光纖通信(普通高等教育“十五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材)教學(xué)PPT作者顧畹儀第07章

第七章擴(kuò)大容量和增加功能的

新光通信技術(shù)

7.1

色散補(bǔ)償

7.2光時(shí)分復(fù)用技術(shù)

7.3光分組交換

7.4量子通信

7.1色散補(bǔ)償7.1.1概述

色散對(duì)光通信系統(tǒng)的影響G.652光纖的衰減特性及不同類(lèi)型光纖的色散特性比較

情況1：當(dāng)系統(tǒng)采用內(nèi)調(diào)制，即直接調(diào)制DFB激光器時(shí)，因受色散限制而可能可得的最大中繼距離

Lmax＜當(dāng)采用G.652光纖的系統(tǒng)的碼速率達(dá)到2.5Gbit/s時(shí)，其最大的中繼距離只有42km情況2：當(dāng)系統(tǒng)采用外調(diào)制時(shí)，脈沖的初始頻率啁啾可以減小到幾乎為零，這時(shí)系統(tǒng)因受色散限制而可能取得的最大中繼距離

Lmax＜當(dāng)碼速率為10Gbit/s時(shí)，最大中繼距離下降到30km色散嚴(yán)重地限制了系統(tǒng)的傳輸性能

降低光纖的GVD，可提高系統(tǒng)的碼速率與距離積（BL）。通常采用的方法有以下3種采用色散位移光纖（G.653DispersionShiftedFiber，DSF），在1.550m處其色散系數(shù)接近于零，損耗為0.24dB/km采用非零色散位移光纖（NZDSF）采取適當(dāng)?shù)纳⒀a(bǔ)償（DispersionCompensation）技術(shù)，減少甚至抵消光纖色散的影響7.1.2色散補(bǔ)償原理

將單模光纖中模式的相位系數(shù)

()在中心頻率0附近展開(kāi)成泰勒級(jí)數(shù)其中

可以用非線性薛定諤方程來(lái)描述光信號(hào)在光纖中的演變過(guò)程若忽略3不計(jì)，則上式的解可寫(xiě)為：

單一頻率的光脈沖經(jīng)過(guò)長(zhǎng)為L(zhǎng)的單模光纖的時(shí)延是T=L/vg，vg為群速度設(shè)光脈沖的譜寬為，則脈沖展寬程度由下式?jīng)Q定用代替色散補(bǔ)償就是要通過(guò)各種線性或非線性的方法，抵消上面兩式中的色散系數(shù)，使總合的色散系數(shù)趨于零，進(jìn)而使T為零

7.1.3色散補(bǔ)償光纖

色散補(bǔ)償光纖（DispersionCompensationFiber，DCF）法就是用一段在1.550ｍ處具有負(fù)色散系數(shù)的光纖去抵消常規(guī)光纖或NZDSF中的正色散系數(shù)對(duì)于單信道系統(tǒng)，設(shè)傳輸光纖的長(zhǎng)度和色散系數(shù)分別為L(zhǎng)1和D1，色散補(bǔ)償光纖的長(zhǎng)度和色散系數(shù)分別為L(zhǎng)2和D2，則色散完全補(bǔ)償?shù)臈l件為D1L1

+

D2L2

=

0對(duì)于DWDM系統(tǒng)，必須同時(shí)補(bǔ)償色散和色散斜率，設(shè)高階色散（即3）可忽略，補(bǔ)償條件為DS1L1

+

DS2L2

=

0用DCF法進(jìn)行色散補(bǔ)償7.1.4啁啾光纖光柵法

啁啾光纖光柵的工作原理7.1.5預(yù)啁啾技術(shù)

在光通信中，啁啾指脈沖信號(hào)的相位隨時(shí)間的變化率。光信號(hào)在色散系數(shù)為負(fù)的光纖中傳輸時(shí)，高頻成分因傳播速度較快而逐漸集中到脈沖的前沿，低頻成分因傳播速度較慢而逐漸集中于脈沖的后沿，并且兩者之間的時(shí)差越來(lái)越大，脈沖就變得越來(lái)越寬。預(yù)啁啾就是在脈沖進(jìn)入光纖之前，使它的相位適當(dāng)?shù)仉S時(shí)間變化，使脈沖從前沿到后沿的頻率逐漸升高（即正啁啾），從而脈沖在傳輸過(guò)程中有一個(gè)初始變窄過(guò)程，抵消由于色散導(dǎo)致的脈沖變寬效應(yīng)，起到色散補(bǔ)償?shù)淖饔?.1.6色散支持傳輸法

基本原理：高速數(shù)字信號(hào)在光強(qiáng)度調(diào)制（IM）的同時(shí)還伴有頻移鍵控（FSK）調(diào)制，從而使信號(hào)中的“0”和“1”因幅度不同而頻移不同，光頻率隨光功率的增大而增大。它們之間的波長(zhǎng)差為B為碼速率，D是色散系數(shù)7.1.7頻譜反轉(zhuǎn)法

在常規(guī)G.652光纖中繼段的中間插入一個(gè)半導(dǎo)體光放大器（SemiconductorOpticalAmplifier，SOA）或一段DSF作為非線性介質(zhì)。由于非線性介質(zhì)中的FWM效應(yīng)，光信號(hào)通過(guò)時(shí)產(chǎn)生頻譜反轉(zhuǎn)波（又稱(chēng)相位共軛波）。頻譜反轉(zhuǎn)波與原信號(hào)波具有時(shí)間反演的性質(zhì)，在光信號(hào)的繼續(xù)傳輸過(guò)程中，原本相位超前的頻率成分之相位將逐漸落后，原本相位落后的頻率成分之相位將逐漸超前。因此，由色散和非線性引起的信號(hào)畸變會(huì)被補(bǔ)償。7.1.7頻譜反轉(zhuǎn)法

光孤子就是一種能在很長(zhǎng)距離上仍保持脈沖形狀不變的光通信方法，所以基于光孤子的色散補(bǔ)償法自然而然地引起了人們的注意常規(guī)單模光纖加入DCF再輔以恰當(dāng)?shù)纳⒀a(bǔ)償方案，也可以進(jìn)行光孤子傳輸，此時(shí)的孤子振幅和寬度都隨著傳輸距離而周期性變化，因此稱(chēng)為準(zhǔn)孤子或色散管理孤子7.1.9偏振模色散補(bǔ)償技術(shù)

PMD起因于光纖的雙折射現(xiàn)象單模光纖中兩個(gè)正交的偏振?；驹頌椋菏紫仍诠庥蚧螂娪蛏蠈蓚€(gè)偏振模信號(hào)分開(kāi)，然后用延遲線分別對(duì)它們進(jìn)行延時(shí)，在反饋回路的控制下使兩個(gè)偏振模之間的時(shí)延差為零，最后將補(bǔ)償后的兩個(gè)偏振模信號(hào)混合輸出7.2光時(shí)分復(fù)用技術(shù)7.2.1概述

光復(fù)用技術(shù)主要有兩種WDM技術(shù)光時(shí)分復(fù)用（OpticalTimeDivisionMultiplexing，OTDM）技術(shù)7.2.2光時(shí)分復(fù)用原理

OTDM是光域中的時(shí)分復(fù)用和解復(fù)用，它把各個(gè)支路光信號(hào)變換成高速率、窄超短脈沖信號(hào)，然后間插到復(fù)用信道中已分配好的時(shí)隙上。7.2.3光時(shí)分復(fù)用關(guān)鍵技術(shù)

1．超短光脈沖發(fā)生技術(shù)2．光復(fù)用/解復(fù)用技術(shù)OTDM復(fù)用器主要采取并行和串行兩種復(fù)用結(jié)構(gòu)并行復(fù)用結(jié)構(gòu)串行復(fù)用結(jié)構(gòu)OTDM解復(fù)用器是OTDM系統(tǒng)中最關(guān)鍵的器件之一OTDM解復(fù)用器實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)高速光開(kāi)關(guān)，典型結(jié)構(gòu)包括非線性光環(huán)路鏡（NonlinearOpticalLoopMirror，NOLM）、T赫茲非對(duì)稱(chēng)解復(fù)用器（TerahertzOpticalAsymmetricDemultiplexer，TOAD）和輔以SOA的馬赫—曾德?tīng)柛缮鎯x（SOA-assistedMach-ZehnderInterferometer，SOA-MZI）等NOLM解復(fù)用器的結(jié)構(gòu)輸入和輸出脈沖功率之間的關(guān)系可用下式來(lái)描述TOAD解復(fù)用器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖輸入和輸出信號(hào)功率之間的關(guān)系可由下式來(lái)描述3．時(shí)鐘提取和同步技術(shù)OTDM中的電時(shí)鐘提取和電TDM中的方法相同，采用一個(gè)高Q值的濾波器直接提取時(shí)鐘4．高速信號(hào)傳輸技術(shù)7.2.4光時(shí)分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)

1．OTDM廣域網(wǎng)OTDM廣域網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)

OTDM廣域網(wǎng)的分層模型2．基于比特間插的OTDMLAN

基于比特間插的40Gbit/sOTDMLAN

3．基于時(shí)隙復(fù)用的OTDMLAN基于時(shí)隙復(fù)用的OTDMLAN原型

7.3光分組交換7.3.1概述

光分組網(wǎng)概貌7.3.2光分組的編碼和組裝

光分組的編碼方案大致分為三類(lèi)：串行編碼、帶外信令和并行編碼光分組串行編碼帶外信令方案指信頭在獨(dú)立于凈荷通道的信道上傳輸。最典型的帶外信令方案是副載波復(fù)用（Sub-CarrierMultiplexing，SCM）法，即凈荷調(diào)制在某個(gè)波長(zhǎng)的基帶上，速率較高；信頭調(diào)制在比基帶頻率稍高的副載波上，速率較低7.3.3光分組交換節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

OPS節(jié)點(diǎn)可分為4大模塊OPS節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)大致有純粹的空分交換型、波長(zhǎng)廣播—選擇型、波長(zhǎng)路由型和混合型等四類(lèi)（1）純粹的空分交換型OPS節(jié)點(diǎn)（2）波長(zhǎng)廣播—選擇型OPS節(jié)點(diǎn)波長(zhǎng)廣播—選擇型OPS節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

配置了單級(jí)前向輸出緩存的OPS節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)（3）波長(zhǎng)路由型OPS節(jié)點(diǎn)波長(zhǎng)路由型OPS節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)波長(zhǎng)路由型OPS節(jié)點(diǎn)單波長(zhǎng)模塊（4）混合型OPS節(jié)點(diǎn)超高速批量波長(zhǎng)路由型OPS節(jié)點(diǎn)具有立體交換矩陣的混合型OPS節(jié)點(diǎn)一種環(huán)形光分組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)7.3.4光同步技術(shù)

粗略的光同步方案精細(xì)的光同步方案7.3.4光同步技術(shù)

1．偏射路由（DeflectionRouting）原理是，無(wú)競(jìng)爭(zhēng)時(shí)按照最短路徑優(yōu)先的規(guī)則為光分組選擇通道；有競(jìng)爭(zhēng)時(shí)只為其中一個(gè)光分組選擇最短通道，其它光分組從節(jié)點(diǎn)的空閑鏈路輸出并尋求通往信宿的次最短通道2．光緩存（OpticalBuffering）

暫時(shí)緩存因競(jìng)爭(zhēng)而受阻的光分組，在時(shí)間上緩解沖突常見(jiàn)的光緩存結(jié)構(gòu)3．波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換（WavelengthConversion）

利用光器件的非線性特性來(lái)轉(zhuǎn)變光信號(hào)的波長(zhǎng)。在輸出端發(fā)生沖突時(shí)，使其中一個(gè)光分組通過(guò)，而將受阻的光分組轉(zhuǎn)換到其它的空閑波長(zhǎng)上再送出，進(jìn)而解決資源競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題7.3.6光邏輯器件

已問(wèn)世的全光邏輯門(mén)包括全光異或門(mén)、與門(mén)、或非門(mén)、與非門(mén)等，速率從5Gbit/s到100Gbit/s不等在各類(lèi)全光邏輯器件中，全光異或門(mén)尤其重要7.3.7對(duì)光分組網(wǎng)前景的展望

光分組網(wǎng)的分層參考模型7.4量子通信7.4.1概述

光既有粒子性又有波動(dòng)性，即波粒二象性利用光的量子性進(jìn)行通信，即量子通信7.4.2量子通信的理論基礎(chǔ)

將光束看作由光量子（或稱(chēng)光子）構(gòu)成的粒子流量子信息的出發(fā)點(diǎn)是用量子態(tài)來(lái)表示信息，量子態(tài)的演變遵從薛定諤方程，信息傳輸就是量子態(tài)在量子通道中的傳送，信息處理是量子態(tài)的幺正變換。處于上述相干疊加態(tài)的多個(gè)量子比特所表征的粒子之間是緊密關(guān)聯(lián)的，稱(chēng)為量子關(guān)聯(lián)性在理論上，即使這兩個(gè)粒子的間距很遙遠(yuǎn)，我們也能在瞬間由一個(gè)粒子的狀態(tài)確定另一個(gè)粒子的狀態(tài)。這樣一對(duì)粒子似乎是永遠(yuǎn)纏結(jié)在一起的，所以這種現(xiàn)象稱(chēng)為量子糾纏（Q