《现代光纤通信》课件第9章.ppt

1、第9章 光纤通信新技术第9章 光纤通信新技术9.1 相干光通信技术9.2 光孤子通信技术9.3 光交换技术第9章 光纤通信新技术 9.1 相干光通信技术相干光通信技术1.相干光通信技术的基本原理相干光通信技术的基本原理在相干光通信系统传输的信号可以是模拟信号，也可以是数字信号，无论何种信号，其工作原理可以用图9-1-1来加以说明。第9章 光纤通信新技术图9-1-1 光相干检测原理图第9章 光纤通信新技术图9-1-1中的光信号是以调幅、调频或调相的方式被调制(设调制频率为s)到光载波上的。当该信号传输到接收端时，首先与频率为L本振光信号进行相干混合，然后由光电检测器进行检测，这样获得了中频频率为

2、IF=sL的输出电信号，因为IF0,故称该检测为外差检测，那么当输出信号的频率IF=0(即s=L)时，则称之为零差检测，此时在接收端可以直接产生基带信号。根据平面波的传播理论，可以写出接收光信号Es(t)和本振光信号EL(t)的复数电场分布表达式为ES(t)=ESexpj(St+S)(9-1-1)EL(t)=ELexpj(Lt+L)(9-1-2)第9章 光纤通信新技术当ES(t)和EL(t)彼此相互平行，均匀地入射到光电检测器表面上时，则发生光的干涉，由于总入射光强正比于ES(t)+EL(t)2,则输出电流为(9-1-3)cos(2)(LSIFLsLstPPRPPRI式中，R为光电检测器的响应

3、度，Ps，PL分别为接收光信号和本振光信号强度。一般情况下，PLPs，从上式中可以看出，其中第一项近似为与传输信息无关的直流项，而第二项经外差检测后的输出信号电流，很明显其中含发射端传送信息，输出信号电流表示为(9-1-4)cos(2)(outLSIFLstPPRti第9章 光纤通信新技术对零差检测，IF=0，输出信号电流为(9-1-5)cos(2)(outLSLsPPRti第9章 光纤通信新技术2.相干光通信系统的组成相干光通信系统的组成相干光通信系统的方框图参见图9-1-2。图9-1-2 相干光通信系统框图第9章 光纤通信新技术图9-1-2中发射机是由光载波激光器、调制器和光匹配器组成。光

4、载波调制器后，输出的已调光波进入光匹配器。光匹配器有两个作用，一是为了获得最大的发射效率，使已调光波的空间分布和光纤中HE11模之间有最好的匹配；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。从光匹配器输出的已调光波进入单模光纤传输，光纤的损耗、色散和偏振状态的变化等因素都会影响已调信号光波。因此，在接收端光波首先进入光匹配器，它的主要作用是使信号光波的空间分布和偏振方向与本振光波匹配，以便得到最大的混频效率。第9章 光纤通信新技术已调信号光波和本振光波混频后，由光电二极管进行检测，输出的中频信号在中频放大器中得到放大，然后再通过适当的处理，即根据发射端调制形式进行解调，就可以获得

5、基带信号。与直接检测相比，相干光通信有如下优点：(1)接收灵敏度高。(2)频率选择性好。(3)相干光通信不但可利用信号的强度信息，还能充分利用信号的位相信息，并可采用多种调制解调方式，具有很大灵活性及选择余地。(4)相干接收技术可以抑制级联光放大器中产生的严重噪声累积，故可采用多级光放大器级联来延长中继距离。第9章 光纤通信新技术3.相干光通信的影响因素相干光通信的影响因素1)偏振噪声由于本振光的偏振方向是由光源来决定，并使之保持恒定，然而经过单模光纤传送的信号光将受到张力、侧压力和温度变化等因素的影响，使得接收端所接收的信号光的偏振态随时间而变化，这样偏振态随机变化的信号光与偏振态一致的本振

6、光相互混合时，便产生了随机变化的偏振噪声。噪声严重时，即信号光与本振光正交时，会出现信号消失的现象，从而影响正常通信。因此在相干光通信系统设计中，必须采取必要的措施，减少偏振噪声。第9章 光纤通信新技术2)反射噪声光纤传输路径上总会存在一些光器件与光纤的耦合和光纤与光纤的连接点，而在这些点处其折射率是不均匀的，当光信号经过时，便会引起反射。当这种反射光进入信号光源和本振光源时，便会造成激光器谱宽度的随机变化，从而产生反射噪声，严重时甚至会使激光器处于多纵模工作状态之下，进而严重影响系统性能。克服方法是在相干光通信系统中的信号光源处和本振光源处都使用光隔离器件，以减小反射噪声的影响。第9章 光纤

7、通信新技术3)光纤中的非线性效应光纤中传输的光信号功率过大的话，会产生非线性效应，主要有受激喇曼散射(SRS)、受激布里渊散射(SBS)、非线性折射和四波混频等。SRS的阈值为500 mW，SBS的阈值为10 mW。所以，对单信道相干光系统，SRS和SBS一般不会产生影响；但对多信道复用相干光通信系统，必须考虑它们影响。此外相干光通信系统，还需要格外注意四波混频对系统的限制问题。第9章 光纤通信新技术4)光纤色散由于相干光通信对光源的要求非常高，因而都以具有极窄的光谱宽度的单纵模激光器作为通信光源，加之采用外调制方式，这样便可以避免啁啾的影响。尽管如此光纤色散效应依然存在，因此，在实际相干光通

8、信系统中，要求由光纤色散效应所导致的接收灵敏度下降不得超过1 dB。为达到这一要求，通常在外差相干光通信系统中，通过对中频信号进行处理来补偿光纤色散对系统性能的影响，从而达到消除色散影响的目的。第9章 光纤通信新技术4.相干光通信系统的关键技术相干光通信系统的关键技术1)半导体激光器的频率稳定问题和谱宽压缩问题由于外差接收机中混频过程是信号光波和本振光波差拍，本振光波频率为1014 Hz，较中频频率高105106倍。因此，本振光波频率有一点微小的变化，对中频来说都是很大的变化，所以，外差光纤通信系统对光源的频率稳定度要求很高，可达105106以上，频率漂移在10 MHz以下。外差光纤系统对光源

9、除要求频率稳定以外，还要求光源所发光的谱线很窄，即单色性要非常好，否则将引起相位噪声的增大。解决的办法是注入锁模、外腔反馈等，以及采用分布反馈半导体激光器(OFB-LD)、量子阱半导体激光器。第9章 光纤通信新技术2)光波的极化稳定问题在外差式光接收机内信号光波和本振光波的极化方向一致(即匹配)才能有高的接收机灵敏度。引起光波传播时极化不稳定的因素，从光纤内部来看有光纤截面几何形状不均匀、光纤内部应力不均匀等；外部因素有光纤受到弯曲、扭绞、振动、受压等。为了减少光纤的极化不稳定，在光纤制造上采取了一系列措施，例如制造极化保持光纤等。但是从性能和成本上来看都还存在一定的问题。目前多采用极化分集接

10、收的办法，亦可在接收机上加极化控制元件等。第9章 光纤通信新技术3)平衡接收技术双路平衡接收技术可以降低强度噪声对系统的影响，从图9-1-3中可以看出，信号光与本振光首先在耦合器中进行混频，然后被分成两路强度相等的光信号，但它们的相位之间存在相位差。根据式(9-1-3)，这两路光信号在分别通过光电检测器之后，其光电流分别为2)cos(2)(LSIFLsLsstPPRPPPI2)cos(2)(LSIFLsLsstPPRPPPI第9章 光纤通信新技术图9-1-3 双路平衡接收技术原理图第9章 光纤通信新技术所以，输出的总电流为(9-1-6)cos(2)(outLSIFLstPPRti从式(9-1-

11、6)可以清楚地看出，两支路光电流相减之后，其直流分量被彻底抵消，这样与直流分量有关的强度噪声也随之消除，但其交流项却与本振光功率的平方根成正比，因而强度噪声影响程度要小得多，这样就通过采用平衡接收技术基本消除强度噪声的影响。第9章 光纤通信新技术4)相位分集接收技术为了降低相位噪声，要求在相干光通信系统中采用单纵模、光谱宽度窄、频率可调谐的半导体激光器作为光源，即使如此，相位噪声对系统性能的影响仍不能忽视，因而在实际中可在接收端采用相位分集接收技术来解决相位噪声问题，如图9-1-4所示。由图中可看出，信号光与本振光经光耦合分路器分成具有不同相位移的多路光信号，各路光信号经各自的光电检测器检测获

12、得各路电信号，再经过信号处理将它们叠加起来，当经过理想处理后可使叠加的总信号电流与SL无关。以零差检测双路相位分集接收为例，这时信号光与本振光耦合后被分成两路，如果它们之间存在一个/2的相位移，这两种信号电流将分别正比于cos(SL)和sin(SL)，当两路信号电流被分别平方再叠加时，其结果就与相位信息(SL)无关。实验充分表明，在采用多路相位分集接收的零差相干通信系统中，光源的光谱宽度可以放宽到接近码率，而系统的接收灵敏度并没有表现出明显的下降趋势。第9章 光纤通信新技术图9-1-4 相位分集接收技术原理图第9章 光纤通信新技术诸多关键技术的解决使得相干光通信系统复杂程度很高，经济性、可靠性

13、都有待提高，推迟了它的商业化进程。另外光放大技术和光波分复用技术的应用也推迟或替代了它的商用。但是，相干光通信技术在长途传输网、本地网、CATV网以及新型网络中的应用仍有光明前景。第9章 光纤通信新技术9.2 光孤子通信技术光孤子通信技术1.光孤子通信的概念光孤子通信的概念孤子波是在1834年首次被观察到的。孤子波现象在水波、电磁波等中都有可能存在，人们对这种现象进行了长期的研究，在理论上给予了证明。1973年人们把孤子现象应用于通信领域，1980年才通过实验观察到光纤中的孤子现象，光孤子通信技术得到了空前的研究和发展，并逐渐实用化。光孤子通信是一种很有发展前途的全光通信技术，是实现超大容量超

14、长距离传输的重要技术之一。第9章 光纤通信新技术光孤子的产生原因是光纤的非线性效应。通常在光场较弱的情况下，可以认为光纤的各种特征参数随光场的强弱作线性变化。但是如果光场很强，则光纤的特征参数将随光场呈非线性变化。光纤群速度色散(GVD)会使光脉冲展宽，而自相位调制则使波形中较高频率分量不断累积，使波形变陡，即光纤的非线性特性使光脉冲变窄。光纤群速度色散(GVD)和自相位调制(SPM)达到平衡，则使光脉冲在传播中保持形状不变，即形成所谓的“光孤子”，使“光孤子”在光纤中长距离传输即实现了超大容量超长距离传输的光孤子通信系统。第9章 光纤通信新技术2.光孤子通信系统光孤子通信系统将光孤子物理现象

15、运用于光纤通信中，即形成了光孤子通信系统，组成框图如图 9-2-1 所示，系统中的光源为光孤子源，光放大器代替光-电-光中继器，由于系统的速度极高，多采用外调制器。第9章 光纤通信新技术图9-2-1 光孤子通信系统的组成框图第9章 光纤通信新技术1)光孤子源光孤子激光器种类有多种，如增益开关法布里-柏罗腔(FP)激光器、分布反馈激光器、色心激光器、锁模激光器等。除作为光纤通信光源的一般要求外，由于产生光孤子需要较高的功率，因此光孤子源要求输出功率大且为窄脉冲。对于标准光纤，实现孤子传输(N=1)所需的实际功率大约是几百毫瓦或更大，然而一般的激光二极管是难以达到这样高的输出功率的。对于色散位移光

16、纤来说，7 ps脉冲的孤子传输所需功率大约是2060 mW。若孤子脉冲宽度为20 ps，则需要的功率可降低到几个毫瓦，这样低的峰值功率使实用化成为可能，并且也大大地降低了成本。第9章 光纤通信新技术2)外调制器超高速大容量的光通信，一般情况下都采用外调制技术。这是因为外调制可以显著提高调制速度，可高达几十吉赫兹每秒。另一个原因是外调制可避免光源直接调制时所产生的啁啾。目前使用较多的是LiNbO3光调制器。3)光放大器目前使用较多的光放大器是EDFA，泵浦光源采用1.48 m InGaAsP激光器，因为EDFA具有增益大、与光纤匹配好、技术成熟、成本较低等优点。近年来，随着光纤喇曼放大器的发展，

17、在光孤子通信系统也逐渐获得应用。第9章 光纤通信新技术4)光孤子传输光纤用于光孤子传输的光纤主要有两种，即常规的1.3 m和1.55 m的单模光纤以及色散位移光纤。它们不仅处于低损耗窗口，而且对应的群色散均处于负值范围。具有正啁啾的光脉冲通过光纤时，脉冲可变窄。这样一来，光纤非线性引起光脉冲压缩与光纤色散引起的光脉冲展宽恰好相抵消，因而可保持光脉冲形状不变，使光脉冲不变形地无限远传输。第9章 光纤通信新技术5)光检测器光孤子通信系统中的光检测器与一般光纤通信系统中使用的检测器相同，只不过是要求检测器的响应速度要快得多，即带宽大得多，因为传输的速率很高。20世纪90年代光孤子技术虽然取得巨大进步

18、，在实验室利用环路模型来完成孤子的长距离传输，光纤孤子传输的实验研究结果是令人鼓舞的。1995年后开始现场试验和实用化研究，已经引起工业界和电信运营商的高度重视，光孤子通信系统以其固有的优点，在超高速超长距离的通信中必将占一席之地。第9章 光纤通信新技术9.3 光光 交交 换换 技技 术术1.空分光交换空分光交换空分光交换是在空间域上将光信号进行交换。空间光开关(space-optical switch)是光交换中最基本的功能元件，它可以直接构成空分光交换单元，也可以与其他功能开关一起构成时分光交换单元和波分光交换单元。图9-3-1给出了一种以22光开关输入为基本单元的多级互连空分光交换网络，

19、每个22光开关具有直通和交叉连接两种状态，22光开关按照一定的拓扑结构连接起来，可实现任一输入端到任一输出端、任一输入端到多输出端以及多输入端到任意一个输出端之间的交换。第9章 光纤通信新技术图9-3-1 空分光交换原理图第9章 光纤通信新技术空间光开关可以分为光纤型光开关和自由空间型光开关。基本的光纤型开关的入端和出端各有两条光纤，可以完成两种连接状态：平行连接和交叉连接。这样的光开关有四种实现方案。(1)波导型光开关，它由外部控制波导的折射率，利用电光效应或热光效应选择输出波导，如可利用LiNbO3方向耦合器构成。(2)门型光开关，它是用半导体光放大器或其他类型的门型光开关构成的22门型光

20、开关。第9章 光纤通信新技术(3)机械型光开关，这种光开关的开关速度较慢(量级)，只能用在OXC或OADM节点中，但其工作稳定，隔离度高。(4)热光开关，有Mach-Zahnder型和波导型。这种光开关的开关速度优于机械型光开关。利用22基本光开关以及相应的12光开关可以构成大型的空分光交换单元。第9章 光纤通信新技术2.时分光交换时分光交换时分光交换是针对时分复用的一种光交换方式，采用时隙互换原理实现交换。时分复用是把时间划分成帧，划分成N个时隙，并分配给N路信号，最后将N路信号复接到一根光纤上，在接收端用分接器恢复各路原始信号，如图9-4-2(a)所示。第9章 光纤通信新技术图9-3-2

21、时分光交换原理第9章 光纤通信新技术时隙互换是将时分复用帧中各个时隙的信号互换位置，最核心的工作是要能将时分复用信号顺序地存入存储器，同时又能将经过时隙互换操作后形成的另一时隙阵列顺序地取出。如图9-4-2(b)所示为实现时隙互换的一种方法，首先使时分复用信号经过分接器，在同时间内，分接器每条输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，最后用复接器将这些互换位置的信号重新组合起来构成新的帧，完成交换功能。第9章 光纤通信新技术3.波分光交换波分光交换波分光交换是针对WDM光网络的一种光交换方式，它是以波长交换来完成交换功能的。波分光交换通常使用

22、波长变换方法实现。图9-4-3为一根光纤中使用波长变换方法实现2和4的原理。利用上述原理可以实现波长变换光交换网络，如图9-4-4所示，节点有N个输入光纤和N个输出光纤，每光纤有M个波长，每根光纤输入的光信号首先经过解复用器分为M个波长信号，这NM路信号通过NMNM空分交换器处理，并在空分交换器的每个输出端配制波长转换器，然后进行波分复用。采用波长变换光交换可以大大降低阻塞率，这是因为当两根以上光纤中相同波长信号要进入同一根光纤时，可通过波长转换器将其中一路信号波长转换到其他波长上，可提供的连接数为N2M2个。第9章 光纤通信新技术 图9-3-3 波长变换方法实现波分光交换原理第9章 光纤通信新技术图9-3-4 波长变换光交换网络原理图第9章 光纤通信新技术4.复合光交换复合光交换对于光信号同时采用上述两种或三种交换方式称为复合光交换。