通工专业-光纤通信技术-第十一章-光纤通信新技术

1、光纤通信技术光纤通信技术 Optical Communication 西安邮电大学通信与信息工程学院西安邮电大学通信与信息工程学院 通信工程系通信工程系 11.1 新型光纤技术新型光纤技术 11.2 全光光纤通信技术全光光纤通信技术 11.3 相干光通信相干光通信 第第1111章章 光纤通信新技术光纤通信新技术 11.1.1 光纤的非线性效应 l 在常规光纤通信系统中，光纤中的光场较弱，此时 光纤是无源媒质，也称为线性媒质，光纤的各项特征参 量随光场作线性变化。随着密集波分复用技术和掺铒光 纤放大器技术的不断进步，光纤中所传输的波长数越来 越多，进入光纤的光功率不断增大，此时光纤开始呈现 出非

2、线性光学特性。非线性光学效应的强弱不仅与光强 有关，而且与相互作用的长度有关。由于光纤的损耗极 小，可以在较长的距离上保持高的光强度，这大大增加 了相互作用的长度，从而使非线性光学效应成为最终限 制系统性能的因素。 1. 非线性光学效应非线性光学效应 l 非线性光学效应是强光场与物质相互作用，由于非 线性极化所产生的一些现象。当外电场强度足够大时， P与E不再成线性关系，其关系可用级数表示为 式中第一项为线性极化项，第二项、第三项等等为非线性 极化项。 l 将非线性极化项展开，可以看到大量的非线性光学效应。 二阶非线性极化项可以产生各入射基波分量的二次谐波 （倍频波）、和频波、差频波以及一个直

3、流电场，相应的 效应分别为倍频、和频、差频以及光整流效应。 lSBS、SRS及及FWM过程所引起的波长信道的过程所引起的波长信道的 增益或损耗与光信号的强度有关。这些非线性增益或损耗与光信号的强度有关。这些非线性 过程对某些信道提供增益而对另一些信道则产过程对某些信道提供增益而对另一些信道则产 生功率损耗，从而使各个波长间产生串扰。生功率损耗，从而使各个波长间产生串扰。 lSPM和和XPM都只影响信号的相位，从而使脉冲都只影响信号的相位，从而使脉冲 产生啁啾，这将会加快色散引起的脉冲展宽，产生啁啾，这将会加快色散引起的脉冲展宽， 尤其在高速系统中。尤其在高速系统中。 在光纤中传输中光脉冲，脉冲

4、从前到后频率有变化叫做啁啾。在光纤中传输中光脉冲，脉冲从前到后频率有变化叫做啁啾。 effBeffth LgAP/21 Bth gwP/ )(21 2 effReffth LgAP/16 Rth gwP/ )(16 2 mWPWcmgmAkmL thReffeff 560,/107,50,20 112 SRSSRS的阈值功率较高。由于光波系统中的注入功的阈值功率较高。由于光波系统中的注入功 率一般低于率一般低于10mW10mW，因此，因此SRSSRS一般对光纤损耗不一般对光纤损耗不 起作用。起作用。 2 2 2 ),(EnnEn 自相位调制自相位调制SPMSPM l折射率非线性分量的出现将引起

5、导模传播常数的变折射率非线性分量的出现将引起导模传播常数的变 化，使传播常数增加了一附加项：化，使传播常数增加了一附加项： eff A n 2 2 P 光纤中光纤中传传 输输的功率的功率 频率啁啾频率啁啾 dt dP A Ln dt d in eff eff spm 2)( 2 1 SPMSPM特点特点 lSPM导致频率啁啾，正比于光强对时间的微分导致频率啁啾，正比于光强对时间的微分 l频率啁啾将导致脉冲谱宽增加频率啁啾将导致脉冲谱宽增加 lSPM与色散共同作用，在正常色散区，加剧脉冲展宽速度；与色散共同作用，在正常色散区，加剧脉冲展宽速度； 在反常色散区减低脉冲展宽速度在反常色散区减低脉冲展

6、宽速度(但但SPM将导致脉冲畸变将导致脉冲畸变)， 在一定条件下，可以使色散效应与在一定条件下，可以使色散效应与SPM效应互相抵消，实效应互相抵消，实 现脉冲无畸变传输现脉冲无畸变传输-孤子孤子 l非线性效应产生的自相位调制一般不大，对非线性效应产生的自相位调制一般不大，对IM/DD系统无系统无 关紧要，但在级联放大系统和关紧要，但在级联放大系统和WDM系统中则不容忽视，系统中则不容忽视， 在相干波系统中也不能忽视在相干波系统中也不能忽视 四波混频四波混频FWMFWM lFWM： 光纤中不同波长的光波相互作用而导致在其它波光纤中不同波长的光波相互作用而导致在其它波 长上产生所谓混频产物或边带的

7、新光波的现象。长上产生所谓混频产物或边带的新光波的现象。 11.1.2 光的双折射和偏振 1. 光的双折射光的双折射 1. 当一束单色光入射到各向异性介质表面时，产生两束折射光，当一束单色光入射到各向异性介质表面时，产生两束折射光， 这种现象称为光的双折射。双折射中的两束光，一束总是遵守折射这种现象称为光的双折射。双折射中的两束光，一束总是遵守折射 定律，称这束光为寻常光或光，另一束光则不然，一般情况下它是定律，称这束光为寻常光或光，另一束光则不然，一般情况下它是 不遵守折射定律的，称为非寻常光或不遵守折射定律的，称为非寻常光或e光。光和光。光和e光都是线偏振光，光都是线偏振光， 而且光的振动

8、画垂直于晶体的主截面，而而且光的振动画垂直于晶体的主截面，而e光的振动面在主截面内，光的振动面在主截面内， 两者振动面相互垂直。若光折射率为，两者振动面相互垂直。若光折射率为，e光折射率为，则光折射率为，则 是用来描述晶体双折射特征的重要参数。是用来描述晶体双折射特征的重要参数。 n 克尔效应 某些各向同性的透明介质在外加电场的作用下变为各向某些各向同性的透明介质在外加电场的作用下变为各向 异性，因而能产生双折射现象，这时的介质具有单轴晶体异性，因而能产生双折射现象，这时的介质具有单轴晶体 的特性。光轴的方向沿着外加匀强电场的方向。实验证明，的特性。光轴的方向沿着外加匀强电场的方向。实验证明，

9、 光线与电场成垂直方向入射时，所产生的双折射程度，即光线与电场成垂直方向入射时，所产生的双折射程度，即 折射率之差：折射率之差： 式中，式中，k为克尔常数，它由介质本身的性质来定，是入射为克尔常数，它由介质本身的性质来定，是入射 光的波长，光的波长，E为外加电场。为外加电场。 l克尔效应的最重要的特点是几乎没有延迟时间，克尔效应的最重要的特点是几乎没有延迟时间， 它随电场的产生和消失迅速的产生与消失，利它随电场的产生和消失迅速的产生与消失，利 用科尔效应制成的克尔开关作为一种高速光开用科尔效应制成的克尔开关作为一种高速光开 光，被广泛应用于许多科学领域，如高速摄影、光，被广泛应用于许多科学领域

10、，如高速摄影、 电影、电视及脉冲激光器的电影、电视及脉冲激光器的Q开光等。开光等。 普克尔效应普克尔效应 有些晶体特别是压电晶体加上电场后其各向有些晶体特别是压电晶体加上电场后其各向 异性的性质发生变化：这种效应的特点是线性的，异性的性质发生变化：这种效应的特点是线性的， 即折射率的变化和外加电场成线性关系。所以利即折射率的变化和外加电场成线性关系。所以利 用这种效应可以把电信号的变化变成光强度的变用这种效应可以把电信号的变化变成光强度的变 化，从接通电源到建立电致光效应所需时间一般化，从接通电源到建立电致光效应所需时间一般 小于小于10秒，因此可获得秒，因此可获得2.5Hz的调制带宽，因而的

11、调制带宽，因而 近年来常用作高速光开关好和带宽光调制器。近年来常用作高速光开关好和带宽光调制器。 2.偏振光偏振光 l如果在光波中，光矢量的振动方向在传播过程中保如果在光波中，光矢量的振动方向在传播过程中保 持不变，只是它的大小随相位变化，这种光称为线持不变，只是它的大小随相位变化，这种光称为线 偏振光，线偏振光的光矢量与传播方向组成的面称偏振光，线偏振光的光矢量与传播方向组成的面称 为线偏振光的振动面，与光矢量振动方向垂直且包为线偏振光的振动面，与光矢量振动方向垂直且包 含传播方向的面称为偏振面。含传播方向的面称为偏振面。 2.偏振片偏振片 l把自然光变为偏振光的器件称为偏振器。自然光通过二

12、把自然光变为偏振光的器件称为偏振器。自然光通过二 向色性的物质制成的薄片后就变为了偏振光，这种起偏器常向色性的物质制成的薄片后就变为了偏振光，这种起偏器常 称为偏振片，所谓二向色性是指某些各向异性的晶体对不同称为偏振片，所谓二向色性是指某些各向异性的晶体对不同 振动方向的偏振光有不同的吸收系数的性质，人造偏振片就振动方向的偏振光有不同的吸收系数的性质，人造偏振片就 是利用这种性质制成的。是利用这种性质制成的。 11.1.3 光纤孤子 n l光孤子光孤子(Soliton)(Soliton)是一种光脉冲序列，它在是一种光脉冲序列，它在 光纤中长距离传输时能保持它的形状不变。光纤中长距离传输时能保持

13、它的形状不变。 l光纤孤子通信是新一代高速长距离光纤孤子通信是新一代高速长距离( (如海底如海底 通信通信) )光纤通信系统的理想选择。光纤通信系统的理想选择。 光纤非线性效应和色散光纤非线性效应和色散单独单独作用时，在光纤中传输作用时，在光纤中传输 的光信号都要产生的光信号都要产生脉冲展宽脉冲展宽，对传输速率的提高是有害，对传输速率的提高是有害 的。但如果适当选择相关参数，使两种效应的。但如果适当选择相关参数，使两种效应相互平衡相互平衡， 就可以保持就可以保持脉冲宽度不变脉冲宽度不变， 因而形成因而形成光孤子光孤子。 光孤子光孤子(Soliton)是经光纤长距离传输后，其幅度和是经光纤长距离

14、传输后，其幅度和 宽度都不变的宽度都不变的超短光脉冲超短光脉冲(ps数量级数量级)。 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互平衡的结果。利用光孤子作为载体的通信方式称为光光 孤子通信孤子通信。 其传输距离可达上万公里，甚至几万公里，其传输距离可达上万公里，甚至几万公里， 目前还处于目前还处于试验阶段试验阶段。 11.1.4 光孤子通信技术的基本原理光孤子通信技术的基本原理 根据光学知识，光脉冲可以用下列式子表示：根据光学知识，光脉冲可以用下列式子表示： E(z,t)=A(z,t)expj(0t-

15、0z) 其中：其中：A(z,t)是脉冲包络。是脉冲包络。 对于常用的直接检波光通信系统关心光脉冲的对于常用的直接检波光通信系统关心光脉冲的包包 络情况络情况。 在考虑色散作用下，并引入光纤非线性效应中自相位 调制作用时，光脉冲包络的传输方程传输方程可写为下式： 式中：A(z,t)为脉冲包络，1=1/g，2为群速度色散系 数，3为高阶色散系数，是代表自相位调制效应的非线性 系数。 研究发现，只有方程的一个系数N为整数为整数时，才有解。 且当N=1时，该解的包络与传输距离无关，即其在光 纤中保形传输保形传输。 AAi t A t Aj t A z A2 3 3 3 2 2 21 6 1 2 11.

16、1.4 光孤子通信技术的基本原理光孤子通信技术的基本原理 只要控制好输入脉冲输入脉冲的初始功率和脉宽，并选择合 适色散和非线形度量的光纤光纤，可得到N=1时的弧子脉冲弧子脉冲， 该脉冲在光纤中传播的时候，如何忽略光纤损耗的情况 下，其脉冲包络的幅度和形状不会发生变化。 11.1.4 光孤子通信技术的基本原理光孤子通信技术的基本原理 11.1.4 光孤子通信技术的基本原理光孤子通信技术的基本原理 孤子源孤子源调制调制 脉冲源脉冲源 EDFA 隔离器隔离器 探测探测 光纤传输系统光纤传输系统 EDFAEDFAEDFA 33 光孤子源产生一系列脉冲宽度很窄的光脉冲，即光孤子流光孤子流， 作为信息的载

17、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。 光孤子源光孤子源是光孤子通信系统的关键。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，光孤子源有很多种类，主要有：主要有： （1）掺铒光纤孤子激光器； 11.1.4 光孤子通信技术的基本原理光孤子通信技术的基本原理 目

18、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循环光纤间接实验系统， 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。 11.1.4 光孤子通信技术的基本原理光孤子通信技术的基本原理 光孤子通信关键技术光孤子通信关键技术 l适合光孤子传输光纤技术 l光孤子源技术 l光孤子放大技术 l光孤子开关技术 11.1 新型光纤技术新型光纤技术 11.2

19、 全光光纤通信技术全光光纤通信技术 11.3 相干光通信相干光通信 第第1111章章 光纤通信新技术光纤通信新技术 1. 全光光纤通信网的概念全光光纤通信网的概念 全光网络是指用户与用户之间的信号传输与交全光网络是指用户与用户之间的信号传输与交 换全部采用光波技术完成的先进网络。换全部采用光波技术完成的先进网络。 它包括光传输、光放大、光再生、光交换、光它包括光传输、光放大、光再生、光交换、光 存储、光信息处理、光信号多路复接存储、光信息处理、光信号多路复接/ /分插、进网分插、进网/ / 出网等许多先进的全光技术。出网等许多先进的全光技术。 原理上讲，全光网络就是网中直到端用户节点原理上讲，

20、全光网络就是网中直到端用户节点 之间的信号通道仍然保持着光的形式，即端到端的之间的信号通道仍然保持着光的形式，即端到端的 全光路，中间没有光电转换器，数据从源节点到目全光路，中间没有光电转换器，数据从源节点到目 的节点的传输过程都在光域内进行。的节点的传输过程都在光域内进行。 全光网络具有以下优点。全光网络具有以下优点。 透明性好。透明性好。 兼容性好，容易升级。兼容性好，容易升级。 具备可扩展性。具备可扩展性。 具备可重构性。具备可重构性。 省掉了大量电子器件。省掉了大量电子器件。 可靠性高。可靠性高。 提供多种协议的业务。提供多种协议的业务。 组网灵活性高。组网灵活性高。 2 全光网络的全

21、光网络的网络网络结构结构 全光网络本身可划分为三层，即光路层、全光网络本身可划分为三层，即光路层、 光通道层以及传输媒质层，如图光通道层以及传输媒质层，如图11-311-3所示。所示。 图中的电路层本身不属于光网络范围内，图中的电路层本身不属于光网络范围内， 然而是不可缺少的，它是介乎用户与光网络然而是不可缺少的，它是介乎用户与光网络 之间的通信网络。之间的通信网络。 光传输网 电路层 光路层 光通道层 光传输媒质层 3. 全光网络的关键技术全光网络的关键技术 1 1全光交换全光交换 空分光交换是指空间划分的交换。空分光交换是指空间划分的交换。 时分光交换网由时分型交换模块和空分时分光交换网由

22、时分型交换模块和空分 型交换模块构成。型交换模块构成。 波分交换由波长开关使信号通过不同的波分交换由波长开关使信号通过不同的 波长，选择不同的网络通路来实现交换。波长，选择不同的网络通路来实现交换。 复合型光交换是指在一个交换网络中同复合型光交换是指在一个交换网络中同 时应用两种以上的光交换方式。时应用两种以上的光交换方式。 自由空间光交换可以看作是一种空分交自由空间光交换可以看作是一种空分交 换，它在换，它在1mm1mm范围内具有高达范围内具有高达1010 m m量级的分辨量级的分辨 率。率。 2光交叉连接 光交叉连接 OXCOXC是全光网中的核心器件，是用于光纤是全光网中的核心器件，是用于

23、光纤 网络节点的设备，它与光纤组成了一个全光网络节点的设备，它与光纤组成了一个全光 网络。网络。 3全光中继 全光中继 全光中继是直接在光路上对信号进行放全光中继是直接在光路上对信号进行放 大传输，用全光传输中继器代替再生中继器。大传输，用全光传输中继器代替再生中继器。 可通过全光放大器来提高光信号功率。可通过全光放大器来提高光信号功率。 色散会导致光脉冲展宽，发生码间干扰，色散会导致光脉冲展宽，发生码间干扰， 使系统的误码率增大。使系统的误码率增大。 因此，必须采取措施对光信号进行再生。因此，必须采取措施对光信号进行再生。 目前，对光信号的再生都是利用光电中目前，对光信号的再生都是利用光电中

24、 继器，即光信号首先由光电二极管转变为电继器，即光信号首先由光电二极管转变为电 信号，经电路整形放大后，再重新驱动一个信号，经电路整形放大后，再重新驱动一个 光源，从而实现光信号的再生。光源，从而实现光信号的再生。 4全光信息的放大和再生技术全光信息的放大和再生技术 OTDMOTDM是用多个电信道信号调制具有同一是用多个电信道信号调制具有同一 个光频的不同光信道，经复用后在同一根光个光频的不同光信道，经复用后在同一根光 纤传输的扩容技术。纤传输的扩容技术。 OTDMOTDM技术主要包括超窄光脉冲的产生与技术主要包括超窄光脉冲的产生与 调制技术、全光复用调制技术、全光复用/ /解复用技术、光定时

25、提解复用技术、光定时提 取技术。取技术。 5光复用光复用/解复用技术解复用技术 光光WDMWDM是多个信源的电信号调制各自的光是多个信源的电信号调制各自的光 载波，经复用后在一根光纤上传输，在接收载波，经复用后在一根光纤上传输，在接收 端可用外差检测的相干通信方式或调谐无源端可用外差检测的相干通信方式或调谐无源 滤波器直接检测的常规通信方式实现信道的滤波器直接检测的常规通信方式实现信道的 选择。选择。 目前，大部分公司的目前，大部分公司的DWDMDWDM系统都是以系统都是以 2.5Gbit/s2.5Gbit/s为基本速率的。为基本速率的。 泛欧运营商泛欧运营商HERHER公司采用公司采用Cie

26、naCiena公司的公司的 40402.5Gbit/s2.5Gbit/s系统。系统。 目前，国内武汉邮电研究院的目前，国内武汉邮电研究院的 8 82.5Gbit/s WDM2.5Gbit/s WDM系统已用于济南系统已用于济南青岛工青岛工 程。程。 OADM OADM具有选择性，可以从传输设备中选具有选择性，可以从传输设备中选 择下路信号或上路信号，也可仅仅通过某个择下路信号或上路信号，也可仅仅通过某个 波长信号，同时不影响其他波长信道的传输。波长信号，同时不影响其他波长信道的传输。 特别是特别是OADMOADM可以从一个可以从一个WDMWDM光束中分出一光束中分出一 个信道，并且一般是以相同

27、波长往光载波上个信道，并且一般是以相同波长往光载波上 插入新的信息。插入新的信息。 网络的配置管理、波长的分配管理、管网络的配置管理、波长的分配管理、管 理控制协议、网络的性能测试等都是网络管理控制协议、网络的性能测试等都是网络管 理方面需解决的技术。理方面需解决的技术。 对光放大器等器件进行监视和管理一般对光放大器等器件进行监视和管理一般 采用额外波长监视技术，即在系统中再分插采用额外波长监视技术，即在系统中再分插 一个额外的信道传送监控信息。一个额外的信道传送监控信息。 而光监控技术采用而光监控技术采用1 510nm1 510nm波长，并且对波长，并且对 此监控信道提供检错和纠错的保护路由

28、。此监控信道提供检错和纠错的保护路由。 6全光网的管理、控制和运作全光网的管理、控制和运作 11.1 新型光纤技术新型光纤技术 11.2 全光光纤通信技术全光光纤通信技术 11.3 相干光通信相干光通信 第第1111章章 光纤通信新技术光纤通信新技术 11.3 相干光通信相干光通信 目前已经投入使用的光纤通信系统，都是采用光强调制光强调制- 直接检测直接检测(IM-DD)方式。 这种方式的优点是：优点是：调制和解调简单，容易实现，因而 成本较低。但是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限制了系统性能的进一步提高。 相干光通信相干光通信，像传统的无线电和微波通

29、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相干检测。 调制对比调制对比 强度调制强度调制 （光有、无；（光有、无；ASK调制）调制） 相干光通信调制相干光通信调制 （电光、声光或磁光）（电光、声光或磁光） 11.3 相干光通信相干光通信 直接检波直接检波 （包络检测）（包络检测） 相干光通信解调相干光通信解调 解调对比解调对比 11.3 相干光通信相干光通信 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。主要原因采用了本地振

30、荡本地振荡得到了一定的增益。 同时，采用相干检测，可以更充分利用光纤带宽。在光频光频 分复用分复用(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。 11.3 相干光通信相干光通信 工作原理：工作原理：光源发出频率为fs的光脉冲，调制器将已经 变成电信号的信号源调制到光脉冲包络上。 接收端采用外差技术外差技术，首先通过耦合器将光信号和本振 光源信号同时送到光电检测器接收，本振光源频率为fs+fIF， 信号光和本振光在满足波前匹配和偏振匹配波前匹配和偏振匹配的条件下混频， 得到频率为fIF的中频信号，该信号经过放大后送到解调器解 调，最终到达接收电路完成通信过程。 11.3.1 相干光通信相干光通信系统工作原理系统工作原理 11.3.2 相干光通信相干光通信系统组成系统组成 相干光通信系统的结构示意图相干光通信系统的结构示意图 与直接检测相比，相干检测有如下优点： l接收灵敏度高。