光纤通信(普通高等教育“十五”国家级规划教材)教学PPT作者顾畹仪第07章

第七章扩大容量和增加功能的

新光通信技术

7.1

色散补偿

7.2光时分复用技术

7.3光分组交换

7.4量子通信

7.1色散补偿7.1.1概述

色散对光通信系统的影响G.652光纤的衰减特性及不同类型光纤的色散特性比较

情况1：当系统采用内调制，即直接调制DFB激光器时，因受色散限制而可能可得的最大中继距离

Lmax＜当采用G.652光纤的系统的码速率达到2.5Gbit/s时，其最大的中继距离只有42km情况2：当系统采用外调制时，脉冲的初始频率啁啾可以减小到几乎为零，这时系统因受色散限制而可能取得的最大中继距离

Lmax＜当码速率为10Gbit/s时，最大中继距离下降到30km色散严重地限制了系统的传输性能

降低光纤的GVD，可提高系统的码速率与距离积（BL）。通常采用的方法有以下3种采用色散位移光纤（G.653DispersionShiftedFiber，DSF），在1.550m处其色散系数接近于零，损耗为0.24dB/km采用非零色散位移光纤（NZDSF）采取适当的色散补偿（DispersionCompensation）技术，减少甚至抵消光纤色散的影响7.1.2色散补偿原理

将单模光纤中模式的相位系数

()在中心频率0附近展开成泰勒级数其中

可以用非线性薛定谔方程来描述光信号在光纤中的演变过程若忽略3不计，则上式的解可写为：

单一频率的光脉冲经过长为L的单模光纤的时延是T=L/vg，vg为群速度设光脉冲的谱宽为，则脉冲展宽程度由下式决定用代替色散补偿就是要通过各种线性或非线性的方法，抵消上面两式中的色散系数，使总合的色散系数趋于零，进而使T为零

7.1.3色散补偿光纤

色散补偿光纤（DispersionCompensationFiber，DCF）法就是用一段在1.550ｍ处具有负色散系数的光纤去抵消常规光纤或NZDSF中的正色散系数对于单信道系统，设传输光纤的长度和色散系数分别为L1和D1，色散补偿光纤的长度和色散系数分别为L2和D2，则色散完全补偿的条件为D1L1

+

D2L2

=

0对于DWDM系统，必须同时补偿色散和色散斜率，设高阶色散（即3）可忽略，补偿条件为DS1L1

+

DS2L2

=

0用DCF法进行色散补偿7.1.4啁啾光纤光栅法

啁啾光纤光栅的工作原理7.1.5预啁啾技术

在光通信中，啁啾指脉冲信号的相位随时间的变化率。光信号在色散系数为负的光纤中传输时，高频成分因传播速度较快而逐渐集中到脉冲的前沿，低频成分因传播速度较慢而逐渐集中于脉冲的后沿，并且两者之间的时差越来越大，脉冲就变得越来越宽。预啁啾就是在脉冲进入光纤之前，使它的相位适当地随时间变化，使脉冲从前沿到后沿的频率逐渐升高（即正啁啾），从而脉冲在传输过程中有一个初始变窄过程，抵消由于色散导致的脉冲变宽效应，起到色散补偿的作用7.1.6色散支持传输法

基本原理：高速数字信号在光强度调制（IM）的同时还伴有频移键控（FSK）调制，从而使信号中的“0”和“1”因幅度不同而频移不同，光频率随光功率的增大而增大。它们之间的波长差为B为码速率，D是色散系数7.1.7频谱反转法

在常规G.652光纤中继段的中间插入一个半导体光放大器（SemiconductorOpticalAmplifier，SOA）或一段DSF作为非线性介质。由于非线性介质中的FWM效应，光信号通过时产生频谱反转波（又称相位共轭波）。频谱反转波与原信号波具有时间反演的性质，在光信号的继续传输过程中，原本相位超前的频率成分之相位将逐渐落后，原本相位落后的频率成分之相位将逐渐超前。因此，由色散和非线性引起的信号畸变会被补偿。7.1.7频谱反转法

光孤子就是一种能在很长距离上仍保持脉冲形状不变的光通信方法，所以基于光孤子的色散补偿法自然而然地引起了人们的注意常规单模光纤加入DCF再辅以恰当的色散补偿方案，也可以进行光孤子传输，此时的孤子振幅和宽度都随着传输距离而周期性变化，因此称为准孤子或色散管理孤子7.1.9偏振模色散补偿技术

PMD起因于光纤的双折射现象单模光纤中两个正交的偏振模基本原理为：首先在光域或电域上将两个偏振模信号分开，然后用延迟线分别对它们进行延时，在反馈回路的控制下使两个偏振模之间的时延差为零，最后将补偿后的两个偏振模信号混合输出7.2光时分复用技术7.2.1概述

光复用技术主要有两种WDM技术光时分复用（OpticalTimeDivisionMultiplexing，OTDM）技术7.2.2光时分复用原理

OTDM是光域中的时分复用和解复用，它把各个支路光信号变换成高速率、窄超短脉冲信号，然后间插到复用信道中已分配好的时隙上。7.2.3光时分复用关键技术

1．超短光脉冲发生技术2．光复用/解复用技术OTDM复用器主要采取并行和串行两种复用结构并行复用结构串行复用结构OTDM解复用器是OTDM系统中最关键的器件之一OTDM解复用器实质上就是一个高速光开关，典型结构包括非线性光环路镜（NonlinearOpticalLoopMirror，NOLM）、T赫兹非对称解复用器（TerahertzOpticalAsymmetricDemultiplexer，TOAD）和辅以SOA的马赫—曾德尔干涉仪（SOA-assistedMach-ZehnderInterferometer，SOA-MZI）等NOLM解复用器的结构输入和输出脉冲功率之间的关系可用下式来描述TOAD解复用器结构简图输入和输出信号功率之间的关系可由下式来描述3．时钟提取和同步技术OTDM中的电时钟提取和电TDM中的方法相同，采用一个高Q值的滤波器直接提取时钟4．高速信号传输技术7.2.4光时分复用网络

1．OTDM广域网OTDM广域网的基本结构

OTDM广域网的分层模型2．基于比特间插的OTDMLAN

基于比特间插的40Gbit/sOTDMLAN

3．基于时隙复用的OTDMLAN基于时隙复用的OTDMLAN原型

7.3光分组交换7.3.1概述

光分组网概貌7.3.2光分组的编码和组装

光分组的编码方案大致分为三类：串行编码、带外信令和并行编码光分组串行编码带外信令方案指信头在独立于净荷通道的信道上传输。最典型的带外信令方案是副载波复用（Sub-CarrierMultiplexing，SCM）法，即净荷调制在某个波长的基带上，速率较高；信头调制在比基带频率稍高的副载波上，速率较低7.3.3光分组交换节点结构

OPS节点可分为4大模块OPS节点结构大致有纯粹的空分交换型、波长广播—选择型、波长路由型和混合型等四类（1）纯粹的空分交换型OPS节点（2）波长广播—选择型OPS节点波长广播—选择型OPS节点结构

配置了单级前向输出缓存的OPS节点结构（3）波长路由型OPS节点波长路由型OPS节点结构波长路由型OPS节点单波长模块（4）混合型OPS节点超高速批量波长路由型OPS节点具有立体交换矩阵的混合型OPS节点一种环形光分组网节点7.3.4光同步技术

粗略的光同步方案精细的光同步方案7.3.4光同步技术

1．偏射路由（DeflectionRouting）原理是，无竞争时按照最短路径优先的规则为光分组选择通道；有竞争时只为其中一个光分组选择最短通道，其它光分组从节点的空闲链路输出并寻求通往信宿的次最短通道2．光缓存（OpticalBuffering）

暂时缓存因竞争而受阻的光分组，在时间上缓解冲突常见的光缓存结构3．波长转换（WavelengthConversion）

利用光器件的非线性特性来转变光信号的波长。在输出端发生冲突时，使其中一个光分组通过，而将受阻的光分组转换到其它的空闲波长上再送出，进而解决资源竞争问题7.3.6光逻辑器件

已问世的全光逻辑门包括全光异或门、与门、或非门、与非门等，速率从5Gbit/s到100Gbit/s不等在各类全光逻辑器件中，全光异或门尤其重要7.3.7对光分组网前景的展望

光分组网的分层参考模型7.4量子通信7.4.1概述

光既有粒子性又有波动性，即波粒二象性利用光的量子性进行通信，即量子通信7.4.2量子通信的理论基础

将光束看作由光量子（或称光子）构成的粒子流量子信息的出发点是用量子态来表示信息，量子态的演变遵从薛定谔方程，信息传输就是量子态在量子通道中的传送，信息处理是量子态的幺正变换。处于上述相干叠加态的多个量子比特所表征的粒子之间是紧密关联的，称为量子关联性在理论上，即使这两个粒子的间距很遥远，我们也能在瞬间由一个粒子的状态确定另一个粒子的状态。这样一对粒子似乎是永远缠结在一起的，所以这种现象称为量子纠缠（Q