光纤通信第7章__光纤通信新技术(缩减版)

1、1 为了充分的发挥光纤高带宽的潜力，提高通 信质量和降低通信成本，在光纤通信领域里出现 许多新的技术。 本章介绍如下一些已经实用或有发展前景的 技术：光放大技术光放大技术，光波分复用技术光波分复用技术，光交换技光交换技 术术，光孤子通信光孤子通信，相干光通信相干光通信，光时分复用技术光时分复用技术 和波长变换技术波长变换技术等。 2 7.1 光纤放大器光纤放大器 7.2 光波分复用技术光波分复用技术 7.3 光交换技术光交换技术 7.4 光孤子通信光孤子通信 7.5 相干光通信技术相干光通信技术 7.6 光时分复用技术光时分复用技术 7.7 波长变换技术波长变换技术 3 7.1 光放大器基础

2、光纤的损耗和色散限制了通信距离。 时间 色散 脉冲展宽 衰减 新频率 损耗 非线性 输出信号输入信号 时间 频率 4 7.1 光放大器基础 为了满足长距离通信的需要，必须在光纤传 输线路上每隔一定距离加入一个光放器以 补偿光信号的衰减和对畸变信号进行整形， 然后继续向终端传送。 光放大器分类： 半导体光发大器 优点：体积小、便于集成。 缺点：性能与光的偏振方向有关、与光纤耦合损耗大。 光纤放大器 优点：性能与光的偏振方向无关、与光纤耦合损耗小。 5 光放大器有两种类型： 将半导体激光器两端的反射镜去掉，就能对通 过它的光进行放大，这就构成了半导体光放大器半导体光放大器。 半导体光放大器半导体光

3、放大器 光纤放大器光纤放大器 6 半导体光放大器的优点是：半导体光放大器的优点是： 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：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。 7 光纤放大器也是以激光原理为基础. 激光器：端镜、谐振腔。光在谐振腔里振荡并产 生激光（放大的光）。 光纤放大器：是没有端镜和谐振腔的，被放大的 光仅仅通过放大器一次，通过把工作发光物质制 作成光纤形状所以称为光纤激光器光纤激光器。 严格的讲，与不同 。 8 7.1.2 光放大器的种

4、类 优点： 掺铒与掺镨光纤放大器具有增益高、噪声低、频带 宽、输出功率高等优点，具有广泛的应用前景。 掺杂光纤放大器 利用掺杂离子在泵浦光作用下形成粒子数反转分布，当 有入射光信号通过时实现对入射光信号的放大作用。 9 7.1.2 光放大器的种类 掺杂光纤放大器的特性主要由掺杂元素决定： 掺铒(Er)光纤放大器(EDFA)：工作波长1550 nm 掺镨(Pr)光纤放大器(PDFA)：1300 nm 掺铥(Tm)光纤放大器(TDFA)：1400 nm 10 为什么要用掺铒光纤放大器： 工作频带正处于光纤损耗最低处(1525-1565nm)； 频带宽，可对多路信号同时放大（波分复用）； 对数据率/

5、格式透明，系统升级成本低； 增益高(40dB)、输出功率大(30dBm)、噪声低 (45dB)； 全光纤结构，与光纤系统兼容； 增益与信号偏振态无关，故稳定性好； 所需的泵浦功率低(数十毫瓦)。 7.1.2 掺铒光纤放大器 11 掺铒光纤放大器给光纤通信领域带来的革命： EDFA解决了系统容量提高的最大的限制光损 耗。 补偿了光纤本身的损耗，使长距离传输成为可能。 大大增加了功率预算的冗余，系统中引入各种新型 光器件成为可能。 支持了最有效的增加光通信容量的方式WDM。 推动了全光网络的研究开发热潮。 7.1.2 掺铒光纤放大器 12 图7.1示出掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)的工作

6、原理，说明了光信 号放大的原因。 从图7.1(a)可以看到，在掺铒光纤掺铒光纤(EDF)中，铒离子(Er3+)有 三个能级： 能级1代表基态基态， 能量最低 能级2是亚稳态亚稳态，处于中间能级 能级3代表激发态激发态， 能量最高 13 图图 7.1掺铒光纤放大器的工作原理掺铒光纤放大器的工作原理 (a) 硅光纤中铒离子的能级图；硅光纤中铒离子的能级图； (b) EDFA的吸收和增益频谱的吸收和增益频谱 4F9 / 2 4I9 / 2 4I11 / 2 4I13 / 2 4I15 / 2 1.48 m 泵 浦 0.65 m 0.80 m 0.98 m 1.53 m 1 2 3 光 信 号 1.4

7、81.501.521.541.56 0 2 4 6 0 2 4 6 8 10 吸 收 增 益 波 长 / m 损耗或增益 /( dBm 1) (b) (a) 截面 / (10 25m2) 为提高放大器增益，应提高对泵浦光的吸收，使基态基态Er3+ 尽可能跃迁到激发态激发态，图7.1(b)示出EDFA增益和吸收频谱。 14 当泵浦泵浦(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基态跃迁到激发激发 态态(13)。 但是激发态激发态是不稳定的，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

8、态(21)， 产生受激辐射光受激辐射光，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这种放大是由于泵浦光的能量转换为 信号光的结果信号光的结果。 15 下图为光纤放大器构成原理图 输入信号输入信号 光隔离器光隔离器 波分复用器波分复用器 泵浦泵浦 掺铒光纤掺铒光纤 光隔离器光隔离器 输出信号输出信号 16 和是关键器件，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。 设计高增益掺铒光纤设计高增益掺铒光纤(EDF)是实现光纤放大器的技术是实现光纤放大器的技术 关键，关键，EDF的增益取决于Er3+的浓度、光纤长度和直径以及 泵浦光功率

9、等多种因素，通常由实验获得最佳增益。 对泵浦光源的基本要求是大功率和长寿命。对泵浦光源的基本要求是大功率和长寿命。波长为 1.480m的InGaAsP多量子阱(MQW)激光器，输出光功率高 达100 mW, 泵浦光转换为信号光效率在6 dB/mW以上。 17 图7.4是EDFA商品的特性曲线，图中显示出增益、 噪声指数 和输出信号光功率与输入信号光功率的关系。 图图7.4 掺铒光纤放大器增益、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噪声指数和输出光功率与输入光功率的关系曲线 10.0 40 5.0 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.

10、0 35302520151050 I I I I III 噪声指数噪声指数 / dB 输出光功率输出光功率 / dBm 增益增益 / dB 输入光功率输入光功率 / dBm 增益增益 / dB 18 EDFA的主要优点有：的主要优点有： 工作波长正好落在光纤通信最佳波段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

11、于波分复用系统。 频带宽频带宽，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。 19 图图7.5 (a) 光纤放大器的应用形式光纤放大器的应用形式 LDPD 中继放大器中继放大器 EDFA的应用， 归纳起来可以分为三种形式， 如图7.5所示。 ：在光纤线路上每隔一 定的距离设置一个光纤放大器，以延长干线网的传输距离。 ：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。 ：置于光发射机的后 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。 20 图图7.5 (b) 光纤放大

12、器的应用形式光纤放大器的应用形式和和 LDPD 后置放大器后置放大器前置放大器前置放大器 光纤光纤 21 在光纤通信系统中除了大家熟知的 时分复用时分复用(TDM)技术外，还出现了其他 的复用技术： （1） 光时分复用光时分复用(OTDM) （2）光波分复用）光波分复用(WDM) （3）光频分复用）光频分复用(OFDM) （4）副载波复用）副载波复用(SCM) 22 7.2.1 光波分复用原理光波分复用原理 1. WDM的概念的概念 光波分复用光波分复用(WDM)的基本原理是：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

13、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 为光波长分割复用光波长分割复用，简称光波分复用技术光波分复用技术。 光波分复用光波分复用(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在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术。 23 光纤的带宽有多宽？光纤的带宽有多宽？ 在硅光纤存在两个低损耗传输窗口：在硅光纤存在两个低损耗传输窗口： l 波长为1.31m(1.251.35m)的窗口，相应的带 宽(, 和分别为中心波长和相应的波 段宽度， c为真空中光速)为177

14、00 GHz； l 波长为1.55m(1.501.60 m)的窗口，相应的带 宽为12500 GHz。 两个窗口合在一起，总带宽超过30THz。如果信 道频率间隔为10 GHz，在理想情况下，一根光纤可 以容纳3000个信道。 24 由于一些光器件与技术还不十分成熟，因此要 实现光信道十分密集的光频分复用光频分复用(OFDM)还较为 困难。在这种情况下，人们把在同一窗口中信道间 隔较小的波分复用称为密集波分复用密集波分复用(DWDM： Dense Wavelength Division Multiplexing)。 WDM每条光纤传输24个波长，初期2个波长 CWDM粗波分复用，每条光纤传输4

15、8个波长 DWDM密集波分复用，支持8个以上，最新的系 统支持上百个波长 25 WDM系统的基本构成主要有以下两种形式：系统的基本构成主要有以下两种形式： l 双纤单向传输双纤单向传输 l 单纤双向传输单纤双向传输 (1) 双纤单向传输双纤单向传输 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。 光发射机 光发射机 复用器光纤放大器解复用器 光接收机 光接收机 1 n 1 n 1n 1 n 光接收机 光接收机 解复用器光纤放大器复用器 光发射机 光发射机 1 n 1n 1 n 1 n 26 (2) 单纤双向传输。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

16、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。 光发射机 光发射机 光接收机 光接收机 1 n 1 n 1n 1 n 光接收机 光接收机 复用/解复用器 光纤 放大器 光发射机 光发射机 1 n n 12n 1 n 复用/解复用器 n 1 2n 图图7.8 单纤双向单纤双向WDM传输传输 27 7.2.2 WDM系统的基本结构系统的基本结构 实际的实际的WDM系统主要由五部分组成：系统主要由五部分组成：光发射机光发射机、光中继放光中继放 大大、光接收机光接收机、光监控信道光监控信道和网络管理系统网络管理系统，如下图所示。 光转发器 1 光 合 波 器 光转发器 n

17、BA 1 n 1 n 光 纤 光监控信道 接收/发送 LA 光 纤 接收 1 光 分 波 器 接收 n PA 1 n 1 n 光监控信 道发送器 s s s s 光监控信 道接收器 网络管理系统 光中继放大光接收机光发射机 28 7.2.3 WDM技术的主要特点技术的主要特点 1. 充分利用光纤的巨大带宽资源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同时传输多种不同类型的信号 由于WDM技术使用的

18、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。 29 3. 节省线路投资节省线路投资 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

19、能上的极高要求，同时又可实现大容量传输。 30 5. 高度的组网灵活性、高度的组网灵活性、 经济性和可靠性经济性和可靠性 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。 31 7.3 7.3 光交换技术光交换技术 目前的商用光纤通信系统，单信道传输速率 已超过10Gb/s，实验WDM系统的传输速率已超过 3.28Tb/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

20、点对点的传输手段，网络中重要的交换功能还 是采用电子交换电子交换技术。 32 光交换技术定义 光交换技术是用光纤来进行网络数据、 信号传输的网络交换传输技术。 电交换由于电子的本征特性制约了它在 交换部分的处理能力和交换速度。 许多研究机构致力于研究和开发光交换/ 光路由技术，试图在光子层面上完成网 络交换工作，消除电子瓶颈的影响。 33 光交换技术前景 当全光交换系统成为现实，就足够可以 满足飞速增长的带宽和处理速度需求， 同时能减少多达75%的网络成本，具有 诱人的市场前景。 34 电交换对信号不透明电交换对信号不透明 使用电的交换设备时，必须知道： 传输的是什么类型的信号（模拟还是数字）

21、 如果是数字信号还必须知道速率是多少 因为我们的是根据具体的应 用频率进行优化过的，应用于100Mbit/s 的电路就不能应用于200Mbit/s。 35 虽然采用异步转移模式异步转移模式(ATM)(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，只有实现全光通信全光通信，而光交换光交换 是全光通信的关键技术。 36 直接进行交换可克服电交换的缺点 1）采用全光交换技术后，就不必关心要 交换的数据是什么类型，速率是多少； 2）便于系统的升级； 3）便于增加新的业务类型（新的数据类 型）。 37 全光交

22、换的工作方式全光交换的工作方式 光交换光交换主要有三种方式：主要有三种方式： 空分光交换 时分光交换 波分光交换 38 空分光交换的功能功能是：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核心器件是光开关光开关。光开关 有多种类型: 电光型电光型 声光型声光型 磁光型磁光型 其中电光型光开关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。 7.3.1 7.3.1 空分光交换空分光交换 39 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 12光交换器件 平行联接 交叉联接 (a) (b) 定向 耦合器

23、 光波导 光信号输出 光信号输入 (c) 40 7.3.2 时分光交换时分光交换 时分光交换时分光交换是以时分复用时分复用为基础，用时隙互换原理时隙互换原理实现交 换功能的。 时分复用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7.32(a)所示。 1 复复 接接 器器 2 N 分分 接接 器器 12 N 1 2 N 时隙时隙 帧帧 (a) 图图7.32 (a) 时分光交换时分复用原理时分光交换时分复用原理 41 所谓时隙互换时隙互换，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

24、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。 1234 分 接 器 1 延迟 1 延迟 22 延迟 33 延迟 44 (b) 复 接 器 输入输出 4132 图图7.32 (b) 时分光交换时隙互换原理时分光交换时隙互换原理 42 7.3.3 波分光交换波分光交换 波分光交换波分光交换(或交叉连接或交叉连接)是以波分复用波分复用 原理原理为基础，采用波长选择波长选择或波长变换波长变换的方 法实现交换功能的。 图7.33(a)和(b)分别示出 和的原理框图。

25、 43 图图7.33 (a) 波分交换的原理框图：波分交换的原理框图：波长选择法交换波长选择法交换 1 空分交换空分交换 2 空分交换空分交换 3 空分交换空分交换 W 空分交换空分交换 1, 2 W 1 2 N N 2 1 WDMXWMUX 分波器分波器合波器合波器 (a) 1, 2 W 1, 2 W 1, 2 W 1, 2 W 1, 2 W 44 1 2 W NW NW 空分交换空分交换 1 2 W 1 2 W 1 2 W 1 2 W 1 2 W 1 2 W 1 2 W 1 2 N 1 2 N WDMX WMUX 波长变换器波长变换器 (b) 图图7.33(b)波分交换的原理框图：波分交换

26、的原理框图：波长变换法交换波长变换法交换 45 7.4 光孤子通信光孤子通信 光孤子是非线性介质中传输的一种特殊的波包。 孤子的发现可以追溯到1834年，英国科学家、造 船工程师罗素（J.S.Russell）在运河上偶然地观察 到船舶在河流中航行时，水面上凸起一光滑而轮廓分 明的孤立波峰，保持形状不变地以恒定速度传播。 后来人们在实验室的水槽中模拟运河的条件，重 现了这种现象。 46 光孤子光孤子(Soliton)(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群速度色散和非线性效应非线性效应相互 平衡的结果。利用光孤子作

27、为载体的通信方式称为光孤子光孤子 通信。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传输距离和传输速率传输速率受到光纤 损耗损耗和色散色散的限制。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。成为提高系统性能的主要障碍。 47 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

28、而 要求提高传输信号的光功率，这样便产生非线非线 性效应性效应。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。 48 光纤和单独起作用时， 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。 49 7.5 相干光通信技术相干光通信技术 目前已经投入使用的光纤通信系统，都是采用光光 强调制强调制-直接解调直接解调(IM-DD)方式。 这种方式的优点优点是：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

29、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 为相干解调相干解调。相干解调有零差检测零差检测和外差检测外差检测两种方 式。 50 7.5.2 调制和解调调制和解调 如前所述，相干检测技术相干检测技术主要优点优点是：可以对光载 波实施幅度、频率或相位调制。 对于模拟信号，有三种调制方式，即幅度调制幅度调制(AM)、 频率调制频率调制(FM)和相位调制相位调制(PM)。 对于数字信号，也有三种调制方式，即幅移键控幅移键控 (ASK)、频移键控、频移键控(FSK

30、)和相移键控相移键控(PSK)。图7.40 示出 ASK、PSK和FSK调制方式的比较，下面分别介绍这三种 调制方式。 51 图图 7.40 ASK、 PSK和和FSK调制方式比较调制方式比较 10 011 0 (a) (b) (c) (d) 电二进 制信号 ASK PSK FSK 52 7.6 光时分复用技术光时分复用技术 提高速率和增大容量是光纤通信的目标。提高速率和增大容量是光纤通信的目标。电子器件 的极限速率大约在20 Gb/s左右，现在通过电时分复用 (TDM)已经达到这个极限速率。 若要继续提高速率一般有两种途径： 波分复用波分复用(WDM) 光时分复用光时分复用(OTDM) 53 如今WDM技术研究非常热，有的技术已经成熟并实用 化；而OTDM技术还处于实验研究阶段，许多关键技术还有 待解决。OTDM是在光域上进行时间分割复用，一般有两种是在光域上进行时间分割复用，一般有两种 复用方式：复用方式： 比特间插比特间插(Bit-interleaved) 信元间插信元间插(Cell-interleaved) 比特间插是目前广泛被使用的方式，信元间插信元间插也称为光光 分组分组(Optical Packet)复用复用。 54 要实现要实现OTDM， 需要解决的关键技术有：需要解决的关键技术有： 超短光脉冲光源； 超短光脉冲的长距离传