《光纖通信網(wǎng)》課件第4章

第4章高速率大容量光纖傳輸技術(shù)第4章高速率大容量光纖傳輸技術(shù)4.1光纖通信復(fù)用技術(shù)4.2光放大器4.3色散補償和管理技術(shù)4.4相干光通信技術(shù)4.5光孤子通信技術(shù) 4.1光纖通信復(fù)用技術(shù)

4.1.1光波分復(fù)用技術(shù)

1.光波分復(fù)用的基本概念

光波分復(fù)用（WDM，WavelengthDivisionMultiplexing）技術(shù)是在一根光纖上同時傳送多個波長光信號的一項技術(shù)。方法是在發(fā)送端將不同波長的光信號組合（復(fù)用）起來，并耦合到光纖線路上的同一根光纖中進行傳輸，在接收端再將組合的不同波長光信號分開（解復(fù)用）并作進一步處理，分別恢復(fù)出原始信號送入對應(yīng)的終端。因此，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)。

WDM技術(shù)對充分發(fā)掘光纖帶寬潛力，實現(xiàn)高速率、大容量通信等具有十分重要的意義，尤其是對新業(yè)務(wù)種類和數(shù)量快速增長的現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)具有很大的吸引力。例如，當(dāng)業(yè)務(wù)需求超出光纖通信系統(tǒng)的容量時，采用WDM技術(shù)進行升級和擴容可以維持原有的光纖線路不變，僅在節(jié)點處進行設(shè)備的更新和替換即可實現(xiàn)系統(tǒng)總傳輸容量的成倍增加，不僅節(jié)約了大量的線路投資，同時也非常靈活。因此，現(xiàn)階段WDM技術(shù)在光纖通信領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的重視和大量的應(yīng)用。從長遠(yuǎn)來看，如果某一個區(qū)域內(nèi)所有的光纖通信傳輸鏈路都從單信道電時分復(fù)用技術(shù)（PDH或SDH）升級為WDM傳輸，那么就可以在這些WDM鏈路的交叉節(jié)點處設(shè)置以波長為單位、對光信號進行交叉連接的光交叉連接設(shè)備（OXC，OpticalCrossConnect），或進行光上/下路的光分插復(fù)用器（OADM，OpticalAddDropMultiplexer）。這樣，就在原有以光纖鏈路組成的物理層上面形成了一個新的光層。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)需要靈活地動態(tài)建立和釋放，這就是光傳送網(wǎng)或未來全光通信網(wǎng)的雛形。

2.WDM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

WDM系統(tǒng)主要由以下五個部分組成：光發(fā)送機、光中繼放大、光接收機、光監(jiān)控信道系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。WDM系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖4－1所示。圖4－1

WDM系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖（單向）

圖4－1中，光發(fā)送機是WDM系統(tǒng)的核心。根據(jù)ITU－T的建議和標(biāo)準(zhǔn)，除了對WDM系統(tǒng)中發(fā)送激光器的中心波長有特殊要求之外，還要根據(jù)WDM系統(tǒng)的不同應(yīng)用（主要是傳輸光纖的類型和無中繼傳輸?shù)木嚯x）來選擇具有一定色散容量的發(fā)送機。在發(fā)送端首先將來自終端設(shè)備（例如SDH端機）輸出的光信號，利用光轉(zhuǎn)發(fā)器（OUT，OpticalTransverseUnit）把不符合ITU－TG.957建議的非特定波長的光信號轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的特定波長的光信號，然后利用光合波器復(fù)用為多通路光信號，通過光功率放大器（BA，BoosterAmplifier）放大輸出多通路光信號送入光纖鏈路傳輸。經(jīng)過較長距離（80～120km）傳送后，由于光纖鏈路損耗的影響，需要進行光中繼放大。由于目前使用的光放大器多為摻鉺光纖放大器（EDFA，ErbiumDopedFiberAmplifier），其增益特性在WDM使用的波長段內(nèi)不平坦（詳見4.2節(jié)），因此WDM系統(tǒng)中必須采用增益平坦技術(shù)，使EDFA對不同波長的光信號具有相同的放大增益。同時，還需要考慮到不同數(shù)量的光信道同時工作的各種情況，保證不同光信道之間的增益競爭不影響傳輸性能。在應(yīng)用時，可根據(jù)具體情況，將EDFA用作線路放大器（LA，LineAmplifier）、功率放大器（BA）和前置放大器（PA，PreAmplifier）。在接收端，光前置放大器用于放大經(jīng)傳輸而衰減的主信道光信號，采用分波器從多波長光信號中分出特定波長的光信號，并分別由對應(yīng)的光接收機處理。光接收機不但要滿足一般光接收機對光信號的靈敏度、過載功率等參數(shù)的要求，還要能承受有一定噪聲的信號，要有足夠的電帶寬性能。

光監(jiān)控信道的主要功能是監(jiān)控WDM系統(tǒng)內(nèi)各信道的傳輸情況。

網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)通過光監(jiān)控信道傳送開銷字節(jié)到其他節(jié)點（或接收來自其他節(jié)點）的開銷字節(jié)，對WDM系統(tǒng)進行管理，實現(xiàn)配置管理、故障管理、性能管理、安全管理等功能，并與上層管理系統(tǒng)互連。

3.WDM系統(tǒng)的應(yīng)用形式

WDM系統(tǒng)的應(yīng)用主要有以下三種基本形式。

1）雙纖單向傳輸

單向WDM是指所有光通路同時在一根光纖上沿同一方向傳送，在發(fā)送端將載有各種信息的、具有不同波長(λ1，λ2，λ3，…，λn)的已調(diào)制光信號通過光復(fù)用器組合在一起，并在一根光纖中同向傳輸。因為各信號是通過不同波長攜帶的，所以彼此之間不會混淆。在接收端通過光解復(fù)用器將不同光波長的信號分開，最后完成多路光信號傳輸?shù)娜蝿?wù)。反方向通道則通過另一根光纖傳輸，原理相同。

2）單纖雙向傳輸

雙向WDM是指光通路在一根光纖上同時向兩個不同方向逆向傳送，所有波長相互分開，以實現(xiàn)彼此雙方全雙工的通信聯(lián)絡(luò)。

單向WDM系統(tǒng)在開發(fā)和應(yīng)用方面都比較廣泛。雙向WDM系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用相對來說技術(shù)要求更高些。雙向WDM系統(tǒng)在設(shè)計和應(yīng)用時要考慮到幾個關(guān)鍵因素，如為了抑制多通道的干擾，必須要注意到光反射的影響、雙向通路之間的隔離、串話的類型和數(shù)值、兩個方向傳輸?shù)墓β孰娖健⑾嗷ラg的依賴性及自動功率關(guān)斷等問題；同時，還必須使用雙向光放大器。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。

3）光分路插入傳輸

通過解復(fù)用器可將光信號如λ1從線路中分出來，利用復(fù)用器可將光信號如λ3插入線路中進行傳輸。通過線路中間設(shè)置的分插復(fù)用器或光交叉連接器，可使各波長的光信號進行合流或分流，實現(xiàn)光信號的上/下通路與路由分配。這樣就可以根據(jù)光纖通信線路沿線的業(yè)務(wù)量分布情況和光網(wǎng)的業(yè)務(wù)量分布情況，合理地安排插入或分出信號。

4.WDM系統(tǒng)的特點

WDM系統(tǒng)的主要特點可以總結(jié)如下：

（1）可以充分利用光纖的帶寬資源。WDM技術(shù)充分利用了光纖的低損耗區(qū)波段，增加了光纖系統(tǒng)的傳輸容量。

（2）可以完成多種電信業(yè)務(wù)的綜合和分離。在同一根光纖中傳輸?shù)牟煌ㄩL是彼此獨立的，因此可以傳輸特性完全不同的信號，完成各種電信業(yè)務(wù)的綜合和分離（如數(shù)字信號和模擬信號，PDH信號和SDH信號），可實現(xiàn)多媒體信號（如音頻、視頻、文字和圖像等）的混合傳輸。

（3）可實現(xiàn)單纖雙向傳輸，節(jié)省大量投資。

（4）節(jié)省大量光纖。（5）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)速度已顯不足。使用WDM技術(shù)，可降低對一些器件性能上的極高要求，同時又能實現(xiàn)大容量傳輸。

（6）適用于多種網(wǎng)絡(luò)形式。根據(jù)需要WDM技術(shù)可以有多種應(yīng)用形式，如長途干線網(wǎng)、廣播式分配網(wǎng)、多路多址局域網(wǎng)等，因此對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用十分重要。

（7）引入寬帶業(yè)務(wù)方便。波分復(fù)用通道對信息和數(shù)據(jù)格式是透明的，即與信號速率及調(diào)制方式無關(guān)。這對在原有系統(tǒng)上復(fù)用新系統(tǒng)提供了很大的便利，只需通過增加一個附加波長即可引入任意想要的新業(yè)務(wù)或新容量。（8）高度的組網(wǎng)靈活性、經(jīng)濟性和可靠性。利用WDM技術(shù)選路，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換和恢復(fù)，從而實現(xiàn)透明、靈活、經(jīng)濟且有高度生存性的光網(wǎng)絡(luò)。

WDM技術(shù)的主要缺點是：復(fù)用/解復(fù)用器的插入損耗減小了系統(tǒng)的可用功率；信道間的串?dāng)_會降低接收靈敏度；波分復(fù)用器件的價格較高。

近年來，WDM技術(shù)發(fā)展很快。典型的商用系統(tǒng)在復(fù)用波長為1540～1564nm范圍內(nèi)，可以安排8～32個波長，每個波長承載2.5Gb/s或10Gb/s。一些新型的系統(tǒng)更可以在較寬的波長范圍內(nèi)同時傳輸160個波長，實驗室中同時傳輸?shù)牟ㄩL已達(dá)到數(shù)百個。隨著WDM技術(shù)的不斷完善，一個以WDM技術(shù)及光交換技術(shù)為基礎(chǔ)的WDM光網(wǎng)絡(luò)正開始展現(xiàn)在我們的眼前。4.1.2光頻分復(fù)用技術(shù)

當(dāng)光波長復(fù)用的光載波間隔密集到更適于用頻率來衡量時稱為光頻分復(fù)用（OFDM，OpticalFrequencyDivisionMultiplexing），有時簡稱頻分復(fù)用（FDM，F(xiàn)requencyDivisionMultiplexing）。對于高速率、大容量光纖通信系統(tǒng)而言，采用FDM與WDM在本質(zhì)上是沒有什么區(qū)別的，這主要是因為波長和頻率兩者是互為倒數(shù)的關(guān)系。當(dāng)光載波間隔比較大時，用波長來衡量比較方便，一般稱為波分復(fù)用；當(dāng)光載波間隔比較小時，用波長來衡量就顯得不方便了。目前，通常把光載波間隔在1nm以上的系統(tǒng)稱為WDM系統(tǒng)，或密集波分復(fù)用（DWDM，DenseWavelengthDivisionMultiplexing）系統(tǒng)。當(dāng)光載波間隔小于1nm時，仍用DWDM或WDM來表示就很不方便了。故對于光載波間隔小于1nm的系統(tǒng)習(xí)慣稱為OFDM系統(tǒng)。由于OFDM的光載波間隔很密，傳統(tǒng)的WDM器件（如分波器與合波器等）技術(shù)已很難區(qū)分開光載波，因此必須用分辨力更高的技術(shù)來選取各個光載波。目前較有前途的技術(shù)主要是兩種：可調(diào)諧的光濾波器和相干光通信技術(shù)。可調(diào)諧光濾波器的典型代表有光纖法布里－珀羅無源濾波器。這種濾波器是由兩塊平行的平面玻璃板組成腔體的，其玻璃片的內(nèi)表面磨得精度很高，且鍍有銀或多層介質(zhì)的高反射膜，使光線產(chǎn)生的反射近于全反射。通過精密的機構(gòu)調(diào)整兩板之間的距離和平行度，從而造成多光束干涉。有的頻率光線相干加強出現(xiàn)諧振，另一些頻率光線相互抵消，從而得到所需的光線。相干光通信的工作原理如圖4－2所示。發(fā)送端激光器發(fā)出頻率為f1的光載波，此光波在調(diào)制器中被電信號所調(diào)制，然后進入光纖。當(dāng)此光波到達(dá)接收端后，與接收端本地激光器產(chǎn)生的頻率為f1＋Δf的光波同時進入混頻器進行混頻，得出頻率為Δf的中頻輸出。此中頻經(jīng)過檢測、中頻放大與解調(diào)后，得到的原電信號進入電接收機。這種方法的優(yōu)點是獲得頻率的間隔更近，傳輸?shù)男诺栏?；缺點是設(shè)備較為復(fù)雜，尤其對激光器的相干性和頻率穩(wěn)定性要求較高，成本較高。而可調(diào)諧光濾波器的方法也可以采用無源方式，它的成本低且易于實現(xiàn)穩(wěn)定的頻率調(diào)制和解調(diào)，但能夠傳輸?shù)男诺罃?shù)較少。圖4－2

OFDM利用相干光通信技術(shù)選取光載波的原理圖4.1.3光時分復(fù)用技術(shù)

光時分復(fù)用（OTDM，OpticalTimeDivisionMultiplexing）是用多個電信道信號調(diào)制具有同一個光頻的不同光通道（光時隙）經(jīng)復(fù)用后在同一根光纖傳輸?shù)募夹g(shù)。光時分復(fù)用是一種構(gòu)成高比特率傳輸很有效的方法，它在系統(tǒng)發(fā)送端光學(xué)復(fù)用幾個低比特率數(shù)據(jù)流，再在接收端用光學(xué)方法把它解復(fù)用出來，其典型結(jié)構(gòu)如圖4－3所示。圖4－3光時分復(fù)用（OTDM）原理框圖

在OTDM光通信系統(tǒng)中，N個比特流的復(fù)接可以通過時延技術(shù)來實現(xiàn)，這在光纖中可以用簡單的方法來實現(xiàn)。第n個支路中的信號時延為(n-1)/Nfb，其中n=1，2，3，…，N，各個支路的信號組合后形成復(fù)合信號。必須指明這里復(fù)合的比特流具有的比特時隙為TB=(Nfb)-1。整個復(fù)用器除了調(diào)制器，均能用單模光纖來實現(xiàn)。信號重組可以用已經(jīng)商用化的1×N的熔合光纖耦合器。光纖的時延可以通過控制每段光纖的長度來實現(xiàn)。例如，長度為1mm的光纖引入的時延為5ps。需注意的要點是，每個支路中引入的時延必須精確地加以控制，以便各個支路工作在分配的信道中。對于典型的40Gb/s的OTDM系統(tǒng)，要達(dá)到0.1ps的精確度，用來時延的光纖的長度誤差應(yīng)當(dāng)控制在20μm以內(nèi)。如圖4－3所示，鎖模激光器輸出周期性的脈沖，脈沖經(jīng)分路器分成n路，每一路脈沖分配給待復(fù)用支路的數(shù)據(jù)流。第i路光脈沖經(jīng)光纖延遲線時延iτ秒，i對應(yīng)上述的n-1，τ對應(yīng)上述的1/Nfb，未時延的光脈沖串用做幀脈沖，時延后的光脈沖流送進外調(diào)制器，被每路數(shù)據(jù)調(diào)制。調(diào)制器輸出的光脈沖流和幀脈沖在合路器中被合成，形成比特間隔的高速OTDM光脈沖流，幀脈沖的能量比數(shù)據(jù)脈沖能量大，這對解復(fù)用非常有利。4.1.4光碼分復(fù)用技術(shù)

光碼分多址復(fù)用也稱為光碼分復(fù)用（OCDM，OpticalCodeDivisionMultiplexing），其技術(shù)在原理上與電碼分復(fù)用技術(shù)相似。OCDM通信系統(tǒng)是給每個用戶分配一個惟一的光正交碼的碼字作為該用戶的地址碼，對要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息用該地址碼進行光編碼，實現(xiàn)信道復(fù)用；在接收端，用與發(fā)端相同的地址碼進行光解碼，實現(xiàn)用戶之間的通信。其系統(tǒng)的工作原理如圖4－4所示。圖4－4

OCDM系統(tǒng)組成框圖光碼分多址接入（OCDMA，OpticalCodeDivisionMultiplexingAccess）通信技術(shù)是將碼分多址通信與大容量的光纖通信技術(shù)相結(jié)合的一種通信方式。由于OCDMA通信技術(shù)結(jié)合了這兩種通信方式的技術(shù)特點，因而具有很強的技術(shù)優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。

OCDMA編/解碼器是實現(xiàn)全光CDMA通信的關(guān)鍵部件。編碼器的作用是產(chǎn)生相應(yīng)的地址碼序列。解碼器起匹配相關(guān)器的作用，它將來自特定發(fā)送機的數(shù)據(jù)進行恢復(fù)。OCDMA通信所使用的擴頻序列稱為光正交碼。光正交碼與電領(lǐng)域擴頻所采用的擴頻序列有本質(zhì)的區(qū)別，它取值于（1，0）二值域，而不是取值于（+1，-1）二值域。這種適合于光纖信道的擴頻序列稱為單極性正交碼。傳統(tǒng)的擴頻序列取值為（+1，-1），即正電平和負(fù)電平都有，稱之為雙極性擴頻碼，它具有良好的自相關(guān)、互相關(guān)特性。這種雙極性擴頻碼不能使用在現(xiàn)有的強度調(diào)制－直接檢測的光纖通信系統(tǒng)中，因為直接檢測的是光信號強度，不關(guān)心其相位，而光信號的強度是非負(fù)的，即只有光強的有（對應(yīng)“1”）和無（對應(yīng)“0”）。所以這種雙極性擴頻碼序列在二值域（1，0）上取值，其互相關(guān)峰相當(dāng)大，對系統(tǒng)的性能有致命的影響?？梢?，OCDMA所用的單極性擴頻序列是在二值域（1，0）上取值且滿足具有尖銳的自相關(guān)峰和弱的互相關(guān)性。因此，OCDMA采用光纖信道并利用高速單極性擴頻碼序列對信息進行編/解碼，使低速率的數(shù)據(jù)信息復(fù)用成高速率的光脈沖序列傳輸或解復(fù)用，實現(xiàn)了多用戶共享信道、隨機異步接入、高速透明傳輸?shù)耐ㄐ欧绞健６嘤脩艄蚕硇诺乐饕糜邳c到點的信道共享，如圖4－4所示。圖中，編碼器的輸出光脈沖序列自身帶有地址信息，解碼器可根據(jù)其地址，從網(wǎng)絡(luò)所有用戶信息共享共存的光脈沖序列中提取，對約定的編碼器輸出的光脈沖序列進行解碼。編碼器要能向所有用戶發(fā)送信息，即應(yīng)根據(jù)發(fā)給不同用戶的信息進行變址，而解碼器是無頻變址的，即每個用戶用自身的地址可對發(fā)給它的信息進行解碼，其中寬帶光纖網(wǎng)絡(luò)最典型的結(jié)構(gòu)是N×N的星形耦合器構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，由于編碼器可變址，因此可以發(fā)送廣播信息。

OCDM技術(shù)通過直接光編碼和光解碼實現(xiàn)光信道的復(fù)用和信號交換，能較好地發(fā)揮光纖信道頻帶寬的潛力，同時具有動態(tài)分配帶寬、網(wǎng)絡(luò)容易擴展、多址連接和控制靈活方便、網(wǎng)管簡單、保密性強等優(yōu)點，適合于對實時要求高、業(yè)務(wù)突發(fā)性強、速率高的寬帶通信，對今后本地網(wǎng)、用戶接入網(wǎng)來說有很好的應(yīng)用前景。世界各國都正在對其開展研究，雖然目前還不成熟，但是具有很大的開發(fā)價值。 4.2光放大器

光信號在光纖鏈路中傳輸時，不可避免地會存在著一定的功率損耗，因此在路徑損耗接近可用功率極限時，需要增加中繼器以便對信號進行放大和再生。使用第3章中所介紹的常規(guī)光電混合中繼器對信號進行再生放大時，需要進行光電轉(zhuǎn)換、電放大、再定時、脈沖整形以及電光轉(zhuǎn)換，而這種方式已經(jīng)滿足不了現(xiàn)代通信傳輸?shù)囊?。補償光纖損耗的最有效方法是用光放大器（OA，OpticalAmplifier）直接對光信號進行放大。至今已經(jīng)研究出的光放大器有兩大類：半導(dǎo)體光放大器（SOA，SemiconductorOpticalAmplifier）和光纖放大器（OFA，OpticalFiberAmplifier）。光纖放大器又可分為非線性光纖放大器（主要是利用光纖中的非線性光學(xué)效應(yīng)，如光纖拉曼放大器FRA：FiberRamanAmplifier）和摻雜稀土元素（如鉺Er、銩Tm、鐠Pr和釹Nd）等的光纖放大器（主要是摻鉺光纖放大器EDFA）兩大類。半導(dǎo)體光放大器的優(yōu)點是小型化，容易與其他半導(dǎo)體器件集成；缺點是性能與光偏振方向有關(guān)，器件與光纖的耦合損耗大。光纖放大器的性能與光偏振方向無關(guān)，同時器件與光纖的耦合損耗很小，因而得到了廣泛應(yīng)用。通常，光放大器的主要應(yīng)用形式包括以下幾點：

（1）在線放大器（LA），配置在遠(yuǎn)離局站處進行在線遠(yuǎn)端放大，同時具有較高增益和較大輸出功率，用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光電中繼器補償信號傳輸過程中的損耗，見圖4－5（a）；

（2）功率（助推）放大器（BA），配置在發(fā)送端激光管輸出之后（或經(jīng)光隔離器隔離后與激光管輸出相連），其主要作用是提高光的飽和功率，見圖4－5（b）；

（3）前置（預(yù)）放大器（PA），配置在接收端檢測管輸入之前，作為接收端的預(yù)放大，見圖4－5（c）；圖4－5光放大器的幾種應(yīng)用方式（4）局域網(wǎng)放大器，光放大器的另一種應(yīng)用是用來補償局域網(wǎng)（LAN，LocalAreaNetwork）的分配損耗，分配損耗常常限制網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)，特別是在總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的情況下，見圖4－5（d）。

在實際使用過程中，光放大器作為功率放大器、前置放大器和在線放大器等使用時，既可以單獨使用，也可以組合使用。4.2.1半導(dǎo)體光放大器

半導(dǎo)體光放大器（SOA）又稱為半導(dǎo)體激光放大器（SLA，SemiconductorLaserAmplifier）。它和半導(dǎo)體激光器（LD）一樣都是基于光的受激輻射和放大。兩者的不同在于LD存在強內(nèi)部反饋，足夠大的反饋可能引起自激振蕩，即受激輻射所需的初始注入光子可以從LD內(nèi)部產(chǎn)生；而SOA不能產(chǎn)生自激振蕩，因此受激輻射所需的初始注入光子必須由外部注入，由SOA對輸入光進行放大。

由于SOA作為一種放大器不應(yīng)產(chǎn)生自激振蕩，因此SOA中或者沒有內(nèi)部反饋，或者內(nèi)部反饋足夠小，以致不能產(chǎn)生自激。對應(yīng)反饋的兩種情況，存在兩種類型的SOA，即行波型SOA（TWLA，TravelingWaveLaserAmplifier）和FP型SOA（FP－SOA）。

TWLA的結(jié)構(gòu)類似于第2章中介紹的半導(dǎo)體激光器，只是在兩個解理端面上鍍有增透膜，這樣平面反射鏡的反饋將減少，但只要注入電流足夠大，在腔內(nèi)仍可獲得增益。在這種情況下，半導(dǎo)體激光器起到光放大器的作用。TWLA的兩端連到兩根光纖上，形成在線放大器。增益飽和效應(yīng)要求輸入的光信號功率有限，不能太大。目前TWLA的典型增益為30dB，帶寬為7.5GHz。同時，TWLA也不是無噪聲的理想放大器，因為放大器在放大原有信號的同時自發(fā)輻射光也得到了放大，稱為放大了的自發(fā)輻射（ASE）噪聲，這對放大器而言是不利的。實際應(yīng)用時可利用放大的自發(fā)輻射噪聲譜寬的特點，將輸出光通過一個窄帶濾波器讓所需的光信號通過以減小噪聲影響。

SOA在光纖通信的早期階段就廣受關(guān)注，但受到其偏振依賴增益、增益波動、增益飽和引起的串?dāng)_和光纖之間弱的模耦合引起的損耗大噪聲指數(shù)大等因素的影響，性能始終難以達(dá)到實用要求。近年來采用應(yīng)變量子阱材料的SOA受到重視，其具有結(jié)構(gòu)簡單、可批量生產(chǎn)、成本低、壽命長和功耗小等優(yōu)點，加之便于與其他部件一塊集成，可望制作出1310nm和1540nm波段的寬帶放大器。SOA在波長變換器中的應(yīng)用也取得了較大的進展，可望在今后逐步使用。

1.線性應(yīng)用

線性應(yīng)用主要指用作寬帶放大器。TWLA可以有很寬的平坦增益，因此可以同時放大很大帶寬內(nèi)的信號，例如密集波分復(fù)用系統(tǒng)中的多路信號。但是，至今在DWDM系統(tǒng)中使用的光放大器主要是EDFA和FRA，較少使用SOA，主要原因在于：

（1）雖然SOA可以在線性區(qū)應(yīng)用，但是仍存在一定的非線性響應(yīng)，它可能造成信道間的串?dāng)_，這是對DWDM系統(tǒng)致命的影響。（2）為了線性應(yīng)用就必須工作在小信號狀態(tài)，這又是與DWDM系統(tǒng)相矛盾的。DWDM系統(tǒng)具有多路信號，如果放大器輸出功率不大，分到每一路的功率就更小。這是不利于信號的長距離傳輸和接收的。

（3）SOA的噪聲系數(shù)較大，不利于信號的接收。

2.非線性應(yīng)用

SOA在光纖通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)中的非線性應(yīng)用則有著廣闊的前景。它可以用作帶有增益的光開關(guān)、全光3R（即再放大、再定時和再整形)、全光時分解復(fù)用和全光波長變換。在這些應(yīng)用中SOA具有相當(dāng)大的優(yōu)勢，有興趣的讀者可以參閱非線性光學(xué)的相關(guān)著作。4.2.2摻雜光纖放大器

摻雜稀土元素的光纖是摻雜光纖放大器的增益介質(zhì)。當(dāng)待放大的信號光入射進光纖時，由于介質(zhì)的吸收，入射光所攜帶的能量將介質(zhì)中的電子激發(fā)到較高的能級，通過弛豫電子從高能級躍遷到基態(tài)而釋放能量，發(fā)射出光子。光子的發(fā)射有以下兩種形式：

(1)自發(fā)輻射，即原來處于激發(fā)態(tài)的上能級的電子數(shù)隨時間呈指數(shù)減少，產(chǎn)生自發(fā)輻射；

(2)受激輻射，即一個能量等于激發(fā)能級與基態(tài)能級之差的光子入射到介質(zhì)中時，激發(fā)一個與入射光子同相位的光子，具有相干性，產(chǎn)生受激輻射。用光子能量較高的光源進行泵浦，將使受激輻射所占的比例遠(yuǎn)大于自發(fā)輻射，在存在增益的條件下，受激輻射所產(chǎn)生的光子繼續(xù)誘發(fā)受激輻射，使光子流增強，當(dāng)滿足如下條件時產(chǎn)生放大和激光：

(1)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，處于激光上能級的粒子數(shù)超過處于激光下能級的粒子數(shù)，介質(zhì)受激發(fā)射，產(chǎn)生增益和放大；

(2)高于閾值功率進行泵浦，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生激光輸出，且輸出功率基本正比于輸入的泵浦功率。

1.摻鉺光纖放大器（EDFA）

摻鉺光纖放大器（EDFA）利用光纖中稀土元素鉺的增益機制，實現(xiàn)光放大。

鉺離子的外層電子是三能級結(jié)構(gòu)，利用鉺離子作為激光工作離子進行1500nm波長信號的光放大，其能級模型為三能級系統(tǒng)，如圖4－6所示。圖4－6鉺離子能級圖

當(dāng)用高功率泵浦源來激勵摻鉺光纖時，鉺離子形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，處于受激的亞穩(wěn)態(tài)的電子數(shù)多于基態(tài)。亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)之間的能級差約為0.8eV，與1550nm波長的光子能量相近，當(dāng)1550nm波長的信號光光子入射進已被泵浦光激發(fā)至粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的摻鉺光纖時，兩者之間存在量子力學(xué)諧振效應(yīng)，導(dǎo)致亞穩(wěn)態(tài)離子返回基態(tài)，釋放出與入射光波長相同的額外光子，形成光放大。相反，入射光子可能激發(fā)處于基態(tài)的粒子到亞穩(wěn)態(tài)，而被吸收，但只要摻鉺光纖中保持鉺離子處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，則諧振輻射總是遠(yuǎn)大于吸收，導(dǎo)致入射信號光的增強，產(chǎn)生放大。摻鉺光纖放大器的泵浦光源必須滿足兩個條件：其波長與鉺離子能級躍遷相適應(yīng)；同時要有高的輸出功率。摻鉺光纖放大器的泵浦光源有三種選擇：1480nm半導(dǎo)體激光器、980nm半導(dǎo)體激光器和800nm半導(dǎo)體激光器。其中，980nm半導(dǎo)體激光器，因其具有噪聲低、泵浦效率高、驅(qū)動電流小、增益平坦性好等突出的優(yōu)點而被廣泛用作泵浦源。

泵浦源的數(shù)量可以采用單泵浦、雙泵浦或多泵浦。泵浦源泵浦光的方式有三種：

（1）同向泵浦。信號光與泵浦光以同一方向進入摻鉺光纖，噪聲性能好。

（2）反向泵浦。信號光與泵浦光從兩個不同方向進入摻鉺光纖，輸出信號功率高。

（3）雙向泵浦。兩個泵浦源從兩個相反方向進入摻鉺光纖，輸出信號功率高，且放大特性與信號傳輸方向無關(guān)。

摻鉺光纖放大器的結(jié)構(gòu)有集中式和分布式兩種：集中式結(jié)構(gòu)采用一段短的摻鉺光纖，集中泵浦；分布式結(jié)構(gòu)用長的摻鉺光纖，分布式泵浦。摻鉺光纖放大器具有如下的優(yōu)點：

(1)與光纖線路的耦合損耗?。ㄐ∮?dB）；

(2)噪聲低（4～8dB）；

(3)增益高（10～30dB）；

(4)輸出功率大（10～20dBm）；

(5)與光纖的極化狀態(tài)無關(guān)；

(6)張弛時間很大（約10ms）；

(7)所需泵浦功率較低（數(shù)十毫瓦）等。

2.摻銩光纖放大器

為了提供更高的傳輸總帶寬，波分復(fù)用系統(tǒng)中需要將更多的波長合并傳輸。因此，除了傳統(tǒng)的C波段（1530～1565nm）和L波段（1570～1600nm）外，還需要增加新的波段，以獲得更高的傳輸帶寬、更多的信道數(shù)和最小的光纖鏈路損耗，這樣就需要有更寬放大波段的光放大器。

摻銩光纖放大器（TDFA，ThuliumDopedFiberAmplifier）可以在光纖的S波段低損耗區(qū)域波長提供光放大，同時具有較高的效率。有三種類型的TDFA用于S波段：（1）TDFA工作在1450～1480nm波段；

（2）增益移動的摻銩光纖放大器（GS－TDFA）工作于1480～1510nm波段；

（3）摻銩光纖拉曼放大器，工作在1450～1520nm波段。

TDFA是基于稀土銩離子T3+m的4能級3H4－3F4躍遷。上能級的壽命時間（1.7ms）短于下能級的壽命時間（11ms），難于形成反轉(zhuǎn)態(tài)。圖4－7所示的上變換泵浦方案可以解決這個問題。上變換泵浦使T3+m離子通過基態(tài)吸收（第一級泵浦）激發(fā)到3F4能級，再經(jīng)過激發(fā)態(tài)吸收（第二級泵浦）被泵到上能級3H4。第二級泵浦減少了低能級3F4的長壽命T3+m離子，同時有效地激發(fā)它們到上能級3H4，發(fā)生離子數(shù)反轉(zhuǎn)。圖4－7銩離子能級圖和上交換泵浦方案

利用不同泵浦技術(shù)的結(jié)合可擴大摻銩光纖放大器的工作范圍。有三種泵浦方案：單波長1050nm上變換泵浦方案、雙波長1500nm/1050nm泵浦方案、雙波長1550nm/1400nm泵浦方案。其中，1550nm/1400nm泵浦方案更適于信號波長高于1475nm的信號。

3.其他摻雜稀土元素的光纖放大器

1）摻氟光纖放大器

常規(guī)摻鉺光纖放大器用的摻雜光纖為摻鉺二氧化硅光纖，其增益平坦區(qū)較窄，典型值是1550～1560nm，約10nm范圍，在1530～1542nm之間的部分增益起伏很大，可達(dá)8dB。

氟光纖摻雜的光纖放大器，其增益平坦區(qū)可擴展至整個C波段（1530～1560nm），帶內(nèi)增益起伏可從8dB減小到2dB，信噪比起伏從傳統(tǒng)的5dB減小到1.5dB。

2）摻鐠光纖放大器

摻鐠光纖放大器用于1300nm光纖通信系統(tǒng)，主要由摻鐠光纖構(gòu)成。

摻鐠光纖放大器使放大窗口在1310nm波長區(qū)，與G.652光纖的零色散點吻合，因而在大量1300nm光通信系統(tǒng)中可用摻鐠光纖放大器來提高系統(tǒng)性能。但因摻鐠光纖的機械強度和與普通光纖熔接困難等因素，它尚未獲得廣泛的商業(yè)應(yīng)用。

3）摻銩氟化物光纖放大器

摻銩氟化物光纖放大器（TDFFA）工作在S+波段（1450～1480nm）和S波段（1480～1530nm），其最佳泵浦波長是泵浦功率和放大器增益的函數(shù)，在1045～1070nm波長范圍。4.2.3非線性光纖放大器

1.光纖拉曼放大器

基于受激拉曼散射（SRS）機制的光放大器稱為光纖拉曼放大器（FRA）。FRA是非線性光學(xué)研究中的一個重要成果。研究發(fā)現(xiàn)，石英光纖具有很寬的拉曼增益譜（達(dá)40THz），并在13THz附近有一較寬的主峰。如果一個弱信號與一強泵浦光波同時在光纖中傳輸，并使弱信號波長置于泵浦波的拉曼增益帶寬內(nèi)，則弱信號即可被放大。這種放大器如果設(shè)置合適的腔鏡亦可構(gòu)成可調(diào)光纖拉曼激光器。FRA的寬帶放大特性可用作光纖損耗的分布式補償放大，實現(xiàn)高速超短光脈沖的穩(wěn)定傳輸，但在多信道光纖通信系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)設(shè)法避免或消除由SRS引起的串?dāng)_。圖4－8所示為光纖拉曼放大器的工作原理圖和能級圖。泵浦光束和信號光束的角頻率分別為ωp和ωs，兩束光通過波長選擇耦合器注入同一根光纖。當(dāng)兩束光沿著光纖同向傳輸時，由于受激拉曼散射效應(yīng)，能量從泵浦光束轉(zhuǎn)移到信號光束。光纖拉曼放大器就是利用強泵浦光束通過光纖傳輸產(chǎn)生的受激拉曼散射實現(xiàn)信號光放大的。表面上看，F(xiàn)RA的工作原理與其他光放大器沒有多大差別，都是靠轉(zhuǎn)移泵浦能量實現(xiàn)放大的，實際上有本質(zhì)上的不同。與電泵浦提供增益的半導(dǎo)體激光放大器（SLA）不同，SLA用電泵浦，需要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；光纖拉曼放大器必須用光泵浦來提供增益，它是靠非諧振、非線性散射實現(xiàn)放大功能的，不需要能級間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，不要求粒子在能級間轉(zhuǎn)移。受激發(fā)射時，一個入射光子激發(fā)另一個完全相同的光子發(fā)射，而沒有損失它自己的能量；但是受激拉曼散射時，入射泵浦光子損失它自己的能量，產(chǎn)生另一個能量較小、頻率較低（非彈性散射）的光子，稱為斯托克斯頻移光。泵浦光子余下的能量以分子振蕩的形式（光聲子）被介質(zhì)吸收，完成振動態(tài)之間的躍遷。圖4－8

FRA的工作原理圖和能級圖

當(dāng)輸入進光纖的光信號頻率與斯托克斯波的頻率相同時，光信號將得到增強，其頻率下移量由介質(zhì)的振動模式和入射泵浦光決定，因此，選擇不同的泵浦光源可得到所需要的信號光的放大或振蕩。理論上，采用多個不同波長的泵浦光源可以得到超寬帶的放大。

光纖拉曼放大器主要由增益介質(zhì)光纖和泵浦源等構(gòu)成，視光纖類型、泵浦類型和方式、放大方式不同而有多種類型結(jié)構(gòu)。它可以采用一般的傳輸光纖，為取得更高的放大效率，最好采用具有高非線性的光纖。泵浦源有多種選擇，可以利用單泵、雙泵或多泵，對每個泵浦源所給出的泵浦波長和泵浦功率需進行精心設(shè)計。由采用分布放大方式還是集中放大方式等理論和技術(shù)問題的解決方案不同，而呈現(xiàn)出多種光纖拉曼放大器結(jié)構(gòu)類型。

FRA的主要優(yōu)點包括：

(1)利用現(xiàn)有的傳輸光纖即可實現(xiàn)信號光的放大，而不需要其他增益介質(zhì)；

(2)與光纖線路耦合損耗??；

(3)噪聲低；

(4)增益帶寬寬，理論上可得到任意波長的信號放大，單波長泵浦時增益帶寬為4nm左右，多波長泵浦時增益帶寬可高達(dá)114nm，同時獲得20～40dB的增益；

(5)增益波長由泵浦光波長決定，只需選擇適當(dāng)波長的泵浦源；

(6)增益穩(wěn)定性好；

(7)采用分布式的放大，可以避免非線性效應(yīng)，特別是四波混頻（FWM）效應(yīng)的干擾；

(8)成本較低。

FRA存在的主要缺點：

(1)泵浦功率大（數(shù)百毫瓦）；

(2)光纖長（數(shù)千米）；

(3)頻帶較窄（約100MHz量級）。

2.光纖布里淵放大器

基于受激布里淵散射（SBS）機制的光放大器稱為光纖布里淵放大器（FBA，F(xiàn)iberBrillouinAmplifier）。SBS是光纖內(nèi)產(chǎn)生的另一種非線性光學(xué)現(xiàn)象，與SRS類似，SBS亦起源于光纖的三階電極化率。激光通過光纖時，不但產(chǎn)生SRS，而且也產(chǎn)生SBS。SBS光增益是由泵浦光的受激布里淵散射而不是由受激拉曼散射產(chǎn)生的，它將一部分泵浦光功率通過SBS過程轉(zhuǎn)移給信號光，使信號光得到放大。

SBS及其增益特性與SRS在形式上相似，但又存在很大區(qū)別。從影響FBA工作的觀點看，在三個重要的方面存在區(qū)別：（1）對于SBS，只有當(dāng)信號光與泵浦光傳輸方向相反時（后向泵浦結(jié)構(gòu)），才產(chǎn)生光放大作用；

（2）斯托克斯頻移量，SBS要比SRS小3個數(shù)量級；

（3）SBS增益頻譜相當(dāng)窄，其帶寬小于100MHz。從經(jīng)典理論看，泵浦光束散射產(chǎn)生的斯托克斯光是由介質(zhì)中產(chǎn)生的以聲速傳播的聲波引起的。泵浦光通過電致伸縮產(chǎn)生聲波，引起折射率周期性調(diào)制，形成一種折射率光柵。泵浦光又通過光柵散射產(chǎn)生斯托克斯光和聲波，泵浦光、斯托克斯光和聲子之間的參量相互作用，產(chǎn)生光增益。從量子物理觀點看，受激布里淵散射過程可看做一個泵浦光子的湮滅，同時產(chǎn)生了一個斯托克斯光子和一個聲學(xué)聲子。

FBA的高增益低功率放大性能使其可用作接收機前置放大器，提高接收靈敏度。但是由于在室溫下聲學(xué)聲子數(shù)高，F(xiàn)BA的噪聲指數(shù)過大（典型值大于15dB），使這種應(yīng)用受到限制。因為FBA的窄帶寬放大特性，使其能放大信號的比特率一般比較低，所以，在一般光波通信系統(tǒng)中，其應(yīng)用價值并不大。但FBA的窄帶放大特性可作為一種選頻放大器，在相干和多信道光波通信系統(tǒng)中有一定用處。例如在相干通信系統(tǒng)中，可用FBA有選擇性地放大光載波而不放大調(diào)制邊帶，利用放大后的光載波作為本振光，實現(xiàn)零差檢測。采用這種方案，對一個80Mb/s的比特流，載波得到的放大量比調(diào)制邊帶高30dB，接收靈敏度提高G1/2A倍。在多信道通信系統(tǒng)中，可在接收端注入一泵浦光，與多信道光信號相反傳播，通過調(diào)節(jié)泵浦頻率就可選擇不同信道的信號進行放大。但是由于其窄帶特性，一般每信道的比特率亦限制在100Mb/s以內(nèi)。實際多信道通信系統(tǒng)中，SBS過程通常要限制信道間隔和通道數(shù)，同時限制信號功率和通信距離，因此通常應(yīng)設(shè)法降低這種影響。根據(jù)國外文獻(xiàn)，實驗中使用信道間距為15GHz的128個信道的WDM網(wǎng)絡(luò)，泵浦光通過兩個串聯(lián)的8×8星形耦合器對光纖提供激勵，因為FBA的窄帶寬特性（相當(dāng)于窄帶濾波器）可以選擇出工作速率為150Mb/s的信道。 4.3色散補償和管理技術(shù)

4.3.1降低色散影響的主要措施

1.減小光源的譜寬

首先要減小激光器固有線寬（即相位噪聲），其次要減小調(diào)制譜寬。傳統(tǒng)的光纖通信系統(tǒng)中多采用的是對激光器進行直接調(diào)制的方案，即通過改變驅(qū)動電流來改變光強，形成光的編碼信號。直接調(diào)制技術(shù)簡單方便，成本低，但是調(diào)制信號本身具有一定的頻譜，調(diào)制速率越高，調(diào)制信號頻譜越寬。直接調(diào)制時，電流變化還會引起激光器激射頻率變化（與強度調(diào)制同時存在的寄生頻率調(diào)制），這就是所謂啁啾聲（Chirp）。該寄生的頻率調(diào)制可能有很寬的頻譜，因而啁啾可能造成頻譜的增寬。為了減小色散造成的影響，從光源角度考慮，一方面要減小激光器譜線寬度，另一方面就是減小啁啾。減小啁啾的方法有：

(1)使用啁啾性能較好的激光器。例如DFB激光器啁啾系數(shù)為6，量子阱DFB激光器為2，后者優(yōu)于前者；

(2)用外調(diào)制器，采用EA（電吸收）調(diào)制器啁啾系數(shù)可降至0.5，采用鈮酸鋰調(diào)制器啁啾系數(shù)更小。

2.減小光纖的色散

減小光纖色散是克服系統(tǒng)色散限制的有效方法，這也是ITU－T先后開發(fā)出色散位移光纖DSF和非零色散位移光纖NZ－DSF的原因。但是對于已經(jīng)敷設(shè)的色散系數(shù)較大的常規(guī)單模光纖而言，其色散性能在制造時已經(jīng)固定，必須采用其他色散補償和色散管理方案。4.3.2色散補償技術(shù)

1.色散補償光纖

色散補償光纖（DCF）是目前較成熟、應(yīng)用較廣泛的色散補償技術(shù)。其原理是利用和傳輸光纖色散系數(shù)符號相反的色散補償光纖來補償傳輸光纖的色散。

對于光纖一階群速度色散（GVD），完全補償?shù)臈l件為(4－1)式中:Dt(λ)和Dc(λ)分別為傳輸光纖和色散補償光纖在波長λ處的色散系數(shù)；Lt和Lc分別為傳輸光纖和色散補償光纖的長度。如需考慮光纖二階色散，則在滿足(4－2)時二階色散亦可獲得補償，但不可能在所有波長上得到滿足。光纖型色散補償技術(shù)大體可分為兩類：

（1）基于基模（LP01模）的單模色散補償光纖（DCF）補償技術(shù)。其基本原理是纖芯折射率高，纖芯周圍設(shè)有不同折射率的多包層結(jié)構(gòu)以增強LP01模的負(fù)波導(dǎo)色散。

（2）基于高階模（LP11模）的雙模DCF補償技術(shù)。它是利用在截止波長附近工作的LP11模有很大負(fù)色散的特點來實現(xiàn)色散補償?shù)?。?dāng)前實際線路上鋪設(shè)了大量的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（STDSMF），這些光纖的色散系數(shù)大約為17ps/(km·nm)。在采用色散補償方案時，我們不可能把它們挖掉一段換上DCF。實際工程中總是把DCF光纖繞在一個盤上做成一個器件，然后插在實際光纖線路中補償實際線路的色散。為了使盤做得比較小，DCF光纖的|D|要做得盡可能大，使得其比較短也就可以補償較長STDSMF的色散。另外，DCF的芯徑比SSMF小得多，因而衰減較大，常需要加一個EDFA放大器補償其衰減，而且芯徑細(xì)了非線性效應(yīng)也較大，在使用中也需要考慮。

可見，這種方法雖然是工程上最常用的色散補償方法，而且集成的DCF產(chǎn)品也有出售，但人們總感到此方法不太理想，因而又提出了許多新的色散補償方法。

2.預(yù)啁啾技術(shù)

預(yù)啁啾技術(shù)是在發(fā)送端引入預(yù)啁啾（和傳輸光纖色散引起的啁啾相反），使發(fā)送的光脈沖產(chǎn)生預(yù)畸變，結(jié)果經(jīng)光纖傳輸后抵消了傳輸光纖色散引起的啁啾，延長了傳輸距離。圖4－9給出了預(yù)啁啾技術(shù)的原理圖。對于光纖傳輸系統(tǒng)，假定發(fā)送的光脈沖無啁啾，如圖4－9（a）所示；脈沖經(jīng)光纖傳輸后，由于光纖的色散效應(yīng)，不僅造成光脈沖的展寬，也使得光脈沖出現(xiàn)啁啾，如圖4－9（b）所示；光脈沖在某一傳輸距離處達(dá)到系統(tǒng)性能所限定的寬度，該距離即為系統(tǒng)最大無中繼傳輸距離；如果在發(fā)送端對光脈沖施加預(yù)啁啾，即使得發(fā)送光脈沖出現(xiàn)與光纖色散造成的脈沖啁啾相反的啁啾（如圖4－9（c）所示），則經(jīng)光纖傳輸后，由于光纖色散，脈沖啁啾將逐漸消失（兩種相反的啁啾互相抵消），脈沖出現(xiàn)壓縮，如圖4－9（d）所示；再經(jīng)光纖傳輸后，色散又造成光脈沖的展寬，逐漸恢復(fù)到發(fā)送脈沖的寬度，脈沖出現(xiàn)啁啾，如圖4－9（e）所示；之后，脈沖將繼續(xù)展寬，在更長的傳輸距離處達(dá)到限定的寬度，如圖4－9（f）所示。顯然，采用預(yù)啁啾技術(shù)可以延長系統(tǒng)的無中繼傳輸距離。圖4－9預(yù)啁啾技術(shù)原理

預(yù)啁啾可以在光源（半導(dǎo)體激光器）中引入，也可以在外調(diào)制器以及在后置功率放大器（半導(dǎo)體激光放大器）中引入。其優(yōu)點是無需改動系統(tǒng)的傳輸和接收部分；缺點是增大了發(fā)送端的復(fù)雜程度，且只能補償光纖的線性色散，補償?shù)木嚯x也有限。補償?shù)木嚯x和系統(tǒng)的傳輸速率以及施加預(yù)啁啾器件的性能密切相關(guān)。

3.啁啾光纖光柵

啁啾光纖光柵是在光學(xué)波導(dǎo)上刻出一系列不等間距的光柵，光柵上的每一點都可以看成是一個本地布拉格波長的通帶和阻帶濾波器，不同波長分量光在其中傳輸?shù)臅r延不同，且與光纖色散引起的群時延正好相反，從而可補償由于光纖色散引起的脈沖展寬效應(yīng)。

使用啁啾光纖光柵進行色散補償?shù)脑砣鐖D4－10所示。高頻分量在光柵的末端反射，行進距離長（時延長），而低頻分量在光柵的入口處就反射，行進距離短（時延短）。由此可見在啁啾光纖光柵中高頻分量行進慢，低頻分量行進快，與光纖正好相反，因此啁啾光纖光柵可以提供與傳輸光纖符號相反的色散，補償光纖色散引起的脈沖展寬。圖4－10高頻分量和低頻分量在啁啾光柵行進不同的距離

圖4－11給出了利用啁啾光纖光柵實現(xiàn)光纖色散補償?shù)难b置結(jié)構(gòu)示意圖。輸入信號從環(huán)行器的端口1注入，經(jīng)環(huán)行器在端口2輸出進入啁啾光纖光柵。在啁啾光纖光柵中，高、低頻信號經(jīng)不同的時延后反射回端口2，再經(jīng)過環(huán)行器在端口3輸出。經(jīng)過啁啾光纖光柵后，原來在脈沖前沿的高頻分量由于在光柵中時延較大在輸出處就要落后些，而在后沿的低頻分量在光柵中時延少，則可趕上一些，正好補償了傳輸光纖的色散效應(yīng)。圖4－11應(yīng)用啁啾光柵補償光纖色散的裝置

啁啾光纖光柵的優(yōu)點是體積小，插入損耗低。雖然啁啾光纖光柵是一種窄帶器件，且具有非周期的頻率特性，但采用串接具有不同啁啾特性光纖光柵的方式可以擴大其帶寬，亦可應(yīng)用多波長系統(tǒng)。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報道，已經(jīng)制成帶寬高達(dá)十幾納米的啁啾光纖光柵。由于啁啾光纖光柵的色散量和其帶寬的乘積為常數(shù)，因此要補償?shù)墓饫w長度越長，光柵的長度也應(yīng)越長，以保證其有足夠大的色散量。這除了增加光柵的制作難度外，還會降低其帶寬，從而限制它的使用范圍，但可采用級聯(lián)方式增加其可補償光纖的長度。

啁啾光纖光柵的缺點是在實際應(yīng)用的時候?qū)ν饨绲臏囟?、振動等變化比較敏感，從而對其在工程中的應(yīng)用有一定的限制。

4.光相位共軛色散補償

光相位共軛（OPC）色散補償法又稱中途頻譜反轉(zhuǎn)法。光相位共軛器是利用光介質(zhì)中的非線性效應(yīng)“四波混頻”獲得輸入光脈沖的頻譜反轉(zhuǎn)脈沖的，即相位共軛脈沖。光相位共軛色散補償是在兩根長度和色散特性相同的傳輸光纖之間插入光相位共軛器，經(jīng)第一根光纖傳輸后，發(fā)生畸變的信號脈沖經(jīng)相位共軛器轉(zhuǎn)換為相位共軛脈沖，再經(jīng)第二根光纖的傳輸而被整形恢復(fù)。圖4－12示出了光相位共軛器的色散補償系統(tǒng)原理圖。圖4－12光相位共軛器的色散補償系統(tǒng)原理圖

實現(xiàn)光波混頻的非線性介質(zhì)主要有半導(dǎo)體激光（放大）器和零色散光纖（色散位移光纖）。

OPC色散補償?shù)膬?yōu)點是可以完全補償光纖的二階色散（正或負(fù)色散），對光纖中的非線性效應(yīng)(自相位調(diào)制)也有一定的補償能力；可實現(xiàn)對信號的透明轉(zhuǎn)換，即信號的具體格式對光相位共軛轉(zhuǎn)換過程無任何限制；理論上只要一個光相位共軛就可以補償任意長度光纖的色散，而無需對發(fā)送和接收端進行改造。OPC色散補償?shù)娜秉c是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對輸入光和泵浦光波長的穩(wěn)定性和偏振態(tài)要求比較苛刻，因而造價高。

5.偏振模色散補償

光纖中存在的殘余應(yīng)力會產(chǎn)生偏振模色散（PMD），信號在光纖中傳輸時，兩個垂直分量之間會產(chǎn)生時延，從而使信號脈沖展寬。當(dāng)PMD引起的展寬過大時，就會導(dǎo)致誤碼率顯著增加，系統(tǒng)性能嚴(yán)重劣化。理論研究和實踐已經(jīng)證明，當(dāng)傳輸速率達(dá)到10Gb/s以上時，偏振模色散對高碼率光通信系統(tǒng)的影響就顯得十分突出。因此在長距離高速光纖通信系統(tǒng)中，PMD是限制傳輸速率和距離的一個主要因素，所以必須設(shè)法減小或消除光纖PMD對傳輸系統(tǒng)性能的影響。總的來說，目前采用的減小PMD影響的主要手段有以下兩個：（1）改進制造技術(shù)，盡量減少光纖本身的PMD值。實驗數(shù)據(jù)表明，光纖的PMD值與預(yù)制棒的旋轉(zhuǎn)速率有關(guān)，旋轉(zhuǎn)速率越高，則PMD值越小，而且旋轉(zhuǎn)不改變光纖的零色散波長。為了防止增加光纖損耗，在低溫、高速拉絲的同時提高預(yù)制棒旋轉(zhuǎn)的同心精度，是進一步減少PMD值和損耗值的關(guān)鍵技術(shù)。

還有其他一些減少PMD的方案，如通過提高工藝改善光纖對稱性，減小光纖本征雙折射，以及用外部汽相沉積技術(shù)和超純的汽相沉積化學(xué)技術(shù)制造新型單模光纖，其PMD值可以降低到較小的量級，基本上可以滿足當(dāng)今光通信系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)的需求（如40Gb/s系統(tǒng)）。（2）進行PMD補償。由于已敷設(shè)的大量標(biāo)準(zhǔn)單模光纖在短期內(nèi)還不可能被完全取代，為了充分利用已有資源，一種比較經(jīng)濟的方法就是對PMD進行補償。因此，在國際上如何補償PMD已成為研究熱點。目前，用于PMD補償?shù)募夹g(shù)有很多，概括起來主要有電補償方法、光電結(jié)合法和光補償方法。其中電補償方法技術(shù)成熟，容易與光接收機集成，但是只能在接收端進行，而且還必須對高速電信號進行處理；光電結(jié)合的補償方法可以利用光補償和電補償兩者的優(yōu)勢，具有很好的補償效果，但是該方法一般都結(jié)構(gòu)龐大，不容易集成；光補償方法具有靈活方便、易于集成等優(yōu)點，補償速率高，還能集成一些新型光學(xué)器件（比如非線性啁啾光纖光柵等），是高速光通信系統(tǒng)很有前途的補償方法。4.3.3色散管理

1.長距離系統(tǒng)色散管理

前面討論的是色散補償技術(shù)，主要針對的是單個系統(tǒng)或較短的光纖鏈路，但是在實際應(yīng)用中，往往會有距離幾百公里乃至幾千公里的光纖傳輸系統(tǒng)。此時，如何從系統(tǒng)設(shè)計的角度選擇適宜的色散補償技術(shù)是較為復(fù)雜的。如果系統(tǒng)每100～200km采用光中繼器，那么前面討論的所有技術(shù)都能工作得很好，因為在整段距離上各種使性能下降的因素不會累積。然而，當(dāng)周期性地使用光放大器，使信號在整個光纖線路上僅保持在光域內(nèi)進行放大而不進行光電再生時，包括自相位調(diào)制（SPM）和四波混頻（FWM）等非線性效應(yīng)，將對采用不同的色散補償方案產(chǎn)生不同的影響?？紤]到不同的DCF和光放大器的設(shè)置位置，光纖鏈路的色散值起伏和線路功率也存在一定的變化，引入色散管理技術(shù)的基本思想是使色散在光纖線路上具有最佳的分布，并使得系統(tǒng)的總性能最好。一種基本的色散管理技術(shù)是在光纖線路上混合使用分別具有正、負(fù)群速度色散（GVD）的光纖，這樣不僅減少了所有信道的總色散，而且非線性影響也最小。在總長為1000km的光纖線路上（包含31個光纖放大器）的環(huán)路實驗表明，分別使用正、負(fù)GVD的光纖，可以實現(xiàn)12000km的最大傳輸距離。此外，相關(guān)研究表明，光放大器設(shè)置的位置也會對色散補償效果產(chǎn)生影響。從減小FWM等非線性效應(yīng)的影響考慮，在光纖線路的末端進行色散補償要比在每個放大段的末端進行補償好些。

綜上所述，長距離系統(tǒng)的色散管理主要和放大器間距及DCF的位置等設(shè)計參數(shù)有關(guān)。

2.動態(tài)色散管理

對于工作在40Gb/s及其以上速率的WDM系統(tǒng)來說，動態(tài)色散補償技術(shù)正在變得極為重要。在如此高的傳輸速率下，系統(tǒng)允許色散的變化量已變得很小。例如在40Gb/s的系統(tǒng)中，需要將色散精確地控制在小于50ps/nm以內(nèi)；在比特速率為160Gb/s時，要求更小，只有5ps/nm。這種很低的色散容限對工程應(yīng)用來說是一個巨大的挑戰(zhàn)，因為需要精確地控制色散補償光纖的長度來補償傳輸光纖的色散。此外，由于以下的一些因素，在接收端為保持最佳的系統(tǒng)性能所要求的色散補償量可能隨時在變化。首先，傳輸條件可能因周圍環(huán)境溫度的變化而變化；其次，EDFA增益不平坦引起光功率的微小變化，可引起附加的非線性相位變化，足以使系統(tǒng)的最佳色散補償效果變化；最后，網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)重構(gòu)（如信道的起點不斷地在改變）可使總的色散和非線性相位變化。這些問題由于在整個頻帶內(nèi)不完全的色散斜率補償和光纖色散的不確定性而加劇了，因此，當(dāng)比特速率為40Gb/s及其以上時，仔細(xì)地測量已安裝網(wǎng)絡(luò)每段光纖的色散是非常必要的。

基于以上原因，這些高比特率系統(tǒng)將要求在對所有信道色散補償?shù)幕A(chǔ)上，還要在接收端對每個信道進行可調(diào)諧的補償，以便動態(tài)地調(diào)整色散補償，如圖4－13所示。圖4－13高比特率系統(tǒng)動態(tài)色散管理示意圖對色散補償器件的要求是色散的可調(diào)諧性、帶寬、群速度時延（GVD）、非一致性和偏振模色散（PMD），特別是當(dāng)速率達(dá)到或超過40Gb/s時，對這些參數(shù)的要求就更為嚴(yán)格。例如對于40Gb/s的非歸零（NRZ）脈沖傳輸，要求可調(diào)諧性大于200ps/nm，峰－峰值小于10ps的GVD非一致性，在0.5nm的波長范圍內(nèi)小于1ps的PMD。環(huán)路調(diào)諧集成全通濾波器（APF）和光纖布拉格光柵（FBG）可用于此目的。

4.4相干光通信技術(shù)

1.相干光通信的工作原理

相干光通信系統(tǒng)與IM－DD系統(tǒng)相比，主要差別是在光接收機中增加了外差接收所需要的本振光和光混頻器。分析表明，混頻輸出信號電流I的大小與接收光信號功率PS及本振光功率PL有關(guān)，即I∝（PS·PL）1/2。

由于本振光功率PL遠(yuǎn)大于接收光信號功率PS，因此混頻后輸出信號產(chǎn)生了增益，稱為混頻增益，使接收靈敏度有了很大提高。此外，由于混頻器中，本振光產(chǎn)生的散粒噪聲遠(yuǎn)大于輸入光信號的散粒噪聲和其他噪聲，因此“1”和“0”碼的噪聲近似相等，這是又一個不同點。一個基本的外差相干光通信系統(tǒng)如圖4－14所示。圖4－14外差相干光通信原理圖

相干光通信系統(tǒng)中的調(diào)制解調(diào)方式有多種，例如，可以有ASK、FSK和PSK，在更高速率下，多采用DPSK和CPFSK等；在接收端可以采用相干檢測。

已調(diào)信號光波經(jīng)光纖傳輸后會受到各種損傷，如光纖的損耗、色散和偏振狀態(tài)等都會對光信號產(chǎn)生影響。因此，在接收端，光信號首先進入極化控制器，使信號光波的空間分布和極化方向與本振光波相匹配，以便獲得盡可能高的混頻效率。已調(diào)信號光波和本振光波經(jīng)混頻后，輸出中頻電信號（中頻載波的典型頻率是108Hz）在中頻放大器中放大濾波。由于中頻放大器可以做得比較陡峭，因此相干光通信的信道選擇性很好。最后再按發(fā)送端調(diào)制形式進行解調(diào)就可以獲得基帶信號，進行判決再生。當(dāng)外差系統(tǒng)中的本振光波頻率等于光載波激光器的振蕩頻率時，經(jīng)過混頻、檢測后可以從已調(diào)信號光波中直接取出基帶信號，構(gòu)成所謂的“零差”系統(tǒng)。此時，接收機所要求的帶寬與一般的外差系統(tǒng)相比可以減小一半，因此“零差”系統(tǒng)的接收靈敏度比外差方式高3dB。

但是，在實際應(yīng)用中要維持接收信號光波與本振光波的相位跟蹤是十分困難的，同時對光源的譜線寬度要求也很嚴(yán)格。因此，目前相干光通信主要是以外差方式為主流發(fā)展的。

2.相干光通信的特點

1）出色的信道選擇性

由于光外差過程將光載頻的信息轉(zhuǎn)換為中頻載波的信息，而中頻載波比光載頻小6個量級，在光頻段做一個窄帶濾波器是很困難的，而對幾十到幾百兆赫（電）的中頻載波來說，做一個高性能的窄帶濾波器是很容易的事情。這樣一來就大大提高了接收的選擇性，有利于實現(xiàn)頻分復(fù)用等復(fù)用通信與相干通信的結(jié)合，使通信系統(tǒng)容量大幅度提高。目前，單模光纖大約有200nm的低損耗區(qū)可用，相當(dāng)于30THz可用帶寬。采用選擇性極好的相干光通信，無需光濾波器就可以使光載波間隔縮小至0.1nm左右，可以容納起碼幾百個光載波。

2）高的接收靈敏度

ASK/外差包絡(luò)檢波和ASK/外差同步檢波比IM－DD系統(tǒng)可以增加10～20dB的接收靈敏度，而FSK替換ASK后又可以增加3dB，進一步用PSK替換FSK又能提高3dB，若將外差檢測（HD）改為零差檢測（HmD），則還可以提高3dB的檢測靈敏度。這使得無中繼距離得以大大延長。

3）外差檢測的其他潛在優(yōu)點

外差檢測的一些優(yōu)點，如可實現(xiàn)