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1、6.1 光纤放大器6.2 光波分复用技术6.3 光交换技术6.4 光孤子通信6.5 相干光通信技术6.6 光时分复用技术6.7 波长变换技术,第 6 章 光纤通信新技术,返回主目录,第 6 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。,6.1 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
2、放大器的优点是：小型化，容易与其他半导体器件集成 半导体光放大器的缺点是：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。,光纤放大器的实质是：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。,6.1.1 掺铒光纤放大器工作原理 图6.1示出掺铒光纤放大器(EDFA)的工作原理，说明了光
3、信号放大的原因。从图6.1(a)可以看到，在掺铒光纤(EDF)中，铒离子(Er3+)有三个能级：能级1代表基态，能量最低 能级2是亚稳态，处于中间能级 能级3代表激发态，能量最高,当泵浦(Pump,抽运)光的光子能量等于能级3和能级1的能量差时，铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到激发态(13)。但是激发态是不稳定的，Er3+很快返回到能级2。如果输入的信号光的光子能量等于能级2和能级1的能量差，则处于能级2的Er3+将跃迁到基态(21)，产生受激辐射光，因而信号光得到放大。由此可见，这种放大是由于泵浦光的能量转换为信号光的结果。,图 6.1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)
4、EDFA的吸收和增益频谱,为提高放大器增益，应提高对泵浦光的吸收，使基态Er3+尽可能跃迁到激发态，图6.1(b)示出EDFA增益和吸收频谱。,图6.3(a)光纤放大器构成原理图,输入信号,光隔离器,波分复用器,泵浦,掺铒光纤,光隔离器,输出信号,图6.3(a),6.1.3 掺铒光纤放大器的优点和应用 EDFA的主要优点有：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。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。噪声指数小，一般为47 dB；用于多信道传输时，
5、隔离度大，无串扰，适用于波分复用系统。频带宽，在1550 nm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。,如果加上1310 nm掺镨光纤放大器(PDFA)，频带可以增加一倍。所以“波分复用+光纤放大器”被认为是充分利用光纤带宽增加传输容量最有效的方法。1550 nm EDFA在各种光纤通信系统中得到广泛应用，并取得了良好效果。副载波CATV系统，WDM或OFDM系统，相干光系统以及光孤子通信系统，都应用了EDFA，并大幅度增加了传输距离。,EDFA的应用，归纳起来可以分为三种形式，如图6.5所示。,中继放大器（LA：Line Amplifier）在光纤线路上每隔一定
6、的距离设置一个光纤放大器，以延长干线网的传输距离）前置放大器（PA：Preamplifier)置于光接收机的前面，放大非常微弱的光信号，以改善接收灵敏度。作为前置放大器，对噪声要求非常苛刻。后置放大器（BA：Booster Amplifier)置于光接收机的后面，以提高发射机功率。对后置放大器噪声要求不高，而饱和输出光功率是主要参数。,6.2 光波分复用技术,随着人类社会信息时代的到来，对通信的需求呈现加速增长的趋势。发展迅速的各种新型业务(特别是高速数据和视频业务)对通信网的带宽(或容量)提出了更高的要求。为了适应通信网传输容量的不断增长和满足网络交互性、灵活性的要求，产生了各种复用技术。在
7、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。,6.2.1 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。光波分复用（WDM）的基本原理是：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
8、分割复用，简称光波分复用技术。,图6.6 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：双纤单向传输和单纤双向传输。
9、(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6.7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。,图6.7 双纤单向WDM传输,(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6.8所示，所用波长相互分开，以实现双向全双工的通信。,图6.8 单纤双向WDM传输,双向WDM系统在设计和应用
10、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。,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,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：,6.2.2 WDM
11、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，如下图所示。,目前国际上已商用的系统有：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)。实验室已实现了8240 Gb/s(3.28 Tb/s)的速率，传输距离达3100 km=300 km。OFC2000(Optical Fiber Communication Conference)提供的情况有：Be
12、ll Labs:82路40 Gb/s=3.28 Tb/s在3100 km=300 km的True Wave(商标)光纤(即G.655光纤)上，利用C和L两个波带联合传输；日本NEC:16020 Gb/s=3.2 Tb/s，利用归零信号沿色散平坦光纤，经过增益宽度为64 nm的光纤放大器，传输距离达1500 km;,日本富士通(Fujitsu):128路10.66 Gb/s，经过C和L波带注：C波带为15251565 nm，L波带为15701620 nm。，用分布喇曼放大(DRA:Distributed Raman Amplification),传输距离达6140 km=840 km;日本NTT
13、：30路42.7 Gb/s，利用归零信号，经过增益宽度为50 nm的光纤放大器，传输距离达3125 km376 km;美国Lucent Tech:100路10 Gb/s=1 Tb/s，各路波长的间隔缩小到25 GHz,利用L波带，沿NZDF光纤(G.655光纤)传输400 km;美国Mciworldcom和加拿大Nortel:100路10 Gb/s=1 Tb/s，沿NZDF光纤在C和L波带传输4段，约200 km;美国Qtera 和Qwest:两个波带4路10 Gb/s和2路10 Gb/s沿NZDF光纤传输23105 km=2415 km,这个试验虽然WDM路数不多，但在陆地光缆中却是最长距离
14、。,6.2.3 WDM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
15、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。,6.2.4 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
16、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。,波分复用器和解复用器主要用在:WDM终端 波长路由器 波长分插复用器(Wavelength Add/Drop Multiplexer,WADM),图6.10为光滤波器的三种应用：单纯的滤波应用(图6.10(a)波分复用/解复用器中应用(图6.10(b)波长路由器中应用(图6.10(c)。,光滤波器,波分复用器,波长路由器是波长选路网络(Wavelength Routing Network)中的关键部件，其功能可由图7.10(c)的例子说明,它有
17、两个输入端口和两个输出端口，每路输入都载有一组1,2,3和4 WDM信号。,如果用 来标记第i输入链路上的波长j,则路由器的输入端口1上的波长记为、,输入端口2上的波长记为、。,在输入端口1上的波长中，如果 和 由输出端口1输出，则 和 由输出端口2输出；在输入端口2上的波长中，如果 和 由输出端口2输出，则 和 由输出端口1输出，这样，我们就称路由器交换了波长1和4。,在本例中，波长路由器只有两个输入端口和两个输出端口，每一路上只有4个波长，但是在一般情况下，输入和输出的端口数是N(2)，并且每一端口的波长数是W(2)(参看图7.33)。,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
18、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，如下图所示。,在WDM系统中，光纤布喇格光栅可用作滤波器、光分插复用器和色散补偿器(Dispersion Compensator)。图6.16(a)是一个简单的光分器，由一个三端口光环行器和一个光纤布喇格光栅构成，由光栅反射回来的波长2从环行器的端口3取出，余下的波长继续前行。在上面简单的光分器的基础上加上一个耦合器，就可以实现光的分插功能，如图6.16(b)所示。,图6.16(a)基于光纤光栅结构的光分插复用器简单分光；,(a),图6.16(b)基于光纤光栅结构的光分插复用器光分插,(b),6.3 光 交 换
19、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。,光交换主要有三种方式：空分光交换 时分光交换 波分光交换,虽然采用异步转移模式(ATM)可提供15
20、5 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。,6.3.1 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。,图6.31(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
21、:LiNbO3定向耦合器型光开关，只是少用了一个输入端而已。,图6.31(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。,6.3.2 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，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6.32(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6.32(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
22、时间；最后用复接器把这些信号重新组合起来。,6.3.3 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6.33(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。,然后，以W个空分交换器输出的不同波
23、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6.7节介绍。,6.4 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
24、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，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
25、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。,6.5 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(IM-DD)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
26、测技术称为相干检测。,和IM-DD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。,图6.38 相干检测原理方框图,光检测器,电信号,处理,本地光,振荡器,混频器,6.5.4 相干光系统的优点和关键技术 相干光系统主要优
27、点是：灵敏度提高了1020 dB，线路功率损耗可以增加到50 dB。如果使用损耗为0.2 dB/km光纤，无中继传输距离可达250 km。由于相干光系统通常受光纤损耗限制，周期地使用光纤放大器，可以增加传输距离。实验表明，当每隔80 km加入一个掺铒光纤放大器，25 个EDFA可以使 2.5 Gb/s系统的传输距离增加到2200 km以上，非常适合干线网使用。由于相干光系统出色的信道选择性和灵敏度，和光频分复用相结合，可以实现大容量传输，非常适合于CATV分配网使用。,相干光系统的关键技术是：必须使用频率稳定度和频谱纯度都很高的激光器作为信号光源和本振光源。在相干光系统中，中频一般选择为21082109 Hz，1550 nm的光载频约为21014Hz，中频是光载频的10-610-5倍，因此要求光源频率稳定度优于10-8。一般激光器达不到要求，必须研究稳频技术，如以分子标准频率作基准，稳定度可达10-12。信号光源和本振光源频谱纯度必须很高，例如中频选择100 MHz，频谱纯度应为几kHz，一般激光器满足不了这个要求。必须采用频谱压缩措施，提高频谱纯度，目前优质DFBLD频谱宽度可达几kHz。,匹配技术。相干光系统要求信号光和本振光混频时满足严格的匹配条件，才能获得高混频效率，这种匹配包括空间匹配、波前匹配和偏振方向匹配。,
