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1、7.1 光纤放大器7.2 光波分复用技术7.3 光交换技术7.4 光孤子通信7.5 相干光通信技术7.6 光时分复用技术7.7 波长变换技术,第 7 章 光纤通信新技术,返回主目录,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 放 大 器,光放大器有半导体光放大器和光纤放大器两种类型。半导体光放
2、大器的优点是小型化，容易与其他半导体器件集成；缺点是性能与光偏振方向有关，器件与光纤的耦合损耗大。光纤放大器的性能与光偏振方向无关，器件与光纤的耦合损耗很小，因而得到广泛应用。,光纤放大器实际上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 m的掺铒(Er)光纤放大器(EDFA：ErbiumDoped 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,图 7.1掺铒光纤放大器的工作原理(a)硅光纤中铒离子的能级图；(b)E
3、DFA的吸收和增益频谱,图7.2掺铒光纤放大器的特性(a)输出信号光功率与泵浦光功率的关系；(b)小信号增益与泵浦光功率的关系,7.1.2 掺铒光纤放大器的构成和特性,图7.3光纤放大器构成方框图(a)光纤放大器构成原理图；(b)实用光纤放大器外形图及其构成方框图,波长为980 nm的泵浦光转换效率更高，达10 dB/mW，而且噪声较低，是未来发展的方向。,掺铒光纤(EDF)和高功率泵浦光源是关键器件，把泵浦光与信号光耦合在一起的波分复用器和置于两端防止光反射的光隔离器也是不可缺少的。,对泵浦光源的基本要求是大功率和长寿命。波长为1480 m的InGaAsP多量子阱(MQW)激光器，输出光功率
4、高达100 mW,泵浦光转换为信号光效率在6 dB/mW以上。,图7.4 掺铒光纤放大器增益、噪声指数和输出光功率与输 入光功率的关系曲线,7.1.3掺铒光纤放大器的优点和应用 EDFA有许多优点，并已得到广泛应用。EDFA的主要优点有：(1)工作波长正好落在光纤通信最佳波段(15001600 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。(2)增益高，约为3040 dB;饱和输出光功率大，约为1015 dBm;增益特性与光偏振状态无关。(3)噪声指数小，一般为47 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。,(4)频带宽，在1550 nm
5、窗口，频带宽度为2040 nm，可进行多信道传输，有利于增加传输容量。,7.2 光波分复用技术,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。本节主要讲述WDM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。其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
6、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。,图7.6 中心波长在1.3 m和1.55 m的硅光纤低损耗传输窗口(插图表示1.55 m传输窗口的多信道复用),2.WDM系统的基本形式 光波分复用器和解复用器是WDM技术中的关键部件，将不同波长的信号结合在一起经一根光纤输出的器件称为复用器(也叫合波器)。反之，经同一传输光纤送来的多波长信号分解为各个波长分别输出的器件称为解复用器(也叫分波器)。从原理上讲，这种器件是互易的(双向可逆)，即只要将解复用器的输出端和输入端反过来使用，就是复用器。因此复用器和解复用器是
7、相同的(除非有特殊的要求)。WDM系统的基本构成主要有以下两种形式：,(1)双纤单向传输。单向WDM传输是指所有光通路同时在一根光纤上沿同一方向传送。如图7.7所示，在发送端将载有各种信息的、具有不同波长的已调光信号1,2,n通过光复用器组合在一起，并在一根光纤中单向传输。由于各信号是通过不同光波长携带的，因而彼此之间不会混淆。在接收端通过光解复用器将不同波长的信号分开，完成多路光信号传输的任务。反方向通过另一根光纤传输的原理与此相同。,(2)单纤双向传输。双向WDM传输是指光通路在一根光纤上同时向两个不同的方向传输。如图7.8所示，所用波长相互分开，以实现双向全双工的通信。,双向WDM系统在
8、设计和应用时必须要考虑几个关键的系统因素，如为了抑制多通道干扰(MPI)，必须注意到光反射的影响、双向通路之间的隔离、串扰的类型和数值、两个方向传输的功率电平值和相互间的依赖性、光监控信道(OSC)传输和自动功率关断等问题，同时要使用双向光纤放大器。所以双向WDM系统的开发和应用相对说来要求较高，但与单向WDM系统相比，双向WDM系统可以减少使用光纤和线路放大器的数量。,另外，通过在中间设置光分插复用器(OADM)或光交叉连接器(OXC)，可使各波长光信号进行合流与分流，实现波长的上下路(Add/Drop)和路由分配，这样就可以根据光纤通信线路和光网的业务量分布情况，合理地安排插入或分出信号。
9、,3.光波分复用器的性能参数 光波分复用器是波分复用系统的重要组成部分，为了确保波分复用系统的性能，对波分复用器的基本要求是：插入损耗小，隔离度大，带内平坦，带外插入损耗变化陡峭，温度稳定性好，复用通路数多，尺寸小等。(1)插入损耗。插入损耗是指由于增加光波分复用器/解复用器而产生的附加损耗，定义为该无源器件的输入和输出端口之间的光功率之比，即,=10 lg,其中P0为发送进输入端口的光功率；P0为从输出端口接收到的光功率。,(2)串扰抑制度。串扰是指其他信道的信号耦合进某一信道，并使该信道传输质量下降的影响程度，有时也可用隔离度来表示这一程度。对于解复用器,其中Pi是波长为i的光信号的输入光
10、功率，Pij是波长为i的光信号串入到波长为j信道的光功率。(3)回波损耗。回波损耗是指从无源器件的输入端口返回的光功率与输入光功率的比，即 RL=-10(7.3)其中Pj为发送进输入端口的光功率，Pr为从同一个输入端口接收到的返回光功率。,(4)反射系数。反射系数是指在WDM器件的给定端口的反射光功率Pr与入射光功率Pj之比，即 R=10(7.4)(5)工作波长范围。工作波长范围是指WDM器件能够按照规定的性能要求工作的波长范围(min到max)。(6)信道宽度。信道宽度是指各光源之间为避免串扰应具有的波长间隔。(7)偏振相关损耗。偏振相关损耗(PDL:Polarizationdependen
11、t Loss)是指由于偏振态的变化所造成的插入损耗的最大变化值。,7.2.2WDM系统的基本结构 实际的WDM系统主要由五部分组成：光发射机、光中继放大、光接收机、光监控信道和网络管理系统，如图7.9所示,图7.9 实际WDM系统的基本结构,将EDFA用作“线放(LA：Line Amplifier)”#,“功放(BA)”和“前放(PA：Preamplifier)”。,7.2.3WDM技术的主要特点 1.充分利用光纤的巨大带宽资源 光纤具有巨大的带宽资源(低损耗波段)，WDM技术使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍甚至几百倍，从而增加光纤的传输容量，降低成本，具有很大的应用价值和经济
12、价值。2.同时传输多种不同类型的信号 由于WDM技术使用的各波长的信道相互独立，因而可以传输特性和速率完全不同的信号，完成各种电信业务信号的综合传输，如PDH信号和SDH信号，数字信号和模拟信号，多种业务(音频、视频、数据等)的混合传输等。,3.节省线路投资 采用WDM技术可使N个波长复用起来在单根光纤中传输，也可实现单根光纤双向传输，在长途大容量传输时可以节约大量光纤。另外，对已建成的光纤通信系统扩容方便，只要原系统的功率余量较大，就可进一步增容而不必对原系统作大的改动。4.降低器件的超高速要求 随着传输速率的不断提高，许多光电器件的响应速度已明显不足，使用WDM技术可降低对一些器件在性能上
13、的极高要求，同时又可实现大容量传输。,5.高度的组网灵活性、经济性和可靠性 WDM技术有很多应用形式，如长途干线网、广播分配网、多路多址局域网。可以利用WDM技术选择路由，实现网络交换和故障恢复，从而实现未来的透明、灵活、经济且具有高度生存性的光网络。,7.2.4 光滤波器与光波分复用器 在前面介绍耦合器时，已经简单地介绍了波分复用器(WDM)。在这一部分我们将介绍各种各样的波长选择技术，即光滤波技术。光滤波器在WDM系统中是一种重要元器件，与波分复用有着密切关系，常常用来构成各种各样的波分复用器和解复用器。,图7.10光滤波器的三种应用(a)单纯的滤波应用；(b)波分复用器中应用；(c)波长
14、路由器中应用,如果一个波长路由器的路由方式不随时间变化，就称为静态路由器；路由方式随时间变化，则称之为动态路由器。静态路由器可以用波分复用器来构成，如图7.11所示。波长分插复用器可以看成是波长路由器的简化形式，它只有一个输入端口和一个输出端口，再加上一个用于分插波长的本地端口。,图7.11 由波分复用器构成静态路由器,下面将介绍一些波长选择技术及其在WDM系统中的应用。1.光栅 光栅(Grating)广泛地用来将光分离为不同波长的单色光。在WDM系统中，光栅主要用在解复用器中，以分离出各个波长。图7.13是光栅的两个例子，图7.13(a)是透射光栅，图7.13(b)是反射光栅。我们以透射光栅
15、为例来说明光栅的基本原理。如图7.14所示，设两个相邻缝隙间的距离即栅距为a,光源离光栅平面足够远(相对于a而言)，入射角为i，衍射角为d，通过两相邻缝隙对应光线的光程差由()决定，而,图7.13光栅(a)透射光栅；(b)反射光栅,7.14 透射光栅的工作原理,光栅方程为 a(sini-sind)=m,其中m为整数，当a和i一定时，不同的d对应不同的波长，也就是说，像面上的不同点对应不同的波长，于是可用作WDM中的解复用器。2.布喇格光栅 布喇格光栅(Bragg Grating)广泛用于光纤通信之中。一般情况下，传输媒质的周期性微扰可以看作是布喇格光栅；这种微扰通常引起媒质折射率周期性的变化。
16、,半导体激光器使用布喇格光波导作分布反馈可以获得单频输出(如DFB激光器)；在光纤中，写入布喇格光栅后可以用于光滤波器、光分插复用器和色散补偿器。设两列波沿着同一方向传播，其传播常数分别为0和1，如果满足布喇格相位匹配条件：,其中为光栅周期，则一个波的能量可以耦合到另一个波中去。在反射型滤波器中，我们假设传播常数为0的光波从左向右传播，如果满足条件：,则这个光波的能量可以耦合到沿它的反方向传播的具有相同波长的反射光中去。设0=2neff/0，其中0为输入光的波长，neff为波导或光纤的有效折射率。也就是说，如果0=2neff，光波将发生反射，这个波长0就称作布喇格波长。随着入射光波的波长偏离布
17、喇格波长，其反射率就会降低，如图7.15(a)所示。如果具有几个波长的光同时传输到光纤布喇格光栅上，则只有波长等于布喇格波长的光才反射，而其它的光全部透射。,图7.15(a)中的功率反射谱是针对折射率均匀周期性变化的光栅而言的，为了消除不需要的旁瓣，新研制成功了一种称为变迹光栅(Apodized Grating)的光栅，它与渐变折射率光纤有点类似，其折射率沿光栅纤芯到边沿逐渐减小，变迹光栅的功率反射谱如图7.15(b)所示。注意变迹光栅旁瓣的减少是以主瓣加宽为代价的。,图7.15布喇格光栅的反射谱(a)均匀折射率情形；(b)变迹折射率情形,3.光纤光栅 光纤光栅(Fiber Grating)是
18、一种非常有吸引力的全光纤器件，其用途非常广泛，可用作光滤波器、光分插复用器和色散补偿器。对于全光纤器件，其主要优点有：插入损耗低，易于与光纤耦合，对偏振不敏感，温度系数低，封装简单，成本也较低。,1 2 n,紫外掩模写入法,相位掩模板,光纤布喇格光栅(FBG：Fiber Bragg Grating)是一种反射型光纤光栅，光栅使正向传输模(单模光纤中即为基模)同反向传输模之间发生耦合，光栅的波矢应等于传输模波矢的2倍，也就是说，光栅的周期应等于传输光波在光纤内部的波长的一半，这种光纤光栅只对在布喇格波长及其附近很窄的波长范围内的光发生反射，而不影响其它波长的光通过。,图7.16 基于光纤光栅结构
19、的光分插复用器(a)简单光分；(b)光分插,4.法布里-珀罗滤波器 法布里-珀罗(FP:FabryPerot)滤波器是由两块平行放置的高反射率的镜面形成的腔构成的，如图7.18所示。这种滤波器也叫FP干涉仪，输入光垂直到达第一个镜面，从第二个镜面出来的光就是输出。这个器件传统上用作干涉仪，现在也用在WDM系统中作滤波器。F-滤波器的功率传递函数TFP(f)与光的频率f有关：TFP(f)=,图7.18 FP滤波器,若用自由空间波长表示，则 TFP()=,这里A表示每个镜面的吸收损耗，R为每个镜面的反射率(假设两个镜相同)，光在腔内单程传播的时延为，腔内介质的折射率为n，腔长为l,因此=nl/c，
20、c为真空中光速。A=0及R=0.75、0.9和0.99时FP滤波器的功率传递函数如图7.19所示。反射率R越大，相邻信道的隔离就越好。,图7.19FP 滤波器的功率传递函数,功率传递函数TFP(f)是频率f的周期函数，当f满足f=k/2，k为正整数时，传递函数TFP(f)的值处在波峰(通带)上。FP滤波器的两个紧邻的通带之间的光谱范围称作自由光谱范围(FSR：Free Spectral Range)，用FWHM表示传递函数的半高宽，比值FSR/FWHM称作FP滤波器的精细度(F:Finesse),则,F-P滤波器选择不同的波长时一般有两种方法：一种是改变腔的长度；另一种是改变腔内介质的折射率。
21、改变腔长有机械移镜和用压电材料(PZT)两种办法。,5.多层介质薄膜滤波器 薄膜谐振腔滤波器(ThinFilm Resonant Cavity Filter)也是一个F-P干涉仪，只不过其反射镜是采用多层介质薄膜而已，常称为多层介质薄膜滤波器(Multilayer Dielectric ThinFilm Filter)。这种滤波器用作带通滤波器，只允许特定波长的光通过而让其它所有波长的光反射，腔的长度决定要通过的波长。薄膜谐振多腔滤波器(ThinFilm Resonant Multicavity Filter)的结构如图7.20所示，由反射介质薄膜隔开的两个或多个腔构成。改成多腔后与单腔相比，
22、通带顶部更加平坦，边缘更为尖锐，如图7.21所示。这种滤波器多个级联后，就可以做成波分复用器，如图7.22 所示。由于这种滤波器通带顶部平坦，边缘尖锐，温度变化时性能稳定，插入损耗低，对光的偏振不敏感，所以在系统应用中是非常有吸引力的，如今已经广泛用在商业系统中。,图7.20 三腔介质薄膜谐振腔滤波器,图7.21 单腔、双腔、三腔介质薄膜滤波器的传输谱,图7.22 基于多层介质薄膜滤波器的波分复用/解复用器,6.马赫-曾德尔干涉仪 马赫-曾德尔干涉仪(MZI:MachZehnder Interferometer)使用两条不同长度的干涉路径来决定不同的波长输出。MZI通常以集成光波导的形式出现，
23、即用两个3 dB定向耦合器来连接两条不同长度的光通路，如图7.23(a)所示，衬底通常采用硅(Si)，波导区采用二氧化硅(SiO2)。一个MZI可用图7.23(b)表示。MZI可用来作滤波器和波分复用器。虽然多层介质薄膜滤波器在窄带滤波方面性能较好，但在宽带滤波方面MZI非常有用，例如用来分开1.31 m和1.55 m两个波长的光信号。当然，通过级联几个MZI也可以做成窄带滤波器，如图7.23(c)所示，但是这将导致损耗大大增加。,图7.23 马赫-曾德尔干涉仪(MZI)(a)结构图；(b)方框图；(c)四级MZI,MZI可用来作滤波器和波分复用器。虽然多层介质薄膜滤波器在窄带滤波方面性能较好
24、，但在宽带滤波方面MZI非常有用，例如用来分开1.31m和1.55m两个波长的光信号。当然，通过级联几个MZI也可以做成窄带滤波器，如图7.23(c)所示，但是这将导致损耗大大增加。从原理上讲，级联几个MZI后性能较好，但是在实际工作中存在波长随温度和时间的变化而漂移的现象，串扰性能远不如理想情况，级联后的窄带MZI的通带不平坦，相反地，多层介质多腔薄膜滤波器的通带和阻带都比较平坦。现在简单分析MZI的工作原理。考虑MZI作为一个解复用器的情况。这时只有一个输入，假设从输入端口1输入，经过第一个定向耦合器后，功率平均分配到两臂上，但是在两臂上的信号有了/2的相差，下臂上的信号比上臂滞后/2。,
25、如果下臂与上臂的长度差为L，则下臂信号的相位进一步滞后L,为光在MZI介质中的传输常数。在第二个定向耦合器的输出1处，来自下臂的信号又比来自上臂的信号延迟了/2，因此，在输出1处，两信号总的相位差为+L+。同理，在输出2处，两信号总的相位差为+L-=L。在输入1的所有波长中，满足L=k(k为奇数)条件的波长，由输出1输出；满足L=k(k为偶数)条件的波长由输出2输出。而=,n为介质折射率，为光波长，通过适当设计就可以实现波的解复用。如果两臂长度差为L，只是输入1输入，则单个MZI的功率传递函数为,T11(f)T12(f),=,其中f为光频率。如果将MZI级联就构成多级马赫-曾德尔干涉仪(Mul
26、tistage MachZehnder Interferometer)。图7.23(c)示出4级马赫-曾德尔干涉仪，其中每个MZI以及级联后整个4级MZI的传递函数曲线如图7.24所示。,(前4个为每单个MZI的传递函数，最后一个为级联后4级MZI的传递函数)图7.24 MZI的传递函数,前面讨论了MZI用作12解复用器情况，由于MZI是一种互易器件，因此也可用作21 复用器。7.阵列波导光栅 阵列波导光栅(AWG:Arrayed Waveguide Grating)是MZI的推广和一般形式。如图7.25 所示，它由两个多端口耦合器和连接它们的阵列波导构成。AWG可用作n1波分复用器和1n波分
27、解复用器。与多级MZI相比，AWG损耗低，通带平坦，容易集成在一块衬底上。AWG也可用作静态波长路由器，如图7.26所示。,图7.25 阵列波导光栅(AWG),图7.26 基于AWG的静态波长路由器,下面我们简单地分析一下AWG的工作原理。设AWG的输入端口数和输出端口数均为n，输入耦合器为nm形式，输出耦合器为mn形式，输入和输出耦合器之间由m个波导连接，每相邻波导的长度差均为L。MZI是AWG在n=m=2情形下的特例。输入耦合器将某个输入端口的输入信号分成m部分，它们之间的相对相位由从输入波导到阵列波导在输入耦合器中传输的距离来决定，输入波导i和阵列波导k之间的距离用dinik表示，阵列波
28、导k的长度比阵列波导(k-1)的长度长L，同样，阵列波导k和输出波导j之间的距离用doutkj表示。因此，光信号从输入波导i到输出波导j，经历了i与j之间m条不同通路后的相对相位为,其中n1为输入和输出耦合器的折射率，n2为阵列波导的折射率，为光信号的波长。在输入波导i的光信号的波长中，满足ijk为2的整数倍的波长将在输出波导j输出。于是，通过适当设计，可以做成1n波分解复用器和n1波分复用器。如果设计输入耦合器和输出耦合满足 dinik=dini+kini和 doutkj=doutj+koutj 在输入波导i输入的那些波长中若满足:n1in i+n2L+n1outj=p，p为整数，则波长为的
29、光将在输出波导j输出。,8.声光可调谐滤波器 声光可调谐滤波器(AOTF:AcoustoOptic Tunable Filter)是一种多用途器件，是目前已知的惟一能够同时选择多个波长的可调谐滤波器，并且可用来构造波长路由器。AOTF的基本原理是声与光的相互作用，图7.27是AOTF的集成光波导形式。一个简化的AOTF如图7.28所示，波导材料是一种双折射物质，仅能支持最低阶TE模和TM模。假设输入光完全是TE模，一个只能选择TM模的偏振器放在波导的输出端。如果在被选择的波长附近的一个窄谱范围内的光能量转换为TM模式，而其余光能量仍保持TE模式，这样就可以制成一个波长选择性滤波器。,图7.27
30、 集成光波导AOTF,图7.28 简化的AOTF,一个简化的AOTF如图7.28所示，波导材料是一种双折射物质，仅能支持最低阶TE模和TM模。假设输入光完全是TE模，一个只能选择TM模的偏振器放在波导的输出端。如果在被选择的波长附近的一个窄谱范围内的光能量转换为TM模式，而其余光能量仍保持TE模式，这样就可以制成一个波长选择性滤波器。这种滤波器的实现可以通过沿着光波的传播方向或逆着光波的传播方向发射一列声波来完成。声波传播引起媒质的密度周期性变化，其变化周期等于声波波长，这相当于形成了一个布喇格光栅。设TE 和TM模的折射率分别为nTE和nTM，当满足布喇格条件,时，光波从一种模式耦合到另一种
31、模式，其中为声波波长，为光波长。满足布喇格条件在波长附近的窄谱范围内的光将从TE模转换为TM模，如果这种器件的输入光只是TE模，输出只选择TM模，那么就可以作为一个窄带滤波器使用。如果记nTE-nTM=n，则布喇格条件可写为=n(7.17),在LiNbO3晶体中，n=0.07。若适当选择声波波长，则经过模式转换又位于AOTF通带内的波长能够被选择。例如，为了选择1.55 m波长，若n=0.07，则声波波长大约为22 m，在LiNbO3晶体中声速大约为3.75 km/s，对应的声波频率为3.75 km/s22 m170 MHz。由于产生该声波的射频频率容易调谐，所以这种滤波器也很容易调谐。图7.
32、28的AOTF与偏振有关，因为这里假设输入光完全是TE模。图7.27是一种与偏振无关的AOTF，其实现方式和与偏振无关的隔离器相类似，将输入光信号分解为TE和TM两个分量，分别通过AOTF后再在输出端组合在一起。,布喇格条件决定要选择的波长，而这种滤波器的通带宽度则由声光相互作用的长度决定，声光相互作用的长度越长，通带就越窄。AOTF的功率传递函 T()=(7.18)其中=-0,0为满足布喇格条件的光波波长，=20/(ln)为滤波器通带宽度的一种量度，l为器件长度(准确说是声光相互作用的长度)，滤波器的半高宽FWHM=0.8，如图7.29所示。这说明器件越长(声光相互作用长度越长)，滤波器的通
33、带就越窄；然而调谐速度与器件长度成反比，因为调谐速度主要由声波通过器件的时间决定。,图7.29 AOTF的功率传递函数,与偏振无关的AOTF可用作22波长路由器，满足布喇格条件的波长被交换，如图7.30(a)所示，这里波长1满足布喇格条件。如果同时发射几个声波，就有几个光波长同时满足布喇格条件，那么在单个器件上就可同时完成几个波长的交换，如图7.30(b)所示，这里交换的波长是1和4。前面所指的都是静态波长路由器，也可以通过改变声波的频率作为动态波长路由器，适当地级联22路由器可以构成多输入多输出路由器。如今，AOTF还没有完全实用化的原因主要有两个：一是存在较大串扰，二是通带相对较宽。,图7
34、.30基于AOTF的波长路由器(a)交换波长1;(b)同时交换波长1和4,7.3光 交 换 技 术,目前的商用光纤通信系统，单信道传输速率已超过10 Gb/s，实验WDM系统的传输速率已超过3.28 Tb/s。但是，由于大量新业务的出现和国际互联网的发展，今后通信网络还可能变得拥挤。原因是在现有通信网络中，高速光纤通信系统仅仅充当点对点的传输手段，网络中重要的交换功能还是采用电子交换技术。传统电子交换机的端口速率只有几Mb/s到几百Mb/s，不仅限制了光纤通信网络速率的提高，而且要求在众多的接口进行频繁的复用/解复用，光/电和电/光转换，因而增加了设备复杂性和成本，降低了系统的可靠性。,虽然采
35、用异步转移模式(ATM)可提供155 Mb/s或更高的速率，能缓解这种矛盾，但电子线路的极限速率约为20 Gb/s。要彻底解决高速光纤通信网存在的矛盾，只有实现全光通信，而光交换是全光通信的关键技术。光交换主要有三种方式：空分光交换、时分光交换和波分光交换。,7.3.1空分光交换 空分光交换的功能是使光信号的传输通路在空间上发生改变。空分光交换的核心器件是光开关。光开关有电光型、声光型和磁光型等多种类型，其中电光型光开关具有开关速度快、串扰小和结构紧凑等优点，有很好的应用前景。典型光开关是用钛扩散在铌酸锂(Ti:LiNbO3)晶片上形成两条相距很近的光波导构成的，并通过对电压的控制改变输出通路
36、。图7.31(a)是由4个12光开关器件组成的22光交换模块。12 光开关器件就是Ti:LiNbO3定向耦合器型光开关，只是少用了一个输入端而已。,这种22光交换模块是最基本的光交换单元，它有两个输入端和两个输出端，通过电压控制，可以实现平行连接和交叉连接，如图7.31(b)所示。图7.31(c)是由16个12光开关器件或4个22光交换单元组成的44光交换单元。,图7.31空分光交换(a)22光交换单元；(b)平行连接和交叉连接；(c)44光交换单元,7.3.2时分光交换 时分光交换是以时分复用为基础，用时隙互换原理实现交换功能的。时分复用是把时间划分成帧，每帧划分成N个时隙，并分配给N路信号
37、，再把N路信号复接到一条光纤上。在接收端用分接器恢复各路原始信号，如图7.32(a)所示。所谓时隙互换，就是把时分复用帧中各个时隙的信号互换位置。如图7.32(b)，首先使时分复用信号经过分接器，在同一时间内，分接器每条出线上依次传输某一个时隙的信号；然后使这些信号分别经过不同的光延迟器件，获得不同的延迟时间；最后用复接器把这些信号重新组合起来。图7.32(c)示出时分光交换的空分等效。,图7.32时分光交换(a)时分复用原理；(b)时隙互换原理；(c)等效的空分交换,7.3.3波分光交换 波分光交换(或交叉连接)是以波分复用原理为基础，采用波长选择或波长变换的方法实现交换功能的。图7.33(
38、a)和(b)分别示出波长选择法交换和波长变换法交换的原理框图。设波分交换机的输入和输出都与N条光纤相连接，这N条光纤可能组成一根光缆。每条光纤承载W个波长的光信号。从每条光纤输入的光信号首先通过分波器(解复用器)WDMX分为W个波长不同的信号。所有N路输入的波长为i(i=1,2,W)的信号都送到i空分交换器，在那里进行同一波长N路(空分)信号的交叉连接，到底如何交叉连接，将由控制器决定。,图7.33波分交换的原理框图(a)波长选择法交换；(b)波长变换法交换,然后，以W个空分交换器输出的不同波长的信号再通过合波器(复用器)WMUX复接到输出光纤上。这种交换机当前已经成熟，可应用于采用波长选路的
39、全光网络中。但由于每个空分交换器可能提供的连接数为NN,故整个交换机可能提供的连接数为N2W，比下面介绍的波长变换法少。波长变换法与波长选择法的主要区别是用同一个NWNW空分交换器处理NW路信号的交叉连接，在空分交换器的输出必须加上波长变换器，然后进行波分复接。这样，可能提供的连接数为N2W2，即内部阻塞概率较小。波长变换器将在7.7节介绍。,7.4光 孤 子 通 信,光孤子(Soliton)是经光纤长距离传输后，其幅度和宽度都不变的超短光脉冲(ps数量级)。光孤子的形成是光纤的群速度色散和非线性效应相互平衡的结果。利用光孤子作为载体的通信方式称为光孤子通信。光孤子通信的传输距离可达上万公里，
40、甚至几万公里，目前还处于试验阶段。我们知道，光纤通信的传输距离和传输速率受到光纤损耗和色散的限制。光纤放大器投入应用后，克服了损耗的限制，增加了传输距离。此时，光纤传输系统，尤其是传输速率在Gb/s以上的系统，光纤色散引起的脉冲展宽，对传输速率的限制，成为提高系统性能的主要障碍。,为了增加传输距离，在光纤线路上，每隔一定的距离，可设置一个光纤放大器，以周期地补充光功率的损耗。但是多个光纤放大器产生的噪声累积又妨碍了传输距离的增加，因而要求提高传输信号的光功率，这样便产生非线性效应。非线性效应对光纤通信有害也有利，事实表明，克服其害还不如利用其利。光纤非线性效应和色散单独起作用时，在光纤中传输的
41、光信号都要产生脉冲展宽，对传输速率的提高是有害的。但是如果适当选择相关参数，使两种效应相互平衡，就可以保持脉冲宽度不变，因而形成光孤子。,7.4.1光孤子的形成 在讨论光纤传输理论时，假设了光纤折射率n和入射光强(光功率)无关，始终保持不变。这种假设在低功率条件下是正确的，获得了与实验良好一致的结果。然而，在高功率条件下，折射率n随光强而变化，这种特性称为非线性效应。在强光作用下，光纤折射率n可以表示为 n=n0+|E|2(7.19)式中，E为电场，n0为E=0时的光纤折射率，约为1.45。这种光纤折射率n随光强|E|2而变化特性，称为克尔(Kerr)效应，,=10-22(m/V)2，称为克尔
42、系数。虽然光纤中电场较大，为106(V/m)，但总的折射率变化n=n-n0=|E|2还是很小(10-10)。即使如此，这种变化对光纤传输特性的影响还是很大的。设波长为、光强为|E|2的光脉冲在长度为L的光纤中传输，则光强感应的折射率变化n(t)=E(t)|2，由此引起的相位变化为(t)=(7.20)这种使脉冲不同部位产生不同相移的特性，称为自相位调制(SPM)。,如图7.34 所示，在脉冲上升部分，|E|2增加，0，得到0，频率上移。频移使脉冲频率改变分布，其前部(头)频率降低，后部(尾)频率升高。这种情况称脉冲已被线性调频，或称啁啾(Chirp)。设光纤无损耗，在光纤中传输的已调波为线性偏振
43、模式，其场可以表示为E(r,z,t)=R(r)U(z,t)exp-i(0t-0z)式中，R(r)为径向本征函数，U(z,t)为脉冲的调制包络函数，0为光载波频率，0为调制频率=0时的传输常数。,图7.34 脉冲的光强频率调制,式中，P为光功率，Aeff为光纤有效截面积。由此可见，不仅是折射率的函数，而且是光功率的函数。在0和P=0附近，把展开成级数，得到(,P)=0+0(-0)+0(-0)2+2P(7.24)式中,0=，Vg为群速度，即脉冲包络线的运动速度。0=2=0，比例于一阶色散，描述群速度与频率的关系。2=。令2P=称为非线性长度，表示非线性效应对光脉冲传输特性的影响。,式(7.24)虽
44、然略去高次项，但仍较完整地描述了光脉冲在光纤中传输的特性，式中右边第三项和第四项最为重要，这两项正好体现了光纤色散和非线性效应的影响。如果00，适当选择相关参数，使两项绝对值相等，光纤色散和非线性效应便相互抵消，因而输入脉冲宽度保持不变，形成稳定的光孤子。现在我们回顾一下光纤色散。波长为的光纤色散系数C()的定义为,式中,=dd=1/Vg为群延时，Vg为群速度；=2f=2c/为光载波频率，c为光速；0=d2/d2,比例于一阶色散。式(7.25)描述的单模光纤色散特性如图7.35所示，图中D为零色散波长。在0，称为光纤正常色散区；在D时，C()0,00，称为光纤反常色散区。图7.36示出光脉冲在
45、反常色散光纤中传输时，由于非线性效应产生的啁啾被压缩或展宽。对反常色散光纤，群速度与光载波频率成正比，在脉冲中载频高的部分传播得快，而载频低的部分则传播得慢。,图7.35 单模光纤的色散特性,图7.36 脉冲在反常色散光纤中传输因啁啾效应可被压缩或展宽,对正常色散光纤，结论正相反。因此，具有正啁啾的光脉冲通过反常色散光纤时，脉冲前部(头)频率低，传播得慢，而后部(尾)频率高，传播得快。这种脉冲形象地被称为“红头紫尾”光脉冲。在传播过程中，“紫”尾逐渐接近“红”头，因而脉冲被压缩，如图7.36(a)。相反，具有负啁啾的光脉冲通过反常色散光纤时，前部(头)传播得快，后部(尾)传播得慢，“紫”头和“
46、红”尾逐渐分离，结果脉冲被展宽，如图7.36(b)所示。由此可见，适当选择相关参数，可以使光脉冲宽度保持不变。,7.4.2光孤子通信系统的构成和性能 图7.37(a)示出光孤子通信系统构成方框图。光孤子源产生一系列脉冲宽度很窄的光脉冲，即光孤子流，作为信息的载体进入光调制器，使信息对光孤子流进行调制。被调制的光孤子流经掺铒光纤放大器和光隔离器后，进入光纤进行传输。为克服光纤损耗引起的光孤子减弱，在光纤线路上周期地插入EDFA，向光孤子注入能量，以补偿因光纤传输而引起的能量消耗，确保光孤子稳定传输。在接收端，通过光检测器和解调装置，恢复光孤子所承载的信息。,图 7.37 光孤子通信系统和实验系统
47、(a)光孤子通信系统构成方框图；(b)循环光纤间接光孤子实验系统图,光孤子源是光孤子通信系统的关键。要求光孤子源提供的脉冲宽度为ps数量级，并有规定的形状和峰值。光孤子源有很多种类，主要有掺铒光纤孤子激光器、锁模半导体激光器等 目前，光孤子通信系统已经有许多实验结果。例如，对光纤线路直接实验系统，在传输速率为10 Gb/s时，传输距离达到1000 km；在传输速率为20 Gb/s时，传输距离达到350 km。对循环光纤间接实验系统(参看图7.37(b)，传输速率为2.4 Gb/s，传输距离达12 000 km；改进实验系统，传输速率为10 Gb/s，传输距离达106 km。,事实上，对于单信道
48、光纤通信系统来说，光孤子通信系统的性能并不比在零色散波长工作的常规(非光孤子)系统更好。循环光纤间接实验结果表明，零色散波长常规系统的传输速率为2.4 Gb/s时，传输距离可达21 000 km，而为5 Gb/s时可达14 300 km。然而，零色散波长系统只能实现单信道传输，而光孤子系统则可用于WDM系统，使传输速率大幅度增加，因而具有,7.5相干光通信技术,目前已经投入使用的光纤通信系统，都是采用光强调制-直接检测(IMDD)方式。这种方式的优点是调制和解调简单，容易实现，因而成本较低。但是这种方式没有利用光载波的频率和相位信息，限制了系统性能的进一步提高。相干光通信，像传统的无线电和微波
49、通信一样，在发射端对光载波进行幅度、频率或相位调制；在接收端，则采用零差检测或外差检测，这种检测技术称为相干检测。和IMD方式相比，相干检测可以把接收灵敏度提高20 dB，相当于在相同发射功率下，若光纤损耗为0.2 dB/km，则传输距离增加100 km。,同时，采用相干检测，可以更充分利用光纤带宽。我们已经看到，在光频分复用(OFDM)中，信道频率间隔可以达到10 GHz以下，因而大幅度增加了传输容量。所谓相干光，就是两个激光器产生的光场具有空间叠加、相互干涉性质的激光。实现相干光通信，关键是要有频率稳定、相位和偏振方向可以控制的窄线谱激光器。,7.5.1相干检测原理 图7.38示出相干检测
50、原理方框图，光接收机接收的信号光和本地振荡器产生的本振光经混频器作用后，光场发生干涉。由光检测器输出的光电流经处理后，以基带信号的形式输出。单模光纤的传输模式是基模HE11模，接收机接收的信号光其光场可以写成 ES=ASexp-i(St+S)(7.26)式中,AS、S和S分别为光载波的幅度、频率和相位。同样，本振光的光场可以写成 EL=ALexp-i(Lt+L)(7.27),图7.38 相干检测原理方框图,式中,AL、L和L分别为本振光的幅度、频率和相位。保持信号光的偏振方向不变，控制本振光的偏振方向，使之与信号光的偏振方向相同。本振光的中心角频率L应满足L=S-IF或L=S+IF(7.28)
