光纖通信課件chap

7.1光纖放大器7.2光波分復(fù)用技術(shù)7.3光交換技術(shù)7.4光孤子通信7.5相干光通信技術(shù)7.6光時分復(fù)用技術(shù)7.7波長變換技術(shù)第7章光纖通信新技術(shù)返回主目錄

第7章光纖通信新技術(shù)光纖通信發(fā)展的目標(biāo)是提高通信能力和通信質(zhì)量，降低價格，滿足社會需要。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，光纖通信成為一個發(fā)展迅速、技術(shù)更新快、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)的領(lǐng)域。

本章主要介紹一些已經(jīng)實用化或者有重要應(yīng)用前景的新技術(shù)，如光放大技術(shù)，光波分復(fù)用技術(shù)，光交換技術(shù)，光孤子通信，相干光通信，光時分復(fù)用技術(shù)和波長變換技術(shù)等。7.1光纖放大器

光放大器分類：光放大器有半導(dǎo)體光放大器和光纖放大器兩種類型。

?

半導(dǎo)體光放大器：放大媒質(zhì)為半導(dǎo)體晶體材料構(gòu)成的正向偏壓的PN結(jié)。優(yōu)點：小型化，容易與其他半導(dǎo)體器件集成。缺點：性能與光偏振方向有關(guān)，器件與光纖的耦合損耗大。

?光纖放大器：放大媒質(zhì)為光纖或摻稀土元素的光纖。光纖放大器的性能與光偏振方向無關(guān)，器件與光纖的耦合損耗很小，因而得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)放大機制不同分光纖放大器為兩類：摻鉺光纖放大器(EDFA：ErbiumDopedFiberAmplifier)喇曼光纖放大器（RFA：RamanFiberAmplifier)

光纖放大器的實質(zhì)是：把工作物質(zhì)制作成光纖形狀的固體激光器，所以也稱為光纖激光器。

20世紀(jì)80年代末期，波長為1.55μm的摻鉺(Er)光纖放大器(EDFA：ErbiumDopedFiberAmplifier)研制成功并投入實用，把光纖通信技術(shù)水平推向一個新高度，成為光纖通信發(fā)展史上一個重要的里程碑。

7.1.1摻鉺光纖放大器工作原理圖7.1示出摻鉺光纖放大器(EDFA)的工作原理，說明了光信號放大的原因。從圖7.1(a)可以看到，在摻鉺光纖(EDF)中，鉺離子(Er3+)有三個能級：

?能級1代表基態(tài)，能量最低

?能級2是亞穩(wěn)態(tài)，處于中間能級

?能級3代表激發(fā)態(tài)，能量最高

當(dāng)泵浦(Pump,抽運)光的光子能量等于能級3和能級1的能量差時，鉺離子吸收0.98μm波長泵浦光子能量從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)(1→3)。但是激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，Er3+很快通過非輻射躍遷返回到能級2。亞穩(wěn)態(tài)上的粒子數(shù)積累，從而在亞穩(wěn)態(tài)和基態(tài)之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。輸入的1.55μm波段信號光的光子能量等于能級2和能級1的能量差，則處于能級2的Er3+將躍遷到基態(tài)(2→1)，產(chǎn)生受激輻射光，因而信號光得到放大。由此可見，這種放大是由于泵浦光的能量轉(zhuǎn)換為信號光的結(jié)果。EDFA中的泵浦光源為信號光的放大提供了足夠的能量，它使處于低能級的Er3+被提高到高能級上，使摻鉺光纖達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。

圖7.1摻鉺光纖放大器的工作原理

(a)硅光纖中鉺離子的能級圖；(b)EDFA的吸收和增益頻譜

為提高放大器增益，應(yīng)提高對泵浦光的吸收，使基態(tài)Er3+盡可能躍遷到激發(fā)態(tài)，圖7.1(b)示出EDFA增益和吸收頻譜。

圖7.2(a)示出輸出信號光功率和輸入泵浦光功率的關(guān)系，泵浦光功率轉(zhuǎn)換為信號光功率的效率很高，達(dá)到92.6%。當(dāng)泵浦光功率為60mW時，吸收效率［(信號輸入光功率-信號輸出光功率)/泵浦光功率］為88%。

圖7.2(b)是小信號條件下增益和泵浦光功率的關(guān)系，當(dāng)泵浦光功率小于6mW時，增益系數(shù)為6.3dB/mW。

圖7.2摻鉺光纖放大器的特性(a)輸出信號光功率與泵浦光功率的關(guān)系；(b)小信號增益與泵浦光功率的關(guān)系

7.1.2摻鉺光纖放大器的構(gòu)成圖7.3(a)為光纖放大器構(gòu)成原理圖，圖7.3(b)為實用光纖放大器構(gòu)成方框圖。摻鉺光纖放大器的構(gòu)成和各部分作用1.摻鉺光纖：提供放大。設(shè)計高增益摻鉺光纖(EDF)是實現(xiàn)光纖放大器的技術(shù)關(guān)鍵，

EDF的增益取決于Er3+的濃度、光纖長度和直徑以及泵浦光功率等多種因素，通常由實驗獲得最佳增益。2.泵浦光源：提供足夠強的泵浦功率?；疽笫谴蠊β屎烷L壽命。波長為1480μm的InGaAsP多量子阱(MQW)激光器，輸出光功率高達(dá)100mW,泵浦光轉(zhuǎn)換為信號光效率在6dB/mW以上。。

3.波分復(fù)用器：將泵浦光與信號光耦合在一起輸入到摻鉺光纖中?；疽笫遣迦霌p耗小。熔拉雙錐光纖耦合器型和干涉濾波型波分復(fù)用器最適用。4.光隔離器：保證光單向傳輸，以防由于光反射形成光振蕩以及反饋光信號引起激光器工作狀態(tài)的紊亂?；疽螅翰迦霌p耗小，反射損耗大。摻鉺光纖(EDF)和高功率泵浦光源是關(guān)鍵器件。圖7.3(a)光纖放大器構(gòu)成原理圖輸入信號光隔離器波分復(fù)用器泵浦摻鉺光纖光隔離器輸出信號圖7.3(a)監(jiān)視和告警電路泵浦監(jiān)視和控制電路泵浦LDPD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＋5V0V－5V電源監(jiān)視激光器驅(qū)動輸入光輸出圖7.3(b)圖7.3(b)實用光纖放大器外形圖及其構(gòu)成方框圖

波長為980nm的泵浦光轉(zhuǎn)換效率更高，達(dá)10dB/mW，而且噪聲較低，是未來發(fā)展的方向。

7.1.3EDFA的基本性能EDFA在增益、輸出功率和噪聲這三方面特性。圖7.4是EDFA商品的特性曲線，圖中顯示出增益、噪聲指數(shù)和輸出信號光功率與輸入信號光功率的關(guān)系。

在泵浦光功率一定的條件下，當(dāng)輸入信號光功率較小時，放大器增益不隨輸入信號光功率而變化，基本上保持不變。當(dāng)信號光功率增加到一定值(一般為-20dBm)后，增益開始隨信號光功率的增加而下降，因此出現(xiàn)輸出信號光功率達(dá)到飽和的現(xiàn)。

圖7.4摻鉺光纖放大器增益、噪聲指數(shù)和輸出光功率與輸入光功率的關(guān)系曲線－10.0－40－5.00.05.010.015.020.025.030.035.0－35－30－25－20－15－10－50IIIIIII噪聲指數(shù)/dB輸出光功率/dBm增益/dB輸入光功率/dBm增益/dB下表列出國外幾家公司EDFA商品的技術(shù)參數(shù)。

7.1.4摻鉺光纖放大器的優(yōu)點和應(yīng)用

EDFA的主要優(yōu)點有：?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(dá)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(guān)。

?噪聲指數(shù)小，一般為4～7dB；用于多信道傳輸時，隔離度大，無串?dāng)_，適用于波分復(fù)用系統(tǒng)。

?頻帶寬，在1550nm窗口，頻帶寬度為20～40nm，可進(jìn)行多信道傳輸，有利于增加傳輸容量。

如果加上1310nm摻鐠光纖放大器(PDFA)，頻帶可以增加一倍。所以“波分復(fù)用+光纖放大器”被認(rèn)為是充分利用光纖帶寬增加傳輸容量最有效的方法。

1550nmEDFA在各種光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，并取得了良好效果。已經(jīng)介紹過的副載波CATV系統(tǒng)，WDM或OFDM系統(tǒng)，相干光系統(tǒng)以及光孤子通信系統(tǒng)，都應(yīng)用了EDFA，并大幅度增加了傳輸距離。

圖7.5(a)光纖放大器的應(yīng)用形式中繼放大器LDPD中繼放大器EDFA的應(yīng)用，歸納起來可以分為三種形式，如圖7.5所示。

?中繼放大器（LA：LineAmplifier）在光纖線路上每隔一定的距離設(shè)置一個光纖放大器，以延長干線網(wǎng)的傳輸距離）

?前置放大器（PA：Preamplifier)置于光接收機的前面，放大非常微弱的光信號，以改善接收靈敏度。作為前置放大器，對噪聲要求非?？量?。

?后置放大器

（BA：BoosterAmplifier)置于光接收機的后面，以提高發(fā)射機功率。對后置放大器噪聲要求不高，而飽和輸出光功率是主要參數(shù)。圖7.5(b)光纖放大器的應(yīng)用形式前置放大器和后置放大器

LDPD后置放大器前置放大器光纖7.2光波分復(fù)用技術(shù)

隨著人類社會信息時代的到來，對通信的需求呈現(xiàn)加速增長的趨勢。發(fā)展迅速的各種新型業(yè)務(wù)(特別是高速數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù))對通信網(wǎng)的帶寬(或容量)提出了更高的要求。為了適應(yīng)通信網(wǎng)傳輸容量的不斷增長和滿足網(wǎng)絡(luò)交互性、靈活性的要求，產(chǎn)生了各種復(fù)用技術(shù)。在光纖通信系統(tǒng)中除了大家熟知的時分復(fù)用(TDM)技術(shù)外，還出現(xiàn)了其他的復(fù)用技術(shù)，例如光時分復(fù)用(OTDM)、光波分復(fù)用(WDM)、光頻分復(fù)用(OFDM)以及副載波復(fù)用(SCM)技術(shù)。

7.2.1光波分復(fù)用原理

1.WDM的概念

光波分復(fù)用(WDM：WavelengthDivisionMultiplexing)技術(shù)是在一根光纖中同時傳輸多個波長光信號的一項技術(shù)。光波分復(fù)用（WDM）的基本原理是：在發(fā)送端將不同波長的光信號組合起來(復(fù)用)，并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進(jìn)行傳輸，在接收端又將組合波長的光信號分開(解復(fù)用)，并作進(jìn)一步處理，恢復(fù)出原信號后送入不同的終端，因此將此項技術(shù)稱為光波長分割復(fù)用，簡稱光波分復(fù)用技術(shù)。

圖7.6中心波長在1.3μm和1.55μm的硅光纖低損耗傳輸窗口

(插圖表示1.55μm傳輸窗口的多信道復(fù)用)

光纖的帶寬有多寬？

如圖7.6所示，在光纖的兩個低損耗傳輸窗口：波長為1.31μm(1.25～1.35μm)的窗口，相應(yīng)的帶寬(|Δf|=|-Δλc/λ2|,λ和Δλ分別為中心波長和相應(yīng)的波段寬度，c為真空中光速)為17700GHz；波長為1.55μm(1.50～1.60μm)的窗口，相應(yīng)的帶寬為12500GHz。兩個窗口合在一起，總帶寬超過30THz。如果信道頻率間隔為10GHz，在理想情況下，一根光纖可以容納3000個信道。由于目前一些光器件與技術(shù)還不十分成熟，因此要實現(xiàn)光信道十分密集的光頻分復(fù)用(OFDM)還較為困難。在這種情況下，人們把在同一窗口中信道間隔較小的波分復(fù)用稱為密集波分復(fù)用(DWDM：DenseWavelengthDivisionMultiplexing)。

目前該系統(tǒng)是在1550nm波長區(qū)段內(nèi)，同時用8，16或更多個波長在一對光纖上(也可采用單光纖)構(gòu)成的光通信系統(tǒng)，其中各個波長之間的間隔為1.6nm、0.8nm或更低，約對應(yīng)于200GHz,100GHz或更窄的帶寬。

WDM、DWDM在本質(zhì)上沒有多大區(qū)別以往技術(shù)人員習(xí)慣采用WDM和DWDM來區(qū)分是1310/1550nm簡單復(fù)用還是在1550nm波長區(qū)段內(nèi)密集復(fù)用，但目前在電信界應(yīng)用時，都采用DWDM技術(shù)。由于1310/1550nm的復(fù)用超出了EDFA的增益范圍，只在一些專門場合應(yīng)用，所以經(jīng)常用WDM這個更廣義的名稱來代替DWDM。WDM技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)升級、發(fā)展寬帶業(yè)務(wù)(如CATV，HDTV和IPoverWDM等)、充分挖掘光纖帶寬潛力、實現(xiàn)超高速光纖通信等具有十分重要意義，尤其是WDM加上EDFA更是對現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)具有強大的吸引力。目前，“摻鉺光纖放大器(EDFA)+密集波分復(fù)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(shù)方向。

如果一個區(qū)域內(nèi)所有的光纖傳輸鏈路都升級為WDM傳輸，我們就可以在這些WDM鏈路的交叉(結(jié)點)處設(shè)置以波長為單位對光信號進(jìn)行交叉連接的光交叉連接設(shè)備(OXC)，或進(jìn)行光上下路的光分插復(fù)用器(OADM)，則在原來由光纖鏈路組成的物理層上面就會形成一個新的光層。在這個光層中，相鄰光纖鏈路中的波長通道可以連接起來，形成一個跨越多個OXC和OADM的光通路，完成端到端的信息傳送，并且這種光通路可以根據(jù)需要靈活、動態(tài)地建立和釋放，這就是目前引人注目的、新一代的WDM全光網(wǎng)絡(luò)。

2.WDM系統(tǒng)的基本形式

光波分復(fù)用器和解復(fù)用器是WDM技術(shù)中的關(guān)鍵部件，將不同波長的信號結(jié)合在一起經(jīng)一根光纖輸出的器件稱為復(fù)用器(也叫合波器)。反之，經(jīng)同一傳輸光纖送來的多波長信號分解為各個波長分別輸出的器件稱為解復(fù)用器(也叫分波器)。從原理上講，這種器件是互易的(雙向可逆)，即只要將解復(fù)用器的輸出端和輸入端反過來使用，就是復(fù)用器。

因此復(fù)用器和解復(fù)用器是相同的(除非有特殊的要求)。

WDM系統(tǒng)的基本構(gòu)成主要有以下兩種形式：雙纖單向傳輸和單纖雙向傳輸。

(1)雙纖單向傳輸。

單向WDM傳輸是指所有光通路同時在一根光纖上沿同一方向傳送。如圖7.7所示，在發(fā)送端將載有各種信息的、具有不同波長的已調(diào)光信號λ1,λ2,…,λn通過光復(fù)用器組合在一起，并在一根光纖中單向傳輸。由于各信號是通過不同光波長攜帶的，因而彼此之間不會混淆。在接收端通過光解復(fù)用器將不同波長的信號分開，完成多路光信號傳輸?shù)娜蝿?wù)。反方向通過另一根光纖傳輸?shù)脑砼c此相同。

圖7.7雙纖單向WDM傳輸(2)單纖雙向傳輸。雙向WDM傳輸是指光通路在一根光纖上同時向兩個不同的方向傳輸。如圖7.8所示，所用波長相互分開，以實現(xiàn)雙向全雙工的通信。圖7.8單纖雙向WDM傳輸

雙向WDM系統(tǒng)在設(shè)計和應(yīng)用時必須要考慮幾個關(guān)鍵的系統(tǒng)因素：

如為了抑制多通道干擾(MPI)，必須注意到光反射的影響、雙向通路之間的隔離、串?dāng)_的類型和數(shù)值、兩個方向傳輸?shù)墓β孰娖街岛拖嗷ラg的依賴性、光監(jiān)控信道(OSC)傳輸和自動功率關(guān)斷等問題，同時要使用雙向光纖放大器。所以雙向WDM系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用相對說來要求較高，但與單向WDM系統(tǒng)相比，雙向WDM系統(tǒng)可以減少使用光纖和線路放大器的數(shù)量。另外，通過在中間設(shè)置光分插復(fù)用器(OADM)或光交叉連接器(OXC)，可使各波長光信號進(jìn)行合流與分流，實現(xiàn)波長的上下路(Add/Drop)和路由分配，這樣就可以根據(jù)光纖通信線路和光網(wǎng)的業(yè)務(wù)量分布情況，合理地安排插入或分出信號。?

插入損耗小

?隔離度大

?帶內(nèi)平坦，帶外插入損耗變化陡峭

?

溫度穩(wěn)定性好

?復(fù)用通路數(shù)多

?尺寸小等3.光波分復(fù)用器的性能參數(shù)光波分復(fù)用器是波分復(fù)用系統(tǒng)的重要組成部分，為了確保波分復(fù)用系統(tǒng)的性能，對波分復(fù)用器的基本要求是：

(1)插入損耗

插入損耗是指由于增加光波分復(fù)用器/解復(fù)用器而產(chǎn)生的附加損耗，定義為該無源器件的輸入和輸出端口之間的光功率之比，即

其中Pi為發(fā)送進(jìn)輸入端口的光功率；Po為從輸出端口接收到的光功率。(dB)(7.1)

(2)串?dāng)_抑制度串?dāng)_是指其他信道的信號耦合進(jìn)某一信道，并使該信道傳輸質(zhì)量下降的影響程度，有時也可用隔離度來表示這一程度。對于解復(fù)用器

其中Pi是波長為λi的光信號的輸入光功率，Pij是波長為λi的光信號串入到波長為λj信道的光功率。(7.2)(7.3)其中Pj為發(fā)送進(jìn)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。

(3)回波損耗

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

(4)反射系數(shù)反射系數(shù)是指在WDM器件的給定端口的反射光功率Pr與入射光功率Pj之比，即(7.4)

(5)工作波長范圍

工作波長范圍是指WDM器件能夠按照規(guī)定的性能要求工作的波長范圍(λmin到λmax)。

(6)信道寬度

信道寬度是指各光源之間為避免串?dāng)_應(yīng)具有的波長間隔。

(7)偏振相關(guān)損耗

偏振相關(guān)損耗(PDL:PolarizationdependentLoss)是指由于偏振態(tài)的變化所造成的插入損耗的最大變化值。

7.2.2WDM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

實際的WDM系統(tǒng)主要由五部分組成：光發(fā)射機、光中繼放大、光接收機、光監(jiān)控信道和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，如下圖所示。

?光發(fā)射機位于WDM系統(tǒng)的發(fā)送端。在發(fā)送端首先將來自終端設(shè)備(如SDH端機)輸出的光信號，利用光轉(zhuǎn)發(fā)器(OTU)把符合ITU-TG.957建議的非特定波長的光信號轉(zhuǎn)換成符合ITU-TG.692建議的具有穩(wěn)定的特定波長的光信號。

OTU對輸入端的信號波長沒有特殊要求，可以兼容任意廠家的SDH信號，其輸出端滿足G.692的光接口，即標(biāo)準(zhǔn)的光波長和滿足長距離傳輸要求的光源；利用合波器合成多路光信號；通過光功率放大器(BA：BoosterAmplifier)放大輸出多路光信號。

?

用摻鉺光纖放大器(EDFA)對光信號進(jìn)行中繼放大。在應(yīng)用時可根據(jù)具體情況，將EDFA用作“線放(LA：LineAmplifier)”,“功放(BA)”和“前放(PA：Preamplifier)”。在WDM系統(tǒng)中，對EDFA必須采用增益平坦技術(shù)，使得EDFA對不同波長的光信號具有接近相同的放大增益。與此同時，還要考慮到不同數(shù)量的光信道同時工作的各種情況，保證光信道的增益競爭不影響傳輸性能。在接收端，光前置放大器(PA)放大經(jīng)傳輸而衰減的主信道光信號，分波器從主信道光信號中分出特定波長的光信號。接收機不但要滿足一般接收機對光信號靈敏度、過載功率等參數(shù)的要求，還要能承受有一定光噪聲的信號，要有足夠的電帶寬。

?光監(jiān)控信道(OSC：OpticalSupervisoryChannel)的主要功能是：

監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)各信道的傳輸情況。在發(fā)送端，插入本結(jié)點產(chǎn)生的波長為λs(1510nm)的光監(jiān)控信號，與主信道的光信號合波輸出；在接收端，將接收到的光信號分離，輸出λs(1510nm)波長的光監(jiān)控信號和業(yè)務(wù)信道光信號。

幀同步字節(jié)、公務(wù)字節(jié)和網(wǎng)管所用的開銷字節(jié)等都是通過光監(jiān)控信道來傳送的。

?

網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)通過光監(jiān)控信道物理層傳送開銷字節(jié)到其他結(jié)點或接收來自其他結(jié)點的開銷字節(jié)對WDM系統(tǒng)進(jìn)行管理，實現(xiàn)配置管理、故障管理、性能管理和安全管理等功能，并與上層管理系統(tǒng)(如TMN)相連。

目前國際上已商用的系統(tǒng)有：4×2.5Gb/s(10Gb/s),8×2.5Gb/s(20Gb/s),16×2.5Gb/s(40Gb/s),40×2.5Gb/s(100Gb/s),32×10Gb/s(320Gb/s),40×10Gb/s(400Gb/s)。實驗室已實現(xiàn)了82×40Gb/s(3.28Tb/s)的速率，傳輸距離達(dá)3×100km=300km。OFC2000(OpticalFiberCommunicationConference)提供的情況有：

①BellLabs:82路×40Gb/s=3.28Tb/s在3×100km=300km的TrueWave(商標(biāo))光纖(即G.655光纖)上，利用C和L兩個波帶聯(lián)合傳輸；

②日本NEC:160×20Gb/s=3.2Tb/s，利用歸零信號沿色散平坦光纖，經(jīng)過增益寬度為64nm的光纖放大器，傳輸距離達(dá)1500km;③日本富士通(Fujitsu):128路×10.66Gb/s，經(jīng)過C和L波帶注：C波帶為1525～1565nm，L波帶為1570～1620nm。，用分布喇曼放大(DRA:DistributedRamanAmplification),傳輸距離達(dá)6×140km=840km;④日本NTT：30路×42.7Gb/s，利用歸零信號，經(jīng)過增益寬度為50nm的光纖放大器，傳輸距離達(dá)3×125km376km;⑤美國LucentTech:100路×10Gb/s=1Tb/s，各路波長的間隔縮小到25GHz,利用L波帶，沿NZDF光纖(G.655光纖)傳輸400km;⑥美國和加拿大Nortel:100路×10Gb/s=1Tb/s，沿NZDF光纖在C和L波帶傳輸4段，約200km;⑦美國Qtera和Qwest:兩個波帶4路×10Gb/s和2路×10Gb/s沿NZDF光纖傳輸23×105km=2415km,這個試驗雖然WDM路數(shù)不多，但在陸地光纜中卻是最長距離。

7.2.3WDM技術(shù)的主要特點

1.充分利用光纖的巨大帶寬資源光纖具有巨大的帶寬資源(低損耗波段)，WDM技術(shù)使一根光纖的傳輸容量比單波長傳輸增加幾倍至幾十倍甚至幾百倍，從而增加光纖的傳輸容量，降低成本，具有很大的應(yīng)用價值和經(jīng)濟價值。

2.同時傳輸多種不同類型的信號由于WDM技術(shù)使用的各波長的信道相互獨立，因而可以傳輸特性和速率完全不同的信號，完成各種電信業(yè)務(wù)信號的綜合傳輸，如PDH信號和SDH信號，數(shù)字信號和模擬信號，多種業(yè)務(wù)(音頻、視頻、數(shù)據(jù)等)的混合傳輸?shù)取?/p>

3.節(jié)省線路投資采用WDM技術(shù)可使N個波長復(fù)用起來在單根光纖中傳輸，也可實現(xiàn)單根光纖雙向傳輸，在長途大容量傳輸時可以節(jié)約大量光纖。另外，對已建成的光纖通信系統(tǒng)擴容方便，只要原系統(tǒng)的功率余量較大，就可進(jìn)一步增容而不必對原系統(tǒng)作大的改動。

4.降低器件的超高速要求隨著傳輸速率的不斷提高，許多光電器件的響應(yīng)速度已明顯不足，使用WDM技術(shù)可降低對一些器件在性能上的極高要求，同時又可實現(xiàn)大容量傳輸。

5.高度的組網(wǎng)靈活性、經(jīng)濟性和可靠性

WDM技術(shù)有很多應(yīng)用形式，如長途干線網(wǎng)、廣播分配網(wǎng)、多路多址局域網(wǎng)?？梢岳肳DM技術(shù)選擇路由，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換和故障恢復(fù)，從而實現(xiàn)未來的透明、靈活、經(jīng)濟且具有高度生存性的光網(wǎng)絡(luò)。

7.2.4光濾波器與光波分復(fù)用器在前面介紹耦合器時，已經(jīng)簡單地介紹了波分復(fù)用器(WDM)。在這一部分我們將介紹各種各樣的波長選擇技術(shù)，即光濾波技術(shù)。光濾波器在WDM系統(tǒng)中是一種重要元器件，與波分復(fù)用有著密切關(guān)系，常常用來構(gòu)成各種各樣的波分復(fù)用器和解復(fù)用器。波分復(fù)用器和解復(fù)用器主要用在:

?WDM終端

?波長路由器

?波長分插復(fù)用器(WavelengthAdd/DropMultiplexer,WADM)圖7.10為光濾波器的三種應(yīng)用：

?單純的濾波應(yīng)用(圖7.10(a))

?

波分復(fù)用/解復(fù)用器中應(yīng)用(圖7.10(b))

?波長路由器中應(yīng)用(圖7.10(c))。l1

光濾波器圖7.10(a)單純的濾波應(yīng)用l1,l2,l3,l4l,l,l234

波分復(fù)用器l1l2l3l4圖7.10(b)波分復(fù)用器中應(yīng)用l1,l2,l3,l4

圖7.10(c)波長路由器中應(yīng)用

波長路由器l1,l2,l3,l4l1,l2,l3,l411112222l1,l2,l3,l42112l1,l2,l3,l41221

波長路由器是波長選路網(wǎng)絡(luò)(WavelengthRoutingNetwork)中的關(guān)鍵部件，其功能可由圖7.10(c)的例子說明

它有兩個輸入端口和兩個輸出端口，每路輸入都載有一組λ1,λ2,λ3和λ4WDM信號。

如果用來標(biāo)記第i輸入鏈路上的波長λj,則路由器的輸入端口1上的波長記為、、、,輸入端口2上的波長記為、、、。

在輸入端口1上的波長中，如果和由輸出端口1輸出則和由輸出端口2輸出；在輸入端口2上的波長中，如果和由輸出端口2輸出，則和由輸出端口1輸出，這樣，我們就稱路由器交換了波長λ1和λ4。

在本例中，波長路由器只有兩個輸入端口和兩個輸出端口，每一路上只有4個波長，但是在一般情況下，輸入和輸出的端口數(shù)是N(≥2)，并且每一端口的波長數(shù)是W(≥2)(參看圖7.33)。

如果一個波長路由器的路由方式不隨時間變化，就稱為靜態(tài)路由器；路由方式隨時間變化，則稱之為動態(tài)路由器。靜態(tài)路由器可以用波分復(fù)用器來構(gòu)成，如下圖所示。

對光濾波器的主要要求有：

(1)一個好的光濾波器應(yīng)有較低的插入損耗，并且損耗應(yīng)該與輸入光的偏振態(tài)無關(guān)。

在大多數(shù)系統(tǒng)中，光的偏振態(tài)隨機變化，如果濾波器的插入損耗與光的偏振有關(guān)(PDL:PolarizationdependentLoss),則輸出光功率將極其不穩(wěn)定。

(2)一個濾波器的通帶應(yīng)該對溫度的變化不敏感。

溫度系數(shù)是指溫度每變化1℃的波長漂移。一個WDM系統(tǒng)要求在整個工作溫度范圍(大約100℃)內(nèi)，波長漂移應(yīng)該遠(yuǎn)小于相鄰信道的波長間隔。

(3)在一個WDM系統(tǒng)中，隨著級聯(lián)的濾波器越來越多，系統(tǒng)的通帶就變得越來越窄。

為了確保在級聯(lián)的末端還有一個相當(dāng)寬的通帶，單個濾波器的通帶傳輸特性應(yīng)該是平直的，以便能夠容納激光器波長的微小變化。單個濾波器的通帶的平直程度常用1dB帶寬來衡量，如圖7.12所示。

圖7.12光濾波器的1dB帶寬

下面將介紹一些波長選擇技術(shù)及其在WDM系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1.光柵

光柵(Grating)廣泛地用來將光分離為不同波長的單色光。在WDM系統(tǒng)中，光柵主要用在解復(fù)用器中，以分離出各個波長。圖7.13是光柵的兩個例子，圖7.13(a)是透射光柵，圖7.13(b)是反射光柵。

圖7.13光柵(a)透射光柵；(b)反射光柵光柵平面影像平面l2l1qd1qd2qil1＋l2光柵平面影像平面l2l1qd1qd2qil1＋l2(a)(b)

我們以透射光柵為例來說明光柵的基本原理。如圖7.14所示，設(shè)兩個相鄰縫隙間的距離即柵距為a,光源離光柵平面足夠遠(yuǎn)(相對于a而言)，入射角為θi，衍射角為θd，通過兩相鄰縫隙對應(yīng)光線的光程差由()決定，而其中m為整數(shù)，當(dāng)a和θi一定時，不同的θd對應(yīng)不同的波長λ，也就是說，像面上的不同點對應(yīng)不同的波長，于是可用作WDM中的解復(fù)用器。(7.5)光柵方程為:(7.6)7.14透射光柵的工作原理2.布喇格光柵

布喇格光柵(BraggGrating)廣泛用于光纖通信之中。一般情況下，傳輸媒質(zhì)的周期性微擾可以看作是布喇格光柵；這種微擾通常引起媒質(zhì)折射率周期性的變化。半導(dǎo)體激光器使用布喇格光波導(dǎo)作分布反饋可以獲得單頻輸出(如DFB激光器)；在光纖中，寫入布喇格光柵后可以用于光濾波器、光分插復(fù)用器和色散補償器。

設(shè)兩列波沿著同一方向傳播，其傳播常數(shù)分別為β0和β1，如果滿足布喇格相位匹配條件：

其中Λ為光柵周期，則一個波的能量可以耦合到另一個波中去。在反射型濾波器中，我們假設(shè)傳播常數(shù)為β0的光波從左向右傳播，如果滿足條件：（7.7）（7.8）

則這個光波的能量可以耦合到沿它的反方向傳播的具有相同波長的反射光中去。設(shè)β0=2πneff/λ0，其中λ0為輸入光的波長，neff為波導(dǎo)或光纖的有效折射率。也就是說，如果λ0=2neffΛ，光波將發(fā)生反射，這個波長λ0就稱作布喇格波長。隨著入射光波的波長偏離布喇格波長，其反射率就會降低，如圖7.15(a)所示。如果具有幾個波長的光同時傳輸?shù)焦饫w布喇格光柵上，則只有波長等于布喇格波長的光才反射，而其它的光全部透射。

圖7.15(a)中的功率反射譜是針對折射率均勻周期性變化的光柵而言的，為了消除不需要的旁瓣，新研制成功了一種稱為變跡光柵(ApodizedGrating)的光柵，它與漸變折射率光纖有點類似，其折射率沿光柵纖芯到邊沿逐漸減小，變跡光柵的功率反射譜如圖7.15(b)所示。

注意:變跡光柵旁瓣的減少是以主瓣加寬為代價的。

圖7.15布喇格光柵的反射譜(a)均勻折射率情形；(b)變跡折射率情形

3.光纖光柵

光纖光柵(FiberGrating)是一種非常有吸引力的全光纖器件，其用途非常廣泛，可用作光濾波器、光分插復(fù)用器和色散補償器。對于全光纖器件，其主要優(yōu)點有：

?

插入損耗低

?易于與光纖耦合

?對偏振不敏感

?溫度系數(shù)低

?封裝簡單

?成本較低

利用某種特殊光纖的光敏特性，就可在光纖中寫入光柵。

在傳統(tǒng)光纖的SiO2中摻入少量鍺(Ge)后就具有了光敏特性，再由紫外(UV)光照射，就可引起光纖纖芯的折射率變化。若用兩束相干的紫外光照射摻雜后的光纖纖芯，則照射光束的強度將沿著光纖長度方向周期性地變化，強度高的地方纖芯折射率增加，強度低的地方纖芯折射率幾乎無任何變化，這樣就在光纖中寫入了光柵。形成光柵所要求的折射率變化是極低的，大約為10-4。也可以使用位相版(phasemask)來寫入光柵。

位相版是一種光衍射元件，當(dāng)用光束照射它時，它將光束分離成各個不同的衍射級，這些衍射級相互干涉就可將光柵寫入光纖。

光纖光柵可以分為短周期(shortperiod)光纖光柵和長周期(longperiod)光纖光柵。

短周期光纖光柵也稱光纖布喇格光柵，其周期可以和光波長相比較，典型值大約0.5μm；長周期光纖光柵的周期比光波長大得多，從幾百微米到幾毫米不等。

光纖布喇格光柵(FBG：FiberBraggGrating)是一種反射型光纖光柵，光柵使正向傳輸模(單模光纖中即為基模)同反向傳輸模之間發(fā)生耦合，光柵的波矢應(yīng)等于傳輸模波矢的2倍，也就是說，光柵的周期應(yīng)等于傳輸光波在光纖內(nèi)部的波長的一半，這種光纖光柵只對在布喇格波長及其附近很窄的波長范圍內(nèi)的光發(fā)生反射，而不影響其它波長的光通過。

在WDM系統(tǒng)中，光纖布喇格光柵可用作濾波器、光分插復(fù)用器和色散補償器(DispersionCompensator)。

圖7.16(a)是一個簡單的光分器，由一個三端口光環(huán)行器和一個光纖布喇格光柵構(gòu)成，由光柵反射回來的波長λ2從環(huán)行器的端口3取出，余下的波長繼續(xù)前行。在上面簡單的光分器的基礎(chǔ)上加上一個耦合器，就可以實現(xiàn)光的分插功能，如圖7.16(b)所示。

圖7.16(a)基于光纖光柵結(jié)構(gòu)的光分插復(fù)用器簡單光分；l1l2l3l4113光纖布喇格光柵l1l3l4lll4(a)2l23l2圖7.16(b)基于光纖光柵結(jié)構(gòu)的光分插復(fù)用器光分插l23l1l2l3l41(b)光纖布喇格光柵2l2l1l3l4耦合器l2

長周期光纖光柵的工作原理與光纖布喇格光柵稍微有些不同。

在光纖布喇格光柵中，纖芯中正向傳輸模的能量耦合到反向傳輸模上；而在長周期光纖光柵中，纖芯中正向傳輸模的能量耦合到包層里的正向傳輸模上，包層模沿著光纖傳輸時極容易消逝掉，因此相應(yīng)波長位置的光波被衰減，出現(xiàn)一些損耗峰。

設(shè)纖芯中模的傳輸常數(shù)(假定為單模光纖)為β，p階包層模的傳輸常數(shù)為，相位匹配條件為：

其中Λ為光柵周期。一般情況下，兩個正向傳輸模的傳輸常數(shù)相差很小，為了發(fā)生耦合，通常要求Λ是一個相當(dāng)大值，一般為幾百微米以上(光纖布喇格光柵大約為0.5μm)。（7.9）

設(shè)纖芯和p階包層模的有效折射率分別為neff和npeff，由公式β=2πneff/λ可得：當(dāng)滿足λ=Λ(neff-npeff)時，λ為光波長，纖芯模的能量便耦合到包層模上去。因此，如果我們知道了傳輸光的波長和纖芯、包層模的有效折射率，就可以設(shè)計合適Λ值的長周期光柵來滿足各種需要。

長周期光纖光柵的制作方法與光纖布喇格光柵相同。圖7.17是長周期光纖光柵的傳輸譜，特別適合用作帶阻濾波器，主要用于摻鉺光纖放大器(EDFA:ErbiumDopedFiberAmplifier)中作濾波器，使EDFA增益平坦化。圖7.17長周期光纖光柵的透射譜

4.法布里-珀羅濾波器

法布里-珀羅(FP:FabryPerot)濾波器是由兩塊平行放置的高反射率的鏡面形成的腔構(gòu)成的，如圖7.18所示。這種濾波器也叫FP干涉儀，輸入光垂直到達(dá)第一個鏡面，從第二個鏡面出來的光就是輸出。這個器件傳統(tǒng)上用作干涉儀，現(xiàn)在也用在WDM系統(tǒng)中作濾波器。

F-Ｐ濾波器的功率傳遞函數(shù)TFP(f)與光的頻率f有關(guān)：TFP(f)=

圖7.18FP濾波器若用自由空間波長λ表示，則

TFP(λ)=

這里A表示每個鏡面的吸收損耗，R為每個鏡面的反射率(假設(shè)兩個鏡相同)，光在腔內(nèi)單程傳播的時延為τ，腔內(nèi)介質(zhì)的折射率為n，腔長為l,因此τ=nl/c，c為真空中光速。

A=0及R=0.75、0.9和0.99時FP濾波器的功率傳遞函數(shù)如圖7.19所示。反射率R越大，相鄰信道的隔離就越好。圖7.19FP濾波器的功率傳遞函數(shù)

功率傳遞函數(shù)TFP(f)是頻率f的周期函數(shù)，當(dāng)f滿足fτ=k/2，k為正整數(shù)時，傳遞函數(shù)TFP(f)的值處在波峰(通帶)上。FP濾波器的兩個緊鄰的通帶之間的光譜范圍稱作自由光譜范圍(FSR：FreeSpectralRange)，用FWHM表示傳遞函數(shù)的半高寬，比值FSR/FWHM稱作FP濾波器的精細(xì)度(F:Finesse),則

F-P濾波器選擇不同的波長時一般有兩種方法：一種是改變腔的長度；另一種是改變腔內(nèi)介質(zhì)的折射率。改變腔長有機械移鏡和用壓電材料(PZT)兩種辦法。

5.多層介質(zhì)薄膜濾波器薄膜諧振腔濾波器(ThinFilmResonantCavityFilter)也是一個F-P干涉儀，只不過其反射鏡是采用多層介質(zhì)薄膜而已，常稱為多層介質(zhì)薄膜濾波器(MultilayerDielectricThinFilmFilter)。這種濾波器用作帶通濾波器，只允許特定波長的光通過而讓其它所有波長的光反射，腔的長度決定要通過的波長。薄膜諧振多腔濾波器(ThinFilmResonantMulticavityFilter)的結(jié)構(gòu)如圖7.20所示，由反射介質(zhì)薄膜隔開的兩個或多個腔構(gòu)成。改成多腔后與單腔相比，通帶頂部更加平坦，邊緣更為尖銳，如圖7.21所示。這種濾波器多個級聯(lián)后，就可以做成波分復(fù)用器，如圖7.22所示。由于這種濾波器通帶頂部平坦，邊緣尖銳，溫度變化時性能穩(wěn)定，插入損耗低，對光的偏振不敏感，所以在系統(tǒng)應(yīng)用中是非常有吸引力的，如今已經(jīng)廣泛用在商業(yè)系統(tǒng)中。圖7.20三腔介質(zhì)薄膜諧振腔濾波器圖7.21單腔、雙腔、三腔介質(zhì)薄膜濾波器的傳輸譜圖7.22基于多層介質(zhì)薄膜濾波器的波分復(fù)用/解復(fù)用器

6.馬赫-曾德爾干涉儀馬赫-曾德爾干涉儀(MZI:MachZehnderInterferometer)使用兩條不同長度的干涉路徑來決定不同的波長輸出。MZI通常以集成光波導(dǎo)的形式出現(xiàn)，即用兩個3dB定向耦合器來連接兩條不同長度的光通路，如圖7.23(a)所示，襯底通常采用硅(Si)，波導(dǎo)區(qū)采用二氧化硅(SiO2)。一個MZI可用圖7.23(b)表示。

MZI可用來作濾波器和波分復(fù)用器。雖然多層介質(zhì)薄膜濾波器在窄帶濾波方面性能較好，但在寬帶濾波方面MZI非常有用，例如用來分開1.31μm和1.55μm兩個波長的光信號。當(dāng)然，通過級聯(lián)幾個MZI也可以做成窄帶濾波器，如圖7.23(c)所示，但是這將導(dǎo)致?lián)p耗大大增加。圖7.23馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)(a)結(jié)構(gòu)圖；(b)方框圖；(c)四級MZIMZI可用來作濾波器和波分復(fù)用器。雖然多層介質(zhì)薄膜濾波器在窄帶濾波方面性能較好，但在寬帶濾波方面MZI非常有用，例如用來分開1.31μm和1.55μm兩個波長的光信號。當(dāng)然，通過級聯(lián)幾個MZI也可以做成窄帶濾波器，如圖7.23(c)所示，但是這將導(dǎo)致?lián)p耗大大增加。從原理上講，級聯(lián)幾個MZI后性能較好，但是在實際工作中存在波長隨溫度和時間的變化而漂移的現(xiàn)象，串?dāng)_性能遠(yuǎn)不如理想情況，級聯(lián)后的窄帶MZI的通帶不平坦，相反地，多層介質(zhì)多腔薄膜濾波器的通帶和阻帶都比較平坦?，F(xiàn)在簡單分析MZI的工作原理?？紤]MZI作為一個解復(fù)用器的情況。這時只有一個輸入，假設(shè)從輸入端口1輸入，經(jīng)過第一個定向耦合器后，功率平均分配到兩臂上，但是在兩臂上的信號有了π/2的相差，下臂上的信號比上臂滯后π/2。

如果下臂與上臂的長度差為ΔL，則下臂信號的相位進(jìn)一步滯后βΔL,β為光在MZI介質(zhì)中的傳輸常數(shù)。在第二個定向耦合器的輸出1處，來自下臂的信號又比來自上臂的信號延遲了π/2，因此，在輸出1處，兩信號總的相位差為+βΔL+。同理，在輸出2處，兩信號總的相位差為+βΔL-=βΔL。在輸入1的所有波長中，滿足βΔL=kπ(k為奇數(shù))條件的波長，由輸出1輸出；滿足βΔL=kπ(k為偶數(shù))條件的波長由輸出2輸出。而β=,n為介質(zhì)折射率，λ為光波長，通過適當(dāng)設(shè)計就可以實現(xiàn)波的解復(fù)用。如果兩臂長度差為ΔL，只是輸入1輸入，則單個MZI的功率傳遞函數(shù)為T11(f)T12(f)=其中f為光頻率。如果將MZI級聯(lián)就構(gòu)成多級馬赫-曾德爾干涉儀(MultistageMachZehnderInterferometer)。圖7.23(c)示出4級馬赫-曾德爾干涉儀，其中每個MZI以及級聯(lián)后整個4級MZI的傳遞函數(shù)曲線如圖7.24所示。

(前4個為每單個MZI的傳遞函數(shù)，最后一個為級聯(lián)后4級MZI的傳遞函數(shù))圖7.24MZI的傳遞函數(shù)什么是交換？交換就是在通信的源和目的之間建立通信信道，實現(xiàn)通信信息傳送的過程。7.3光交換技術(shù)

目前的商用光纖通信系統(tǒng)，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3.28Tb/s。但是，由于大量新業(yè)務(wù)的出現(xiàn)和國際互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，今后通信網(wǎng)絡(luò)還可能變得擁擠。原因是在現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)中，高速光纖通信系統(tǒng)僅僅充當(dāng)點對點的傳輸手段，網(wǎng)絡(luò)中重要的交換功能還是采用電子交換技術(shù)。傳統(tǒng)電子交換機的端口速率只有幾Mb/s到幾百Mb/s，不僅限制了光纖通信網(wǎng)絡(luò)速率的提高，而且要求在眾多的接口進(jìn)行頻繁的復(fù)用/解復(fù)用，光/電和電/光轉(zhuǎn)換，因而增加了設(shè)備復(fù)雜性和成本，降低了系統(tǒng)的可靠性。

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

雖然采用異步轉(zhuǎn)移模式(ATM)可提供155Mb/s或更高的速率，能緩解這種矛盾，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(wǎng)存在的矛盾，只有實現(xiàn)全光通信，而光交換是全光通信的關(guān)鍵技術(shù)。

7.3.1空分光交換

空分光交換的功能是：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是光開關(guān)。光開關(guān)有電光型、聲光型和磁光型等多種類型，其中電光型光開關(guān)具有開關(guān)速度快、串?dāng)_小和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，有很好的應(yīng)用前景。典型光開關(guān)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(dǎo)構(gòu)成的，并通過對電壓的控制改變輸出通路。

圖7.31(a)是由4個1×2光開關(guān)器件組成的2×2光交換模塊。1×2光開關(guān)器件就是Ti:LiNbO3定向耦合器型光開關(guān)，只是少用了一個輸入端而已。

圖7.31空分光交換(a)2×2光交換單元1×2光交換器件(a)

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(xiàn)平行連接和交叉連接，如圖7.31(b)所示。圖7.31空分光交換(b)平行連接和交叉連接平行聯(lián)接交叉聯(lián)接(b)

圖7.31(c)是由16個1×2光開關(guān)器件或4個2×2光交換單元組成的4×4光交換單元。圖7.31空分光交換(c)4×4光交換單元

定向耦合器光波導(dǎo)光信號輸出光信號輸入(c)

7.3.2時分光交換

時分光交換是以時分復(fù)用為基礎(chǔ)，用時隙互換原理實現(xiàn)交換功能的。

時分復(fù)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(fù)接到一條光纖上。在接收端用分接器恢復(fù)各路原始信號，如圖7.32(a)所示。1復(fù)接器2N…分接器12N12…N時隙幀(a)

圖7.32(a)時分光交換時分復(fù)用原理

所謂時隙互換，就是把時分復(fù)用幀中各個時隙的信號互換位置。如圖7.32(b)，首先使時分復(fù)用信號經(jīng)過分接器，在同一時間內(nèi)，分接器每條出線上依次傳輸某一個時隙的信號；然后使這些信號分別經(jīng)過不同的光延遲器件，獲得不同的延遲時間；最后用復(fù)接器把這些信號重新組合起來。1234分接器1延遲1延遲22延遲33延遲44(b)復(fù)接器輸入輸出4132圖7.32(b)時分光交換時隙互換原理圖7.32(c)時分光交換等效的空分交換12341234(c)圖7.32(c)示出時分光交換的空分等效。

7.3.3波分光交換

波分光交換(或交叉連接)是以波分復(fù)用原理為基礎(chǔ)，采用波長選擇或波長變換的方法實現(xiàn)交換功能的。

圖7.33(a)和(b)分別示出波長選擇法交換和波長變換法交換的原理框圖。

圖7.33(a)波分交換的原理框圖：波長選擇法交換l1空分交換l2空分交換l3空分交換…lW空分交換l1,l2…lW12…NN…21WDMXWMUX分波器合波器(a)l1,l2…lWl1,l2…lWl1,l2…lWl1,l2…lWl1,l2…lWl1l2lWNW×NW空分交換l1l2lWl1l2lWl1l2lWl1l2lWl1l2lWl1l2lWl1l2lW12…N12…NWDMXWMUX波長變換器(b)圖7.33(b)波分交換的原理框圖：波長變換法交換

設(shè)波分交換機的輸入和輸出都與N條光纖相連接，這N條光纖可能組成一根光纜。每條光纖承載W個波長的光信號。從每條光纖輸入的光信號首先通過分波器(解復(fù)用器)WDMX分為W個波長不同的信號。所有N路輸入的波長為λi(i=1,2,…,W)的信號都送到λi空分交換器，在那里進(jìn)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。

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(fù)用器)WMUX復(fù)接到輸出光纖上。這種交換機當(dāng)前已經(jīng)成熟，可應(yīng)用于采用波長選路的全光網(wǎng)絡(luò)中。但由于每個空分交換器可能提供的連接數(shù)為N×N,故整個交換機可能提供的連接數(shù)為N2W，比下面介紹的波長變換法少。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(jìn)行波分復(fù)接。這樣，可能提供的連接數(shù)為N2W2，即內(nèi)部阻塞概率較小。波長變換器將在7.7節(jié)介紹。7.5相干光通信技術(shù)

目前已經(jīng)投入使用的光纖通信系統(tǒng)，都是采用光強調(diào)制-直接檢測(IM-DD)方式。這種方式的優(yōu)點是：調(diào)制和解調(diào)簡單，容易實現(xiàn)，因而成本較低。但是這種方式?jīng)]有利用光載波的頻率和相位信息，限制了系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提高。

相干光通信，像傳統(tǒng)的無線電和微波通信一樣，在發(fā)射端對光載波進(jìn)行幅度、頻率或相位調(diào)制；在接收端，則采用零差檢測或外差檢測，這種檢測技術(shù)稱為相干檢測。

和IMD方式相比，相干檢測可以把接收靈敏度提高20dB，相當(dāng)于在相同發(fā)射功率下，若光纖損耗為0.2dB/km，則傳輸距離增加100km。同時，采用相干檢測，可以更充分利用光纖帶寬。我們已經(jīng)看到，在光頻分復(fù)用(OFDM)中，信道頻率間隔可以達(dá)到10GHz以下，因而大幅度增加了傳輸容量。所謂相干光，就是兩個激光器產(chǎn)生的光場具有空間疊加、相互干涉性質(zhì)的激光。實現(xiàn)相干光通信，關(guān)鍵是要有頻率穩(wěn)定、相位和偏振方向可以控制的窄線譜激光器。

7.5.1相干檢測原理

圖7.38示出相干檢測原理方框圖，光接收機接收的信號光和本地振蕩器產(chǎn)生的本振光經(jīng)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(jīng)處理后，以基帶信號的形式輸出。

單模光纖的傳輸模式是基模HE11模，接收機接收的信號光其光場可以寫成

ES=ASexp［-i(ωSt+φS)］(7.26)式中,AS、ωS和φS分別為光載波的幅度、頻率和相位。

圖7.38相干檢測原理方框圖光檢測器電信號處理基帶信號本地光振蕩器混頻器wL信號光wS同樣，本振光的光場可以寫成

EL=ALexp［-i(ωLt+φL)］(7.27)式中,AL為本振光的幅度、ωL為本振光的頻率φL為本振光的相位。保持信號光的偏振方向不變，控制本振光的偏振方向，使之與信號光的偏振方向相同。

本振光的中心角頻率ωL應(yīng)滿足

ωL=ωS-ωIF或ωL=ωS+ωIF

(7.28)式中，ωIF是中頻信號的頻率。這時光檢測器輸出的光功率P與光強|ES+ＥL|2成比例，即P=K|ES+EL|2

(7.29)式中，K為常數(shù)。式中,PS=KAS2,PL=KAL2,ωIF=ωS-ωL。顯然，式(7.30)右邊最后一項是中頻信號功率分量，它實際上是疊加在PS和PL之上的一種緩慢起伏的變化，如圖7.39所示。由此可見，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(diào)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(diào)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。

由式(7.26)～式(7.29)，根據(jù)模式理論和電磁理論計算的結(jié)果，輸出光功率近似為

P(t)≈PS+PL+2cos［ωIFt+(φS-φL)］(7.30)圖7.39干涉后的瞬時光功率變化

1.零差檢測選擇ωL=ωS，即ωIF=0，這種情況稱為零差檢測。這時，濾去直流分量，中頻信號產(chǎn)生的光電流為

I(t)=cos(φS-φL)(7.31)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4ρ2〈PS〉PL/(ρ2〈PS〉2)=4PL/〈PS〉。式中，ρ為光檢測器的響應(yīng)度。通常PL>>PS，同時考慮到本振光相位鎖定在信號光相位上，即φL=φS，這樣便得到零差檢測的信號光電流為

IP=(7.32)

由于PLPS，零差檢測接收光功率可以放大幾個數(shù)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(shù)非常復(fù)雜，因為相位變化非常靈敏，必須控制相位，使φS-φL保持不變，同時要求ωL和ωS相等。

與零差檢測相似，外差檢測接收光功率放大了，從而提高了靈敏度。外差檢測信噪比的改善比零差檢測低3dB，但是接收機設(shè)計相對簡單，因為不需要相位鎖定。2.外差檢測選擇ωL≠ωS，即ωIF=ωS-ωL>0，這種情況稱為外差檢測。通常選擇fIF(=ωIF/2π)在微波范圍(例如1GHz)。這時中頻信號產(chǎn)生的光電流為Iac(t)=cos［ωIFt+(φS-φL)］(7.33)

7.5.2調(diào)制和解調(diào)如前所述，相干檢測技術(shù)主要優(yōu)點是：可以對光載波實施幅度、頻率或相位調(diào)制。對于模擬信號，有三種調(diào)制方式，即幅度調(diào)制(AM)、頻率調(diào)制(FM)和相位調(diào)制(PM)。對于數(shù)字信號，也有三種調(diào)制方式，即幅移鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)。圖7.40示出ASK、PSK和FSK調(diào)制方式的比較，下面分別介紹這三種調(diào)制方式。圖7.40ASK、PSK和FSK調(diào)制方式比較

1.幅移鍵控(ASK)

基帶數(shù)字信號只控制光載波的幅度變化，稱為幅移鍵控(ASK)。ASK的光場表達(dá)式

ES(t)=AS(t)cos［ωSt+φS］(7.34)式中,AS為光場的幅度、ωS為光場的中心角頻率和φS為光場的相位。在ASK中，φS保持不變，只對幅度進(jìn)行調(diào)制。對于二進(jìn)制數(shù)字信號調(diào)制，在大多數(shù)情況下，“0”

碼傳輸時，使AS=0，“1”碼傳輸時，使AS=1。ASK相干通信系統(tǒng)必須采用外調(diào)制器來實現(xiàn)，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(diào)制，幅度變化將引起相位變化。外調(diào)制器通常用鈦擴散的鈮酸鋰(Ti:LiNbO3)波導(dǎo)制成的馬赫-曾德爾(MZ)干涉型調(diào)制器，如圖3.37所示。這種調(diào)制器在消光比大于20時，調(diào)制帶寬可達(dá)20GHz。2.相移鍵控(PSK)

基帶信號只控制光載波的相位變化，稱為相移鍵控(PSK)。PSK的光場表達(dá)式為

ES(t)=AScos［ωSt+φ(t)］(7.35)

在PSK中，AS保持不變，只對相位進(jìn)行調(diào)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，光載波相位不變，傳輸“1”碼時，相位改變180°，這種情況稱為差分相移鍵控(DPSK)。和ASK使用的MZ干涉型調(diào)制器相比，設(shè)計PSK使用的相位調(diào)制器要簡單得多。這種調(diào)制器只要選擇適當(dāng)?shù)拿}沖電壓，就可以使相位改變δφ=π。但是在接收端光波相位必須非常穩(wěn)定，因此對發(fā)射和本振激光器的譜寬要求非?？量?。3.頻移鍵控(FSK)

基帶數(shù)字信號只控制光載波的頻率，稱為頻移鍵控(FSK)。

FSK的光場表達(dá)式為

ES(t)=AScos［(ωS±Δω)t+φS］(7.36）

在FSK中，AS保持不變，只對頻率進(jìn)行調(diào)制。傳輸“0”碼和傳輸“1”碼時，分別用頻率f0(=ω0/2π)和f1(=ω1/2π)表示。對于二進(jìn)制數(shù)字信號，用(ωS-Δω)和(ωS+Δω)分別表示“0”碼和“1”碼。2Δf(=2Δω/2π)稱為碼頻間距。在式(7.36)中，［(ωS±Δω)t+φS］和［ωSt+(φS±Δωt)］是等效的，因此FSK可以認(rèn)為一種PSK，雖然技術(shù)上有所不同。

相干檢測的解調(diào)方式有兩種：

同步解調(diào)和異步解調(diào)。用零差檢測時，光信號直接被解調(diào)為基帶信號，要求本振光的頻率和信號光的頻率完全相同，本振光的相位要鎖定在信號光的相位上，因而要采用同步解調(diào)。同步解調(diào)雖然在概念上很簡單，但是技術(shù)上卻很復(fù)雜。用外差檢測時，不要求本振光和信號光的頻率相同，也不要求相位匹配，可以采用同步解調(diào)，也可以采用異步解調(diào)。同步解調(diào)要求恢復(fù)中頻ωIF(微波頻率)，因而要求一種電鎖相環(huán)路。異步解調(diào)簡化了接收機設(shè)計，技術(shù)上容易實現(xiàn)。

圖7.41和圖7.42分別示出外差同步解調(diào)和外差異步解調(diào)的接收機方框圖。

兩種解調(diào)方式的差別在于接收機的噪聲對信號質(zhì)量的影響。異步解調(diào)要求的信噪比(SNR)比同步解調(diào)高，但異步解調(diào)接收機設(shè)計簡單，對信號光源和本振光源的譜線要求適中，因而在相干通信系統(tǒng)設(shè)計中起著主要作用。圖7.41外差同步解調(diào)接收機方框圖

光檢測器帶通本振光wL信號光wS低通基帶信號載波恢復(fù)圖7.42外差異步解調(diào)接收機方框圖光檢測器帶通本振光wL信號光wS低通基帶信號包絡(luò)檢波

7.5.3誤碼率和接收靈敏度相干光通信系統(tǒng)光接收機的性能可以用信噪比