第5章光纤通信新技术.ppt

第5章光纤通信新技术 光纤通信 张树东zhangsd2 光信息科学与技术曲阜师范大学物理工程学院 第5章光纤通信新技术 5 1光放大器5 2光复用技术5 3 光交换技术5 4 光孤子通信5 5 相干光通信技术 5 1光放大器 5 1 1光放大器概述5 1 2半导体光放大器SOA5 1 3掺铒光纤放大器EDFA5 1 4光纤拉曼放大器FRA Anopticalamplifierisadevicewhichamplifiestheopticalsignaldirectlywithouteverchangingittoelectricity Thelightitselfisamplified 即直接对光信号进行放大的有源器件 1 OpticalAmplifier OA 5 1 1光放大器概述 5 1光放大器 可靠性 Reliability 灵活性 Flexibility 波复用 WavelengthDivisionMultiplexing WDM 低成本 LowCost TraditionalOpticalCommunicationSystem Losscompensation Repeatersatevery20 50km 5 1 1光放大器概述 5 1光放大器 Genericopticalamplifier AllOAsbasedonstimulatedemissionofradiation aslasers incontrasttospontaneousemission Stimulatedemissionyieldscoherentradiation emittedphotonsareperfectclones 2 光放大器的原理 5 1 1光放大器概述 5 1光放大器 半导体光放大器 SOA SemiconductorOpticalAmplifier 3 光放大器的类型 按工作机理分类 5 1 1光放大器概述 5 1光放大器 谐振式 如FPA Fabry PerotAmplifier 行波式 如TW SOA TravelingWave SOA 光纤放大器 FA FiberAmplifier 掺杂稀土元素光纤放大器 DFA Doped FiberAmplifier EDFA Erbium DopedFiberAmplifierPDFA Praseodynium DopedFiberAmplifier 非线性光纤放大器 FRA FiberRamanAmplifier FBA FiberBrillouinAmplifier 几种光放大器的比较 5 1 1光放大器概述 5 1光放大器 4 光放大器的主要性能参数 光增益特性饱和输出功率工作带宽噪声系数增益平坦度等 5 1 1光放大器概述 5 1光放大器 1 放大器的增益 Gain 光增益与频率和强度的具体关系取决于放大器增益介质的特性 均匀展宽二能级模型介质的增益系数 5 1 1光放大器概述 5 1光放大器 放大器输出与输入光信号功率之比 光功率沿增益区的分布 5 1 1光放大器概述 5 1光放大器 其中增益带宽 放大器带宽 2 饱和输出功率 5 1 1光放大器概述 5 1光放大器 当P增大至与Pa比拟 则g w 下降 G w 也下降 此现象为 增益饱和 定义为增益特性下降至3dB时所对应的输出光功率为饱和输出功率 G0为小信号时的增益 3 放大器的噪声 Noise Atypicaloutputsignalat1540nmwithASEnoise 噪声使信号放大后的信噪比下降 常用光放大器噪声指数Fn来量度SNR下降程度 5 1 1光放大器概述 5 1光放大器 主要来自放大器的放大自发辐射 ASE AmplifiedSpontaneousEmission 即增益介质中电子 空穴的自发复合 光放大器特性比较 5 1 1光放大器概述 5 1光放大器 线路放大 In line 周期性补偿各段光纤损耗 功率放大 Boost 增加入纤功率 延长传输距离 前置预放大 Pre Amplify 提高接收灵敏度 局域网的功率放大器 补偿分配损耗 增大网络节点数 5 光放大器的应用 5 1 1光放大器概述 5 1光放大器 5 1练习题 1 1 传统O E O光放大器必须具有所谓的 3R 功能 这里 3R 指代表什么 2 光放大器OA有哪些类型 3 光放大器OA有哪些应用 画出作为线路放大的示意图 5 1光放大器 5 1 1光放大器概述5 1 2半导体光放大器SOA5 1 3掺铒光纤放大器EDFA5 1 4光纤拉曼放大器FRA 半导体光放大器 SOA SemiconductorOpticalAmplifier 5 1光放大器 5 1 2半导体光放大器SOA 一种结构类似于普通的半导体激光器的光放大器 与激光器的相同 即通过受激发射放大入射光信号 光放大器只是一个没有反馈的激光器 其核心是当放大器被光或电泵浦时 使粒子数反转获得光增益 该增益通常不仅与入射信号的频率有关 而且与放大器内任一点的局部光强有关 该频率和光强与光增益的关系又取决于放大器介质 1 半导体光放大器的原理 5 1光放大器 5 1 2半导体光放大器SOA 根据光放大器端面反射率和工作偏置条件 将半导体光放大器分为 法布里 珀罗放大器 FP SOA 行波放大器 TW SOA 半导体光放大器的放大特性主要决定于激光腔的反射特性与有源层的介质特性 5 1光放大器 5 1 2半导体光放大器SOA 没有反馈的激光器 其核心是当放大器被光或电泵浦时 使粒子数反转获得光增益 2 行波半导体光放大器 TW SOA 5 1光放大器 5 1 2半导体光放大器SOA 3 F P半导体光放大器 FP Fabry Poret SOA 5 1光放大器 5 1 2半导体光放大器SOA 半导体激光器由于在解理面存在反射 当偏流低于阈值时是放大器 F P谐振腔反射率R越大 SOA的增益越大 但是 当R超过一定值后 光放大器将变为激光器 当GsR 1时 SOA产生激光发射 不同反射率时的F PSOA的增益频谱 5 1光放大器 5 1 2半导体光放大器 减小端面反射反馈 就可以制出行波半导体光放大器 习惯当GSR 0 17时 将SOA看作行波放大器 减小反射率的方法 F P半导体光放大器 5 1光放大器 5 1 2半导体光放大器 法布里 玻罗放大器 F PA 和行波放大器 TWA 的带宽比较 行波光放大器的增益与波长的关系 4 SOA带宽和增益频谱 5 1光放大器 5 1 2半导体光放大器 两个放大器并接 两个结平面相互垂直的放大器串接 起因 由于半导体有源层的横截面呈扁长方形 对横向 长方形的宽边方向 和竖向 长方形的窄边方向 的光场约束不同 光场在竖向的衍射泄漏强于横向 因而竖向的光增益弱于横向 5 减小偏振态对SOA增益影响 5 1光放大器 5 1 2半导体光放大器 法拉第旋转器加反射镜 信号通过同一个放大器两次 但是两次间的极化旋转了 使得总增益与偏振态无关 5 1光放大器 5 1 2半导体光放大器 5 1练习题 2 1 何谓半导体光放大器 描述其工作原理 5 1光放大器 5 1 1光放大器概述5 1 2半导体光放大器SOA5 1 3掺铒光纤放大器EDFA5 1 4光纤拉曼放大器FRA 掺杂光纤放大器利用掺入石英光纤的稀土离子作为增益介质 在泵浦光的激发下实现光信号的放大 放大器的特性主要由掺杂元素决定 铒 Er 掺杂光纤放大器 EDFA 1550nm镨 Pr 掺杂光纤放大器 PDFA 1300nm铥 Tm 掺杂光纤放大器 TDFA 1400nm 目前 EDFA最为成熟 是光纤通信系统必备器件 5 1光放大器 5 1 3掺铒光纤放大器EDFA 掺铒光纤 铒离子在光纤制造过程中被掺入光纤芯中 作为增益介质半导体泵浦二极管 为信号放大提供足够的能量 使物质达到粒子数反转 波分复用耦合器 将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中 光隔离器 使光传输具有单向性 放大器不受发射光影响 保证稳定工作 1 掺铒光纤放大器 EDFA 结构 5 1光放大器 5 1 3掺铒光纤放大器EDFA 监视和 告警电路 泵浦监视 和控制电路 泵浦 LD P D 探测器 泵浦 LD 输入隔离器 输入 WDM 输出耦合器 输出隔离器 输出 WDM 掺铒 光纤 热沉 光输入 5V 0V 5V 电源 监视 激光器驱动输入 光输出 实用光纤放大器外形图及其构成方框图 5 1光放大器 5 1 3掺铒光纤放大器EDFA 铒离子浓度与b a的关系 掺铒光纤结构和折射率分布 2 掺铒光纤结构 5 1光放大器 5 1 3掺铒光纤放大器EDFA EDFA采用掺铒离子单模光纤为增益介质 在泵浦光作用下产生粒子数反转 在信号光诱导下实现受激辐射放大 信号光与波长较其为短的光波 泵浦光 同沿光纤传输 泵浦光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能级 并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量 信号光沿光纤长度得到放大 泵浦光沿光纤长度不断衰减 3 EDFA的工作原理 5 1光放大器 5 1 3掺铒光纤放大器EDFA EDFA中的Er3 能级结构 泵浦波长可以是520 650 800 980 1480nm波长短于980nm的泵浦效率低 因而通常采用980和1480nm泵浦 铒离子能级受石英材料的作用而分裂为窄能带 吸收泵浦光 快速非辐射跃迁 光放大受激辐射 产生噪声自发辐射 受激吸收 基态能带 泵浦能带 980nm 1480nm 亚稳态能带 1550nm 5 1光放大器 5 1 3掺铒光纤放大器EDFA EDFA中的Er3 能级结构 5 1光放大器 5 1 3掺铒光纤放大器EDFA 同向泵浦 前向泵浦 型 好的噪声性能 反向泵浦 后向泵浦 型 输出信号功率高 双向泵浦型 输出信号功率比单泵浦源高3dB 且放大特性与信号传输方向无关 三种泵浦方式的EDFA 5 1光放大器 5 1 3掺铒光纤放大器EDFA 增益G是描述光放大器对信号放大能力的参数 定义为 输出信号光功率 输入信号光功率 G与EDFA的增益与铒离子浓度 掺铒光纤长度 芯径和泵浦功率有关 4 EDFA的增益 5 1光放大器 5 1 3掺铒光纤放大器EDFA 小信号增益G 30dB时 增益 输入光功率的典型依存关系 5 1光放大器 5 1 3掺铒光纤放大器EDFA 输出信号功率与泵浦功率的关系 转换效率 输出信号功率 泵浦功率 吸收效率 信号输出功率 信号输入功率 泵浦功率 EDFA有很高的转换效率 适合作功率放大器 60mW功率泵浦时 吸收效率为88 5 1光放大器 5 1 3掺铒光纤放大器EDFA 工作波长正好落在光纤通信最佳波段 1500 1600nm 其主体是一段光纤 EDF 与传输光纤的耦合损耗很小 可达0 1dB 增益高 约为30 40dB 饱和输出光功率大 约为10 15dBm 增益特性与光偏振状态无关 噪声指数小 一般为4 7 用于多信道传输时 隔离度大 无串扰 适用于波分复用系统 频带宽 在1550nm窗口 频带宽度为20 40nm 可进行多信道传输 有利于增加传输容量 5 EDFA的优点 5 1光放大器 5 1 3掺铒光纤放大器EDFA 5 1练习题 3 1 何谓掺铒光纤 2 掺铒光纤放大器用于放大哪个波长的光信号 3 画出掺铒光纤放大器中铒离子的能级示意图 标出能级间的受激吸收和受激辐射过程 并借此说明光纤放大器的工作原理 5 1光放大器 5 1 1光放大器概述5 1 2半导体光放大器SOA5 1 3掺铒光纤放大器EDFA5 1 4光纤拉曼放大器FRA 1 光纤拉曼放大器工作原理 5 1光放大器 5 1 4光纤拉曼放大器FRA 光纤拉曼放大器 FRA FiberRamanAmplifier 是靠非线性受激Raman散射 SRS StimulatedRamanScattering 效应实现放大功能 不需要能级间粒子数反转 自发Raman散射和受激Raman散射 SRS 效应 RamanScattering StimulatedRamanscattering 5 1光放大器 5 1 4光纤拉曼放大器FRA 弱泵浦 散射光各向同性 强泵浦 散射光与泵浦光同向 反向 一个弱信号光与一个强泵浦光同时在一根光纤中传输弱信号光的波长在泵浦光的拉曼增益带宽内强泵浦光的能量通过受激拉曼散射耦合到光纤硅材料的振荡模中 然后又以较长的波长发射 该波长就是信号光的波长 从而使弱信号光得到放大 获得拉曼增益 FRAprinciple 5 1光放大器 5 1 4光纤拉曼放大器FRA 光纤 a 无泵激光的1550nm传输 5 1光放大器 5 1 4光纤拉曼放大器FRA 泵浦方式 反向泵浦为主 也可同向泵浦 放大介质 FRA以传输光纤作为放大介质 分布式放大 从而实现一种 无损耗 传输 可降低入纤光功率 避免非线性效应 放大范围 通过适当改变泵浦激光波长 就可以达到在任意波段进行宽带光放大 甚至可在1270 1670nm整个波段内提供放大 泵浦功率 要求泵浦源有较高的输出功率 2 光纤拉曼放大器的特点 5 1光放大器 5 1 4光纤拉曼放大器FRA 分布放大 分立放大 3 分布 分立拉曼放大器 DRA 5 1光放大器 5 1 4光纤拉曼放大器FRA 小信号光在长光纤内的喇曼增益 泵浦功率为200mW时 最大增益值为7 78dB泵浦功率为100mW时 最大增益值为3 6dB 在增益峰值附近的增益带宽约为7 8THz 4 光纤拉曼放大器的喇曼增益 5 1光放大器 5 1 4光纤拉曼放大器FRA 机制 拉曼增益与泵浦波长相关方法 多波长泵浦增益 各个泵浦波长拉曼增益谱的加权和 以dB为单位 1495nm1465nm1480nm1450nm1455 5nm1485 5nm1472 5nm1502 5nm PLC MZItypeopticalcombiner LD FBG 5 光纤拉曼放大器的宽带放大 5 1光放大器 5 1 4光纤拉曼放大器FRA 多波长泵浦增益频谱 5 1光放大器 5 1 4光纤拉曼放大器FRA 6 宽带Raman EDFA光放大器 5 1光放大器 5 1 4光纤拉曼放大器FRA Raman EDFA光放大器增益曲线 Ultraflatamplifier 5 1光放大器 5 1 4光纤拉曼放大器FRA 5 1练习题 4 1 自发RAMAN效应和受激RAMAN效应有何不同 2 光纤拉曼放大器FRA的泵浦光波长与需要放大的通信波长之间有什么样的关系 3 FRA工作时需要粒子数反转吗 为什么 第5章光纤通信新技术 5 1光放大器5 2光复用技术5 3 光交换技术5 4 光孤子通信5 5 相干光通信技术 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 WDM 5 2 2光时分复用 OTDM 5 2 3光码分复用 OCDM 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 1 多信道复用光纤通信技术 在光域内进行时间分割复用 使不同的信道占用不同的时隙 在单根光纤完成多信道复用 由于需要全光逻辑和存储器件 该技术还在研究之中 1 光波分复用 OWDM 技术 在光域内进行波长分割复用 使不同的信道占用不同的波长 在单根光纤完成多信道复用 该技术已经实用化 2 光时分复用 OTDM 技术 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 3 光码分复用 OCDM 技术 在光域内进行码型分割复用 用不同的码型代表不同的信道 在单根光纤完成多信道复用 该技术尚在研究之中 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 1 密集波分复用DWDM 2 WDM若干概念 频率间隔100GHz 波长间隔约0 80nm 信道数8 16 32 40 频率间隔200GHz 波长间隔约1 60nm 信道数8 16 2 粗波分复用CWDM 波长间隔20nm 频率间隔约2 50THz 信道数4 8 16 3 宽带波分复用BWDM 不在同一低损耗窗口的两个波长的复用 如1310 1550nm 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 4 光频分复用OFDM 在1550nm窗口 频率间隔1 10GHz 波长间隔约0 008 0 080nm 的复用 目前在电信界都采用DWDM技术 且经常用WDM这个更广义的名称来代替DWDM 掺铒光纤放大器 EDFA 密集波分复用 WDM 非零色散光纤 NZDSF 即G 655光纤 光子集成 PIC 正成为国际上长途高速光纤通信线路的主要技术方向 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 Transmissionwindows 2 64Tb s高密集WDM传输实验 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 3 WDM系统的基本形式 1 双纤单向WDM传输 所有光通路同时在一根光纤上沿同一方向传送 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 2 单纤双向WDM传输 光通路在一根光纤上同时向两个不同的方向传输 所用波长相互分开 以实现双向全双工的通信 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 4 波分复用系统的性能指标 1 信道中心波长 每个信道内分配给光源的波长 2 信道带宽 每个信道内分配给光源的波长范围 3 信道间隔 相邻信道的波长间隔 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 隔离度的倒数称为串扰 Crosstalk 4 信道隔离度 ChannelIsolation 由一个信道耦合到另一个信道的信号大小 隔离度定义 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 MUX DMUX l1 l4 l1 l4 由于增加光波分复用器 解复用器而产生的附加损耗 5 插入损耗 li光通道的插入损耗 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 MUX DMUX l1 l4 l1 l4 其中Pi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 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 ReturnLoss 6 回波损耗 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 7 偏振相关损耗 PDL Polarization dependentLoss 由于偏振态的变化所造成的插入损耗的最大变化值 5 2练习题 1 1 WDM DWDM CWDM BWDM 和OFDM有何异同 2 波分复用系统的主要特性指标有哪些 3 画出单纤双向WDM传输系统示意框图 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 5 光波分复用器的器件 1 光纤耦合型器件 熔锥式光纤耦合器 将并排放置的两根或多根光纤的一定长度部位扭绞在一起 将扭绞处逐渐烧成熔融状态 同时慢慢拉伸光纤 使扭绞部位形成双锥形耦合区 在耦合区内各个光纤的包层变薄 纤芯彼此靠近 根据靠近程度的不同 可以形成光场之间的强 弱耦合 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 将两根光纤一定长度部位的包层一侧研磨抛光 将两根光纤并排放置使研磨抛光部位面对面紧贴在一起 在它们之间涂有一层折射率匹配液 形成耦合区域 在该区域能够产生光场之间的耦合 根据包层研磨变薄程度的不同 也可以产生光场之间的强 弱耦合 研磨式光纤耦合器 1 2和3 4为直通臂 1 3和2 4为耦合臂 2 2耦合器 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 光经耦合器后 功率平均分配在两臂上 但在两臂上的信号有90度的相差 即直通臂相差为0 耦合臂相差为90度 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 z为耦合区轴向坐标 b为传播常熟 g为光纤耦合系数 设计使得 gz p 4 则I2 I3 故称3dB耦合器 理论计算给出 输出光波的电场强度为 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 8 8星形耦合器 2 2耦合器组成的星形耦合器 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 2 角度色散型器件 棱镜色散复用器 棱镜对不同波长的光有不同的折射角 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 衍射光栅色散复用器 不同波长光的衍射角不一样 透射光栅 普通透镜反射光栅 渐变折射率透镜反射光栅 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 普通透镜反射光栅 光纤 硅衍射光栅 普通透镜 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 阵列波导光栅 AWG 复用器 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 由2个多端口耦合器和阵列波导组成的解复用器 设计采用对称结构 根据互易性 可实现分波和合波功能 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 3 光干涉型器件 介质膜滤波式由多层介质薄膜构成 其中高折射率层和低折射率层交替叠合 介质膜滤波式波分复用器 多光束干涉 相邻反射 透射 光线的相位差 不含相位突变 为 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 合理设计各个腔的厚度 使得不同波长的光线以同一角度入射时 通过多层介质膜 某个波长光只在某个特定的F P腔有最大的透射输出 介质膜干涉属于多光束干涉 又称Fabry Perot干涉 三层介质膜结构称为一个F P腔 多个F P腔级联构成多层介质膜 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 微结构型多层介质膜波分复用器原理固 用自聚焦透镜代替使反射 或透射 光线会聚的传统透镜 将介质膜镀在自聚焦透镜的端面上 形成微结构型的介质膜波分复用器 自聚焦透镜是一种圆柱棒状微型光学元件 其折射率分布与自聚焦光纤相同 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 马赫 曾德尔 Mach Zehnder 干涉式波分复用器 马赫 曾德尔干涉式波分复用器是利用M Z干涉仪两个不同长度的光路 提供相移随波长的依赖关系 使得分别从干涉仪两个输入端口射入的两波长光线 能够从一个输出端口射出 即合波 或者使得从干涉仪一个输入端口射入的两波长光线 能够分别从两个输出端口射出 即分波 马赫 曾德尔 Mach Zehnder 干涉仪 当两列干涉臂的光程完全相等 考虑光波在半透半反镜反射产生的半波损失 可知 光检测器1的光路上有相长干涉光检测器2的光路上有相消干涉 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 MZI 双臂干涉 双臂位相差 上臂位相 下臂位相 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 同理 双臂位相差 上臂位相 下臂位相 双臂位相差 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 若波长满足 双臂位相差 则4端干涉相长 3端干涉相消 若波长满足 则3端干涉相长 4端干涉相消 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 MZI 双臂干涉 l1 l2从1端输入 且满足 l1从4端出 l2从3端出 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 一般式 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 级联M Z干涉分 滤 波器 输入光波的频率间隔必须精确地控制在 Dv 2 的整数倍 光信道间隔 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 5 2练习题 2 1 光纤耦合器的分波原理是什么 何谓3dB耦合器 2 画出由4个2 2耦合器级联构成4 4耦合器的连线图 3 波分复用器件有哪三种类型 各包含哪些器件 4 画出M Z干涉型波分复用器原理图 如果作为l1 l2的分路器使用 说明其分波过程 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 6 光波分复用系统对光纤的新要求 1 制约波分复用系统的主要因素 偏振模色散 PMD PolarizationModeDispersion 单模光纤的几何形状不完善和折射率分布不对称 使光纤中基模的两个正交极化分量在光纤中传播速度不一致 产生传播时延差 引起光脉冲展宽的现象 称为偏振模色散 平均时延差 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 高阶色散 光纤色散与光波长的二阶及二阶以上的变化关系 称为高阶色散 通常 用零色散波长附近范围内的色散斜率来反映高阶色散的大小 称为零色散斜率 零色散斜率的定义式为 单位ps nm2 km 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 非线性效应 光纤折射率与光波电场强度的二阶和二阶以上的变化关系 称为非线性效应 自相位调制 SPM 交叉相位调制 XPM 四波混频 FWM 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 2 新型光纤的推出 大有效面积光纤 LEAF LargeEffectiveAreaFiber 在高功率传输系统中 增加光纤的有效面积 可以有效地降低光纤中光功率密度 减小非线性效应 Aeff 100mm2 朗讯公司 全波单模光纤G 652C 低水峰光纤 低水峰光纤 在1280 1625nm范围内的损耗趋于平坦 大大拓宽了光纤的可用带宽 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 美国贝尔实验室 低色散斜率G 655真波 TrueWave 光纤 低色散斜率光纤 色散斜率在0 05ps nm2 km 以下 PMD应低于0 5ps km1 2 低双折射光纤 为降低PMD 制成低双折射单模光纤G 652B 5 2练习题 3 1 制约波分复用系统的主要因素有哪些 2 为满足光波分复用系统对光纤的新要求 有哪些新型光纤推出 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 WDM 5 2 2光时分复用 OTDM 5 2 3光码分复用 OCDM 光时分复用 OTDM 是一种构成高比特率传输很有效的技术 它在系统发送端光学复用几个低比特率数据流 在接收端用光学方法把它解复用出来 这种方法避开使用高速电子器件而改用宽带光电器件 5 2 2光时分复用 OTDM 5 2光复用技术 1 光时分复用 5 2 2光时分复用 OTDM 5 2光复用技术 该系统的E O和O E转换器 即光发射机和接收机 已变成基带信号 与信号处理有关的所有电子设备均工作在基带比特速率下 不存在电子瓶颈问题 光时分复用光纤通信系统示意图 N个入射到复合器的光信号是RZ脉冲流 该脉冲流周期为B 脉冲宽度为T 使用延迟线对输入脉冲流在时间上进行调整 使加于光复用器上的每个信道的脉冲流依次延迟一段时间Td 5 2光复用技术 2 光时分复用系统的定时原理图 5 2 2光时分复用 OTDM 表示一个电主时钟发生器被n个光脉冲发生器共用 在电时钟路径上 使用电延迟器件对输入脉冲流延时 5 2光复用技术 5 2 2光时分复用 OTDM 3 光时分复用系统的复合过程 由多个光源构成的复用线路 在光信号路径上 使用光延迟器件对输入脉冲流延时 5 2光复用技术 5 2 2光时分复用 OTDM 由一个光源构成的复用线路 构成光解复用器的基本器件是1 2光开关 对于多信道系统 连接多个1 2光开关可以构成大容量的解复用交换网络 5 2光复用技术 4 光时分复用系统的解复合过程 四信道解复用原理图 5 2 2光时分复用 OTDM 5 2光复用技术 5 2 1光波分复用 WDM 5 2 2光时分复用 OTDM 5 2 3光码分复用 OCDM 5 2 3光码分复用 OCDM 5 2光复用技术 1 光码分复用 给每个信道分配一个唯一的地址码 该信道就以该密钥作为信道的地址码 对要传输的数据信息进行编码 实现信道复用 接收机使用与发送端相同的编码规则进行反变换 即进行光解码 实现信道的解复用 对信号频谱压缩 恢复原来的数据信号 5 2 3光码分复用 OCDM 5 2光复用技术 2 光码分多址网络编 解码技术 直接编码 跳时编码 跳频编码 5 2光复用技术 直接编码OCDM系统 使用7个比特 1001101 的密钥对数据的每个比特进行编码 接收机使用相同的密钥对接收到的编码信号解码 从而恢复原来的信息 5 2 3光码分复用 OCDM OCDM光纤网络中的用户可采用同一工作波长 所用设备可规格化 便于制造和维护 无须采用高选择性的滤波器或相干检测 不会产生四波混频 对光放大器的增益平坦性要求不高 网络接口协议简单 具有潜在的应用前景 是实现未来全光通信网络的重要技术之一 但是信道间串话比较大 虽然CDM光波系统受到人们的严重关注 但是离实用化还相差很远 5 2光复用技术 3 对OCDMA的评价 5 2 3光码分复用 OCDM 第5章光纤通信新技术 5 1光放大器5 2光复用技术5 3 光交换技术5 4 光孤子通信5 5 相干光通信技术 5 3光交换技术 目前的商用光纤通信系统 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 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5 38Tb s 光纤通信的需求与限制 传统电子交换机的缺点 端口速率只有几Mb s到几百Mb s接口间频繁的复用 解复用 光 电和电 光转换设备复杂 成本高 系统可靠性低 全光通信的关键技术 异步转移模式 ATM 可提供155Mb s或更高的速率 但电子线路的极限速率约为20Gb 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 5 3光交换技术 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 5 3光交换技术 空分光交换 5 3 1空分光交换 5 3光交换技术 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 光开关 有电光型 声光型和磁光型 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 5 3 1空分光交换 5 3光交换技术 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 4个1 2光开关器件组成的2 2光交换模块 1 2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 2 2空分光交换单元 5 3光交换技术 5 3 1空分光交换 这种2 2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 空分光交换的平行连接和交叉连接 5 3光交换技术 5 3 1空分光交换 16个1 2光开关器件或4个2 2光交换单元组成的4 4光交换单元 4 4空分光交换单元 5 3光交换技术 5 3 1空分光交换 时分光交换 5 3 2时分光交换 5 3光交换技术 以时分复用为基础 用时隙互换原理实现交换功能 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 时隙互换 把时分复用帧中各个时隙的信号互换位置 复用信号经分接器后在每条出线上依次传输某一个时隙的信号 经过不同的光延迟器件 最后用复接器把这些信号重新组合起来 5 3 2时分光交换 5 3光交换技术 波分光交换 或交叉连接 5 3 3波分光交换 5 3光交换技术 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 波长选择法交换 5 3 3波分光交换 5 3光交换技术 1 设波分交换机的输入和输出都与N条光纤相连接 每条光纤承载W个波长的光信号2 从每条光纤输入的光信号首先通过分波器分为W个波长不同的信号 5 3 3波分光交换 5 3光交换技术 3 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 5 3 3波分光交换 5 3光交换技术 4 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接到输出光纤上 5 3 3波分光交换 5 3光交换技术 波长变换法交换 5 3 3波分光交换 5 3光交换技术 波长变换法与波长选择法的主要区别是用同一个NW NW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 5 3 3波分光交换 5 3光交换技术 第5章光纤通信新技术 5 1光放大器5 2光复用技术5 3 光交换技术5 4 光孤子通信5 5 相干光通信技术 5 4光孤子通信 孤子 Soliton 孤子 Soliton 又称孤立波 是一种特殊形式的超短脉冲 或者说是一种在传播过程中形状 幅度和速度都维持不变的脉冲状行波 ThesolitonphenomenonwasfirstdescribedbyJohnScottRussell 1808 1882 whoobservedasolitarywaveintheUnionCanalinScotland Hereproducedthephenomenoninawavetankandnameditthe WaveofTranslation 5 4光孤子通信 利用光孤子作为载体的通信方式 光孤子 Soliton 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 光孤子通信 5 4光孤子通信 在入射光以高功率入射光纤的条件下 光纤折射率n随光强而变化 这种特性称为非线性效应 5 4 1光孤子的形成 1 非线性效应 E 0时的光纤折射率 E为电场 V m 克尔 Kerr 效应 克尔系数10 22 m V 2 5 4光孤子通信 2 自相位调制 SPM Self phasemodulation 光纤 L 光脉冲中光强为 E 2的光在光纤中的折射率变化 经光纤L引起的相位变化 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 5 4 1光孤子的形成 5 4光孤子通信 SPM引起的载波频率的变化 脉冲的光强频率调制 啁啾 zhoujiu chirp 脉冲的光频被光强调制 即脉冲被调频 在脉冲的上升部分频率降低 在脉冲的下降部分频率升高 此现象称为啁啾 Chirp 脉冲上升部分 0 频率上移 5 4 1光孤子的形成 5 4光孤子通信 光孤子的形成 设光纤中的已调波E r z t 的频谱在w w0处有峰值 频谱较窄 可近似为单色平面波 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 考虑非线性克尔效应 传输常数应写成 P为光功率 Aeff为光纤有效截面积 5 4 1光孤子的形成 5 4光孤子通信 是折射率和光功率的函数 把 在w0和P 0附近展开成级数 5 4 1光孤子的形成 5 4光孤子通信 反映脉冲包络线的运动 反映色散 反映非线性效应 如果 2P 0 同时 0 0 适当选择相关参数使两项绝对值相等 则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 5 4 1光孤子的形成 5 4光孤子通信 光孤子的传播 SPM调制 紫头红尾 正常色散 高频传播慢 低频快 光纤输入 光纤输出 5 4 1光孤子的形成 描述孤子传输所需的脉冲形状演化 需要考虑非线性薛定鄂 NLS 方程 光纤的GVD效应 展宽脉冲宽度 能量的损耗或增益 非线性相 展宽脉冲的频谱 5 4光孤子通信 5 4 1光孤子的形成 N 1的基态孤子解为 双曲正割函数 为钟形脉冲 相位项不影响脉冲波形 结论 光孤子形状与z无关 因此在时域是不弥散的 Hyperbolicsecant 5 4光孤子通信 5 4 1光孤子的形成 5 4光孤子通信 5 4 2光孤子通信系统构成 系统构成 孤子源是一个光孤子激光器 用来发射光孤子 调制器用来对光孤子进行编码 使之承载信息 5 4光孤子通信 光孤子在长距离光纤线路上传输的波形 光孤子在5000km距离上传输的波形 假定光纤损耗0 2dB km 光孤子每100km被的EDFA放大一次 正好补偿了100km光纤上20dB的损耗 尽管经过50级EDFA放大 光孤子形状也保特得相当好 5 4 2光孤子通信系统构成 第5章光纤通信新技术 5 1光放大器5 2光复用技术5 3 光交换技术5 4 光孤子通信5 5 相干光通信技术 目前光纤通信系统采用该方式 其优点是 调制和解调简单 容易实现 因而成本较低 缺点是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 5 5相干光通信技术 在发射端对光载波进行幅度 频率或相位调制 在接收端采用零差检测或外差检测的通信方式 光强调制 直接检测 IM DD 通信 相干光通信 其优点是 接收灵敏度提高 光纤带宽得到充分利用 5 5 1相干检测原理 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 光检测器 电信号 处理 本地光 振荡器 混频器 5 5相干光通信技术 单模光纤基模HE11 本振光场 EL ALexp i Lt L 偏振方向相同 信号光场 ES ASexp i St S 且本振光频率 L满足 L S IF或 L S IF IF是中频信号频率 5 5 1相干检测原理 5 5相干光通信技术 EL ALexp i Lt L ES ASexp i St S L S IF或 L S IF 混频后光检测器输出 光功率P与光强 ES L 2成比例 P K ES EL 2 K为常数 根据模式理论和电磁理论计算 输出光功率近似为 5 5 1相干检测原理 5 5相干光通信技术 P t PS PL 2cos IFt S L EL ALexp i Lt L ES ASexp i St S L S IF或 L S IF P K ES EL 2 K为常数 P t PS PL 2cos IFt S L 中频信号功率分量 5 5 1相干检测原理 5 5相干光通信技术 EL ALexp i Lt L ES ASexp i St S P t PS PL 2cos IFt S L 干涉后的瞬时光功率变化 5 5 1相干检测原理 5 5相干光通信技术 EL ALexp i Lt L ES ASexp i St S P t PS PL 2cos IFt S L 中频信号功率分量带有信号光的幅度 频率或相位信息 在发射端 无论采取什么调制方式 都可以从中频功率分量反映出来 所以 相干光接收方式是适用于所有调制方式的通信体制 相干检测有零差检测和外差检测两种方式 5 5 1相干检测原理 5 5相干光通信技术 EL ALexp i Lt L ES ASexp i St S P t PS PL 2cos IFt S L 1 零差检测 滤去直流分量 中频信号产生的光电流为 选择 L S 即 IF 0情况下的检测 R为检测器的响应度 通常PL PS 本振光相位锁定在信号光相位上 即 L S 零差检测的信号光电流 5 5 1相干检测原理 5 5相干光通信技术 EL ALexp i Lt L ES ASexp i St S P t PS PL 2cos IFt S L 零差检测的信号光电流 零差检测信号平均光功率与直接检测信号平均光功率之比为 5 5 1相干检测原理 5 5相干光通信技术 EL ALexp i Lt L ES ASexp i St S 由于PL PS 零差检测接收光功率可以放大几个数量级 虽然噪声也增加了 但是灵敏度仍然可以大幅度提高 零差检测技术非常复杂 因为相位变化非常灵敏 必须控制相位 使 S L保持不变 同时要求 L和 S相等 5 5 1相干检测原理 5 5相干光通信技术 EL ALexp i Lt L ES ASexp i St S P t PS PL 2cos IFt S L 2 外差检测 选择 L S 即 IF S L 0情况下的检测 滤去直流分量 中频信号产生的光电流为 外差检测接收光功率放大了 从而提高了灵敏度 外差检测不需要相位锁定 5 5 1相干检测原理 5 5相干光通信技术 相干检测技术主要优点是 可以对光载波实施幅度 频率或相位调制 5 5 2调制和解调 5 5相干光通信技术 模拟信号调制方式 幅度调制 AM 频率调制 FM 和相位调制 PM 数字信号调制方式 幅移键控 ASK 频移键控 FSK 和相移键控 PSK ASK PSK和FSK调制方式比较 5 5 2调制和解调 5 5相干光通信技术 1 幅移键控 ASK ASK的光场 ES t AS t cos St S 基带数字信号只控制光载波的幅度变化 AS S S为光场的幅度 角频率和相位 在ASK中 S保持不变 只对幅度进行调制 对于二进制数字信号调制 在大多数情况下 0 码传输时 使AS 0 1 码传输时 使AS 1 5 5 2调制和解调 5 5相干光通信技术 ASK相干通信系统必须采用外调制器来实现 这样只有输出光信号的幅度随基带信号而变化 而相位保持不变 如果采用直接光强调制 幅度变化将引起相位变化 外调制器通常用钛扩散的铌酸锂 Ti LiNbO3 波导制成的马赫 曾德尔 MZ 干涉型调制器 这种调制器在消光比大于20dB时 调制带宽可达20GHz 5 5 2调制和解调 5 5相干光通信技术 2 相移键控 PSK PSK的光场为 ES t AScos St t 基带信号只控制光载波的相位变化 在PSK中 AS保持不变 只对相位进行调制 传输 0 码和传输 1 码时 分别用两个不同相位 通常相差180 表示 如果传输 0 时 光