1、第第 6 章章 光通信光通信6.1 波分复用波分复用技术技术6.2 相干光通信相干光通信技术技术6.3 光孤子光孤子通信通信6.4 无线光无线光(FSO)通信通信6.5 全光通信全光通信系统系统6.6 紫外光通信技术紫外光通信技术6.1 波分复用技术波分复用技术6.1.1 波分复用的基本原理波分复用的基本原理 目前，波分复用波分复用(WDM)技术发展十分迅速，已展现出巨大的生命力和光明的发展前景，我国的光缆干线和一些省内干线已开始采用WDM系统，国内一些厂商也在开发这项技术。在过去20年里，光纤通信的发展超乎了人们的想象，光通信网络也成为现代通信网的基础平台。就我国长途传输网而言，截止1998
2、年底，省际干线光缆长度已接近20万公里。光纤通信系统经历了多个发展阶段，从20世纪80年代末的PDH系统到90年代中期的SDH系统，再到近来风起云涌的WDM系统，光纤通信系统自身在快速地更新换代。波分复用技术在光纤通信出现伊始就出现了，20世纪80年代两波长WDM(1310/1550 nm)系统就在美国AT&T网中开始使用了，其传输速率为21.7 Gb/s。但是直到20世纪90年代中期，WDM系统的发展速度并不快，主要原因有两个：TDM(时分复用)技术的发展，且155622 Mb/s2.5 Gb/s TDM技术相对简单。据统计，在2.5 Gb/s系统以下(含2.5 Gb/s系统)，系统每升级一
3、次，每比特传输成本就会下降30%左右。所以，在过去的系统升级中，人们首先想到并采用的是TDM技术。波分复用器件还没有完全成熟，波分复用器/解复用器和光放大器在20世纪90年代初才开始商用化。从1995年开始，WDM技术的发展进入了快车道，特别是基于掺铒光纤放大器(EDFA)的1550 nm窗口密集波分复用(DWDM)系统的出现。WDM技术发展迅速的主要原因在于：光电器件的迅速发展，特别是EDFA的成熟和商用化，使得在光放大器(1530 nm1565 nm)区域采用WDM技术成为可能；由于利用TDM方式已日益接近硅和镓砷技术的极限，因此TDM已没有太多的潜力可挖，并且传输设备的价格也很高；已敷设
4、的G.652光纤1550nm窗口的高色散限制了TDM系统的传输，光纤色度色散和极化模色散的影响日益加重。现在，越来越多的人把兴趣从电复用转移到光复用，即从光域上用各种复用方式来改进传输效率、提高复用速率，而WDM技术是目前能够商用化的最简单的光复用技术。从光纤通信发展的几个阶段来看，所应用的技术都与光纤密切相关。20世纪80年代初期的多模光纤通信所应用的是多模光纤的850 nm窗口；80年代末、90年代初的PDH系统所应用的是单模光纤1310 nm窗口；1993年出现的SDH系统开始转向1550 nm窗口；WDM是在光纤上实行的频分复用技术，更是与光纤有着不可分割的联系。目前的WDM系统是在1
5、550 nm窗口实施的多波长复用技术，因而在深入讨论WDM技术以前，有必要讨论一下光纤的特性，特别是光纤的带宽和损耗特性。1光纤的基本特性光纤的基本特性 单模光纤由于具有内部损耗低、带宽大、易于升级扩容和成本低的优点，因而得到了广泛应用。从20世纪80年代末起，我国在国家干线网上铺设的都是常规单模光纤。常规石英单模光纤同时具有1550 nm和1310 nm两个窗口，最小衰减窗口位于1550 nm窗口。多数国际商用光纤在这两个窗口的典型数值为：1310 nm窗口的衰减为0.30.4 dB/km；1550 nm窗口的衰减为0.190.25 dB/km。光纤频谱的损耗如图6-1所示。从图6-1可以看
6、出，除了在1380 nm有一个OH-根离子吸收峰导致损耗比较大外，其他区域光纤损耗都小于0.5 dB/km。现在人们所利用的只是光纤低损耗频谱(13101550 nm)极少的一部分，以常规SDH 2.5 Gb/s系统为例，它在光纤的带宽中只占很小一部分，大约只有0.02 nm；全部利用掺铒光纤放大器EDFA的放大区域带宽15301565 nm的35 nm带宽，也只是占用光纤全部带宽13101570 nm的1/6左右。理论上，WDM技术可以利用的单模光纤带宽可达到200 nm，即25 THz带宽。所以即使按照波长间隔为0.8 nm(100 GHz)计算，理论上也可以开通200多个波长的WDM系统
7、，但是目前光纤的带宽远远没有被充分利用。WDM技术的出现正是为了充分利用这一带宽，而光纤本身的宽带宽、低损耗特性也为WDM系统的应用和发展提供了可能。2WDM的基本原理的基本原理 在模拟载波通信系统中，为了充分利用电缆的带宽资源、提高系统的传输容量，通常使用频分复用的方法，即在同一根电缆中同时传输若干个信道的信号。由于接收端各载波频率的不同，因此利用带通滤波器就可滤出每一个信道的信号。同样，在光纤通信系统中也可以采用光频分复用的方法来提高系统的传输容量，并在接收端采用解复用器(等效于光带通滤波器)将各信号光载波分开。由于在光的频域上信号频率差别比较大，且人们更喜欢采用波长来定义频率上的差别，因
8、而这样的复用方法称为波分复用。WDM技术就是为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源，并根据每一信道光波的频率(或波长)不同将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，然后把光波作为信号的载波，在发送端采用波分复用器(合波器)将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输，最后在接收端再由一个波分复用器(分波器)将这些不同波长承载不同信号的光载波分开的复用方式。由于不同波长的光载波信号可以看做是互相独立(不考虑光纤非线性时)的，从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输；而且双向传输的问题也很容易解决，只需将两个方向的信号分别在不同波长传输即可。波分复用器不同，可以复用的波长数也不同，从
9、两个至几十个不等，现在商用化的一般是8波长和16波长系统，这取决于所允许的光载波波长的间隔大小。图6-2给出了波分复用系统的原理图。WDM本质上是光域上的频分复用(FDM)技术，每个波长通路通过频域的分割来实现，每个波长通路占用一段光纤带宽。WDM技术与过去同轴电缆FDM技术不同的是：传输媒质不同，WDM系统是光信号上的频率分割，同轴电缆系统是电信号上的频率分割利用；在每个通路上，同轴电缆系统传输的是4 kHz的模拟语音信号，而WDM系统目前每个波长通路上是数字信号SDH 2.5 Gb/s或更高速率的数字信号。3WDM的主要特点的主要特点 WDM技术可以充分利用光纤的巨大带宽资源来使一根光纤的
10、传输容量比单波长传输容量增加几倍至几十倍。在大容量长途传输时，N个波长复用起来在单模光纤中传输可以大量节约光纤。另外，对于早期安装的芯数不多的电缆，利用波分复用之后，不必对原有系统做较大的改动即可方便地进行扩容。由于同一光纤中传输的信号波长彼此独立，因而可以传输特性完全不同的信号，以完成各种电信业务信号的综合和分离，包括数字信号和模拟信号，以及PDH信号和SDH信号。波分复用通道对数据格式是透明的，即与信号速率及电调制方式无关。一个WDM系统可以承载多种格式的“业务”信号ATM、IP或者将来有可能出现的信号。WDM系统完成的是透明传输，对于“业务”层信号来说，WDM的每个波长就像“虚拟”的光纤
11、一样。在网络扩充和发展中，WDM是理想的扩容手段，也是引入宽带新业务(如CATV、HDTV和B-ISDN等)的便捷手段，只需增加一个附加波长即可引入任意想要的新业务或新容量。利用WDM技术选路可实现网络交换和恢复，未来还可能实现透明的、具有高度生存性的光网络。在国家骨干网的传输中，EDFA的应用可以大大减少长途干线系统SDH中继器的数目，从而减少成本，而且距离越长，节省成本就越多。6.1.2 WDM通信系统通信系统1集成式系统和开放式系统集成式系统和开放式系统 WDM系统可以分为集成式WDM系统和开放式WDM系统。集成式系统中的SDH终端设备都具有满足G.692的光接口：标准的光波长、满足长距
12、离传输的光源(又称彩色接口)。这两项指标都是当前SDH系统不要求的。集成式系统整个系统的构造比较简单，没有增加多余设备。开放式系统就是在波分复用器前加入OTU(波长转换器)，将SDH非规范的波长转换为标准波长的系统。开放是指在同一WDM系统中可以接入多家的SDH系统；OTU对输入端的信号没有要求，可以兼容任意厂家的SDH信号；OTU输出端满足G.692的光接口：标准的光波长、满足长距离传输的光源。具有OTU的WDM系统，不再要求SDH系统具有G.692接口，而是可继续使用符合G.957接口的SDH设备，从而可以接纳过去的SDH系统，实现不同厂家的SDH系统工作在一个WDM系统内。但是OTU的引
13、入可能会对系统性能带来一定的负面影响。开放的WDM系统适用于多厂家环境，彻底实现了SDH与WDM分开。四路光信号开放式WDM系统如图6-5所示。波长转换器OTU器件的主要作用在于把非标准的波长转换为ITU-T所规范的标准波长，以满足系统的波长兼容性。对于集成系统和开放系统的选取，运营者可以根据需要来进行抉择。在有多厂商SDH系统的地区选择开放系统，而在新建干线和SDH制式较少的地区选择集成系统。现在采用开放系统的WDM系统越来越多。2工作波长区的选择工作波长区的选择 对于常规G.652光纤，ITU-T G.692给出了以193.1THz为标准频率、间隔为100GHz的41个标准波长(192.1
14、196.1 THz)，即15301561 nm。但在实际系统中，由于当前干线系统中应用WDM系统的主要目的是为了扩容，所以全部应用所有标准波长的可能性几乎为零。因为在整个EDFA放大频谱15301565 nm内，级联后的EDFA增益曲线极不平坦，可选用的增益区很小，各波长信号的增益不平衡，必须采取复杂的均衡措施，并且当前业务的需求并没有那么大的容量。综合各大公司的材料，15481560 nm波长区的16个波长更受青睐，西门子和朗讯都采用了这一波长区。在15491560nm波长区间，EDFA的增益相对平坦，其增益差在1.5 dB以内，而且增益较高，可充分利用EDFA的高增益区，如图6-6所示。在
15、多级级联的WDM系统中，容易实现各通路的增益均衡。另外，由于该区域位于长波长区一侧，因此很容易在EDFA的另一侧15301545 nm开通另外16个波长，然后将其扩容为32通路的WDM系统。16通路WDM系统的16个光通路的中心频率应满足表6-1的要求；8通路WDM系统的8个光通路的中心波长则应选择表6-1中加*的波长。WDM系统除了对各通路的信号波长有明确的规定外，对中心频率偏移也有严格规定。通路中心频率偏移定义为通路实际的中心频率与通路中心频率标称值的差。通路间隔为100 GHz的162.5 Gb/s WDM系统，寿命终了时的波长偏移应不大于20 GHz。3光接口分类光接口分类 由于现在应
16、用的WDM系统都是用于干线长途传输的，因而我国只选用有线路光放大器的系统，而不考虑两点之间无线路光放大器的WDM系统。现阶段我们只考虑8波长和16波长WDM系统的应用。对于长途WDM系统的应用，我们规定了三种光接口，即8 22 dB、3 33 dB和5 30 dB系统。其中，22 dB、30 dB和33 dB是每一个区段(Span)允许的损耗，而前一个数字(8，3，5)则代表区段的数目。图6-7为8 22 dB系统的示意图。该系统由8段组成，每两个LA之间的允许损耗为22 dB。BA和PA分别是功率放大器和预放大器，LA是线路放大器。假设光纤损耗以0.275dB/km为基础(包括接头和光缆富裕
17、度)，22 dB对应于80 km的光纤损耗，则8 22 dB的WDM系统可以传输8 80 km=640 km的距离，中间无电再生中继。80 km比较符合我国中继段的情况，可以满足大部分地区中继距离的要求。目前干线的中继段距离大多在5060 km。另外，8 22 dB系统在技术上相对成熟，可靠性高、性能好，光信噪比(OSNR)比3 33 dB和5 30 dB系统要好4 dB5 dB，因此可作为干线传输和省内二级干线传输的优选系统。在WDM系统中，目前的8通路系统不能升级为16通路系统，除非该8通路系统是配置不完全的16通路系统的子集，否则都不能直接升级，即没有前向兼容性。这就要求运营者在建设WD
18、M系统时，对本地业务量的发展要有正确的估计，以选择合适的通路数。4光接口参数光接口参数 在进行WDM系统设计时，对系统光接口的参数要规范化、标准化，特别是考虑到高功率条件下非线性效应和光信噪比的要求，应合理地选择入纤功率，并对开放系统和集成系统提出相应要求。WDM系统接收端的光信噪比(OSNR)数值要求是，对于8 22 dB的系统，其光信噪比为22 dB；对于5 30 dB和3 33 dB的系统，则要求光信噪比分别为21 dB和20 dB。系统的OSNR很大程度上取决于区段的损耗，区段的损耗越大，则最后系统的性能越差。5性能要求性能要求 目前，WDM系统还缺少一套衡量其传输质量的标准。虽然光信
19、噪比可以用来衡量系统传输质量，但还存在一定缺陷。当光信噪比很高时(22 dB)，系统的质量还可以保证(一般BER 10-15)；但当OSNR工作在临界状态，如1517 dB时，OSNR就很难定量地评估信号传输质量了；再考虑到信号脉冲传输中出现的波形失真，有时OSNR较高时相应的误码率也较差。实际上，国家骨干网的WDM系统是基于SDH系统的多波长系统，因而其网络性能应该全部满足我国SDH标准规定的指标，包括误码、抖动和漂移。WDM系统在一个光复用段内只有一个电再生段，没有任何转接，因而不能用通道指标来衡量，而是暂时采用复用段指标来衡量，该指标与具体WDM系统的光复用段长度无关。开放式WDM系统引
20、入了波长变换器(OTU)，OTU应具有和SDH再生中继器一样的抖动传递特性和输入抖动容限。在DWM之后，又发展了密集波分复用(DWDM，Dense Wavelength Division Multiplexing)技术，DWDM指的是一种光纤数据传输技术，这一技术利用激光的波长按照比特位并行传输或者字符串行传输方式在光纤内传送数据。过去的WDM系统是几十纳米的波长间隔，现在的波长间隔则小多了，只有0.82 nm，甚至小于0.8 nm。密集波分复用技术其实是波分复用的一种具体表现形式。由于DWDM光载波的间隔很小，因而必须采用高分辨率波分复用器件来选取，如平面波导型或光纤光栅型等新型光器件，而不
21、能再利用熔融的波分复用器件。DWDM长途光缆系统中，波长间隔较小的多路光信号可以共用EDFA光放大器。在两个波分复用终端之间，可采用一个EDFA来代替多个传统的电再生中继器，同时放大多路光信号，延长光传输距离。在DWDM系统中，EDFA光放大器和普通的光/电/光再生中继器将共同存在，EDFA则用来补偿光纤的损耗，而常规的光/电/光再生中继器则用来补偿色散、噪声积累带来的信号失真。DWDM只是WDM的一种形式，WDM更具有普遍性，DWDM缺乏明确和准确的定义，而且随着技术的发展，原来所谓密集的波长间隔在技术实现上也越来越容易，已经变得不那么“密集”了。一般情况下，如果不特指是1310 nm/15
22、50 nm的两波分WDM系统，人们谈论的WDM系统就是DWDM系统。6.2 相干光通信技术相干光通信技术 自从光纤通信系统问世至今，所有的系统几乎都采用光强调制直接检测(IM-DD)的方式，这种系统的优点是调制、解调容易，成本低。但由于没有利用光的相干性，从本质上讲，这种系统还是一种噪声载波通信系统，不能充分利用光纤的带宽，且接收灵敏度低，传输距离短。为了充分利用光纤通信的带宽、提高接收机的灵敏度，人们开始考虑无线电通信中使用的外差接收方式是否可以用于光纤通信。因为光波也是一种电磁波，所以应该可以采用在无线电通信中使用的调制方式(幅移键控ASK、频移键控FSK、相移键控PSK)和外差接收方式，
23、从而出现了一种新型系统相干光通信系统。所谓相干光，就是光场具有空间叠加、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。6.2.1 相干光通信的基本原理相干光通信的基本原理 图6-8给出了相干光通信系统的组成框图。在相干光通信系统中，信号以适当的方式调制光载波。当信号光传输到接收端时，首先与本振光信号进行相干混频，然后由光检测器进行光电变换，最后由中频放大器对本振光波和信号光波的差频信号进行放大。中频放大输出的信号通过解调器进行解调，就可以获得原来的数字信号。在图6-8所示的系统中，光发射机光发射机由光载波激光器、调制器和光匹配器组成。光载波激光器
24、发出相干性很好的光载波，由数字信号经调制器进行光调制，经过调制的已调光波再通过光匹配器进入单模光纤。在这里，光匹配器有两个作用：一是获得最大的发射效率，使已调光波的空间分布和单模光纤基模之间有最佳的匹配；二是保证已调光波的偏振状态和单模光纤的本征偏振状态相匹配。在接收端，光波首先进入光匹配器，其作用与光发射机的光匹配器相同，主要是保证接收信号光波的空间分布和偏振方向与本振激光器输出的本振光波相匹配，以便得到高混频效率。设到达接收端的信号光场ES可表示为式中，AS为光信号的幅度；0为光载波频率；S为光场相位。本振光场EL可表示为 由于光匹配器使信号光与本振光具有相同的偏振状态，所以两光场经相干混
25、频后在光检测器上会产生的光电流IS。IS正比于|ES+EL|，即式中，R为光检测器的响应度；PS和PL分别为信号光和本振光的光功率；IF为信号光频与本振光频之差，IF=0-L，称为中频。一般情况下PS+PLPL，式(6-3)等号右边的第一项代表直流分量，而第二项包含了由发射端传来的信息，该信息可以是调幅、调频或调相的形式。由此可见，该信号电流与本振光信号成正比，可以等效地看成是本振光信号使接收光信号得到了放大，称之为本振增益，这就使得接收机的灵敏度大大提高了。在式(6-3)中，如果本振光频率L与信号光频率0相等，那么中频IF=0，这种检测方式称为零差检测。在零差检测中，信号电流iS变成 在这种
26、检测方式中，光信号被直接转换成基带信号光信号被直接转换成基带信号，但它要求本振光频率与信号光频率严格匹配本振光频率与信号光频率严格匹配，并且要求本振光本振光与信号光的与信号光的相位相位锁定锁定，图6-9给出了这种检测方式的结构和信号的频谱分布。如果本振光频率L与信号光频率0不相等，而是相差一个中频IF，那这种检测方式称为外差检测。在外差检测中，信号电流 与零差检测不同，外差检测不要求本振光与信号光之间的相位锁定和光频率严格匹配，但这种检测方式不能直接获得基带信号，信号仍然被载在中频上，因此需要对中频进行二次解调，图6-10给出了外差检测的结构和信号的频谱分布。根据中频信号的解调方式的不同，外差
27、检测又分同步解调和包络解调。外差同步解调如图6-11所示，光检测器上输出的中频信号首先通过一个中频带通滤波器(BPF，中心频率为IF)，然后分成两路，其中一路用作中频载频恢复，恢复出的中频载波与另一路中频信号进行混频，最后由低通滤波器(LPF)输出基带信号。这种同步解调方式具有灵敏度高的优点。在如图6-12所示的外差包络解调中，信号光没有中频载频的恢复过程，而是经带通滤波后直接经过包络检波器和低通滤波器，从而直接检测出基带信号。其光谱宽度的要求不高，采用分布反馈式(DFB)半导体激光器即可满足要求，因此这种方式在相干通信中很有吸引力。6.2.2 相干光通信的关键技术相干光通信的关键技术 与IM
28、-DD系统相比，相干光通信最显著的优点就是接收接收灵敏度高灵敏度高。由于相干检测对中频信号起重要作用的本振光功率较大，使中频信号较强，从而使接收灵敏度比IM-DD系统高1025dB，中继距离大大加长。相干光通信的第二个优点就是具有很好的频率选择性具有很好的频率选择性，通过对光接收机中本振光频率的调谐来对特定频率的光载波进行接收，可以实现信道间隔小至110GHz的密集频分复用，从而有效地增加传输容量、实现超高容量的传输。在IM-DD系统中，只能使用强度调制方式对光波进行调制；而在相干光通信系统中，可以采用调幅、调频和调相等多种调制方多种调制方式式。但是，相干光通信对光源、调制、传输、接收的要求都
29、要比IM-DD严格得多。实现相干光通信的关键技术主要有两个：一是要解决光源的频率稳定性问题解决光源的频率稳定性问题，在相干光通信系统中，发射机的载波光源和接收机的本振光源的频率稳定性要求非常高，不容易实现；二是接收信号光波和本振光波的偏振必须匹配接收信号光波和本振光波的偏振必须匹配，以保证接收机具有较高的灵敏度。目前这些问题并没有得到完全解决，所以相干光通信系统尚不能进入实用阶段。但是近年来，已成功研制出一些相干光通信实验系统，这些实验向人们展示了相干光通信系统的优越性。我们有理由相信，随着技术水平的提高，在不久的将来，相干光通信将在光纤通信中发挥重要作用。6.3 光孤子通信光孤子通信 光纤的
30、损耗和色散是限制系统的传输距离的两个主要因素，尤其是在传输率为兆位每秒以上的高速光纤通信系统中，色散将起主要作用，且脉冲展宽效应会使得系统的传输距离受到限制。能不能设法保持脉冲形状，使其在传输过程中不展宽，从而提高通信距离呢？近年来出现了解决这一问题的新型通信方式光孤子通信。所谓光孤子，是指经过光纤长距离传输后，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。6.3.1 光孤子的基本特征光孤子的基本特征 1973年，Hasegawa首先提出了光纤中的孤立子的概念，称为光孤子。1980年，Moll
31、enaner在实验中首次证实了光纤中光孤子的存在。这种光孤子与一般的光脉冲不同，它的脉冲宽度极窄，达到ps的数量级，而其功率又非常大。那么，光孤子是如何形成的呢？在光纤中传输高功率窄脉冲光信号时，非线性效应(自相位调制SPM)和色散效应(群速度色散GVD)的相互抵消作用可产生光孤子。光纤的非线性效应和色散效应原本都是破坏波形稳定的因素，色散效应使波形有散开(展宽)的趋势，这是因为组成光波的各频率分量具有不同的群速度，因而传输一段距离后，波形便展宽了；而非线性效应与色散效应恰恰相反，它使得较高频率分量不断积累，这样光波在传输的过程中形状越来越陡。如果把这两种效应巧妙地结合，相互制约、相互平衡，就
32、有可能保持波形的稳定不变，成为光孤子。设光纤无损耗，在光纤中传输的已调波为线性偏振模式，其场强可以表示为式中，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。已调波E(r,z,t)的频谱在=0处有峰值，频谱较窄，所以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。在0和P=0附近，把展开成级数得式中，vg为群速度，即脉冲包络线的运动速度；，与一阶色散成比例，它描述群速度与频率之间的关系；。令 ，LNL称为非线性长度，表示非线性效应对光脉冲传
33、输特性的影响。6.3.2 光孤子通信系统光孤子通信系统 图6-14(a)示出了光孤子通信系统的构成框图。光孤子源会产生一系列脉冲宽度很窄的光脉冲，即光孤子流。光孤子流作为信息的载体进入光调制器，并使信息对光孤子流进行调制。调制的光孤子流经掺铒光纤放大器和光隔离器后，进入光纤线路进行传输。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来向光孤子注入能量，以补偿因光纤而引起的能量损耗，达到确保光孤子稳定传输的目的。在接收端，通过光检测器和解调装置来恢复光孤子所承载的信息。目前，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，并有规定的形状和峰值。光孤子源有很
34、多种类，主要有掺铒光纤孤子激光器、锁模半导体激光器等。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，传输距离可达到1000 km；在传输速率为20 Gb/s时，传输距离可达到350 km；对循环光纤间接实验系统，如图6-14(b)所示；传输速率为2.4Gb/s时，传输距离可达到12 000 km；改进实验系统，传输速率为10 Gb/s时，传输距离可达106 km。6.4 无线光无线光(FSO)通信通信 无线光通信又称自由空间光通信(Free Space Optical Communication，FSO)是一种宽带接入方式，是光通信和无线通信结合
35、的产物，它利用光束信号通过大气空间，而不是通过光纤传送信号。这种技术的接入系统在组成结构上与光纤传送系统非常相似，系统的物理组成非常简单、用户无需申请无线频率，而且起始投资低、运营费用低、能快速装设、可提供与光纤系统相似的传送带宽。随着器件的成熟，特别是应用无线光通信大规模后，器件价格进一步下降，宽带的无线光接入技术将会成为新的应用方向。6.4.1 无线光通信技术的发展无线光通信技术的发展 2001年2月美国的一些无线光设备制造商联合电信运营商成立了空间光通信联盟。该组织已举行了多次会议，对促进FSO系统的大规模推广起到了积极的作用。在FSO这个领域里，国外已有几个大的FSO厂家，包括Ligh
36、t Pointe公司、Air Fiber公司、Canon公司、Terabeam公司。Terabeam公司和Air Fiber公司已将FSO应用于商业服务。Light Pointe公司将自由空间光学技术用于创造、设计和制造光传输设备，并向电信服务商提供比传统光缆传输速度更快、成本更低的高速通讯解决方案。Light Pointe的系统以超快的速度提供安全可靠的无线传输，速度最高可达2.5 Gb/s，且产品适应性强，可解决城市地区的连接问题。国内FSO的发展也初步走上商业服务之路。桂林某研究所主要推出了大气激光通信机的样机；中科院成都光电技术研究所在引进的国外公司先进的激光器及其附属电路的基础上，利
37、用自己在光学器件上的优势，开发出了工作波长为850nm、可以传输1km、4km两种距离的两款产品；上海光机所承担的“无线激光通信系统”项目在2003年1月通过了验收，该系统具有双向高速传输和自动跟踪功能，其传输速率可以达到622Mb/s，通信距离可以达到2 km，自动跟踪系统的跟踪精度为0.1mrad，响应时间为0.2 s。自动跟踪系统采用双波长同光路接收镜筒和高灵敏度位敏探测器来实现灵敏的伺服跟踪，并简化通信系统的机械结构，在降低成本上具有自己的特色和创新，已申请了专利。深圳飞通有限公司利用自身强大的光电器件的优势，开发出了在光收发模块加上EDFA系统方式的样机，其速率有155 Mb/s、6
38、22 Mb/s以及1.25 Gb/s几种，通信距离最远可达4 km。清华同方研究发展中心一直致力于“最后一公里”解决方案的探索，并于2001年12月成立FSO技术跟踪研究小组，推出了自由空间光通讯产品TFOW100-1，完成了1000m点对点通信样机的检测。TFOW100-1能提供100 Mb/s的带宽。随着互联网应用的兴起，在许多宽带的技术之中，无线光通信以其容量和价格的优势受到越来越多运营公司的注意，应用的范围不断扩大。光纤传输无疑是最可靠的通信方式，但光纤敷设的周期较长、投资很大。虽然LMDS技术日渐成熟，比FSO的传输距离远，但这种接入方式需要高额的初始投资和频谱许可证，所以对业务提供
39、商而言，这种接入技术不如FSO经济；尽管铜缆是一种易得的传输媒介，用铜缆相连的大楼也远多于光纤，但由于DSL的带宽太低，使得这种基于铜缆的接入方式并不是解决“最后一公里”瓶颈问题的最可行的解决方案；FSO相对而言是一种比较好的方案，带宽可扩展、建设速度快，并且十分经济，其应用前景将非常广阔。6.4.2 无线光通信系统的构成及工作原理无线光通信系统的构成及工作原理 无线光通信是利用激光束作为载波，不使用光纤等有线信道作为传输介质，而是在空气中直接传输光信息的一种通信方式，也就是利用激光束作为信道在空间直接进行语音、数据、图像等信息双向传输的一种技术。FSO可分为大气光通信、卫星间光通信和星地光通
40、信。无线光通信系统包括发射发射和接收接收两个部分。发射部分主要由激光器、调制器和光学天线组成；接收部分主要由光学天线、光电检测器和电信号处理器组成。发射发射是先将待发送的信息源变换成电信号，然后将这些电信号输入光调制器，调制到一个由激光器产生的激光束上，并控制这个载波的某个参数，使光按电信号的规律变化；接下来激光载波就运载着这些已调制成激光的信息，在经过处理后由发射天线发射出去。接收接收是发射的逆过程，接收天线接收到已调制的激光信号后送到光检测器取出电信号，然后由信号变换设备恢复出原始信息。无线光通信系统中的发射天线和接收天线都由透镜构成。发射天线能把截面很小的激光束变成截面较大的激光束，以方
41、便接收天线调整方位并接收信号；接收天线接收大面积的激光束，并聚集成较小的光斑，起到恢复激光束本来面目的作用。图中信号交换与处理、信息发送与接收属于电信号部分。一般情况下，无线光通信设备的激光通信终端每一侧分别包括专用望远物镜(Telescope)、激光收发器部分、线路接口、电源和机械支架，但有的设备还包括伺服、监控、远程管理等部分。另外，部分设备中还集成了伺服装置，用于安装调试、组网调整以及由于环境因素引起的基座移动的调整。激光通信终端中的光源(Light Source)主要分为LD(Laser Diode)和LED(Light Emitting Diode)。其中，LD多采用铝砷化钾二极管(
42、AlGaAs Laser Diode)，接收器主要采用PIN(Positive Intrinsic Negative Diode)或APD(Avalanche Photo Diode)。只要无线光通信(FSO)系统的收发两端机之间存在无遮挡的视距路径和足够的光发射功率，通信就可以进行。在点对点传输的情况下，每一端都设有光发射机和光接收机，可以实现全双工的通信。由于大气空间对不同光波长信号的透过率有较大的差别，所以应选用透过率较好的波段窗口。FSO有两种工作波长：850 nm和1550 nm。850 nm的设备相对便宜，一般应用于传输距离不太远的场合；1550nm波长的设备价格要高一些，但在功率
43、、传输距离和视觉安全方面有更好的表现。1550nm的红外光波大部分都被角膜吸收，照射不到视网膜，因此，相关安全规定允许1550 nm波长设备的功率可以比850 nm的设备高两个等级。功率的增大有利于增大传输距离和在一定程度上抵消恶劣气候给传输带来的影响。FSO和光纤通信一样，具有频带宽的优势，能支持155 Mb/s10 Gb/s的传输速率，传输距离可达24 km，但通常在1 km有稳定的传输效果。FSO产品可以传输数据、语音、影像等内容。6.4.3 无线光通信系统的优点无线光通信系统的优点 虽然无线光通信技术还有待成熟，但它以独特的方式、显著的优点拥有着巨大的市场潜能。(1)频带宽，速率高，信
44、息容量大频带宽，速率高，信息容量大。理论上，无线光通信的传输带宽与光纤通信的传输带宽相同(光纤通信中的光信号在光纤介质中传输，而FSO的光信号在空气介质中传输)。目前国外无线光通信系统一般使用1550 nm波长(频率约为1.935105GHz)频段，传输速率可达10Gb/s(42.5Gb/s)，即可完成12万个话路，其传输距离可达5km；国内无线光通信系统一般使用850nm波长(频率约为3.529105GHz)技术，速率为10Mb/s155 Mb/s，传输距离可达4 km。光波作为信息载体可轻易传输高达10Gb/s码率的数据，能满足大容量信息传输的要求。美国贝尔实验室成功演示了无线光通信数据链
45、路，创造了在2.4 km的自由空间距离内以2.5Gb/s的速率无差错传输信息的世界纪录。目前国外商用无线光通信设备的传输速率已达到622 Mb/s。(2)频谱资源丰富频谱资源丰富。与微波技术相比，FSO设备多采用红外光传输方式，有非常丰富的频谱资源，无需向无线电管理部门申请频率执照和交纳频率占用费，也不会和微波等无线通信系统产生相互干扰。(3)适用多种通信协议适用多种通信协议。无线光通信产品作为一种物理层的传输设备，可以用在SDH、ATM、以太网、快速以太网等常见的通信网络中，并可支持2.5 Gb/s的传输速率，对话音、数据和图像业务可以做到透明传输。(4)部署链路快捷部署链路快捷。FSO设备
46、可以直接架设在楼顶，甚至可在水域上部署，能完成地对空、空对空等多种光纤通信无法完成的通信任务；其施工周期较短，可以在数小时内建立起通信链路，而建设成本只有地下光纤的五分之一左右。(5)传输保密性好传输保密性好。无线光通信的安全性是非常显著的，由于其具有很好的方向性和非常窄的波束，因此，对其窃听和人为干扰几乎是不可能的。(6)不易出现传输堵塞不易出现传输堵塞。由于光无线通信系统使用点对点的系统，在确定发收两点之间视线不受阻挡的通道之后，光无线通信系统到端用户节点之间的信号通道仍然保持着光的形式，中间没有电转换的介入。这样，光无线通信系统内光信号的流动就没有光电转换的障碍，所以信息在传输时就不会出
47、现信息堵塞现象。(7)便携性便携性。由于光波的波长短，在同样功能情况下，光收发天线的尺寸比微波、毫米波通信天线尺寸要小很多，同时功耗小、体积小、重量轻，而且无线通信装置可灵活拆装，并移装至其他位置，适于临时、应急的通信。(8)全天候工作全天候工作。FSO全天候工作的可靠率达99.999%，远远高于国际规定的通信系统年可靠率95%。6.4.4 无线光通信的无线光通信的关键关键技术技术1.高功率光源及高码率高功率光源及高码率调制调制技术技术 空间光通信系统大多可采用半导体激光器或半导体泵浦的Nd:YAG固体激光器作为信号光和信标光源，其工作波长满足大气传输低损耗窗口，即0.81.5 m的近红外波段
48、。用于ATP系统的信标光源(采用单管或多管阵列组合，以加大输出功率)要求能提供数瓦连续光或脉冲光，以便在大视场、高背景光干扰下快速、精确地捕获和跟踪目标；通常信标光的调制频率为几十赫兹至几千赫兹(或几千赫兹至几十千赫兹)，以克服背景光的干扰。用于数据传输的光信号源则选择输出功率为数十毫瓦的半导体激光器，但要求输出光束质量好、工作频率高，频率应达到几十兆赫至几十吉赫。据报道，贝尔实验室已研制出调制频率高达10 GHz的光源。此外，激光器的热稳定性和频率稳定性及工作寿命等性能都是需要考虑的因素。如采用直接调制方式，还需考虑频率啁啾、相位调制及电光延迟和张弛延迟等效应。2.精密、可靠的光束精密、可靠
49、的光束控制控制技术技术 在发射端，由于半导体激光器的光束质量一般较差、发散角大，而且水平和垂直两个方向的发散角不相等，因此必须进行准直，即先将发散角压缩到毫弧度级，然后再通过发射望远镜进一步将其准直成微弧度级光束；在接收端，接收天线的作用是将空间传播的光场收集并汇聚到探测器表面。发射和接收天线的效率及接收天线的口径都对系统的接收光功率有重要影响。国际上现有系统的天线口径一般为数厘米至25 cm之间。3.高灵敏度和高抗干扰性的光信号高灵敏度和高抗干扰性的光信号接收接收技术技术 空间光通信系统中，光接收机接收到的信号是十分微弱的，加上高背景噪声场的干扰，会导致接收端信噪比小于1。为快速、精确地捕获
50、目标和接收信号，通常采取的措施有：首先是提高接收端机的灵敏度，达到纳瓦皮瓦量级，这就需要选择量子效率高、灵敏度好、响应速率快、噪声小的新型光电探测器件；其次是对所接收的信号进行处理，在光信道上采用光窄带滤波器，如吸收滤光片、干涉滤光片、新型的原子共振滤光器等，以抑制背景杂散光的干扰，在电信道上则采用微弱信号检测与处理技术。4.快速、精确的捕获、跟踪和瞄准快速、精确的捕获、跟踪和瞄准(ATPAcquisition，Tracking，Pointing)技术技术 快速、精确的捕获、跟踪和瞄准技术是保证实现空间远距离光通信尤其是星际间光通信的必要核心技术。ATP系统通常由两部分组成：捕获(粗跟踪)系统
