桂工 光纤通信第七章

扩大容量和增加功能的

新光通信技术第7章理论上，单根光纤可提供25THz带宽，但目前远未利用起来。进一步提高光通信系统的容量，并增强功能，成为我们努力的目标。2主要问题解决技术损耗及OSNR劣化新型FEC：等效于接收机优化新型光纤：降低损耗分布喇曼放大、参量放大和EDFA混合放大：降低放大器噪声指数增益平坦：减少多波长信道之间的差异色散效应新型光纤：减少跨波段的色散起伏色散及色散斜率补偿：优化跨波段段色散残余量，减少多波长信道间的差异新型光调制：提高系统的色散容限光孤子传输：抑制色散导致的光脉冲展宽延长距离的关键技术(1)3主要问题解决技术PMD效应新型光纤：降低PMD系数PMD补偿：补偿传输链路PMD新型光调制：采用RZ码抵消低阶PMD电域补偿：进一步在电域补偿PMD导致的信号损伤非线性效应新型光调制：提高光脉冲抵抗非线性效应的能力波形管理（含光孤子传输）：提高光脉冲抵抗非线性效应的能力分布式喇曼放大和参量放大：利于降低入纤光功率有效面积管理：减小非线性效应的有效作用区域新型光纤：利用大有效面积和低非线性系数延长距离的关键技术(2)4扩大容量的关键技术主要问题解决技术扩展波段宽波段光放大：放大S、L、XL等波段分布式喇曼放大和参量放大提高光谱效率相邻信道偏振垂直：减少串扰残留边带（VSB）调制：减少串扰偏振光分复用（PDM）：提高单信道的容量5本章内容7.1大容量WDM系统超长传输技术新型光纤技术新型光调制技术分布式光放大技术前向纠错编码技术光孤子技术7.2色散和偏振模色散补偿常用的色散补偿技术偏振模色散补偿技术7.3光时分复用技术7.4量子通信6§7.1大容量WDM系统超长传输技术新型光纤技术新型光调制技术分布式光放大技术前向纠错编码技术光孤子技术7大容量超长距WDM系统对光纤特性的要求：很小的衰减宽而平坦的光谱适当的色散较大的有效面积很低的PMD理想的弯曲特性存在可做色散补偿的色散互逆单元等。8G.652光纤即常规单模光纤，又称非色散位移光纤（NDSF）特点：零色散波长在1310nm附近在C波段（1530～1565nm）和L波段（1565～1625nm），色散系数为17～22ps/nm×km，损耗最小的波长1550nm附近速率在2.5Gbit/s以上时，采用G.652光纤受色散限制而传输距离不能很长改良的G.652光纤：G.652C光纤如朗讯的全波光纤，增强了对PMD的要求，并扩展工作波段为1360~1530nm，但仍不能很好地兼顾色散特性与损耗特性。9G.653光纤和G.654光纤统称色散位移光纤（DSF）特点：零色散区域和最低损耗区域都在1550nm附近；单波长超长距离传输的最佳媒质在多波长情况下于1550nm区域有很强的FWM、SPM、XPM等非线性效应，不适用于WDM系统。10G.655光纤又称非零色散位移光纤（NZDSF）在1530~1565nm保持较小的色散，可以抑制1550nm附近较强的非线性效应。第一代G.655光纤（G.655A）色散斜率较大，主要工作在C波段，工作在L波段时色散较大而不适用于高速信号的长距传输。代表：朗讯的True-Wave光纤和康宁的SMF-LS光纤第二代G.655光纤（G.655B）减小了色散斜率进而降低了对色散补偿的要求增大了纤芯有效面积进而可有效地抑制非线性效应能较好地满足了大容量WDM系统的要求，适用于C波段和L波段的长距离DWDM系统。代表：朗讯的TrueWave-RS和TrueWave-XL光纤、阿尔卡特的TeraLight光纤、康宁的大有效面积（LEAF）光纤等。11G.656光纤新型光纤，面向未来需求，技术正逐渐成熟以较小的色散和较弱的非线性工作于1460~1625nm范围的S、C、L三个波段。12几种应用广泛的单模光纤的色散系数分布13§7.1大容量WDM系统超长传输技术新型光纤技术新型光调制技术分布式光放大技术前向纠错编码技术光孤子技术14传统调制技术的不足基于非归零（NRZ）码的幅度调制优点：实现简单、成本低、频谱效率较高；缺点：缺少足够的时钟信息因而不便于定时；对非线性和一阶PMD较敏感；不能有效地抵抗色散、非线性和噪音等的影响。15新型光调制技术分类基于幅度的调制仍采用幅度调制方式和直接检测技术，在RZ码基础上，从频谱、相位等角度改善幅度调制信号的传输性能。举例：啁啾归零码（CRZ）、载频抑制归零码（CSRZ）、差分归零码（DRZ）等。基于相位的调制在发送端将信息调制到光信号的相位上，在接收端使用差分或相干等技术来检测光信号。举例：多进制相移键控（m-PSK）码、差分相移键控（DPSK）码、差分正交相移键控（DQPSK）码、部分差分相移键控码（P-DPSK）等。16基于幅度的新调制技术以RZ码为基础的原因利于定时，平均光功率较低进而利于抵抗非线性效应和偏振模色散等影响。CRZ码：对RZ码的初始光脉冲引入预啁啾可进一步抑制有害的非线性效应；但频谱较宽，易因色散而展宽。CSRZ码：使相邻的RZ码元之间存在相位差p载波分量均值为零，既可抑制载波又能减小频谱宽度，增强了抵抗色散和非线性效应的能力。为了提高传输带宽，同时避免光脉冲过窄，就需要提高调制技术的频谱效率，因此出现了相位调制为主而幅度调制为辅的一些新型光调制技术。171819基于相位的新调制技术m-PSK码：m=2时称作BPSK码，m=4时称作QPSK码DBPSK和DQPSK码：是BPSK、QPSK与差分输入法的结合。频谱效率较高，所需功率较小，适用于长距离大容量WDM系统，但复杂度较高。DPQPSK码：双偏振差分正交频分复用码偏振复用技术和QPSK的结合对PMD和非线性等传输损伤有更高的容忍度2021§7.1大容量WDM系统超长传输技术新型光纤技术新型光调制技术分布式光放大技术前向纠错编码技术光孤子技术EDFA应用于大容量长距离WDM系统的不足增益波段较窄，一般只可对C、L波段有效放大在长距离中级联的EDFA引入较多噪声需较高光功率，引起较明显的非线性效应22分布式、宽波段的喇曼放大技术将波长和功率适当的泵浦光注入光纤，通过受激拉曼散射（SRS）效应使光信号得到分布的渐变式的放大。优点：较宽的增益波段（S、C、L波段）更长的放大距离（可以达到200～300km）引入的噪声和非线性效应较少以较低的光功率就可获得较大的光信噪比23实际应用：EDFA和喇曼放大器混合光放大，既可以在宽波段上获得较大的平坦增益，又能避开高非线性区域和低信噪比区域。24§7.1大容量WDM系统超长传输技术新型光纤技术新型光调制技术分布式光放大技术前向纠错编码技术光孤子技术25光传输系统中的FEC技术光通信系统中的典型FEC汉明码、BCH码、RS码、卷积码、级联码。应用最广泛的是RS(255,239)和RS(255,238)。在应用中的分类带内FEC：将FEC码元放在帧结构的空闲比特中，不改变线路速率且兼容性更好；但冗余开销少，通常只能带来1～2dB的光信噪比余量。带外FEC：在帧结构以外追加FEC编码开销，纠错能力更强，通常可提高3～4dB的光信噪比余量。FEC带来给光通信系统的好处在OSNR一定时可提高BER性能。可在一定程度上增加OSNR的设计富裕量，降低线性及非线性因素对系统性能的影响，可增加光放大器间隔，延长传输距离，提高信道速率，降低发射机功率、改善接收机灵敏度。26§7.1大容量WDM系统超长传输技术新型光纤技术新型光调制技术分布式光放大技术前向纠错编码技术光孤子技术27光孤子的概念指经过长距离传输而保持形状不变的光脉冲。由光纤中的GVD和SPM两种效应共同作用形成的。当光脉冲具有适当的幅度、形状时，由于光脉冲在光纤中的SPM效应，前沿因频率降低而速度减慢，后沿因频率升高而速度加快，从而脉宽变窄。当GVD和SPM的恰好抵消时，光脉冲便在很长距离上保持稳定的波形传输，即形成了光孤子。光孤子的形状满足双曲正割表达式28光孤子的强度|U|2与传输距离无关，可以在传播过程中保持脉冲形状不变。29光孤子通信的特点：容量大，可达100Gb/s以上；抗干扰能力强、误码率低；中继站间隔距离长，对光信号的再生需求较少。目前，上百Gb/s速率、上百km无中继的光孤子通信实验已成功实现，并有准孤子光通信系统应用于实际的超长距海缆通信，此外还出现了色散管理光孤子传输技术。30§7.2色散和偏振模色散补偿采取适当的色散补偿技术，能减少甚至抵消色散的影响，从而改善系统的传输性能。色散补偿的基本思路：采用线性或非线性的方法，抵消各阶色散系数，使光信号传输后总合的色散系数趋近零，进而将色散导致光脉冲展宽控制在一定范围内。非线性色散补偿：典型的例子光孤子传输系统，利用光纤中的非线性效应来抵消色散，使光脉冲在长距离传输中保持不变。线性色散补偿①色散补偿光纤（负色散光纤）法；②啁啾光纤光栅法；③预啁啾技术；④色散支持法；⑤频谱反转法；⑥多电平编码；⑦相干光检测（电均衡法）；⑧集成Mach-Zehnder干涉法；⑨时延线光均衡器。317.2.1色散补偿光纤（DCF）法思路：用一段在1.550ｍ处具有负色散系数的光纤抵消常规光纤或NZDSF中的正色散系数。DCF光纤的实现途径：光纤的色散系数与横截面上的折射率分布紧密相关，合理设计光纤横截面可使光纤在1.550ｍ处具有大的负色散系数值，如W型折射率分布的光纤。W型光纤的折射率分布和色散谱32在1550nm处，G.652光纤的色散系数D=

16.5ps/(nm∙km)和色散斜率DS=0.057ps/(nm2∙km)，例子中DCF的D和DS分别是−79.0ps/(nm∙km)和−0.22ps/(nm2∙km)，DCF与G.652的长度之比为1:4.6。标有SMF+DCF的曲线为补偿后的总色散，结果表明，采用DCF法，在1500nm～1600nm波段上总色散很小。用DCF法进行色散补偿的实例33DCF法的特点DCF是一种无源器件，使用灵活、方便、可靠，且具有带宽补偿能力，是比较常用的色散补偿方案；缺点是传输损耗和插入损耗大，非线性强，在很大程度上限制了传输速率、传输距离和DCF的安装位置。347.2.2啁啾光纤光栅法啁啾光纤光栅：纤芯折射率呈周期分布，且周期由大到小。色散补偿原理：光脉冲通过一段啁啾光纤光栅时，其长波长分量和短波长分量分别在光栅的头、尾部反射，两种波长分量之间产生时延差，从而补偿了GVD。35啁啾光纤光栅法的优点：体积小、对极化不敏感、插入损耗低、与光纤兼容性好、波长选择性好、易于集成；便于系统使用和维护，成本低，可升级性好，可靠性高，受非线性效应影响小。啁啾光纤光栅法的缺点：啁啾光纤光栅是带通滤波器，色散补偿带宽较窄；啁啾光纤光栅是通过反射实现色散补偿的，因此需要光环形器来防止反射光对系统造成负面影响。367.2.3偏振模色散补偿技术偏振模式色散（PMD）起因于光纤的双折射现象：实际中光纤的纤芯总会呈现一定程度的椭圆度，导致偏振方向正交的两个基模具有不同的传输速度。PMD的影响由于模式耦合引起附加

损耗，降低信噪比；引起脉冲展宽，速率受限。PMD甚至被认为是限制高速光纤通信系统传输容量和距离的最终因素。37PMD补偿原理：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。光域PMD补偿法：延时线通常由保偏光纤、基于锂酸铌调制器的分布式平衡器等构成。这类方法很有潜力，但技术不够成熟。电域PMD补偿法：先将探测到的光信号变成电信号，再通过非线性补偿判决电路进行电信号的整形，该电路的判决阈值可根据信号间干扰的程度进行调节，进而提高信噪比，并减少误码率。电域PMD补偿法应用较广泛，补偿器与光接收机易于集成，技术较成熟，系统也稳定，但补偿的量有限。38§7.3光时分复用技术光时分复用（OTDM）：采用超短光脉冲在时间上间插复用的方法来提高单个波长的传输速率，其速率可达每秒几百吉比特，大大超过了预计的电子速率的极限。OTDM的主要特点：可以避开或削弱WDM的一些缺点：WDM本质上是一种模拟技术，模拟系统固有的一些缺点（如，放大器级联产生的增益特性不平坦、非理想滤波器和开关产生的串扰、光纤中有害的非线性效应、复杂的稳频系统、昂贵的多波长激光器和滤波器等）。便于组网：(1)单波长上的线路速率可高达几百Gbps，支路数据可具有任意速率等级；(2)速率一定时通过OTDM技术可以仅利用单波长传输，简化放大器级联管理和色散管理；(3)在提高系统容量的同时放宽了对电子设备的要求。397.3.1OTDM原理OTDM技术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。407.3.2OTDM关键技术（1）超短光脉冲发生技术要求：高重复率、高稳定性、占空比相当小的超窄光脉冲。重复率和振荡波长应可调谐以便于信号同步和传输性能优化。脉宽一般至少要小于1/3码元周期，脉宽越窄可以复用的路数越多。脉形应该是变换受限的，以减小脉冲形变，进而降低码间干扰。光源：目前主要有四种：锁模光纤激光器、锁模半导体激光器、分布反馈式激光器和增益开关半导体激光器。其中效果较好的是锁模光纤激光器和锁模半导体激光器。41（2）光复用技术利用光波导的超高速非线性效应来实现光域的复用/解复用功能。并行OTDM复用器并行调制各个子信道，再通过延迟器或调相器将子信道的位置相互错开，然后通过耦合器将各个错开的子信道以比特间插方式合在一起。对调制解调器速率的要求较低，但结构较复杂，对时钟抖动和漂移较敏感。串行OTDM复用器将超短脉冲信号串行调制，对器件速率要求高，需消除因器件串联而积累起来的有害影响。42（3）光解复用技术OTDM解复用器是OTDM系统中最关键的器件之一。OTDM解复用器需要快速、稳定、无误码地工作，与偏振无关，且定时抖动值小，控制功率还要低。OTDM解复用器的典型结构非线性光环路镜（NOLM）T赫兹非对称解复用器（TOAD）辅以SOA的马赫—曾德尔干涉仪（SOA-MZI）43接收到的信号脉冲从A端输入，被耦合器被分为两束幅度相等、相位相差/2的信号分量，分别沿环路顺时针和逆时针方向传输，作为探测脉冲。控制信号（频率为OTDM信号的帧速率）经由WDM耦合器进入光纤环并顺时针传输。没有控制脉冲时，两束探测脉冲在沿着光纤环传输之后相位相差/2，在耦合器中干涉相消，不能从B端输出。有控制脉冲时，只有顺时针的探测脉冲因与控制脉冲之间的XPM而获得相移，两束探测脉冲在耦合器中干涉增强，进而从B端输出。特点：结构简单、响应速度快、转换效率高、成本低等优点，但功耗较大，工作状态不稳定，对偏振非常敏感。NOLM解复用器44工作原理与NOLM类似。NOLM利用光纤中的XPM效应TOAD则利用SOA中的XPM

特点：SOA是一种非线性较强的介质，TOAD用SOA代替光纤，缩短了环路长度，结构更紧凑，功率更小，工作更稳定，且易于集成。TOAD解复用器45（4）时钟提取技术电时钟提取采用一个高Q值的滤波器直接提取时钟。较简单，但不适用于高速OTDM系统。光电锁相环时钟提取采用光电结合的反馈锁相环路，将本地光时钟与入射光脉冲流锁定。既具备光学信号处理的高速性能，又利用了传统电子锁相环的频率和相位跟踪特性，因此得到了较广泛的应用。全光时钟提取主要利用自脉动半导体激光器注入锁定技术，或窄带光滤波器技术；是速度最快的时钟提取方式，潜力大，但技术不够成熟。467.3.3OTDM网络（1）OTDM广域网当广域网的规模和距离很大，网络容量达到几个Tbps时，如果仅采用WDM技术则会遇到一些难以克服的困难，如波长数目有限及多波长的长途传输问题等，因而采用OTDM和WDM结合的方案来对广域网扩容。采用OTDM高速干线连接多个WDM子网，在主节点可配置OADM和OXC来负责业务数据的上下路、输导和保护等功能。47混合采用OTDM＋WDM的广域网分层模型WDM层对应着颗粒最大的波长通道。OTDM层对应着较小颗粒，既支持比特间插的信道交换，又可支持基于分组的数据交换。OADM和光分组交换设备所对应的功能是这两层之间联系的纽带。48采用U型总线拓扑来连接高性能计算机，利用比特间插光时分多址（OTDMA）技术提供高质量的互连和接入手段。为了实现节点同步，由一个超短脉冲源提供各节点读写操作的时钟脉冲，由起始端沿着总线传输。在计算机进行写操作时，网络接口提取一部分时钟脉冲，经过调制器调制后，产生的数据信道通过一个可变延时器和耦合器插入到合适的时隙中去。在进行读操作时，网络接口取出一部分时钟和信号脉冲，取出的时钟脉冲用来驱动解复用器，从OTDMA的数据流中提取出所需的信道。2）基于比特间插的OTDMLAN49（3）基于时隙复用的OTDMLAN采用基于帧的螺旋式单向

总线结构，并通过时隙

复用方法来支持光纤总线

上用户之间的互连。为了实现CoS和QoS，可以

对总线时隙分类和分级，

再根据优先级把时隙带宽

动态地分给用户：保证带宽的时隙（GBW时隙）按需分配带宽的时隙（BOD时隙）接收机时隙（RCV时隙）50§7.4量子通信光既有粒子性又有波动性，即波粒二象性。可以利用光的量子性进行通信。量子通信量子理论和信息科学相结合的产物；利用光在微观上的粒子特性，通过光子或纠缠的光子对作为信息载体；特点是，在理论上可实现超大容量的信息传递，并能生成理论上无法破译的密钥。517.4.1量子通信的理论基础量子信息用量子态表示信息，量子态的演变遵