《光纤通信技术》第十一章-光纤通信新技术

1、光纤通信技术Optical Communication 西安邮电大学通信与信息工程学院通信工程系 11.1 新型光纤技术11.2 全光光纤通信技术11.3 相干光通信第11章 光纤通信新技术11.1.1 光纤的非线性效应1. 非线性光学效应 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。 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、差频波以及一个直流电场，相应的效应分别为倍频

2、、和频、差频以及光整流效应。 光纤中的非线性效应可分为两类:一、受激非弹性散射：光场经过非弹性散射将能量传递给介质产生的效应。包括：受激布里渊散射(SBS)和受激喇曼散射(SRS)二、非线性折射率：光纤折射率与光强的相关性产生的效应。包括：自相位调制(SPM)、互相位调制(XPM)和四波混频(FWM)非线性效应概述SBS、SRS及FWM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。SPM和XPM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，尤其在高速系统中。在光纤中传输中光脉冲

3、，脉冲从前到后频率有变化叫做啁啾。散色分为弹性散射和非弹性散射 弹性散色：被散射的光的频率保持不变； 非弹性散色：被散射的光频率会降低。拉曼散射和布里渊散射 受激非弹性散射1.概述受激非弹性散射：散射光频率下移，光场把部分能量传递给介质。一个高能量光子（通常称为泵浦）被散射成一个低能量的光子（斯托克斯光），同时产生能量为两光子能量差的另一个能量子SBS参与的能量子为声学声子，只有后向散射SRS参与的能量子为光学声子，以前向散射为主，但也有后向散射在高功率传输时，光纤中的受激喇曼散射和受激布里渊散射能导致相当大的损耗，一旦入射光功率超过阈值，散射光强将指数增长。是一种阈值行为。阈值功率：在长度为

4、L的光纤输出端因非弹性散射而损耗了50%的输入功率，这个输入功率叫做阈值功率。受激非弹性散射 受激布里渊散射（SBS）（1）2、阈值功率1、机理SBS可描述为泵浦光、斯托克斯波和声波之间的参量互作用。可看作是一个泵浦光子的湮灭，同时产生一个斯托克斯光子和一个声学声子。阈值功率Pth与光纤的衰减系数、光纤有效长度Leff、布里渊增益系数gB和光纤的有效面积Aeff有关，可近似写为：L足够长时，Leff 1/，而Aeff可用w2代替，w为模场半径峰值增益gB510-11m/W，这样Pth可低至1mW，特别是在1550nm最低损耗处，将极大地限制光波系统的注入功率。但以上估计忽略了与入射光有关的谱宽

5、效应，在典型系统中阈值功率可增大至10mW或更高。 受激布里渊散射（SBS）（2）3、特点增益带宽窄（约10GHz），这说明SBS效应被约束在WDM系统的单个波长信道内。阈值功率与光源线宽有关，光源线宽越窄，阈值功率越低4、减小SBS对系统影响的主要措施减低入纤功率（减小中继间隔）增加光源线宽（色散限制）5、一般情况下，SBS在光纤通信系统中是一种有害的因素，应注意减小。但由于它能通过将具有合适波长的泵浦场的能量传递给另一波长的光场，使该光场得到放大，所以能用于制造布里渊放大器。但由于其增益谱宽窄，放大器的带宽也很窄。 受激布里渊散射（SBS）（3） 受激喇曼散射（SRS）（1）SRS：入射光

6、波的一个光子被一个分子散射成为另一个低频光子，同时分子完成振动态之间的跃迁。SRS是非线性光纤光学中一个很重要的非线性过程，它可使光纤成为宽带喇曼放大器和可调谐喇曼激光器，也可使某信道中的能量转移到相邻信道中，从而严重影响多信道光通信系统的性能。 受激喇曼散射（SRS）（2）1、功率阈值gR-喇曼增益SRS的阈值功率较高。由于光波系统中的注入功率一般低于10mW，因此SRS一般对光纤损耗不起作用。1 2 3 4 1 2 3 4fiber2、特点增益带宽宽（约125nm），影响其它信道功率WDM系统中，较高频率的信号成为所有较低频率信号的泵浦源，频率最高的信道功率消耗最大。 受激喇曼散射（SRS

7、）（3）3、减小SRS对系统影响的主要措施减低入纤功率（减小中继间隔）减小信道间隔4、利用：喇曼光纤放大器高功率二极管泵浦激光器的迅猛发展，为FRA的实现奠定了坚实的基础。FRA可以提供整个波长波段的放大。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。 受激喇曼散射（SRS）（4）二、 非线性折射率在较高入射光功率下，纤芯折射率应表示为：光场幅度的有效值或均方根线性折射率非线性折射率或Kerr系数折射率的非线性影响一般很小。但光纤中大部分非线性效应都起源于非线性折射率。 自相位调制SPM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：光纤有效截面积由模

8、场自己产生的非线性效应而引起的非线性相移称为自相位调制，信号光强的瞬间变化引起其自身的相位调制。线性传输时的传播常数非线性系数光纤中传输的功率 频率啁啾 相位调制导致的频率啁啾为：频率啁啾随传输距离增大而增大，因此随着光脉冲沿光纤传输将不断产生新的频率分量，频谱将不断展宽。脉冲频谱的展宽程度还与脉冲形状有关。SPM特点SPM导致频率啁啾，正比于光强对时间的微分频率啁啾将导致脉冲谱宽增加SPM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(但SPM将导致脉冲畸变)，在一定条件下，可以使色散效应与SPM效应互相抵消，实现脉冲无畸变传输-孤子非线性效应产生的自相位调制一

9、般不大，对IM/DD系统无关紧要，但在级联放大系统和WDM系统中则不容忽视，在相干波系统中也不能忽视 四波混频FWMFWM： 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新光波的现象。对于等间隔的WDM系统，这些频率分量将与信号频率重叠，形成信道之间的串扰，严重影响系统的性能。123 特点：小的色散光纤，相位匹配易于满足，FWM越加严重，故应在色散与FWM之间取折衷。 减小影响：增加信道间隔、适当加大色散、非等间隔信道、减小光功率、 相邻信道正交偏振（破坏相位匹配）11.1.2 光的双折射和偏振1. 光的双折射 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

10、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，一般情况下它是不遵守折射定律的，称为非寻常光或e光。光和e光都是线偏振光，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，两者振动面相互垂直。若光折射率为，e光折射率为，则是用来描述晶体双折射特征的重要参数。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，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： 式中，k为克尔常数，它由介质本身的性质来定，是入射光的波

11、长，E为外加电场。 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、电影、电视及脉冲激光器的Q开光等。普克尔效应 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，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化，从接通电源到建立电致光效应所需时间一般小于10秒，因此可获得2.5Hz的调制带宽，因而近年来常用作高速光开关好和带宽光调制器。2.偏振光如果在光波中，光矢量的振动方向在传播过程中保持不变，只是它的大小

12、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。2.偏振片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，人造偏振片就是利用这种性质制成的。11.1.3 光纤孤子光孤子(Soliton)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。光纤孤子通信是新一代高速长距离(如海底通信)光纤通信系统的理想选择。孤子与光纤孤子 光纤非线性效应和色散单独作用时，在光

13、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。 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。 其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。11.1.4 光孤子通信技术的基本原理非线性方程及解法 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-0z)其中：A(z,t)是脉冲包络。 对于常用的直接检波

14、光通信系统关心光脉冲的包络情况。 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。11.1.4 光孤子通信技术的基本原理 只要控制好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，可得到N=1时的弧子脉冲，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

15、信技术的基本原理11.1.4 光孤子通信技术的基本原理孤子源调制脉冲源EDFA隔离器探测光纤传输系统EDFAEDFAEDFA36 光孤子源产生一系列脉冲宽度很窄的光脉冲，即光孤子流，作为信息的载体进入光调制器， 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。2. 常见的光孤子源 光孤子源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

16、定的形状和峰值。光孤子源有很多种类，主要有： （1）自锁模掺铒光纤孤子激光器； （2）法布里珀罗光纤孤子激光器； （3）DFB激光器/外调制孤子源；（4）DFB激光器/集成调制孤子源 11.1.4 光孤子通信技术的基本原理 目前，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

17、理光孤子通信关键技术适合光孤子传输光纤技术光孤子源技术光孤子放大技术光孤子开关技术11.1 新型光纤技术11.2 全光光纤通信技术11.3 相干光通信第11章 光纤通信新技术1. 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、光存储、光信息处理、光信号多路复接/分插、进网/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。 透明性好。 兼容性好，容

18、易升级。 具备可扩展性。 具备可重构性。 省掉了大量电子器件。 可靠性高。 提供多种协议的业务。 组网灵活性高。2 全光网络的网络结构 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11-3所示。 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之间的通信网络。 图11-3 全光网络的分层结构3. 全光网络的关键技术1全光交换（1）空分光交换 空分光交换是指空间划分的交换。（2）时分光交换 时分光交换网由时分型交换模块和空分型交换模块构成。（3）波分光交换 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。（4）复合型光交换 复合

19、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。（5）自由空间光交换 自由空间光交换可以看作是一种空分交换，它在1mm范围内具有高达10m量级的分辨率。光交换的应用及前景2光交叉连接 OXC是全光网中的核心器件，是用于光纤网络节点的设备，它与光纤组成了一个全光网络。3全光中继 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。 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，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。 目前，对光信号的再生都是利用光电中继器，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

20、动一个光源，从而实现光信号的再生。4全光信息的放大和再生技术（1）光时分复用 OTDM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纤传输的扩容技术。 OTDM技术主要包括超窄光脉冲的产生与调制技术、全光复用/解复用技术、光定时提取技术。5光复用/解复用技术 光WDM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选择。 目前，大部分公司的DWDM系统都是以2.5Gbit/s为基本速率的。 泛欧运营商HER公司采用Ciena公司的402.5Gbit/s系统。 目前，国内武汉邮电

21、研究院的82.5Gbit/s WDM系统已用于济南青岛工程。（2）WDM OADM具有选择性，可以从传输设备中选择下路信号或上路信号，也可仅仅通过某个波长信号，同时不影响其他波长信道的传输。 特别是OADM可以从一个WDM光束中分出一个信道，并且一般是以相同波长往光载波上插入新的信息。 （3）OADM 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。 而光监控技术采用1510nm波长，并且对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

22、运作11.1 新型光纤技术11.2 全光光纤通信技术11.3 相干光通信第11章 光纤通信新技术11.3 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-直接检测(IM-DD)方式。 这种方式的优点是：调制和解调简单，容易实现，因而成本较低。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。 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检测。调制对比强度调制（光有、无；ASK调制）相干光通信调制（电光、声光或磁光）11.3 相干光通信直接检波（包络检测）相干光通信解调解调对比11.3 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，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11.3