第5章光纖通信新技術.ppt

第5章光纖通信新技術 光纖通信 張樹東zhangsd2 光信息科學與技術曲阜師范大學物理工程學院 第5章光纖通信新技術 5 1光放大器5 2光復用技術5 3 光交換技術5 4 光孤子通信5 5 相干光通信技術 5 1光放大器 5 1 1光放大器概述5 1 2半導體光放大器SOA5 1 3摻鉺光纖放大器EDFA5 1 4光纖拉曼放大器FRA Anopticalamplifierisadevicewhichamplifiestheopticalsignaldirectlywithouteverchangingittoelectricity Thelightitselfisamplified 即直接對光信號進行放大的有源器件 1 OpticalAmplifier OA 5 1 1光放大器概述 5 1光放大器 可靠性 Reliability 靈活性 Flexibility 波復用 WavelengthDivisionMultiplexing WDM 低成本 LowCost TraditionalOpticalCommunicationSystem Losscompensation Repeatersatevery20 50km 5 1 1光放大器概述 5 1光放大器 Genericopticalamplifier AllOAsbasedonstimulatedemissionofradiation aslasers incontrasttospontaneousemission Stimulatedemissionyieldscoherentradiation emittedphotonsareperfectclones 2 光放大器的原理 5 1 1光放大器概述 5 1光放大器 半導體光放大器 SOA SemiconductorOpticalAmplifier 3 光放大器的類型 按工作機理分類 5 1 1光放大器概述 5 1光放大器 諧振式 如FPA Fabry PerotAmplifier 行波式 如TW SOA TravelingWave SOA 光纖放大器 FA FiberAmplifier 摻雜稀土元素光纖放大器 DFA Doped FiberAmplifier EDFA Erbium DopedFiberAmplifierPDFA Praseodynium DopedFiberAmplifier 非線性光纖放大器 FRA FiberRamanAmplifier FBA FiberBrillouinAmplifier 幾種光放大器的比較 5 1 1光放大器概述 5 1光放大器 4 光放大器的主要性能參數 光增益特性飽和輸出功率工作帶寬噪聲系數增益平坦度等 5 1 1光放大器概述 5 1光放大器 1 放大器的增益 Gain 光增益與頻率和強度的具體關系取決于放大器增益介質的特性 均勻展寬二能級模型介質的增益系數 5 1 1光放大器概述 5 1光放大器 放大器輸出與輸入光信號功率之比 光功率沿增益區(qū)的分布 5 1 1光放大器概述 5 1光放大器 其中增益帶寬 放大器帶寬 2 飽和輸出功率 5 1 1光放大器概述 5 1光放大器 當P增大至與Pa比擬 則g w 下降 G w 也下降 此現象為 增益飽和 定義為增益特性下降至3dB時所對應的輸出光功率為飽和輸出功率 G0為小信號時的增益 3 放大器的噪聲 Noise Atypicaloutputsignalat1540nmwithASEnoise 噪聲使信號放大后的信噪比下降 常用光放大器噪聲指數Fn來量度SNR下降程度 5 1 1光放大器概述 5 1光放大器 主要來自放大器的放大自發(fā)輻射 ASE AmplifiedSpontaneousEmission 即增益介質中電子 空穴的自發(fā)復合 光放大器特性比較 5 1 1光放大器概述 5 1光放大器 線路放大 In line 周期性補償各段光纖損耗 功率放大 Boost 增加入纖功率 延長傳輸距離 前置預放大 Pre Amplify 提高接收靈敏度 局域網的功率放大器 補償分配損耗 增大網絡節(jié)點數 5 光放大器的應用 5 1 1光放大器概述 5 1光放大器 5 1練習題 1 1 傳統(tǒng)O E O光放大器必須具有所謂的 3R 功能 這里 3R 指代表什么 2 光放大器OA有哪些類型 3 光放大器OA有哪些應用 畫出作為線路放大的示意圖 5 1光放大器 5 1 1光放大器概述5 1 2半導體光放大器SOA5 1 3摻鉺光纖放大器EDFA5 1 4光纖拉曼放大器FRA 半導體光放大器 SOA SemiconductorOpticalAmplifier 5 1光放大器 5 1 2半導體光放大器SOA 一種結構類似于普通的半導體激光器的光放大器 與激光器的相同 即通過受激發(fā)射放大入射光信號 光放大器只是一個沒有反饋的激光器 其核心是當放大器被光或電泵浦時 使粒子數反轉獲得光增益 該增益通常不僅與入射信號的頻率有關 而且與放大器內任一點的局部光強有關 該頻率和光強與光增益的關系又取決于放大器介質 1 半導體光放大器的原理 5 1光放大器 5 1 2半導體光放大器SOA 根據光放大器端面反射率和工作偏置條件 將半導體光放大器分為 法布里 珀羅放大器 FP SOA 行波放大器 TW SOA 半導體光放大器的放大特性主要決定于激光腔的反射特性與有源層的介質特性 5 1光放大器 5 1 2半導體光放大器SOA 沒有反饋的激光器 其核心是當放大器被光或電泵浦時 使粒子數反轉獲得光增益 2 行波半導體光放大器 TW SOA 5 1光放大器 5 1 2半導體光放大器SOA 3 F P半導體光放大器 FP Fabry Poret SOA 5 1光放大器 5 1 2半導體光放大器SOA 半導體激光器由于在解理面存在反射 當偏流低于閾值時是放大器 F P諧振腔反射率R越大 SOA的增益越大 但是 當R超過一定值后 光放大器將變?yōu)榧す馄?當GsR 1時 SOA產生激光發(fā)射 不同反射率時的F PSOA的增益頻譜 5 1光放大器 5 1 2半導體光放大器 減小端面反射反饋 就可以制出行波半導體光放大器 習慣當GSR 0 17時 將SOA看作行波放大器 減小反射率的方法 F P半導體光放大器 5 1光放大器 5 1 2半導體光放大器 法布里 玻羅放大器 F PA 和行波放大器 TWA 的帶寬比較 行波光放大器的增益與波長的關系 4 SOA帶寬和增益頻譜 5 1光放大器 5 1 2半導體光放大器 兩個放大器并接 兩個結平面相互垂直的放大器串接 起因 由于半導體有源層的橫截面呈扁長方形 對橫向 長方形的寬邊方向 和豎向 長方形的窄邊方向 的光場約束不同 光場在豎向的衍射泄漏強于橫向 因而豎向的光增益弱于橫向 5 減小偏振態(tài)對SOA增益影響 5 1光放大器 5 1 2半導體光放大器 法拉第旋轉器加反射鏡 信號通過同一個放大器兩次 但是兩次間的極化旋轉了 使得總增益與偏振態(tài)無關 5 1光放大器 5 1 2半導體光放大器 5 1練習題 2 1 何謂半導體光放大器 描述其工作原理 5 1光放大器 5 1 1光放大器概述5 1 2半導體光放大器SOA5 1 3摻鉺光纖放大器EDFA5 1 4光纖拉曼放大器FRA 摻雜光纖放大器利用摻入石英光纖的稀土離子作為增益介質 在泵浦光的激發(fā)下實現光信號的放大 放大器的特性主要由摻雜元素決定 鉺 Er 摻雜光纖放大器 EDFA 1550nm鐠 Pr 摻雜光纖放大器 PDFA 1300nm銩 Tm 摻雜光纖放大器 TDFA 1400nm 目前 EDFA最為成熟 是光纖通信系統(tǒng)必備器件 5 1光放大器 5 1 3摻鉺光纖放大器EDFA 摻鉺光纖 鉺離子在光纖制造過程中被摻入光纖芯中 作為增益介質半導體泵浦二極管 為信號放大提供足夠的能量 使物質達到粒子數反轉 波分復用耦合器 將信號光和泵浦光合路進入摻鉺光纖中 光隔離器 使光傳輸具有單向性 放大器不受發(fā)射光影響 保證穩(wěn)定工作 1 摻鉺光纖放大器 EDFA 結構 5 1光放大器 5 1 3摻鉺光纖放大器EDFA 監(jiān)視和 告警電路 泵浦監(jiān)視 和控制電路 泵浦 LD P D 探測器 泵浦 LD 輸入隔離器 輸入 WDM 輸出耦合器 輸出隔離器 輸出 WDM 摻鉺 光纖 熱沉 光輸入 5V 0V 5V 電源 監(jiān)視 激光器驅動輸入 光輸出 實用光纖放大器外形圖及其構成方框圖 5 1光放大器 5 1 3摻鉺光纖放大器EDFA 鉺離子濃度與b a的關系 摻鉺光纖結構和折射率分布 2 摻鉺光纖結構 5 1光放大器 5 1 3摻鉺光纖放大器EDFA EDFA采用摻鉺離子單模光纖為增益介質 在泵浦光作用下產生粒子數反轉 在信號光誘導下實現受激輻射放大 信號光與波長較其為短的光波 泵浦光 同沿光纖傳輸 泵浦光的能量被光纖中的稀土元素離子吸收而使其躍遷至更高能級 并可通過能級間的受激發(fā)射轉移為信號光的能量 信號光沿光纖長度得到放大 泵浦光沿光纖長度不斷衰減 3 EDFA的工作原理 5 1光放大器 5 1 3摻鉺光纖放大器EDFA EDFA中的Er3 能級結構 泵浦波長可以是520 650 800 980 1480nm波長短于980nm的泵浦效率低 因而通常采用980和1480nm泵浦 鉺離子能級受石英材料的作用而分裂為窄能帶 吸收泵浦光 快速非輻射躍遷 光放大受激輻射 產生噪聲自發(fā)輻射 受激吸收 基態(tài)能帶 泵浦能帶 980nm 1480nm 亞穩(wěn)態(tài)能帶 1550nm 5 1光放大器 5 1 3摻鉺光纖放大器EDFA EDFA中的Er3 能級結構 5 1光放大器 5 1 3摻鉺光纖放大器EDFA 同向泵浦 前向泵浦 型 好的噪聲性能 反向泵浦 后向泵浦 型 輸出信號功率高 雙向泵浦型 輸出信號功率比單泵浦源高3dB 且放大特性與信號傳輸方向無關 三種泵浦方式的EDFA 5 1光放大器 5 1 3摻鉺光纖放大器EDFA 增益G是描述光放大器對信號放大能力的參數 定義為 輸出信號光功率 輸入信號光功率 G與EDFA的增益與鉺離子濃度 摻鉺光纖長度 芯徑和泵浦功率有關 4 EDFA的增益 5 1光放大器 5 1 3摻鉺光纖放大器EDFA 小信號增益G 30dB時 增益 輸入光功率的典型依存關系 5 1光放大器 5 1 3摻鉺光纖放大器EDFA 輸出信號功率與泵浦功率的關系 轉換效率 輸出信號功率 泵浦功率 吸收效率 信號輸出功率 信號輸入功率 泵浦功率 EDFA有很高的轉換效率 適合作功率放大器 60mW功率泵浦時 吸收效率為88 5 1光放大器 5 1 3摻鉺光纖放大器EDFA 工作波長正好落在光纖通信最佳波段 1500 1600nm 其主體是一段光纖 EDF 與傳輸光纖的耦合損耗很小 可達0 1dB 增益高 約為30 40dB 飽和輸出光功率大 約為10 15dBm 增益特性與光偏振狀態(tài)無關 噪聲指數小 一般為4 7 用于多信道傳輸時 隔離度大 無串擾 適用于波分復用系統(tǒng) 頻帶寬 在1550nm窗口 頻帶寬度為20 40nm 可進行多信道傳輸 有利于增加傳輸容量 5 EDFA的優(yōu)點 5 1光放大器 5 1 3摻鉺光纖放大器EDFA 5 1練習題 3 1 何謂摻鉺光纖 2 摻鉺光纖放大器用于放大哪個波長的光信號 3 畫出摻鉺光纖放大器中鉺離子的能級示意圖 標出能級間的受激吸收和受激輻射過程 并借此說明光纖放大器的工作原理 5 1光放大器 5 1 1光放大器概述5 1 2半導體光放大器SOA5 1 3摻鉺光纖放大器EDFA5 1 4光纖拉曼放大器FRA 1 光纖拉曼放大器工作原理 5 1光放大器 5 1 4光纖拉曼放大器FRA 光纖拉曼放大器 FRA FiberRamanAmplifier 是靠非線性受激Raman散射 SRS StimulatedRamanScattering 效應實現放大功能 不需要能級間粒子數反轉 自發(fā)Raman散射和受激Raman散射 SRS 效應 RamanScattering StimulatedRamanscattering 5 1光放大器 5 1 4光纖拉曼放大器FRA 弱泵浦 散射光各向同性 強泵浦 散射光與泵浦光同向 反向 一個弱信號光與一個強泵浦光同時在一根光纖中傳輸弱信號光的波長在泵浦光的拉曼增益帶寬內強泵浦光的能量通過受激拉曼散射耦合到光纖硅材料的振蕩模中 然后又以較長的波長發(fā)射 該波長就是信號光的波長 從而使弱信號光得到放大 獲得拉曼增益 FRAprinciple 5 1光放大器 5 1 4光纖拉曼放大器FRA 光纖 a 無泵激光的1550nm傳輸 5 1光放大器 5 1 4光纖拉曼放大器FRA 泵浦方式 反向泵浦為主 也可同向泵浦 放大介質 FRA以傳輸光纖作為放大介質 分布式放大 從而實現一種 無損耗 傳輸 可降低入纖光功率 避免非線性效應 放大范圍 通過適當改變泵浦激光波長 就可以達到在任意波段進行寬帶光放大 甚至可在1270 1670nm整個波段內提供放大 泵浦功率 要求泵浦源有較高的輸出功率 2 光纖拉曼放大器的特點 5 1光放大器 5 1 4光纖拉曼放大器FRA 分布放大 分立放大 3 分布 分立拉曼放大器 DRA 5 1光放大器 5 1 4光纖拉曼放大器FRA 小信號光在長光纖內的喇曼增益 泵浦功率為200mW時 最大增益值為7 78dB泵浦功率為100mW時 最大增益值為3 6dB 在增益峰值附近的增益帶寬約為7 8THz 4 光纖拉曼放大器的喇曼增益 5 1光放大器 5 1 4光纖拉曼放大器FRA 機制 拉曼增益與泵浦波長相關方法 多波長泵浦增益 各個泵浦波長拉曼增益譜的加權和 以dB為單位 1495nm1465nm1480nm1450nm1455 5nm1485 5nm1472 5nm1502 5nm PLC MZItypeopticalcombiner LD FBG 5 光纖拉曼放大器的寬帶放大 5 1光放大器 5 1 4光纖拉曼放大器FRA 多波長泵浦增益頻譜 5 1光放大器 5 1 4光纖拉曼放大器FRA 6 寬帶Raman EDFA光放大器 5 1光放大器 5 1 4光纖拉曼放大器FRA Raman EDFA光放大器增益曲線 Ultraflatamplifier 5 1光放大器 5 1 4光纖拉曼放大器FRA 5 1練習題 4 1 自發(fā)RAMAN效應和受激RAMAN效應有何不同 2 光纖拉曼放大器FRA的泵浦光波長與需要放大的通信波長之間有什么樣的關系 3 FRA工作時需要粒子數反轉嗎 為什么 第5章光纖通信新技術 5 1光放大器5 2光復用技術5 3 光交換技術5 4 光孤子通信5 5 相干光通信技術 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 WDM 5 2 2光時分復用 OTDM 5 2 3光碼分復用 OCDM 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 1 多信道復用光纖通信技術 在光域內進行時間分割復用 使不同的信道占用不同的時隙 在單根光纖完成多信道復用 由于需要全光邏輯和存儲器件 該技術還在研究之中 1 光波分復用 OWDM 技術 在光域內進行波長分割復用 使不同的信道占用不同的波長 在單根光纖完成多信道復用 該技術已經實用化 2 光時分復用 OTDM 技術 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 3 光碼分復用 OCDM 技術 在光域內進行碼型分割復用 用不同的碼型代表不同的信道 在單根光纖完成多信道復用 該技術尚在研究之中 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 1 密集波分復用DWDM 2 WDM若干概念 頻率間隔100GHz 波長間隔約0 80nm 信道數8 16 32 40 頻率間隔200GHz 波長間隔約1 60nm 信道數8 16 2 粗波分復用CWDM 波長間隔20nm 頻率間隔約2 50THz 信道數4 8 16 3 寬帶波分復用BWDM 不在同一低損耗窗口的兩個波長的復用 如1310 1550nm 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 4 光頻分復用OFDM 在1550nm窗口 頻率間隔1 10GHz 波長間隔約0 008 0 080nm 的復用 目前在電信界都采用DWDM技術 且經常用WDM這個更廣義的名稱來代替DWDM 摻鉺光纖放大器 EDFA 密集波分復用 WDM 非零色散光纖 NZDSF 即G 655光纖 光子集成 PIC 正成為國際上長途高速光纖通信線路的主要技術方向 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 Transmissionwindows 2 64Tb s高密集WDM傳輸實驗 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 3 WDM系統(tǒng)的基本形式 1 雙纖單向WDM傳輸 所有光通路同時在一根光纖上沿同一方向傳送 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 2 單纖雙向WDM傳輸 光通路在一根光纖上同時向兩個不同的方向傳輸 所用波長相互分開 以實現雙向全雙工的通信 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 4 波分復用系統(tǒng)的性能指標 1 信道中心波長 每個信道內分配給光源的波長 2 信道帶寬 每個信道內分配給光源的波長范圍 3 信道間隔 相鄰信道的波長間隔 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 隔離度的倒數稱為串擾 Crosstalk 4 信道隔離度 ChannelIsolation 由一個信道耦合到另一個信道的信號大小 隔離度定義 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 MUX DMUX l1 l4 l1 l4 由于增加光波分復用器 解復用器而產生的附加損耗 5 插入損耗 li光通道的插入損耗 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 MUX DMUX l1 l4 l1 l4 其中Pi為發(fā)送進輸入端口的光功率 Pr為從同一個輸入端口接收到的返回光功率 回波損耗是指從無源器件的輸入端口返回的光功率與輸入光功率的比 即RL ReturnLoss 6 回波損耗 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 7 偏振相關損耗 PDL Polarization dependentLoss 由于偏振態(tài)的變化所造成的插入損耗的最大變化值 5 2練習題 1 1 WDM DWDM CWDM BWDM 和OFDM有何異同 2 波分復用系統(tǒng)的主要特性指標有哪些 3 畫出單纖雙向WDM傳輸系統(tǒng)示意框圖 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 5 光波分復用器的器件 1 光纖耦合型器件 熔錐式光纖耦合器 將并排放置的兩根或多根光纖的一定長度部位扭絞在一起 將扭絞處逐漸燒成熔融狀態(tài) 同時慢慢拉伸光纖 使扭絞部位形成雙錐形耦合區(qū) 在耦合區(qū)內各個光纖的包層變薄 纖芯彼此靠近 根據靠近程度的不同 可以形成光場之間的強 弱耦合 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 將兩根光纖一定長度部位的包層一側研磨拋光 將兩根光纖并排放置使研磨拋光部位面對面緊貼在一起 在它們之間涂有一層折射率匹配液 形成耦合區(qū)域 在該區(qū)域能夠產生光場之間的耦合 根據包層研磨變薄程度的不同 也可以產生光場之間的強 弱耦合 研磨式光纖耦合器 1 2和3 4為直通臂 1 3和2 4為耦合臂 2 2耦合器 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 光經耦合器后 功率平均分配在兩臂上 但在兩臂上的信號有90度的相差 即直通臂相差為0 耦合臂相差為90度 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 z為耦合區(qū)軸向坐標 b為傳播常熟 g為光纖耦合系數 設計使得 gz p 4 則I2 I3 故稱3dB耦合器 理論計算給出 輸出光波的電場強度為 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 8 8星形耦合器 2 2耦合器組成的星形耦合器 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 2 角度色散型器件 棱鏡色散復用器 棱鏡對不同波長的光有不同的折射角 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 衍射光柵色散復用器 不同波長光的衍射角不一樣 透射光柵 普通透鏡反射光柵 漸變折射率透鏡反射光柵 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 普通透鏡反射光柵 光纖 硅衍射光柵 普通透鏡 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 陣列波導光柵 AWG 復用器 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 由2個多端口耦合器和陣列波導組成的解復用器 設計采用對稱結構 根據互易性 可實現分波和合波功能 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 3 光干涉型器件 介質膜濾波式由多層介質薄膜構成 其中高折射率層和低折射率層交替疊合 介質膜濾波式波分復用器 多光束干涉 相鄰反射 透射 光線的相位差 不含相位突變 為 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 合理設計各個腔的厚度 使得不同波長的光線以同一角度入射時 通過多層介質膜 某個波長光只在某個特定的F P腔有最大的透射輸出 介質膜干涉屬于多光束干涉 又稱Fabry Perot干涉 三層介質膜結構稱為一個F P腔 多個F P腔級聯(lián)構成多層介質膜 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 微結構型多層介質膜波分復用器原理固 用自聚焦透鏡代替使反射 或透射 光線會聚的傳統(tǒng)透鏡 將介質膜鍍在自聚焦透鏡的端面上 形成微結構型的介質膜波分復用器 自聚焦透鏡是一種圓柱棒狀微型光學元件 其折射率分布與自聚焦光纖相同 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 馬赫 曾德爾 Mach Zehnder 干涉式波分復用器 馬赫 曾德爾干涉式波分復用器是利用M Z干涉儀兩個不同長度的光路 提供相移隨波長的依賴關系 使得分別從干涉儀兩個輸入端口射入的兩波長光線 能夠從一個輸出端口射出 即合波 或者使得從干涉儀一個輸入端口射入的兩波長光線 能夠分別從兩個輸出端口射出 即分波 馬赫 曾德爾 Mach Zehnder 干涉儀 當兩列干涉臂的光程完全相等 考慮光波在半透半反鏡反射產生的半波損失 可知 光檢測器1的光路上有相長干涉光檢測器2的光路上有相消干涉 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 MZI 雙臂干涉 雙臂位相差 上臂位相 下臂位相 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 同理 雙臂位相差 上臂位相 下臂位相 雙臂位相差 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 若波長滿足 雙臂位相差 則4端干涉相長 3端干涉相消 若波長滿足 則3端干涉相長 4端干涉相消 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 MZI 雙臂干涉 l1 l2從1端輸入 且滿足 l1從4端出 l2從3端出 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 一般式 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 級聯(lián)M Z干涉分 濾 波器 輸入光波的頻率間隔必須精確地控制在 Dv 2 的整數倍 光信道間隔 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 5 2練習題 2 1 光纖耦合器的分波原理是什么 何謂3dB耦合器 2 畫出由4個2 2耦合器級聯(lián)構成4 4耦合器的連線圖 3 波分復用器件有哪三種類型 各包含哪些器件 4 畫出M Z干涉型波分復用器原理圖 如果作為l1 l2的分路器使用 說明其分波過程 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 6 光波分復用系統(tǒng)對光纖的新要求 1 制約波分復用系統(tǒng)的主要因素 偏振模色散 PMD PolarizationModeDispersion 單模光纖的幾何形狀不完善和折射率分布不對稱 使光纖中基模的兩個正交極化分量在光纖中傳播速度不一致 產生傳播時延差 引起光脈沖展寬的現象 稱為偏振模色散 平均時延差 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 高階色散 光纖色散與光波長的二階及二階以上的變化關系 稱為高階色散 通常 用零色散波長附近范圍內的色散斜率來反映高階色散的大小 稱為零色散斜率 零色散斜率的定義式為 單位ps nm2 km 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 非線性效應 光纖折射率與光波電場強度的二階和二階以上的變化關系 稱為非線性效應 自相位調制 SPM 交叉相位調制 XPM 四波混頻 FWM 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 2 新型光纖的推出 大有效面積光纖 LEAF LargeEffectiveAreaFiber 在高功率傳輸系統(tǒng)中 增加光纖的有效面積 可以有效地降低光纖中光功率密度 減小非線性效應 Aeff 100mm2 朗訊公司 全波單模光纖G 652C 低水峰光纖 低水峰光纖 在1280 1625nm范圍內的損耗趨于平坦 大大拓寬了光纖的可用帶寬 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 美國貝爾實驗室 低色散斜率G 655真波 TrueWave 光纖 低色散斜率光纖 色散斜率在0 05ps nm2 km 以下 PMD應低于0 5ps km1 2 低雙折射光纖 為降低PMD 制成低雙折射單模光纖G 652B 5 2練習題 3 1 制約波分復用系統(tǒng)的主要因素有哪些 2 為滿足光波分復用系統(tǒng)對光纖的新要求 有哪些新型光纖推出 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 WDM 5 2 2光時分復用 OTDM 5 2 3光碼分復用 OCDM 光時分復用 OTDM 是一種構成高比特率傳輸很有效的技術 它在系統(tǒng)發(fā)送端光學復用幾個低比特率數據流 在接收端用光學方法把它解復用出來 這種方法避開使用高速電子器件而改用寬帶光電器件 5 2 2光時分復用 OTDM 5 2光復用技術 1 光時分復用 5 2 2光時分復用 OTDM 5 2光復用技術 該系統(tǒng)的E O和O E轉換器 即光發(fā)射機和接收機 已變成基帶信號 與信號處理有關的所有電子設備均工作在基帶比特速率下 不存在電子瓶頸問題 光時分復用光纖通信系統(tǒng)示意圖 N個入射到復合器的光信號是RZ脈沖流 該脈沖流周期為B 脈沖寬度為T 使用延遲線對輸入脈沖流在時間上進行調整 使加于光復用器上的每個信道的脈沖流依次延遲一段時間Td 5 2光復用技術 2 光時分復用系統(tǒng)的定時原理圖 5 2 2光時分復用 OTDM 表示一個電主時鐘發(fā)生器被n個光脈沖發(fā)生器共用 在電時鐘路徑上 使用電延遲器件對輸入脈沖流延時 5 2光復用技術 5 2 2光時分復用 OTDM 3 光時分復用系統(tǒng)的復合過程 由多個光源構成的復用線路 在光信號路徑上 使用光延遲器件對輸入脈沖流延時 5 2光復用技術 5 2 2光時分復用 OTDM 由一個光源構成的復用線路 構成光解復用器的基本器件是1 2光開關 對于多信道系統(tǒng) 連接多個1 2光開關可以構成大容量的解復用交換網絡 5 2光復用技術 4 光時分復用系統(tǒng)的解復合過程 四信道解復用原理圖 5 2 2光時分復用 OTDM 5 2光復用技術 5 2 1光波分復用 WDM 5 2 2光時分復用 OTDM 5 2 3光碼分復用 OCDM 5 2 3光碼分復用 OCDM 5 2光復用技術 1 光碼分復用 給每個信道分配一個唯一的地址碼 該信道就以該密鑰作為信道的地址碼 對要傳輸的數據信息進行編碼 實現信道復用 接收機使用與發(fā)送端相同的編碼規(guī)則進行反變換 即進行光解碼 實現信道的解復用 對信號頻譜壓縮 恢復原來的數據信號 5 2 3光碼分復用 OCDM 5 2光復用技術 2 光碼分多址網絡編 解碼技術 直接編碼 跳時編碼 跳頻編碼 5 2光復用技術 直接編碼OCDM系統(tǒng) 使用7個比特 1001101 的密鑰對數據的每個比特進行編碼 接收機使用相同的密鑰對接收到的編碼信號解碼 從而恢復原來的信息 5 2 3光碼分復用 OCDM OCDM光纖網絡中的用戶可采用同一工作波長 所用設備可規(guī)格化 便于制造和維護 無須采用高選擇性的濾波器或相干檢測 不會產生四波混頻 對光放大器的增益平坦性要求不高 網絡接口協(xié)議簡單 具有潛在的應用前景 是實現未來全光通信網絡的重要技術之一 但是信道間串話比較大 雖然CDM光波系統(tǒng)受到人們的嚴重關注 但是離實用化還相差很遠 5 2光復用技術 3 對OCDMA的評價 5 2 3光碼分復用 OCDM 第5章光纖通信新技術 5 1光放大器5 2光復用技術5 3 光交換技術5 4 光孤子通信5 5 相干光通信技術 5 3光交換技術 目前的商用光纖通信系統(tǒng) 由于大量新業(yè)務的出現和國際互聯(lián)網的發(fā)展 今后通信網絡還可能變得擁擠 原因是在現有通信網絡中 高速光纖通信系統(tǒng)僅僅充當點對點的傳輸手段 網絡中重要的交換功能還是采用電子交換技術 單信道傳輸速率已超過10Gb s 實驗WDM系統(tǒng)的傳輸速率已超過5 38Tb s 光纖通信的需求與限制 傳統(tǒng)電子交換機的缺點 端口速率只有幾Mb s到幾百Mb s接口間頻繁的復用 解復用 光 電和電 光轉換設備復雜 成本高 系統(tǒng)可靠性低 全光通信的關鍵技術 異步轉移模式 ATM 可提供155Mb s或更高的速率 但電子線路的極限速率約為20Gb s 要徹底解決高速光纖通信網存在的矛盾 只有實現全光通信 而光交換是全光通信的關鍵技術 5 3光交換技術 光交換主要有三種方式 空分光交換 時分光交換 波分光交換 5 3光交換技術 空分光交換 5 3 1空分光交換 5 3光交換技術 使光信號的傳輸通路在空間上發(fā)生改變 空分光交換的核心器件 光開關 有電光型 聲光型和磁光型 其中電光型光開關具有開關速度快 串擾小和結構緊湊等優(yōu)點 有很好的應用前景 5 3 1空分光交換 5 3光交換技術 典型光開關是用鈦擴散在鈮酸鋰 Ti LiNbO3 晶片上形成兩條相距很近的光波導構成的 并通過對電壓的控制改變輸出通路 4個1 2光開關器件組成的2 2光交換模塊 1 2光開關器件就是Ti LiNbO3定向耦合器型光開關 只是少用了一個輸入端而已 2 2空分光交換單元 5 3光交換技術 5 3 1空分光交換 這種2 2光交換模塊是最基本的光交換單元 它有兩個輸入端和兩個輸出端 通過電壓控制 可以實現平行連接和交叉連接 空分光交換的平行連接和交叉連接 5 3光交換技術 5 3 1空分光交換 16個1 2光開關器件或4個2 2光交換單元組成的4 4光交換單元 4 4空分光交換單元 5 3光交換技術 5 3 1空分光交換 時分光交換 5 3 2時分光交換 5 3光交換技術 以時分復用為基礎 用時隙互換原理實現交換功能 時分復用是把時間劃分成幀 每幀劃分成N個時隙 并分配給N路信號 再把N路信號復接到一條光纖上 在接收端用分接器恢復各路原始信號 時隙互換 把時分復用幀中各個時隙的信號互換位置 復用信號經分接器后在每條出線上依次傳輸某一個時隙的信號 經過不同的光延遲器件 最后用復接器把這些信號重新組合起來 5 3 2時分光交換 5 3光交換技術 波分光交換 或交叉連接 5 3 3波分光交換 5 3光交換技術 以波分復用原理為基礎 采用波長選擇或波長變換的方法實現交換功能的 波長選擇法交換 5 3 3波分光交換 5 3光交換技術 1 設波分交換機的輸入和輸出都與N條光纖相連接 每條光纖承載W個波長的光信號2 從每條光纖輸入的光信號首先通過分波器分為W個波長不同的信號 5 3 3波分光交換 5 3光交換技術 3 所有N路輸入的波長為 i i 1 2 W 的信號都送到 i空分交換器 在那里進行同一波長N路 空分 信號的交叉連接 到底如何交叉連接 將由控制器決定 5 3 3波分光交換 5 3光交換技術 4 然后 以W個空分交換器輸出的不同波長的信號再通過合波器復接到輸出光纖上 5 3 3波分光交換 5 3光交換技術 波長變換法交換 5 3 3波分光交換 5 3光交換技術 波長變換法與波長選擇法的主要區(qū)別是用同一個NW NW空分交換器處理NW路信號的交叉連接 在空分交換器的輸出必須加上波長變換器 然后進行波分復接 這樣 可能提供的連接數為N2W2 即內部阻塞概率較小 5 3 3波分光交換 5 3光交換技術 第5章光纖通信新技術 5 1光放大器5 2光復用技術5 3 光交換技術5 4 光孤子通信5 5 相干光通信技術 5 4光孤子通信 孤子 Soliton 孤子 Soliton 又稱孤立波 是一種特殊形式的超短脈沖 或者說是一種在傳播過程中形狀 幅度和速度都維持不變的脈沖狀行波 ThesolitonphenomenonwasfirstdescribedbyJohnScottRussell 1808 1882 whoobservedasolitarywaveintheUnionCanalinScotland Hereproducedthephenomenoninawavetankandnameditthe WaveofTranslation 5 4光孤子通信 利用光孤子作為載體的通信方式 光孤子 Soliton 經光纖長距離傳輸后 其幅度和寬度都不變的超短光脈沖 ps數量級 光孤子的形成是光纖的群速度色散和非線性效應相互平衡的結果 光孤子通信 5 4光孤子通信 在入射光以高功率入射光纖的條件下 光纖折射率n隨光強而變化 這種特性稱為非線性效應 5 4 1光孤子的形成 1 非線性效應 E 0時的光纖折射率 E為電場 V m 克爾 Kerr 效應 克爾系數10 22 m V 2 5 4光孤子通信 2 自相位調制 SPM Self phasemodulation 光纖 L 光脈沖中光強為 E 2的光在光纖中的折射率變化 經光纖L引起的相位變化 這種使脈沖不同部位產生不同相移的特性 稱為自相位調制 5 4 1光孤子的形成 5 4光孤子通信 SPM引起的載波頻率的變化 脈沖的光強頻率調制 啁啾 zhoujiu chirp 脈沖的光頻被光強調制 即脈沖被調頻 在脈沖的上升部分頻率降低 在脈沖的下降部分頻率升高 此現象稱為啁啾 Chirp 脈沖上升部分 0 頻率上移 5 4 1光孤子的形成 5 4光孤子通信 光孤子的形成 設光纖中的已調波E r z t 的頻譜在w w0處有峰值 頻譜較窄 可近似為單色平面波 式中 R r 為徑向本征函數 U z t 為脈沖的調制包絡函數 0為光載波頻率 0為調制頻率 0時的傳輸常數 考慮非線性克爾效應 傳輸常數應寫成 P為光功率 Aeff為光纖有效截面積 5 4 1光孤子的形成 5 4光孤子通信 是折射率和光功率的函數 把 在w0和P 0附近展開成級數 5 4 1光孤子的形成 5 4光孤子通信 反映脈沖包絡線的運動 反映色散 反映非線性效應 如果 2P 0 同時 0 0 適當選擇相關參數使兩項絕對值相等 則光纖色散和非線性效應便相互抵消 因而輸入脈沖寬度保持不變 形成穩(wěn)定的光孤子 5 4 1光孤子的形成 5 4光孤子通信 光孤子的傳播 SPM調制 紫頭紅尾 正常色散 高頻傳播慢 低頻快 光纖輸入 光纖輸出 5 4 1光孤子的形成 描述孤子傳輸所需的脈沖形狀演化 需要考慮非線性薛定鄂 NLS 方程 光纖的GVD效應 展寬脈沖寬度 能量的損耗或增益 非線性相 展寬脈沖的頻譜 5 4光孤子通信 5 4 1光孤子的形成 N 1的基態(tài)孤子解為 雙曲正割函數 為鐘形脈沖 相位項不影響脈沖波形 結論 光孤子形狀與z無關 因此在時域是不彌散的 Hyperbolicsecant 5 4光孤子通信 5 4 1光孤子的形成 5 4光孤子通信 5 4 2光孤子通信系統(tǒng)構成 系統(tǒng)構成 孤子源是一個光孤子激光器 用來發(fā)射光孤子 調制器用來對光孤子進行編碼 使之承載信息 5 4光孤子通信 光孤子在長距離光纖線路上傳輸的波形 光孤子在5000km距離上傳輸的波形 假定光纖損耗0 2dB km 光孤子每100km被的EDFA放大一次 正好補償了100km光纖上20dB的損耗 盡管經過50級EDFA放大 光孤子形狀也保特得相當好 5 4 2光孤子通信系統(tǒng)構成 第5章光纖通信新技術 5 1光放大器5 2光復用技術5 3 光交換技術5 4 光孤子通信5 5 相干光通信技術 目前光纖通信系統(tǒng)采用該方式 其優(yōu)點是 調制和解調簡單 容易實現 因而成本較低 缺點是沒有利用光載波的頻率和相位信息 限制了系統(tǒng)性能的進一步提高 5 5相干光通信技術 在發(fā)射端對光載波進行幅度 頻率或相位調制 在接收端采用零差檢測或外差檢測的通信方式 光強調制 直接檢測 IM DD 通信 相干光通信 其優(yōu)點是 接收靈敏度提高 光纖帶寬得到充分利用 5 5 1相干檢測原理 光接收機接收的信號光和本地振蕩器產生的本振光經混頻器作用后 光場發(fā)生干涉 由光檢測器輸出的光電流經處理后 以基帶信號的形式輸出 光檢測器 電信號 處理 本地光 振蕩器 混頻器 5 5相干光通信技術 單模光纖基模HE11 本振光場 EL ALexp i Lt L 偏振方向相同 信號光場 ES ASexp i St S 且本振光頻率 L滿足 L S IF或 L S IF IF是中頻信號頻率 5 5 1相干檢測原理 5 5相干光通信技術 EL ALexp i Lt L ES ASexp i St S L S IF或 L S IF 混頻后光檢測器輸出 光功率P與光強 ES L 2成比例 P K ES EL 2 K為常數 根據模式理論和電磁理論計算 輸出光功率近似為 5 5 1相干檢測原理 5 5相干光通信技術 P t PS PL 2cos IFt S L EL ALexp i Lt L ES ASexp i St S L S IF或 L S IF P K ES EL 2 K為常數 P t PS PL 2cos IFt S L 中頻信號功率分量 5 5 1相干檢測原理 5 5相干光通信技術 EL ALexp i Lt L ES ASexp i St S P t PS PL 2cos IFt S L 干涉后的瞬時光功率變化 5 5 1相干檢測原理 5 5相干光通信技術 EL ALexp i Lt L ES ASexp i St S P t PS PL 2cos IFt S L 中頻信號功率分量帶有信號光的幅度 頻率或相位信息 在發(fā)射端 無論采取什么調制方式 都可以從中頻功率分量反映出來 所以 相干光接收方式是適用于所有調制方式的通信體制 相干檢測有零差檢測和外差檢測兩種方式 5 5 1相干檢測原理 5 5相干光通信技術 EL ALexp i Lt L ES ASexp i St S P t PS PL 2cos IFt S L 1 零差檢測 濾去直流分量 中頻信號產生的光電流為 選擇 L S 即 IF 0情況下的檢測 R為檢測器的響應度 通常PL PS 本振光相位鎖定在信號光相位上 即 L S 零差檢測的信號光電流 5 5 1相干檢測原理 5 5相干光通信技術 EL ALexp i Lt L ES ASexp i St S P t PS PL 2cos IFt S L 零差檢測的信號光電流 零差檢測信號平均光功率與直接檢測信號平均光功率之比為 5 5 1相干檢測原理 5 5相干光通信技術 EL ALexp i Lt L ES ASexp i St S 由于PL PS 零差檢測接收光功率可以放大幾個數量級 雖然噪聲也增加了 但是靈敏度仍然可以大幅度提高 零差檢測技術非常復雜 因為相位變化非常靈敏 必須控制相位 使 S L保持不變 同時要求 L和 S相等 5 5 1相干檢測原理 5 5相干光通信技術 EL ALexp i Lt L ES ASexp i St S P t PS PL 2cos IFt S L 2 外差檢測 選擇 L S 即 IF S L 0情況下的檢測 濾去直流分量 中頻信號產生的光電流為 外差檢測接收光功率放大了 從而提高了靈敏度 外差檢測不需要相位鎖定 5 5 1相干檢測原理 5 5相干光通信技術 相干檢測技術主要優(yōu)點是 可以對光載波實施幅度 頻率或相位調制 5 5 2調制和解調 5 5相干光通信技術 模擬信號調制方式 幅度調制 AM 頻率調制 FM 和相位調制 PM 數字信號調制方式 幅移鍵控 ASK 頻移鍵控 FSK 和相移鍵控 PSK ASK PSK和FSK調制方式比較 5 5 2調制和解調 5 5相干光通信技術 1 幅移鍵控 ASK ASK的光場 ES t AS t cos St S 基帶數字信號只控制光載波的幅度變化 AS S S為光場的幅度 角頻率和相位 在ASK中 S保持不變 只對幅度進行調制 對于二進制數字信號調制 在大多數情況下 0 碼傳輸時 使AS 0 1 碼傳輸時 使AS 1 5 5 2調制和解調 5 5相干光通信技術 ASK相干通信系統(tǒng)必須采用外調制器來實現 這樣只有輸出光信號的幅度隨基帶信號而變化 而相位保持不變 如果采用直接光強調制 幅度變化將引起相位變化 外調制器通常用鈦擴散的鈮酸鋰 Ti LiNbO3 波導制成的馬赫 曾德爾 MZ 干涉型調制器 這種調制器在消光比大于20dB時 調制帶寬可達20GHz 5 5 2調制和解調 5 5相干光通信技術 2 相移鍵控 PSK PSK的光場為 ES t AScos St t 基帶信號只控制光載波的相位變化 在PSK中 AS保持不變 只對相位進行調制 傳輸 0 碼和傳輸 1 碼時 分別用兩個不同相位 通常相差180 表示 如果傳輸 0 時 光