第7章光纤通信新技术3

1、7.3 光光 交交 换换 技技 术术 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。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

2、设备复杂性和成本，降低了系统的可靠性。 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 虽然采用异步转移模式异步转移模式(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，而光交换是全光通信的关键技术。 7.3.1 空分光交换空分光交换 空分光交换空分光交换的功能是：的功能是：使光信号的传输通路在空间上发生改变。 空分光交换空分光交换的核心器件是光开关。的核心器件是光开关。光开关有电光型、电光型、 声声光型和磁光型光型和磁光型等多种类型，其中电光型光开关电光

3、型光开关具有开关速度具有开关速度快、串扰小和结构紧凑等优点，有很好的应用前景。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7.31(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: LiNbO3定向耦合器型光开关， 只是少用了一个输入端而已。 图图7.31空分光交换空分光交换(a) 22光交换单元光交换单元12光交换器件光交换器件(a) 这种22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

4、连接，如图7.31(b)所示。图图7.31空分光交换空分光交换(b) 平行连接和交叉连接平行连接和交叉连接平行联接平行联接交叉联接交叉联接(b) 图7.31(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。 图图7.31空分光交换空分光交换(c) 44光交换单元光交换单元 定向定向耦合器耦合器光波导光波导光信号输出光信号输出光信号输入光信号输入(c) 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为基础，用时隙互换原理实现交是以时分复用为基础，用时隙互换原理实现交换功能的。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

5、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2N分分接接器器12N12N时隙时隙帧帧(a) 图图7.32 (a) 时分光交换时分光交换 时分复用原理时分复用原理 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

6、时分光交换 时隙互换原理时隙互换原理图图7.32 (c) 时分光交换时分光交换等效的空分交换等效的空分交换12341234(c )图7.32(c)示出时分光交换的空分等效空分等效。 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)是以波分复用原理为基础，采用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。波长选择或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。 图图7.33 (a) 波分交换的原理框图：波长选择法交换波分交换的原理框图：波长选择法交换l l1空分交换空分交换l l2空分交换空分交换l l3空分交换

7、空分交换l lW空分交换空分交换l l1,l l2l lW12NN21WDMXWMUX分波器分波器合波器合波器(a)l l1,l l2l lWl l1,l l2l lWl l1,l l2l lWl l1,l l2l lWl l1,l l2l lWl l1l l2l lWNW NW空分交换空分交换l l1l l2l lWl l1l l2l lWl l1l l2l lWl l1l l2l lWl l1l l2l lWl l1l l2l lWl l1l l2l lW12N12NWDMXWMUX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：波长变换法交换波分交换的原理框图：波长变换法

8、交换 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长的信号再通过合合波器波器(复用器复用器)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

9、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7.7节介绍。7.4 光光 孤孤 子子 通通 信信 光孤子光孤子(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。 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，光纤通信的光纤通信的传输

10、距离传输距离和和传输速率传输速率受到受到光纤损耗光纤损耗和和色散色散的限制的限制。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。 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。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。 光纤非线性效

11、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。 7.4.1 光孤子的形成光孤子的形成 在讨论光纤传输理论时，假设了光纤折射率n和入射光强(光功率)无关，始终保持不变。这种假设在低功率条件下是正确的，获得了与实验良好一致的结果。然而，在高功率条件下，折射率n随光强而变化，这种特性称为非线性效应非线性效应。 在强光作用下，光纤折射率n可以表示为 n=n0+ |E|2 (7.19)2n式中，E为电场，n0为E=0时的光纤折射率，约为1.45。这种光纤折射率n随光强|E|2而

12、变化特性，称为克尔克尔(Kerr)效应效应， =10-22(m/V)2，称为克尔系数。虽然光纤中电场较大， 为106(V/m)，但总的折射率变化n=n-n0= |E|2还是很小(10-10)。即使如此，这种变化对光纤传输特性的影响还是很大的。2n2n(7.20) )(2)(tnLLtncwtl 这种使脉冲不同部位产生不同相移的特性， 称为自相位自相位调制调制(SPM)。 2n 设波长为、光强为|E|2的光脉冲在长度为L的光纤中传输， 则光强感应的折射率变化n(t)= |E(t)|2，由此引起的相位变化为)(2)()(tntLtttwl(7.21) 设光纤无损耗，在光纤中传输的已调波已调波为线性

13、偏振模式线性偏振模式， 其场可以表示为E(r,z,t)=R(r)U(z,t)exp-i(0t-0z) (7.22) 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。tt)(tntn 如图7.34 所示， 在脉冲上升部分，|E|2增加， 0， 得到0，频率下移；在脉冲顶部，|E|2不变， =0， 得到=0，频率不变；在脉冲下降部分，|E|2减小，nt0，频率上移。频移使脉冲频率改变分布， 其前部(头)频率降低，后部(尾)频率升高。这种情况称脉冲已被线性调频脉冲已被线性调频，或称啁啾啁啾(Chirp)。 图图7.34 脉冲的光强频率调

14、制脉冲的光强频率调制 151050510151050510250250.00.51.0时间 / ps时间 / ps频率 / cm1光强 设已调波E(r,z,t)的频谱在 处有峰值，频谱较窄，则可近似为单色平面波。由于非线性克尔效应，传输常数应写成0effAPnncnc20（7.23）式中，P为光功率，Aeff为光纤有效截面积。由此可见， 不仅是折射率的函数，而且是光功率的函数。式中, ， Vg为群速度群速度，即脉冲包络线的运动速度。 ，比例于一阶色散一阶色散， 描述群速度与频率的关系。 。令2P= ， 称为非线性长度非线性长度， 表示非线性效应对光脉冲传输特性的影响。gwwVw1|00effe

15、ffPcAnwAP/|/202NLL10|220wwwNLL1在0和P=0附近， 把展开成级数，得到PP220000021,（7.24） 式(7.24)虽然略去高次项，但仍较完整地描述了光脉冲在光纤中传输的特性，式中右边第三项和第四项最为重要，这两项正好体现了光纤色散和非线性效应的影响。 如果00，适当选择相关参数，使两项绝对值相等，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。 现在我们回顾一下光纤色散。 波长为的光纤色散系数光纤色散系数C()的定义为022)()(llll cdwdddddC（7.25）式中, =dd=1/Vg为群延时群延时，Vg为群速度群速度；=2f=2c/为光载波频率光载波频率，c为光速光速；0=d2/d2, 比例于一阶色散。 式(7.25)描述的单模光纤色散特性单模光纤色散特性如图7.35所示，图中D为零色散波长零色散波长。在D时，C()0，称为光纤正常色散光纤正常色散区区； 在D时，C()0, 0PS，同时考虑到本振光相位锁定在信号光相位上，即L=S，这样便得到零差检测的信号光电流为 IP= (7.32) 由于PLPS，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