光通信光复用技术

1、尽管目前光纤通信单信道实用化系统尽管目前光纤通信单信道实用化系统的传输速率发展到了的传输速率发展到了10Gbit/s，线路的利，线路的利用率有了很大提高，但与光纤巨大的带宽用率有了很大提高，但与光纤巨大的带宽潜力相比还微不足道。潜力相比还微不足道。本章将介绍光时分复用、波分复用、本章将介绍光时分复用、波分复用、光频分复用、光码分复用和光副载波复用光频分复用、光码分复用和光副载波复用等常用的几种光复用技术。等常用的几种光复用技术。复用技术是为了提高通信线路的利用复用技术是为了提高通信线路的利用率，而采用的在同一传输线路上同时传输率，而采用的在同一传输线路上同时传输多路不同信号而互不干扰的技术。多

2、路不同信号而互不干扰的技术。另一种复用技术称为另一种复用技术称为“统计复用统计复用”。它 全 称 叫 做它 全 称 叫 做 “ 统 计 时 分 多 路 复统 计 时 分 多 路 复用用”(Statistical Time Division Multiplexing，STDM)，或称，或称“异步时分多路复用异步时分多路复用”。光纤通信经过光纤通信经过30多年的发展，单信道多年的发展，单信道实 用 化 系 统 的 传 输 速 率 从实 用 化 系 统 的 传 输 速 率 从 1 9 7 6 年 的年 的45Mbit/s发展到了发展到了10Gbit/s，线路的利用率，线路的利用率得到了很大提高得到了

3、很大提高(但与光纤巨大的带宽潜力但与光纤巨大的带宽潜力相比这点带宽还微不足道相比这点带宽还微不足道)。光波分复用光波分复用(WDM)技术是在一芯光纤技术是在一芯光纤中同时传输多波长光信号的一项技术。其中同时传输多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基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来，并耦合到光缆线路上的同一根组合起来，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端将组合波长的光纤中进行传输，在接收端将组合波长的光信号分开，并作进一步处理，恢复出原光信号分开，并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端。信号后送入不同的终端。为了进一步提高光纤带宽利用率，相

4、为了进一步提高光纤带宽利用率，相邻两光载波的间隔将越来越小，一般认为：邻两光载波的间隔将越来越小，一般认为：当相邻光载波的间隔小到当相邻光载波的间隔小到0.1nm(10GHz)以以下时，此时的复用称为光频分复用。下时，此时的复用称为光频分复用。光时分复用光时分复用(OTDM)技术指利用高速技术指利用高速光开关把多路光信号在时域里复用到一路光开关把多路光信号在时域里复用到一路上的技术。上的技术。光副载波复用光副载波复用(OSCM)技术是将基带技术是将基带信号首先调制到信号首先调制到GHz的副载波上，再把副的副载波上，再把副载波调制到载波调制到THz的光载波上。的光载波上。光 码 分 复 用光 码

5、 分 复 用 ( O C D M ) 技 术 是技 术 是CDM(Code Division Multiplexing)技术和技术和光纤通信技术相结合的产物，在这种复用光纤通信技术相结合的产物，在这种复用技术中，每个信道不是占用一个给定的波技术中，每个信道不是占用一个给定的波长、频率或者时隙，而是以一个特有的编长、频率或者时隙，而是以一个特有的编码脉冲序列方式来传送其比特信息。码脉冲序列方式来传送其比特信息。光波分复用、光时分复用、光副载波光波分复用、光时分复用、光副载波复用和光码分复用都是正在使用和研究的复用和光码分复用都是正在使用和研究的光纤复用技术，这些技术的使用能增加线光纤复用技术，这

6、些技术的使用能增加线路容量，提高线路利用率。路容量，提高线路利用率。光时分复用光时分复用(OTDM)的原理与电时分的原理与电时分复用相同，只不过电时分复用是在电域中复用相同，只不过电时分复用是在电域中完成，而光时分复用是在光域中进行，即完成，而光时分复用是在光域中进行，即将高速的光支路数据流将高速的光支路数据流(例如例如10Gbit/s，甚，甚至至40Gbit/s)直接复用进光域，产生极高比直接复用进光域，产生极高比特率的合成光数据流。特率的合成光数据流。比特交错光时分复用时，首先由锁模激光比特交错光时分复用时，首先由锁模激光器产生窄脉冲周期序列，然后将窄脉冲周期序列器产生窄脉冲周期序列，然后

7、将窄脉冲周期序列分路为分路为n路，每路窄脉冲周期序列分别被一路支路，每路窄脉冲周期序列分别被一路支路数据流路数据流(电信号电信号)外调制，对已调制过的第外调制，对已调制过的第i支路支路光数据流光数据流(i=1，2，n)脉冲通过适当长度的硅光脉冲通过适当长度的硅光纤 延 时纤 延 时 i ( 光 在 硅 光 纤 中 传 播 速 度 约 为光 在 硅 光 纤 中 传 播 速 度 约 为2108m/s，1km的光纤提供约的光纤提供约5s的时延的时延)，这样，这样，不同支路光脉冲流延迟时间不同，在时间上复用不同支路光脉冲流延迟时间不同，在时间上复用不会重叠，便于数据流的复接。不会重叠，便于数据流的复接

8、。分组交错光时分复用和比特交错光时分组交错光时分复用和比特交错光时分复用一样，首先由锁模激光器产生窄脉分复用一样，首先由锁模激光器产生窄脉冲周期序列，然后将窄脉冲周期序列分路冲周期序列，然后将窄脉冲周期序列分路为为n路，每路窄脉冲周期序列分别被一路支路，每路窄脉冲周期序列分别被一路支路数据流路数据流(电信号电信号)外调制。外调制。实现压缩的原理框图如图实现压缩的原理框图如图8.7(b)所示。图中所示。图中的的3dB耦合器起分路和合路作用，它将输入的窄耦合器起分路和合路作用，它将输入的窄光脉冲分为两路，或将处理完后的两路光脉冲合光脉冲分为两路，或将处理完后的两路光脉冲合并为一路；两个半导体放大器

9、并为一路；两个半导体放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)具有高电平驱动时透光，具有高电平驱动时透光，低电平驱动时吸光的特性，它们的驱动时钟相位低电平驱动时吸光的特性，它们的驱动时钟相位相差相差180，放大器的作用一是对分路损耗进行，放大器的作用一是对分路损耗进行补偿，二是在互补的两路时钟驱动下轮流透光，补偿，二是在互补的两路时钟驱动下轮流透光，从而将光脉冲流分组从而将光脉冲流分组(每组的比特数取决于驱动每组的比特数取决于驱动时钟高电平的宽度时钟高电平的宽度)，使一组通过延迟线，另一，使一组通过延迟线，另一组则不通过延迟线；延迟线的作用是将比特组延组则

10、不通过延迟线；延迟线的作用是将比特组延迟一定的时间。迟一定的时间。图图8.7 分组交错复用原理图分组交错复用原理图一种实用的方法是采用与门堆，首先一种实用的方法是采用与门堆，首先将输入的高速串行的复用数据流变换为低将输入的高速串行的复用数据流变换为低速的并行数据流，然后再进行处理。速的并行数据流，然后再进行处理。光 波 分 复 用光 波 分 复 用 ( Wa v e l e n g t h D i v i s i o n Multiplexing，WDM)技术是在一根光纤中同时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

11、同波长的光信号组合起来在发送端将不同波长的光信号组合起来(复用复用)，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，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在接收端又将组合波长的光信号分开(解复用解复用)，并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终并作进一步处理，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技术，端，因此将此项技术称为光波长分割复用技术，简称光波分复用技术。简称光波分复用技术。波分复用技术有以下主要特点。波分复用技术有以下主要特点。(1) 可以充分利用光纤的巨大带宽潜可以充分利用光纤的巨大带宽潜力，使一根光纤上的传输容量比单波长传

12、力，使一根光纤上的传输容量比单波长传输增加几十至上万倍。输增加几十至上万倍。(2) N个波长复用以后在一根光纤中传个波长复用以后在一根光纤中传输，在大容量长途传输时可以节约大量的输，在大容量长途传输时可以节约大量的光纤。光纤。(3) 波分复用通道对传输信号是完全透波分复用通道对传输信号是完全透明的，即对传输码率、数据格式及调制方明的，即对传输码率、数据格式及调制方式均具有透明性，可同时提供多种协议的式均具有透明性，可同时提供多种协议的业务，不受限制地提供端到端业务。业务，不受限制地提供端到端业务。(4) 可扩展性好。可扩展性好。(5) 降低器件的超高速要求。降低器件的超高速要求。WDM系统从不

13、同的角度可以分为不系统从不同的角度可以分为不同的类型，常见的分类方法有：从传输方同的类型，常见的分类方法有：从传输方向分，可以分为双纤单向波分复用系统和向分，可以分为双纤单向波分复用系统和单纤双向波分复用系统；从光接口类型分，单纤双向波分复用系统；从光接口类型分，可以分为集成式波分复用系统和开放式波可以分为集成式波分复用系统和开放式波分复用系统。分复用系统。单向单向DWM是指所有光路同时在一根是指所有光路同时在一根光纤上沿同一方向传送，如图光纤上沿同一方向传送，如图8.10所示。所示。图图8.10 双纤单向传输示意图双纤单向传输示意图同一光波分复用器既可作合波器，又同一光波分复用器既可作合波器

14、，又可作分波器，具有方向的可逆性，因此，可作分波器，具有方向的可逆性，因此，可以在同一根光纤上实现双向传输。可以在同一根光纤上实现双向传输。考虑到各波长之间的影响最小和更多考虑到各波长之间的影响最小和更多厂家的设备能互通工作，厂家的设备能互通工作，WDM使用的激使用的激光器发出的光的中心波长、波长间隔、中光器发出的光的中心波长、波长间隔、中心频率偏移等均有严格的规定，必需符合心频率偏移等均有严格的规定，必需符合ITU-T G.692建议。建议。开放式系统就是在波分复用器前加入开放式系统就是在波分复用器前加入波长转换器波长转换器(Optical Transition Unit，OTU)，将，将S

15、DH非规范的波长转换为标准波非规范的波长转换为标准波长，如图长，如图8.13 所示。所示。图图8.13 开放式开放式WDM系统系统一般来说，一般来说，WDM系统主要由以下五部分组系统主要由以下五部分组成：光发射机、光中继放大、光接收机、光监控成：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。信道和网络管理系统。光发射机是光发射机是WDM系统的核心，除了对系统的核心，除了对WDM系统中发射激光器的中心波长有特殊的要系统中发射激光器的中心波长有特殊的要求外，还需要根据求外，还需要根据WDM系统的不同应用系统的不同应用(主要是主要是传输光纤的类型和无电中继传输的距离传输光纤的类型和无电中

16、继传输的距离)来选择来选择具有一定色度色散容限的发射机。具有一定色度色散容限的发射机。经过长距离光纤传输后经过长距离光纤传输后(80120km)，需要对光信号进行光中继放大。需要对光信号进行光中继放大。在接收端，光前置放大器在接收端，光前置放大器(PA)放大经放大经传输而衰减的主信道光信号后，利用分波传输而衰减的主信道光信号后，利用分波器从主信道光信号中分出特定波长的光信器从主信道光信号中分出特定波长的光信号送往各终端设备。号送往各终端设备。衰耗是指光纤中传输的光信号随着传衰耗是指光纤中传输的光信号随着传输距离的增长而逐渐减小的特性。克服的输距离的增长而逐渐减小的特性。克服的办法主要有：采用高

17、输出功率的激光器，办法主要有：采用高输出功率的激光器，采用高灵敏度的接收器，采用光放大器等。采用高灵敏度的接收器，采用光放大器等。正色散区：红光正色散区：红光(波长较长的光波长较长的光)传得较慢。传得较慢。负色散区：蓝光负色散区：蓝光(波长较短的光波长较短的光)传得较慢。传得较慢。受激喇曼散射受激喇曼散射(Stimulated Raman Scattering，SRS)可以看作是介质中分子振可以看作是介质中分子振动对入射光的调制，对入射光产生散射作动对入射光的调制，对入射光产生散射作用。用。L长的光纤输出端因长的光纤输出端因SRS而损耗而损耗50%的输入功率时，这个输入功率称为阈值功的输入功率

18、时，这个输入功率称为阈值功率。喇曼散射的阈值泵浦功率率。喇曼散射的阈值泵浦功率PR可以表示可以表示为为7：）（8.116ReffeffgLARP 式中：式中：Aeff为纤芯有效面积。为纤芯有效面积。式中：式中：s0为单模光纤的模场半径；为单模光纤的模场半径；gR喇曼喇曼放大系数；放大系数；Leff为光纤的有效互作用长度，为光纤的有效互作用长度，简称有效长度。简称有效长度。式中：式中：L为光纤的长度；为光纤的长度；为光纤的衰减系为光纤的衰减系数。光纤越长，数。光纤越长，Leff也越长。也越长。）（8.220sAeff）（8.3)exp(1LeffL受激布里渊散射受激布里渊散射(Stimulate

19、d Brillouin Scattering，SBS)与受激喇曼散射在物理过与受激喇曼散射在物理过程上十分相似，入射频率为程上十分相似，入射频率为p的泵浦光将的泵浦光将一部分能量转移给频率为一部分能量转移给频率为s的斯托克斯的斯托克斯波，并发出频率为波，并发出频率为的声波。的声波。=p-s受激布里渊散射产生的斯托克斯波传受激布里渊散射产生的斯托克斯波传播方向与泵浦波相反。播方向与泵浦波相反。光纤中受激布里渊散射的阈值功率可光纤中受激布里渊散射的阈值功率可以近似表示为：以近似表示为：式中：式中：A为光纤纤芯有效面积，为光纤纤芯有效面积，Leff为光为光纤的有效长度，分别如式纤的有效长度，分别如式

20、(8-2)和式和式(8-3)所所示；示；gB为布里渊放大系数。在实际应用中为布里渊放大系数。在实际应用中为了简化式为了简化式(8-4)，G.650建议又给出了经验建议又给出了经验式：式：）（8.421effBeffLgABP）（8.511.0LeffeffABP这一极化过程由极化强度矢量这一极化过程由极化强度矢量P(r，t)与电场强度矢量与电场强度矢量E(r，t)的关系来描述。的关系来描述。P=0E式中：式中：0是自由空间的介电常数；是自由空间的介电常数；是介质是介质的极化率。的极化率。在强电场作用下，介质呈现非线性，在强电场作用下，介质呈现非线性，此时此时P随电场随电场E发生非线性变化，这种非线发生非线性变化，这种非线性函数可以围绕性函数可以围绕E0展开成泰勒级数：展开成泰勒级数：P=0E+2dE2+4(3)E3+式中：式中：d为二阶非线性系数；为二阶非线性系数；(3)为三阶非为三阶非线性系数。线性系数。当光脉冲在光纤中传播时其相位改变当光脉冲在光纤中传播时其相位改变为：为：式中：式中：k0=2/；L为光纤的长度。为光纤的长度。是相位变化的线性部分，而是相位变化的线性部分，而）（8.10)(00