1、第八章 光復用技術,盡管目前光纖通信單信道實用化系統(tǒng)的傳輸速率發(fā)展到了10Gbit/s，線路的利用率有了很大提高，但與光纖巨大的帶寬潛力相比還微不足道。 本章將介紹光時分復用、波分復用、光頻分復用、光碼分復用和光副載波復用等常用的幾種光復用技術。,8.1 光復用技術的基本概念 8.2 光時分復用技術 8.3 密集波分復用技術 8.4 密集波分復用系統(tǒng)的非線性串擾,8.1 光復用技術的基本概念,復用技術是為了提高通信線路的利用率，而采用的在同一傳輸線路上同時傳輸多路不同信號而互不干擾的技術。 另一種復用技術稱為“統(tǒng)計復用”。它全稱叫做“統(tǒng)計時分多路復用”(Statistical Time Div

2、ision Multiplexing，STDM)，或稱“異步時分多路復用”。,光纖通信經(jīng)過30多年的發(fā)展，單信道實用化系統(tǒng)的傳輸速率從1976年的45Mbit/s發(fā)展到了10Gbit/s，線路的利用率得到了很大提高(但與光纖巨大的帶寬潛力相比這點帶寬還微不足道)。,光波分復用(WDM)技術是在一芯光纖中同時傳輸多波長光信號的一項技術。其基本原理是在發(fā)送端將不同波長的光信號組合起來，并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進行傳輸，在接收端將組合波長的光信號分開，并作進一步處理，恢復出原信號后送入不同的終端。,為了進一步提高光纖帶寬利用率，相鄰兩光載波的間隔將越來越小，一般認為：當相鄰光載波的間隔小到0

3、.1nm(10GHz)以下時，此時的復用稱為光頻分復用。 光時分復用(OTDM)技術指利用高速光開關把多路光信號在時域里復用到一路上的技術。 光副載波復用(OSCM)技術是將基帶信號首先調(diào)制到GHz的副載波上，再把副載波調(diào)制到THz的光載波上。,光碼分復用(OCDM)技術是CDM(Code Division Multiplexing)技術和光纖通信技術相結(jié)合的產(chǎn)物，在這種復用技術中，每個信道不是占用一個給定的波長、頻率或者時隙，而是以一個特有的編碼脈沖序列方式來傳送其比特信息。 光波分復用、光時分復用、光副載波復用和光碼分復用都是正在使用和研究的光纖復用技術，這些技術的使用能增加線路容量，提高

4、線路利用率。,8.2 光時分復用技術,光時分復用(OTDM)的原理與電時分復用相同，只不過電時分復用是在電域中完成，而光時分復用是在光域中進行，即將高速的光支路數(shù)據(jù)流(例如10Gbit/s，甚至40Gbit/s)直接復用進光域，產(chǎn)生極高比特率的合成光數(shù)據(jù)流。,8.2.1 比特交錯光時分復用 比特交錯光時分復用時，首先由鎖模激光器產(chǎn)生窄脈沖周期序列，然后將窄脈沖周期序列分路為n路，每路窄脈沖周期序列分別被一路支路數(shù)據(jù)流(電信號)外調(diào)制，對已調(diào)制過的第i支路光數(shù)據(jù)流(i=1，2，n)脈沖通過適當長度的硅光纖延時i(光在硅光纖中傳播速度約為2108m/s，1km的光纖提供約5s的時延)，這樣，不同支

5、路光脈沖流延遲時間不同，在時間上復用不會重疊，便于數(shù)據(jù)流的復接。,8.2.2 分組交錯光時分復用 分組交錯光時分復用和比特交錯光時分復用一樣，首先由鎖模激光器產(chǎn)生窄脈沖周期序列，然后將窄脈沖周期序列分路為n路，每路窄脈沖周期序列分別被一路支路數(shù)據(jù)流(電信號)外調(diào)制。,實現(xiàn)壓縮的原理框圖如圖8.7(b)所示。圖中的3dB耦合器起分路和合路作用，它將輸入的窄光脈沖分為兩路，或?qū)⑻幚硗旰蟮膬陕饭饷}沖合并為一路；兩個半導體放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)具有高電平驅(qū)動時透光，低電平驅(qū)動時吸光的特性，它們的驅(qū)動時鐘相位相差180，放大器的作用一是對分路損耗

6、進行補償，二是在互補的兩路時鐘驅(qū)動下輪流透光，從而將光脈沖流分組(每組的比特數(shù)取決于驅(qū)動時鐘高電平的寬度)，使一組通過延遲線，另一組則不通過延遲線；延遲線的作用是將比特組延遲一定的時間。,圖8.7 分組交錯復用原理圖,一種實用的方法是采用與門堆，首先將輸入的高速串行的復用數(shù)據(jù)流變換為低速的并行數(shù)據(jù)流，然后再進行處理。,8.3 密集波分復用技術,光波分復用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)技術是在一根光纖中同時傳輸多個波長光信號的一項技術。其基本原理是在發(fā)送端將不同波長的光信號組合起來(復用)，并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進行傳輸，在接收端又將組合波

7、長的光信號分開(解復用)，并作進一步處理，恢復出原信號后送入不同的終端，因此將此項技術稱為光波長分割復用技術，簡稱光波分復用技術。,波分復用技術有以下主要特點。 (1) 可以充分利用光纖的巨大帶寬潛力，使一根光纖上的傳輸容量比單波長傳輸增加幾十至上萬倍。 (2) N個波長復用以后在一根光纖中傳輸，在大容量長途傳輸時可以節(jié)約大量的光纖。,(3) 波分復用通道對傳輸信號是完全透明的，即對傳輸碼率、數(shù)據(jù)格式及調(diào)制方式均具有透明性，可同時提供多種協(xié)議的業(yè)務，不受限制地提供端到端業(yè)務。 (4) 可擴展性好。 (5) 降低器件的超高速要求。,8.3.1 WDM系統(tǒng)基本類型 WDM系統(tǒng)從不同的角度可以分為不

8、同的類型，常見的分類方法有：從傳輸方向分，可以分為雙纖單向波分復用系統(tǒng)和單纖雙向波分復用系統(tǒng)；從光接口類型分，可以分為集成式波分復用系統(tǒng)和開放式波分復用系統(tǒng)。 1. 雙纖單向傳輸 單向DWM是指所有光路同時在一根光纖上沿同一方向傳送，如圖8.10所示。,圖8.10 雙纖單向傳輸示意圖,2. 單纖雙向傳輸 同一光波分復用器既可作合波器，又可作分波器，具有方向的可逆性，因此，可以在同一根光纖上實現(xiàn)雙向傳輸。 3. 集成式波分復用系統(tǒng) 考慮到各波長之間的影響最小和更多廠家的設備能互通工作，WDM使用的激光器發(fā)出的光的中心波長、波長間隔、中心頻率偏移等均有嚴格的規(guī)定，必需符合ITU-T G.692建議

9、。,4. 開放式波分復用系統(tǒng) 開放式系統(tǒng)就是在波分復用器前加入波長轉(zhuǎn)換器(Optical Transition Unit，OTU)，將SDH非規(guī)范的波長轉(zhuǎn)換為標準波長，如圖8.13 所示。,圖8.13 開放式WDM系統(tǒng),8.3.2 WDM系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理 一般來說，WDM系統(tǒng)主要由以下五部分組成：光發(fā)射機、光中繼放大、光接收機、光監(jiān)控信道和網(wǎng)絡管理系統(tǒng)。 光發(fā)射機是WDM系統(tǒng)的核心，除了對WDM系統(tǒng)中發(fā)射激光器的中心波長有特殊的要求外，還需要根據(jù)WDM系統(tǒng)的不同應用(主要是傳輸光纖的類型和無電中繼傳輸?shù)木嚯x)來選擇具有一定色度色散容限的發(fā)射機。,經(jīng)過長距離光纖傳輸后(80120km)，需

10、要對光信號進行光中繼放大。 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后，利用分波器從主信道光信號中分出特定波長的光信號送往各終端設備。,8.4 密集波分復用系統(tǒng)的非線性串擾,衰耗是指光纖中傳輸?shù)墓庑盘栯S著傳輸距離的增長而逐漸減小的特性?？朔霓k法主要有：采用高輸出功率的激光器，采用高靈敏度的接收器，采用光放大器等。 正色散區(qū)：紅光(波長較長的光)傳得較慢。 負色散區(qū)：藍光(波長較短的光)傳得較慢。,8.4.1 受激喇曼散射串擾 受激喇曼散射(Stimulated Raman Scattering，SRS)可以看作是介質(zhì)中分子振動對入射光的調(diào)制，對入射光產(chǎn)生散射作用。 L長的

11、光纖輸出端因SRS而損耗50%的輸入功率時，這個輸入功率稱為閾值功率。喇曼散射的閾值泵浦功率PR可以表示為7：,式中：Aeff為纖芯有效面積。 式中：s0為單模光纖的模場半徑；gR喇曼放大系數(shù)；Leff為光纖的有效互作用長度，簡稱有效長度。 式中：L為光纖的長度；為光纖的衰減系數(shù)。光纖越長，Leff也越長。,8.4.2 受激布里淵散射串擾 受激布里淵散射(Stimulated Brillouin Scattering，SBS)與受激喇曼散射在物理過程上十分相似，入射頻率為p的泵浦光將一部分能量轉(zhuǎn)移給頻率為s的斯托克斯 波，并發(fā)出頻率為的聲波。 =p-s 受激布里淵散射產(chǎn)生的斯托克斯波傳播方向與

12、泵浦波相反。,光纖中受激布里淵散射的閾值功率可以近似表示為： 式中：Aeff為光纖纖芯有效面積，Leff為光纖的有效長度，分別如式(8-2)和式(8-3)所示；gB為布里淵放大系數(shù)。在實際應用中為了簡化式(8-4)，G.650建議又給出了經(jīng)驗式：,8.4.3 自相位調(diào)制和交叉相位調(diào)制 這一極化過程由極化強度矢量P(r，t)與電場強度矢量E(r，t)的關系來描述。P=0E 式中：0是自由空間的介電常數(shù)；是介質(zhì)的極化率。,在強電場作用下，介質(zhì)呈現(xiàn)非線性，此時P隨電場E發(fā)生非線性變化，這種非線性函數(shù)可以圍繞E0展開成泰勒級數(shù)：P=0E+2dE2+4(3)E3+ 式中：d為二階非線性系數(shù)；(3)為三階非線性系數(shù)。,當光脈沖在光纖中傳播時其相位改變?yōu)椋?式中：k0=2/；L為光纖的長度。 是相位變化的線性部分，而,由于光場自身引起的附加相位變化，這種效應稱之為自相位調(diào)制(Self-Phase Modulation，SPM)。 這種相位的變化引起信號頻率的瞬時變化(頻移)為： 頻移方向與d|E|2/dt的符號有關。,當兩個或多個不同波長的光波在光纖中同時傳輸時，某特定信道的相移不僅取決于該信道自己場強的變化，也取決于其它相鄰信道場強的變化，這種現(xiàn)