1、6.1 光纖放大器 6.2 光波分復(fù)用技術(shù) 6.3 光交換技術(shù) 6.4 光孤子通信 6.5 相干光通信技術(shù) 6.6 光時分復(fù)用技術(shù) 6.7 波長變換技術(shù),第 6 章 光纖通信新技術(shù),返回主目錄,第 6 章 光纖通信新技術(shù) 光纖通信發(fā)展的目標是提高通信能力和通信質(zhì)量，降低價格，滿足社會需要。進入20世紀90年代以后，光纖通信成為一個發(fā)展迅速、 技術(shù)更新快、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)的領(lǐng)域。 本章主要介紹一些已經(jīng)實用化或者有重要應(yīng)用前景的新技術(shù)，如光放大技術(shù)，光波分復(fù)用技術(shù)，光交換技術(shù)，光孤子通信，相干光通信，光時分復(fù)用技術(shù)和波長變換技術(shù)等。,6.1 光 纖 放 大 器,光放大器有半導(dǎo)體光放大器和光纖放大器兩

2、種類型。 半導(dǎo)體光放大器的優(yōu)點是： 小型化，容易與其他半導(dǎo)體器件集成 半導(dǎo)體光放大器的缺點是： 性能與光偏振方向有關(guān)，器件與光纖的耦合損耗大。 光纖放大器的性能與光偏振方向無關(guān)，器件與光纖的耦合損耗很小， 因而得到廣泛應(yīng)用。,光纖放大器的實質(zhì)是： 把工作物質(zhì)制作成光纖形狀的固體激光器，所以也稱為光纖激光器。 20世紀80年代末期，波長為1.55 m的摻鉺(Er)光纖放大器(EDFA： ErbiumDoped Fiber Amplifier)研制成功并投入實用，把光纖通信技術(shù)水平推向一個新高度，成為光纖通信發(fā)展史上一個重要的里程碑。,6.1.1 摻鉺光纖放大器工作原理 圖6.1示出摻鉺光纖放大器

3、(EDFA)的工作原理，說明了光信號放大的原因。 從圖6.1(a)可以看到，在摻鉺光纖(EDF)中，鉺離子(Er3+)有三個能級： 能級1代表基態(tài)， 能量最低 能級2是亞穩(wěn)態(tài)，處于中間能級 能級3代表激發(fā)態(tài)， 能量最高,當泵浦(Pump, 抽運)光的光子能量等于能級3和能級1的能量差時，鉺離子吸收泵浦光從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)(13)。 但是激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，Er3+很快返回到能級2。 如果輸入的信號光的光子能量等于能級2和能級1的能量差，則處于能級2的Er3+將躍遷到基態(tài)(21)，產(chǎn)生受激輻射光，因而信號光得到放大。 由此可見，這種放大是由于泵浦光的能量轉(zhuǎn)換為信號光的結(jié)果。,圖 6.1摻鉺光纖放大

4、器的工作原理 (a) 硅光纖中鉺離子的能級圖； (b) EDFA的吸收和增益頻譜,為提高放大器增益， 應(yīng)提高對泵浦光的吸收，使基態(tài)Er3+盡可能躍遷到激發(fā)態(tài)，圖6.1(b)示出EDFA增益和吸收頻譜。,圖6.3(a) 光纖放大器構(gòu)成原理圖,輸入信號,光隔離器,波分復(fù)用器,泵浦,摻鉺光纖,光隔離器,輸出信號,圖6.3(a),6.1.3 摻鉺光纖放大器的優(yōu)點和應(yīng)用 EDFA的主要優(yōu)點有： 工作波長正好落在光纖通信最佳波段(15001600 nm)； 其主體是一段光纖(EDF)，與傳輸光纖的耦合損耗很小， 可達0.1 dB。 增益高，約為3040 dB; 飽和輸出光功率大， 約為1015 dBm；

5、增益特性與光偏振狀態(tài)無關(guān)。 噪聲指數(shù)小， 一般為47 dB； 用于多信道傳輸時， 隔離度大，無串擾，適用于波分復(fù)用系統(tǒng)。 頻帶寬，在1550 nm窗口，頻帶寬度為2040 nm， 可進行多信道傳輸，有利于增加傳輸容量。,如果加上1310 nm摻鐠光纖放大器(PDFA)，頻帶可以增加一倍。 所以“波分復(fù)用+光纖放大器”被認為是充分利用光纖帶寬增加傳輸容量最有效的方法。 1550 nm EDFA在各種光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，并取得了良好效果。 副載波CATV系統(tǒng)，WDM或OFDM系統(tǒng)，相干光系統(tǒng)以及光孤子通信系統(tǒng)，都應(yīng)用了EDFA，并大幅度增加了傳輸距離。,EDFA的應(yīng)用， 歸納起來可以分為三

6、種形式， 如圖6.5所示。,中繼放大器 （LA：Line Amplifier）在光纖線路上每隔一定的距離設(shè)置一個光纖放大器，以延長干線網(wǎng)的傳輸距離） 前置放大器 （PA：Preamplifier) 置于光接收機的前面，放大非常微弱的光信號，以改善接收靈敏度。作為前置放大器，對噪聲要求非常苛刻。 后置放大器 （BA： Booster Amplifier) 置于光接收機的后面，以提高發(fā)射機功率。對后置放大器噪聲要求不高，而飽和輸出光功率是主要參數(shù)。,6.2 光波分復(fù)用技術(shù),隨著人類社會信息時代的到來，對通信的需求呈現(xiàn)加速增長的趨勢。 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))對通信網(wǎng)的帶寬

7、(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)中除了大家熟知的時分復(fù)用(TDM)技術(shù)外， 還出現(xiàn)了其他的復(fù)用技術(shù)，例如光時分復(fù)用(OTDM)、光波分復(fù)用(WDM)、 光頻分復(fù)用(OFDM)以及副載波復(fù)用(SCM)技術(shù)。,6.2.1 光波分復(fù)用原理 1. WDM的概念 光波分復(fù)用(WDM： Wavelength Division Multiplexing)技術(shù)是在一根光纖中同時傳輸多個波長光信號的一項技術(shù)。 光波分復(fù)用（WDM）的基本原理是：在發(fā)送端將不同波長的光信號組合起來(復(fù)用)，并耦合到光纜線路上的同一根光

8、纖中進行傳輸，在接收端又將組合波長的光信號分開(解復(fù)用)，并作進一步處理，恢復(fù)出原信號后送入不同的終端，因此將此項技術(shù)稱為光波長分割復(fù)用， 簡稱光波分復(fù)用技術(shù)。,圖6.6 中心波長在1.3 m和1.55 m的硅光纖低損耗傳輸窗口 (插圖表示1.55 m傳輸窗口的多信道復(fù)用),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，將不同波長的信號結(jié)合在一起經(jīng)一根光纖輸出的器件稱為復(fù)用器(也叫合波器)。 反之，經(jīng)同一傳輸光纖送來的多波長信號分解為各個波長分別輸出的器件稱為解復(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

9、來使用， 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在一根光纖上沿同一方向傳送。 如圖6.7所示，在發(fā)送端將載有各種信息的、具有不同波長的已調(diào)光信號1,2,n通過光復(fù)用器組合在一起，并在一根光纖中單向傳輸。 由于各信號是通過不同光波長攜帶的，因而彼此之間不會混淆。 在接收端通過光解復(fù)用器將不同波長的信號分開， 完成多路光信號傳輸?shù)娜蝿?wù)。 反方向通過另一根光纖傳輸?shù)脑砼c此相同。,圖6.7 雙纖單向WDM傳輸,(2) 單纖雙向傳輸。 雙向WDM傳輸

10、是指光通路在一根光纖上同時向兩個不同的方向傳輸。如圖6.8所示，所用波長相互分開， 以實現(xiàn)雙向全雙工的通信。,圖6.8 單纖雙向WDM傳輸,雙向WDM系統(tǒng)在設(shè)計和應(yīng)用時必須要考慮幾個關(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、串擾的類型和數(shù)值、兩個方向傳輸?shù)墓β孰娖街岛拖嗷ラg的依賴性、光監(jiān)控信道(OSC)傳輸和自動功率關(guān)斷等問題，同時要使用雙向光纖放大器。 所以雙向WDM系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用相對說來要求較高，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。, 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

11、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，對波分復(fù)用器的基本要求是：,6.2.2 WDM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 實際的WDM系統(tǒng)主要由五部分組成：光發(fā)射機、光中繼放大、光接收機、光監(jiān)控信道和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，如下圖所示。,目前國際上已商用的系統(tǒng)有：42.5 Gb/s(10 Gb/s), 82.5 Gb/s(20 Gb/s), 162.5 Gb/s(40 Gb/s), 402.5 Gb/s(100 Gb/s), 3210 Gb/s(320 Gb/s), 4010 Gb/s(400 Gb/s)。 實驗室已實現(xiàn)了8240 G

12、b/s(3.28 Tb/s)的速率，傳輸距離達3100 km=300 km。OFC2000(Optical Fiber Communication Conference)提供的情況有： Bell Labs: 82路40 Gb/s=3.28 Tb/s在3100 km=300 km的True Wave(商標)光纖(即G.655光纖)上，利用C和L兩個波帶聯(lián)合傳輸； 日本NEC: 16020 Gb/s=3.2 Tb/s， 利用歸零信號沿色散平坦光纖，經(jīng)過增益寬度為64 nm的光纖放大器，傳輸距離達1500 km;, 日本富士通(Fujitsu): 128路10.66 Gb/s， 經(jīng)過C和L波帶注：C

13、波帶為15251565 nm，L波帶為15701620 nm。， 用分布喇曼放大(DRA: Distributed Raman Amplification), 傳輸距離達6140 km=840 km; 日本NTT： 30路42.7 Gb/s， 利用歸零信號， 經(jīng)過增益寬度為50 nm的光纖放大器，傳輸距離達3125 km376 km; 美國Lucent Tech: 100路10 Gb/s=1 Tb/s，各路波長的間隔縮小到25 GHz, 利用L波帶，沿NZDF光纖(G.655光纖)傳輸400 km; 美國Mciworldcom和加拿大Nortel: 100路10 Gb/s=1 Tb/s， 沿N

14、ZDF光纖在C和L波帶傳輸4段， 約200 km; 美國Qtera 和Qwest: 兩個波帶4路10 Gb/s和2路10 Gb/s沿NZDF光纖傳輸23105 km=2415 km, 這個試驗雖然WDM路數(shù)不多，但在陸地光纜中卻是最長距離。,6.2.3 WDM技術(shù)的主要特點 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)用價值和經(jīng)濟價值。 2. 同時傳輸多種不同類型的信號 由于WDM技術(shù)使用的各波長的信道相互獨立，因而可以傳輸特性和速率完全不同的信號，

15、完成各種電信業(yè)務(wù)信號的綜合傳輸，如PDH信號和SDH信號，數(shù)字信號和模擬信號，多種業(yè)務(wù)(音頻、視頻、數(shù)據(jù)等)的混合傳輸?shù)取?3. 節(jié)省線路投資 采用WDM技術(shù)可使N個波長復(fù)用起來在單根光纖中傳輸，也可實現(xiàn)單根光纖雙向傳輸，在長途大容量傳輸時可以節(jié)約大量光纖。另外，對已建成的光纖通信系統(tǒng)擴容方便，只要原系統(tǒng)的功率余量較大，就可進一步增容而不必對原系統(tǒng)作大的改動。 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)可降低對一些器件在性能上的極高要求，同時又可實現(xiàn)大容量傳輸。,5. 高度的組網(wǎng)靈活性、 經(jīng)濟性和可靠性 WDM技術(shù)有很多應(yīng)用形式，如長途

16、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，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換和故障恢復(fù)，從而實現(xiàn)未來的透明、 靈活、經(jīng)濟且具有高度生存性的光網(wǎng)絡(luò)。,6.2.4 光濾波器與光波分復(fù)用器 在前面介紹耦合器時，已經(jīng)簡單地介紹了波分復(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 波長路由器 波長分插復(fù)用器(Wavelength Add/Drop Multiplexer, WADM),圖6.10為光濾波器的三種應(yīng)用：

17、 單純的濾波應(yīng)用(圖6.10(a) 波分復(fù)用/解復(fù)用器中應(yīng)用(圖6.10(b) 波長路由器中應(yīng)用(圖6.10(c)。,光濾波器,波分復(fù)用器,波長路由器是波長選路網(wǎng)絡(luò)(Wavelength Routing Network)中的關(guān)鍵部件， 其功能可由圖7.10(c)的例子說明,它有兩個輸入端口和兩個輸出端口，每路輸入都載有一組1,2,3和4 WDM信號。,如果用 來標記第i輸入鏈路上的波長j, 則路由器的輸入端口1上的波長記為 、 、 、 , 輸入端口2上的波長記為 、 、 、 。,在輸入端口1上的波長中，如果 和 由輸出端口1輸出，則 和 由輸出端口2輸出；在輸入端口2上的波長中，如果 和 由輸

18、出端口2輸出，則 和 由輸出端口1輸出，這樣，我們就稱路由器交換了波長1和4。,在本例中，波長路由器只有兩個輸入端口和兩個輸出端口， 每一路上只有4個波長，但是在一般情況下，輸入和輸出的端口數(shù)是N(2)，并且每一端口的波長數(shù)是W(2)(參看圖7.33)。, 如果一個波長路由器的路由方式不隨時間變化，就稱為靜態(tài)路由器；路由方式隨時間變化，則稱之為動態(tài)路由器。 靜態(tài)路由器可以用波分復(fù)用器來構(gòu)成，如下圖所示。,在WDM系統(tǒng)中，光纖布喇格光柵可用作濾波器、 光分插復(fù)用器和色散補償器(Dispersion Compensator)。 圖6.16(a)是一個簡單的光分器，由一個三端口光環(huán)行器和一個光纖布喇

19、格光柵構(gòu)成，由光柵反射回來的波長2從環(huán)行器的端口3取出，余下的波長繼續(xù)前行。 在上面簡單的光分器的基礎(chǔ)上加上一個耦合器， 就可以實現(xiàn)光的分插功能，如圖6.16(b)所示。,圖6.16 ( a)基于光纖光柵結(jié)構(gòu)的光分插復(fù)用器簡單分光；,(a),圖6.16 (b) 基于光纖光柵結(jié)構(gòu)的光分插復(fù)用器光分插,(b),6.3 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10 Gb/s， 實驗WDM系統(tǒng)的傳輸速率已超過3.28 Tb/s。 但是，由于大量新業(yè)務(wù)的出現(xiàn)和國際互聯(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)僅僅充當點對點的傳輸手段，網(wǎng)絡(luò)中重要

20、的交換功能還是采用電子交換技術(shù)。 傳統(tǒng)電子交換機的端口速率只有幾Mb/s到幾百Mb/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。,光交換主要有三種方式： 空分光交換 時分光交換 波分光交換,雖然采用異步轉(zhuǎn)移模式(ATM)可提供155 Mb/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20 Gb/s。要徹底解決高速光纖通信網(wǎng)存在的矛盾，只有實現(xiàn)全光通信，而光交換是全光通信的關(guān)鍵技術(shù)。,6.3.1 空分光交換 空分光交換的功能是：使光信號的傳輸通路在空間上發(fā)生改變。 空分光交換的核

21、心器件是光開關(guān)。光開關(guān)有電光型、 聲光型和磁光型等多種類型，其中電光型光開關(guān)具有開關(guān)速度快、串擾小和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，有很好的應(yīng)用前景。 典型光開關(guān)是用鈦擴散在鈮酸鋰(Ti: LiNbO3)晶片上形成兩條相距很近的光波導(dǎo)構(gòu)成的，并通過對電壓的控制改變輸出通路。,圖6.31(a)是由4個12光開關(guān)器件組成的22光交換模塊。12 光開關(guān)器件就是Ti: LiNbO3定向耦合器型光開關(guān)， 只是少用了一個輸入端而已。,圖6.31(c)是由16個12光開關(guān)器件或4個22光交換單元組成的44光交換單元。,6.3.2 時分光交換 時分光交換是以時分復(fù)用為基礎(chǔ)，用時隙互換原理實現(xiàn)交換功能的。 時分復(fù)用是把時間劃分

22、成幀，每幀劃分成N個時隙， 并分配給N路信號，再把N路信號復(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， 如圖6.32(a)所示。,所謂時隙互換，就是把時分復(fù)用幀中各個時隙的信號互換位置。如圖6.32(b)，首先使時分復(fù)用信號經(jīng)過分接器，在同一時間內(nèi)，分接器每條出線上依次傳輸某一個時隙的信號；然后使這些信號分別經(jīng)過不同的光延遲器件，獲得不同的延遲時間；最后用復(fù)接器把這些信號重新組合起來。,6.3.3 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)，采用波長選擇或波長變換的方法實現(xiàn)交換功能的。 圖6.33(a)和(b)分別示出波長選擇法交換和波長變換法交換的原理框圖。,設(shè)波分交

23、換機的輸入和輸出都與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個波長的光信號。 從每條光纖輸入的光信號首先通過分波器(解復(fù)用器)WDMX分為W個波長不同的信號。 所有N路輸入的波長為i(i=1,2,W)的信號都送到i空分交換器，在那里進行同一波長N路(空分)信號的交叉連接，到底如何交叉連接，將由控制器決定。,然后，以W個空分交換器輸出的不同波長的信號再通過合波器(復(fù)用器)WMUX復(fù)接到輸出光纖上。這種交換機當前已經(jīng)成熟， 可應(yīng)用于采用波長選路的全光網(wǎng)絡(luò)中。但由于每個空分交換器可能提供的連接數(shù)為NN, 故整個交換機可能提供的連接數(shù)為N2W，比下面介紹的波長變換法少。 波長變換法

24、與波長選擇法的主要區(qū)別是用同一個NWNW空分交換器處理NW路信號的交叉連接，在空分交換器的輸出必須加上波長變換器，然后進行波分復(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。 波長變換器將在6.7節(jié)介紹。,6.4 光 孤 子 通 信,光孤子(Soliton)是經(jīng)光纖長距離傳輸后，其幅度和寬度都不變的超短光脈沖(ps數(shù)量級)。 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為光孤子通信。 光孤子通信的傳輸距離可達上萬公里，甚至幾萬公里，目前還處于試驗階段。 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，

25、克服了損耗的限制， 增加了傳輸距離。此時，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)置一個光纖放大器，以周期地補充光功率的損耗。但是多個光纖放大器產(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的光功率，這樣便產(chǎn)生非線性效應(yīng)。非線性效應(yīng)對光纖通信有害也有利，事實表明，克服其害還不如利用其利。 光纖非線性效應(yīng)和色散單獨起作用時，在光纖中傳輸?shù)墓庑盘柖家a(chǎn)生脈沖展寬，對傳輸速率的提高是有害的。但是如果適當選擇相關(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。,6.5 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)，都是采用光強調(diào)制-直接檢測(IM-DD)方式。 這種方式的優(yōu)點是：調(diào)制和解調(diào)簡單，容易實現(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)性能的進一步提高。 相干光通信，像傳統(tǒng)的無線電和微波通信一樣，在發(fā)射端對光載波進行幅度、頻率或相位調(diào)制；在接收端，則采用零差檢測或外差檢測，這種檢測技術(shù)稱為相干檢測。,和IM-DD方式相比，相干檢測可