸信號(hào)的光功率，這樣便產(chǎn)生非線性效應(yīng)。非線性效應(yīng)對(duì)光纖通信有害也有利，事實(shí)表明，克服其害還不如利用其利。光纖非線性效應(yīng)和色散單獨(dú)起作用時(shí)，在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)都要產(chǎn)生脈沖展寬，對(duì)傳輸速率的提高是有害的。但是如果適當(dāng)選擇相關(guān)參數(shù)，使兩種效應(yīng)相互平衡，就可以保持脈沖寬度不變，因而形成光孤子。在強(qiáng)光作用下，光纖折射率n可以表示為式中，E為電場(chǎng)，n0為E=0時(shí)的光纖折射率，約為1.45。這種光纖折射率n隨光強(qiáng)|E|2而變化特性，稱(chēng)為克爾(Kerr)效應(yīng)，n2=10-22(m/V)2，稱(chēng)為克爾系數(shù)。雖然光纖中電場(chǎng)較大，為106(V/m)，但總的折射率變化Δn=n-n0=

還是很小(10-10)。即使如此，這種變化對(duì)光纖傳輸特性的影響還是很大的。注：在光纖中，通常不存在一次項(xiàng)。

7.6.1光孤子的形成在討論光纖傳輸理論時(shí)，假設(shè)了光纖折射率n和入射光強(qiáng)(光功率)無(wú)關(guān)，始終保持不變。這種假設(shè)在低功率條件下是正確的，獲得了與實(shí)驗(yàn)良好一致的結(jié)果。然而，在高功率條件下，折射率n隨光強(qiáng)而變化，這種特性稱(chēng)為非線性效應(yīng)。這種由于光場(chǎng)本身引起的相移，稱(chēng)為自相位調(diào)制(SPM)。當(dāng)光纖中還存在其它光場(chǎng)時(shí)，很明顯還會(huì)存在不同光場(chǎng)之間的相位調(diào)制，這就是交叉相位調(diào)制（XPM）。設(shè)波長(zhǎng)為λ、光強(qiáng)為|E|2的光脈沖在長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖中傳輸，則光強(qiáng)感應(yīng)的折射率變化，由此引起的相位變化為圖

脈沖的光強(qiáng)頻率調(diào)制-15-10-50510-15-10-50510-250250.00.51.0時(shí)間/ps時(shí)間/ps頻率變化/cm-1光強(qiáng)如圖所示，在脈沖上升部分，|E|2增加，，得到Δω<0，頻率下移；在脈沖頂部，|E|2不變，，得到Δω=0，頻率不變；在脈沖下降部分，|E|2減小，，得到Δω>0，頻率上移。頻移使脈沖頻率改變分布，其前部(頭)頻率降低，后部(尾)頻率升高。這種情況稱(chēng)脈沖已被線性調(diào)頻，或稱(chēng)啁啾(Chirp)。

傳輸常數(shù)是頻率和功率的函數(shù)，可展開(kāi)為：其中，，，是群速度。是群速度色散（GVD）。是微擾項(xiàng)，包括了光纖的損耗及非線性效應(yīng)。若譜寬，則展開(kāi)式中的三次項(xiàng)及更高次項(xiàng)通常可以被忽略。只考慮非線性時(shí)，有：表示非線性效應(yīng)對(duì)光脈沖傳輸特性的影響。定義非線性系數(shù)，引入色散長(zhǎng)度T0為脈沖寬度。并引入非線性長(zhǎng)度通過(guò)上面兩式可以比較系統(tǒng)中色散及非線性的影響程度。比如：設(shè)定參數(shù)：如果輸入脈沖寬度T0>100ps，P0=1mW，由上面兩式，在光纖長(zhǎng)度L<50km時(shí)，色散和非線性效應(yīng)均可忽略。當(dāng)光纖長(zhǎng)度L<<LNL，而L≈LD時(shí)，GVD起主要作用，非線性相對(duì)較弱。當(dāng)光纖長(zhǎng)度L≥LNL，L≥LD時(shí)，色散和非線性將共同起作用。在反常色散區(qū)（），光纖能維持孤子。適當(dāng)選擇相關(guān)參數(shù)，使兩項(xiàng)絕對(duì)值相等，光纖色散和非線性效應(yīng)便相互抵消，因而輸入脈沖寬度保持不變，形成穩(wěn)定的光孤子?，F(xiàn)在我們回顧一下光纖色散。波長(zhǎng)為λ的光纖色散系數(shù)C(λ)的定義為圖

單模光纖的色散特性-20-10010201.11.21.41.51.61.7-20-1001020色散位移光纖普通光纖圖中λD為零色散波長(zhǎng)。在λ<λD時(shí)，C(λ)<0,β2>0，稱(chēng)為光纖正常色散區(qū)；在λ>λD時(shí)，C(λ)>0,β2<0，稱(chēng)為光纖反常色散區(qū)。圖脈沖在反常色散光纖中傳輸因啁啾效應(yīng)可被壓縮或展寬

在反常色散區(qū)，群速度色散引起脈沖前沿藍(lán)移（由于頻率高，群速度大，因而高頻成分向前沿集中，前沿頻率升高，這就是前沿藍(lán)移（并不是波長(zhǎng)移到藍(lán)色，后面的紅移也同樣））。后沿紅移。而SPM使脈沖載波的前沿紅移，后沿藍(lán)移，正好與反常色散區(qū)的色散效應(yīng)相反，適當(dāng)選擇相關(guān)參數(shù)，可以使光脈沖寬度保持不變。

7.6.2光孤子通信系統(tǒng)的構(gòu)成和性能下圖示出光孤子通信系統(tǒng)構(gòu)成方框圖。光孤子源產(chǎn)生一系列脈沖寬度很窄的光脈沖，即光孤子流，作為信息的載體進(jìn)入光調(diào)制器，使信息對(duì)光孤子流進(jìn)行調(diào)制。被調(diào)制的光孤子流經(jīng)摻鉺光纖放大器和光隔離器后，進(jìn)入光纖進(jìn)行傳輸。為克服光纖損耗引起的光孤子減弱，在光纖線路上周期地插入EDFA，向光孤子注入能量，以補(bǔ)償因光纖傳輸而引起的能量消耗，確保光孤子穩(wěn)定傳輸。在接收端，通過(guò)光檢測(cè)器和解調(diào)裝置，恢復(fù)光孤子所承載的信息。孤子源調(diào)制脈沖源EDFA隔離器探測(cè)光纖傳輸系統(tǒng)EDFAEDFAEDFA(a)圖

光孤子通信系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

(a)光孤子通信系統(tǒng)構(gòu)成方框圖

光孤子源是光孤子通信系統(tǒng)的關(guān)鍵。要求光孤子源提供的脈沖寬度為ps數(shù)量級(jí)，并有規(guī)定的形狀和峰值。光孤子源有很多種類(lèi)，主要有摻鉺光纖孤子激光器、鎖模半導(dǎo)體激光器等。目前，光孤子通信系統(tǒng)已經(jīng)有許多實(shí)驗(yàn)結(jié)果。例如，對(duì)光纖線路直接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在傳輸速率為10Gb/s時(shí)，傳輸距離達(dá)到1000km；在傳輸速率為20Gb/s時(shí)，傳輸距離達(dá)到350km。對(duì)循環(huán)光纖間接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(參看圖7.37(b))，傳輸速率為2.4Gb/s，傳輸距離達(dá)12000km；改進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，傳輸速率為10Gb/s，傳輸距離達(dá)106km。

圖

光孤子通信系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

(b)循環(huán)光纖間接光孤子實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

(b)→光隔離器調(diào)制器→鎖模激光器EDFA光隔離器1dB耦合器微波頻譜分析儀EDFA光纖EDFA光纖EDFA光纖25km25km25km事實(shí)上，對(duì)于單信道光纖通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，光孤子通信系統(tǒng)的性能并不比在零色散波長(zhǎng)工作的常規(guī)(非光孤子)系統(tǒng)更好。循環(huán)光纖間接實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，零色散波長(zhǎng)常規(guī)系統(tǒng)的傳輸速率為2.4Gb/s時(shí)，傳輸距離可達(dá)21000km，而為5Gb/s時(shí)可達(dá)14300km。然而，零色散波長(zhǎng)系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)單信道傳輸，而光孤子系統(tǒng)則可用于WDM系統(tǒng)，使傳輸速率大幅度增加，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。7.6.3光孤子傳輸技術(shù)中的幾個(gè)問(wèn)題討論（1）光纖損耗的補(bǔ)償為了在光纖中形成光孤子，在光纖沿線傳輸?shù)墓夤β时仨毐３譃镻1.但由于光纖中損耗的存在，因此必須采用光放大器補(bǔ)償光纖損耗，使光纖中一階孤子存在的條件成立。目前，光孤子能量補(bǔ)充方案仍然采用FRA或者EDFA方式。（2）色散系數(shù)D的影響在早期研究中光孤子系統(tǒng)都是單信道的，沒(méi)有四波混頻引起的信道串?dāng)_，因此常常采用DSF光纖使D盡可能小。減小D帶來(lái)以下好處?？稍龃蠓糯笃鏖g隔。可用較小的光功率實(shí)現(xiàn)光孤子傳輸，使光源和光放大器容易實(shí)現(xiàn)，有利于降低成本。降低了相鄰脈沖之間的相互作用，有利于提高傳輸比特率。但是為了提高傳輸容量，WDM技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，WDM光孤子系統(tǒng)得到了發(fā)展。而當(dāng)D趨近于0時(shí)，由于滿足相位匹配條件，F(xiàn)WM的影響大大增加，造成了信道串?dāng)_的增加。為了避免這一問(wèn)題，與線性系統(tǒng)一樣光孤子傳輸系統(tǒng)也可以采用色散管理孤子（DispersionManagementSoliton-DMS）系統(tǒng)。根據(jù)理論分析，該系統(tǒng)可用NZ-DSF（色散系數(shù)D正負(fù)相間排列，相列補(bǔ)償色散，而D的絕對(duì)值都比較小，但不等于零），所需功率可以比較小，達(dá)到了和DSF同樣的效果。色散補(bǔ)償技術(shù)的引入使孤子通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，性能更優(yōu)良，更便于實(shí)用。（3）Gordon-Haus（哥頓-豪斯）效應(yīng)及其限制的突破由于系統(tǒng)中使用了EDFA，其ASE噪聲將作為加性噪聲影響信號(hào)的接收。另一方面，由于ASE噪聲的隨機(jī)性造成脈沖到達(dá)時(shí)間的抖動(dòng)，使比特誤碼率（BER）增加，這就是Gordon-Haus效應(yīng)。傳輸距離越長(zhǎng)，抖動(dòng)越大，因此，Gordon-Haus效應(yīng)限制了傳輸距離，使得光孤子系統(tǒng)不能無(wú)限制地傳輸。采用時(shí)域或頻域?yàn)V波技術(shù)可以克服Gordon-Haus極限，（4）光孤子源技術(shù)光孤子源是光孤子通信系統(tǒng)的關(guān)鍵。要求光孤子源提供的脈沖寬度為ps數(shù)量級(jí)，并有規(guī)定的形狀和峰值。光孤子源有很多種類(lèi)，主要有自鎖模摻鉺光纖孤子激光器、法布里-珀羅光纖孤子激光器、DFB激光器/外調(diào)制孤子源及DFB激光器/集成調(diào)制孤子源等。光隔離器（ISO）波分復(fù)用器波分復(fù)用器單模光纖摻鉺光纖泵浦光泵浦光監(jiān)測(cè)輸出光圖

自鎖模光纖環(huán)形孤子激光器FP腔濾波器PCPC7.7相干光通信技術(shù)目前已經(jīng)投入使用的光纖通信系統(tǒng)，都是采用光強(qiáng)調(diào)制-直接檢測(cè)(IM-DD)方式。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是：調(diào)制和解調(diào)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，因而成本較低。但是這種方式?jīng)]有利用光載波的頻率和相位信息，限制了系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提高。

相干光通信，像傳統(tǒng)的無(wú)線電和微波通信一樣，在發(fā)射端對(duì)光載波進(jìn)行幅度、頻率或相位調(diào)制；在接收端，則采用零差檢測(cè)或外差檢測(cè)，這種檢測(cè)技術(shù)稱(chēng)為相干檢測(cè)。微波通信（MicrowaveCommunication）微波通信是使用波長(zhǎng)在0.1毫米至1米之間的電磁波——微波進(jìn)行的通信。微波通信不需要固體介質(zhì),當(dāng)兩點(diǎn)間直線距離內(nèi)無(wú)障礙時(shí)就可以使用微波傳送。

利用微波進(jìn)行通信具有容量大、質(zhì)量好并可傳至很遠(yuǎn)的距離,因此是國(guó)家通信網(wǎng)的一種重要通信手段,也普遍適用于各種專(zhuān)用通信網(wǎng)。

和IMD方式相比，相干檢測(cè)可以把接收靈敏度提高20dB，相當(dāng)于在相同發(fā)射功率下，若光纖損耗為0.2dB/km，則傳輸距離增加100km。同時(shí)，采用相干檢測(cè)，可以更充分利用光纖帶寬。我們已經(jīng)看到，在光頻分復(fù)用(OFDM)中，信道頻率間隔可以達(dá)到10GHz以下，因而大幅度增加了傳輸容量。所謂相干光，就是兩個(gè)激光器產(chǎn)生的光場(chǎng)具有空間疊加、相互干涉性質(zhì)的激光。實(shí)現(xiàn)相干光通信，關(guān)鍵是要有頻率穩(wěn)定、相位和偏振方向可以控制的窄線譜激光器。

7.7.1相干檢測(cè)原理

下圖示出相干檢測(cè)原理方框圖，光接收機(jī)接收的信號(hào)光和本地振蕩器產(chǎn)生的本振光經(jīng)混頻器作用后，光場(chǎng)發(fā)生干涉。由光檢測(cè)器輸出的光電流經(jīng)處理后，以基帶信號(hào)的形式輸出。

圖

相干檢測(cè)原理方框圖光檢測(cè)器電信號(hào)處理基帶信號(hào)本地光振蕩器混頻器信號(hào)光光接收機(jī)接收的信號(hào)光和本地振蕩器產(chǎn)生的本振光經(jīng)混頻器作用后，光場(chǎng)發(fā)生干涉。由光檢測(cè)器輸出的光電流經(jīng)處理后，以基帶信號(hào)的形式輸出。設(shè)接收到的信號(hào)光光場(chǎng)可寫(xiě)為：式中,ES、ωS和φS分別為光載波的幅度、頻率和相位。同樣，本振光的光場(chǎng)可以寫(xiě)成因此，入射到PIN管的總光場(chǎng)為：因此PIN管的輸出總光電流成為：其中，。上面的推導(dǎo)中略出了倍頻和和頻項(xiàng)，為什么？因?yàn)樗鼈儗?duì)PIN來(lái)說(shuō)頻率太高，只能響應(yīng)平均值即零。帶有信息的電流成份為由此可見(jiàn)，中頻信號(hào)功率分量帶有信號(hào)光的幅度、頻率或相位信息，在發(fā)射端，無(wú)論采取什么調(diào)制方式，都可以從中頻功率分量反映出來(lái)。所以，相干光接收方式是適用于所有調(diào)制方式的通信體制。其平方平均值為：輸出平均光電流為：1.量子極限信噪比由于散粒噪聲與本征光功率成正比，而本征光功率很大，因此，外差檢測(cè)中散粒噪聲遠(yuǎn)大于熱噪聲，也就是說(shuō)，可以認(rèn)為在相干通信中只存在量子噪聲，即達(dá)到了量子極限。這是信噪比為：圖

干涉后的瞬時(shí)光功率變化

1.零差檢測(cè)選擇ωL=ωS，即ωIF=0，這種情況稱(chēng)為零差檢測(cè)。這時(shí)，濾去直流分量，中頻信號(hào)產(chǎn)生的光電流為式中，ρ為光檢測(cè)器的響應(yīng)度。通常PL>>PS，同時(shí)考慮到本振光相位鎖定在信號(hào)光相位上，即φL=φS，這樣便得到零差檢測(cè)的信號(hào)光電流為零差檢測(cè)信號(hào)平均光功率與直接檢測(cè)信號(hào)平均光功率之比為零差檢測(cè)信號(hào)平均光功率與直接檢測(cè)信號(hào)平均光功率之比為式中，R為光檢測(cè)器的響應(yīng)度。通常PL>>PS，同時(shí)考慮到本振光相位鎖定在信號(hào)光相位上，即φL=φS，這樣便得到零差檢測(cè)的信號(hào)光電流為

由于PL>>PS，零差檢測(cè)接收光功率可以放大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。雖然噪聲也增加了，但是靈敏度仍然可以大幅度提高。零差檢測(cè)技術(shù)非常復(fù)雜，因?yàn)橄辔蛔兓浅ｌ`敏，必須控制相位，使φS-φL保持不變，同時(shí)要求ωL和ωS相等。與零差檢測(cè)相似，外差檢測(cè)接收光功率放大了，從而提高了靈敏度。外差檢測(cè)信噪比的改善比零差檢測(cè)低3dB，但是接收機(jī)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，因?yàn)椴恍枰辔绘i定。2.外差檢測(cè)選擇ωL≠ωS，即ωIF=ωS-ωL>0，這種情況稱(chēng)為外差檢測(cè)。通常選擇fIF(=ωIF/2π)在微波范圍(例如1GHz)。這時(shí)中頻信號(hào)產(chǎn)生的光電流為

7.7.2調(diào)制和解調(diào)如前所述，相干檢測(cè)技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)是：可以對(duì)光載波實(shí)施幅度、頻率或相位調(diào)制。對(duì)于模擬信號(hào)，有三種調(diào)制方式，即幅度調(diào)制(AM)、頻率調(diào)制(FM)和相位調(diào)制(PM)。對(duì)于數(shù)字信號(hào)，也有三種調(diào)制方式，即幅移鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)。下圖示出ASK、PSK和FSK調(diào)制方式的比較，下面分別介紹這三種調(diào)制方式。圖ASK、PSK和FSK調(diào)制方式比較

1.幅移鍵控(ASK)

基帶數(shù)字信號(hào)只控制光載波的幅度變化，稱(chēng)為幅移鍵控(ASK)。ASK的光場(chǎng)表達(dá)式

ES(t)=AS(t)cos［ωSt+φS］式中,AS為光場(chǎng)的幅度、ωS為光場(chǎng)的中心角頻率和φS為光場(chǎng)的相位。在ASK中，φS保持不變，只對(duì)幅度進(jìn)行調(diào)制。對(duì)于二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)調(diào)制，在大多數(shù)情況下，“0”碼傳輸時(shí)，使AS=0，“1”碼傳輸時(shí)，使AS=1。

ASK相干通信系統(tǒng)必須采用外調(diào)制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣只有輸出光信號(hào)的幅度隨基帶信號(hào)而變化，而相位保持不變。如果采用直接光強(qiáng)調(diào)制，幅度變化將引起相位變化。外調(diào)制器通常用鈦擴(kuò)散的鈮酸鋰(Ti:LiNbO3)波導(dǎo)制成的馬赫-曾德?tīng)?MZ)干涉型調(diào)制器。這種調(diào)制器在消光比大于20時(shí)，調(diào)制帶寬可達(dá)20GHz。2.相移鍵控(PSK)

基帶信號(hào)只控制光載波的相位變化，稱(chēng)為相移鍵控(PSK)。PSK的光場(chǎng)表達(dá)式為

ES(t)=AScos［ωSt+φ(t)］

在PSK中，AS保持不變，只對(duì)相位進(jìn)行調(diào)制。傳輸“0”碼和傳輸“1”碼時(shí)，分別用兩個(gè)不同相位(通常相差180°)表示。如果傳輸“0”時(shí)，光載波相位不變，傳輸“1”碼時(shí)，相位改變180°，