光通信復(fù)習(xí)及課件.ppt

1、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(shí)分復(fù)用技術(shù) 7.7 波長(zhǎng)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(jià)格，滿足社會(huì)需要。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，光纖通信成為一個(gè)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(shí)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(shí)分復(fù)用技術(shù)等。,7.1 光 纖 放 大 器,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)

2、體光放大器的優(yōu)點(diǎn)是： 小型化，容易與其他半導(dǎo)體器件集成 半導(dǎo)體光放大器的缺點(diǎn)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)，器件與光纖的耦合損耗很小， 因而得到廣泛應(yīng)用。,光纖放大器的實(shí)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(zhǎng)為1.55 m的摻鉺(Er)光纖放大器(EDFA： ErbiumDoped Fiber Amplifier)研制成功并投入實(shí)用，把光纖通信技術(shù)水平推向一個(gè)新高度，成為光纖通信發(fā)展史上一個(gè)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

3、工作原理，說明了光信號(hào)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(gè)能級(jí)： 能級(jí)1代表基態(tài)， 能量最低 能級(jí)2是亞穩(wěn)態(tài)，處于中間能級(jí) 能級(jí)3代表激發(fā)態(tài)， 能量最高,當(dāng)泵浦(Pump, 抽運(yùn))光的光子能量等于能級(jí)3和能級(jí)1的能量差時(shí)，鉺離子吸收泵浦光從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)(13)。但是激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，Er3+很快返回到能級(jí)2。 如果輸入的信號(hào)光的光子能量等于能級(jí)2和能級(jí)1的能量差，則處于能級(jí)2的Er3+將躍遷到基態(tài)(21)，產(chǎn)生受激輻射光，因而信號(hào)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(hào)光的結(jié)果。,圖 7.1摻鉺光纖放大器的工作原理 (

4、a) 硅光纖中鉺離子的能級(jí)圖； (b) EDFA的吸收和增益頻譜,為提高放大器增益， 應(yīng)提高對(duì)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(hào)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(hào)光功率的效率很高，達(dá)到92.6%。當(dāng)泵浦光功率為60 mW時(shí)，吸收功率(信號(hào)輸入光功率-信號(hào)輸出光功率)/泵浦光功率為88%。,圖7.2摻鉺光纖放大器的特性 (a) 輸出信號(hào)光功率與泵浦光功率的關(guān)系； (b) 小信號(hào)增益與泵浦光功率的關(guān)系,圖7.2(b)是小信號(hào)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(shí)，增益系數(shù)為6.3d

5、B/mW。,圖7.2摻鉺光纖放大器的特性 (a) 輸出信號(hào)光功率與泵浦光功率的關(guān)系； (b) 小信號(hào)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)成和特性 圖7.3為光纖放大器構(gòu)成原理圖 摻鉺光纖(EDF)和高功率泵浦光源是關(guān)鍵器件，把泵浦光與信號(hào)光耦合在一起的波分復(fù)用器和置于兩端防止光反射的光隔離器也是不可缺少的。,輸入信號(hào),光隔離器,波分復(fù)用器,泵浦,摻鉺光纖,光隔離器,輸出信號(hào),圖7.3 光纖放大器構(gòu)成原理圖,波長(zhǎng)為980 nm的泵浦光轉(zhuǎn)換效率更高，達(dá)10 dB/mW， 而且噪聲較低，是未來發(fā)展的方向。 對(duì)波分復(fù)用器的基本要求是： 插入損耗小，熔拉雙錐光纖耦合器型和干涉濾波型波分

6、復(fù)用器最適用。 光隔離器的作用是: 防止光反射，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作和減小噪聲 對(duì)光隔離器的的基本要求是： 插入損耗小，反射損耗大。,7.1.3 摻鉺光纖放大器的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用 EDFA的主要優(yōu)點(diǎn)有： 工作波長(zhǎng)正好落在光纖通信最佳波段(15001600 nm)； 其主體是一段光纖(EDF)，與傳輸光纖的耦合損耗很小， 可達(dá)0.1 dB。 增益高，約為3040 dB; 飽和輸出光功率大， 約為1015 dBm； 增益特性與光偏振狀態(tài)無關(guān)。 噪聲指數(shù)小， 一般為47 dB； 用于多信道傳輸時(shí)， 隔離度大，無串?dāng)_，適用于波分復(fù)用系統(tǒng)。 頻帶寬，在1550 nm窗口，頻帶寬度為2040 nm， 可進(jìn)行多信道傳

7、輸，有利于增加傳輸容量。,如果加上1310 nm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。 1550 nm EDFA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。,EDFA的應(yīng)用， 歸納起來可以分為三種形式 。,中繼放大器 （LA：Line Amplifier）在光纖線路上每隔一定的距離設(shè)置一個(gè)光纖放大器，以延長(zhǎng)干線網(wǎng)的傳輸距離） 前置放大器 （PA：Preamplifier)

8、置于光接收機(jī)的前面，放大非常微弱的光信號(hào)，以改善接收靈敏度。作為前置放大器，對(duì)噪聲要求非?？量獭?后置放大器 （BA： Booster Amplifier) 置于光接收機(jī)的后面，以提高發(fā)射機(jī)功率。對(duì)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)。,7.2 光波分復(fù)用技術(shù),隨著人類社會(huì)信息時(shí)代的到來，對(duì)通信的需求呈現(xiàn)加速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。 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(duì)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(zhǎng)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(shí)分復(fù)用(TDM)技術(shù)外， 還出現(xiàn)了其他的復(fù)用技術(shù)，

9、例如光時(shí)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： Wavelength Division Multiplexing)技術(shù)是在一根光纖中同時(shí)傳輸多個(gè)波長(zhǎng)光信號(hào)的一項(xiàng)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(zhǎng)的光信號(hào)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(zhǎng)的光信號(hào)分開(解復(fù)用)，并作進(jìn)一步處理，恢復(fù)出原信號(hào)后送入不同的終端，因此將此項(xiàng)技術(shù)稱為光波長(zhǎng)分割復(fù)用， 簡(jiǎn)稱光波分復(fù)用技術(shù)。,圖7.6 中心波長(zhǎng)在1.3 m和1.

10、55 m的硅光纖低損耗傳輸窗口,光纖的帶寬有多寬？ 如圖7.6所示，在光纖的兩個(gè)低損耗傳輸窗口： 波長(zhǎng)為1.31 m(1.251.35m)的窗口，相應(yīng)的帶寬(|f|=|-c/2|, 和分別為中心波長(zhǎng)和相應(yīng)的波段寬度， c為真空中光速)為17700 GHz； 波長(zhǎng)為1.55 m(1.501.60 m)的窗口， 相應(yīng)的帶寬為12500 GHz。 兩個(gè)窗口合在一起，總帶寬超過30THz。如果信道頻率間隔為10 GHz， 在理想情況下， 一根光纖可以容納3000個(gè)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(shí)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

11、道間隔較小的波分復(fù)用稱為密集波分復(fù)用(DWDM：Dense Wavelength Division Multiplexing)。,目前該系統(tǒng)是在1550 nm波長(zhǎng)區(qū)段內(nèi)，同時(shí)用8，16或更多個(gè)波長(zhǎng)在一對(duì)光纖上(也可采用單光纖)構(gòu)成的光通信系統(tǒng)，其中各個(gè)波長(zhǎng)之間的間隔為1.6 nm、 0.8 nm或更低，約對(duì)應(yīng)于200 GHz, 100 GHz或更窄的帶寬。 WDM、 DWDM和OFDM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1310/1550 nm 簡(jiǎn)單復(fù)用還是在1550 nm波長(zhǎng)區(qū)段內(nèi)密集復(fù)用，但目前在電信界應(yīng)用時(shí)，都采用DWDM技術(shù)。 由于1310/1550 n

12、m的復(fù)用超出了EDFA的增益范圍，只在一些專門場(chǎng)合應(yīng)用，所以經(jīng)常用WDM這個(gè)更廣義的名稱來代替DWDM。,WDM技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)升級(jí)、發(fā)展寬帶業(yè)務(wù)(如CATV)、充分挖掘光纖帶寬潛力、實(shí)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(duì)現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)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(zhǎng)途高速光纖通信線路的主要技術(shù)方向。其中非零色散光纖可以在1550nm窗口利用遺留的色散量抵消四波混頻。p77,2. 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

13、件，將不同波長(zhǎng)的信號(hào)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(zhǎng)信號(hào)分解為各個(gè)波長(zhǎng)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(shí)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(zhǎng)的已調(diào)光信號(hào)1,2,n通過光復(fù)用器組合在一起，并在一根光纖中單向

14、傳輸。 由于各信號(hào)是通過不同光波長(zhǎng)攜帶的，因而彼此之間不會(huì)混淆。 在接收端通過光解復(fù)用器將不同波長(zhǎng)的信號(hào)分開， 完成多路光信號(hào)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(shí)向兩個(gè)不同的方向傳輸。如圖7.8所示，所用波長(zhǎng)相互分開， 以實(shí)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(jì)和應(yīng)用時(shí)必須要考慮幾個(gè)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(gè)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(O

15、SC)傳輸和自動(dòng)功率關(guān)斷等問題，同時(shí)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(duì)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。 , 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(duì)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；Pii為從輸出端口接收到的

16、光功率。,(dB) (7.1),(2) 串?dāng)_抑制度 串?dāng)_是指其他信道的信號(hào)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。,其中Pi是波長(zhǎng)為i的光信號(hào)的輸入光功率，Pij是波長(zhǎng)為i的光信號(hào)串入到波長(zhǎng)為j信道的光功率。,(7.2),(3) 工作波長(zhǎng)范圍 工作波長(zhǎng)范圍是指WDM器件能夠按照規(guī)定的性能要求工作的波長(zhǎng)范圍(min到max)。 (4) 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(zhǎng)間隔。,7.2.2 WDM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 實(shí)際的WDM系統(tǒng)主要由五部分組成：光發(fā)射機(jī)、光中繼放大、光接收機(jī)、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(jī)位于WDM系統(tǒng)的發(fā)送端。 在發(fā)送端首先將來自

17、終端設(shè)備(如SDH端機(jī))輸出的光信號(hào)，利用光轉(zhuǎn)發(fā)器(OTU)把符合ITU-T G.957建議的非特定波長(zhǎng)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成符合ITU-T G.692建議的具有穩(wěn)定的特定波長(zhǎng)的光信號(hào)。 OTU對(duì)輸入端的信號(hào)波長(zhǎng)沒有特殊要求，可以兼容任意廠家的SDH信號(hào)，其輸出端滿足G.692的光接口，即標(biāo)準(zhǔn)的光波長(zhǎng)和滿足長(zhǎng)距離傳輸要求的光源；利用合波器合成多路光信號(hào)； 通過光功率放大器(BA： Booster Amplifier)放大輸出多路光信號(hào)。, 用摻鉺光纖放大器(EDFA)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行中繼放大。 在應(yīng)用時(shí)可根據(jù)具體情況， 將EDFA用作“線放(LA： Line Amplifier)”, “功放(BA)”和“

18、前放(PA： Preamplifier)”。 在WDM系統(tǒng)中，對(duì)EDFA必須采用增益平坦技術(shù)，使得EDFA對(duì)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)具有接近相同的放大增益。與此同時(shí)，還要考慮到不同數(shù)量的光信道同時(shí)工作的各種情況，保證光信道的增益競(jìng)爭(zhēng)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(hào)，分波器從主信道光信號(hào)中分出特定波長(zhǎng)的光信號(hào)。 接收機(jī)不但要滿足一般接收機(jī)對(duì)光信號(hào)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(hào)，要有足夠的電帶寬。,光監(jiān)控信道(OSC： Optical Supervisory Channel)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

19、本結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的波長(zhǎng)為s(1510 nm)的光監(jiān)控信號(hào)，與主信道的光信號(hào)合波輸出；在接收端，將接收到的光信號(hào)分離，輸出s(1510 nm)波長(zhǎng)的光監(jiān)控信號(hào)和業(yè)務(wù)信道光信號(hào)。 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(diǎn)或接收來自其他結(jié)點(diǎn)的開銷字節(jié)對(duì)WDM系統(tǒng)進(jìn)行管理， 實(shí)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)相連。,目前國際上已商用的系統(tǒng)有：42.5 Gb/s(10 Gb/s), 82.5 Gb/s(20 Gb/s), 162.5 Gb/s(40 Gb/s), 402.5 Gb/s(100

20、Gb/s), 3210 Gb/s(320 Gb/s), 4010 Gb/s(400 Gb/s)。 實(shí)驗(yàn)室已實(shí)現(xiàn)了8240 Gb/s(3.28 Tb/s)的速率，傳輸距離達(dá)3100 km=300 km。OFC2000(Optical Fiber Communication Conference)提供的情況有： Bell Labs: 82路40 Gb/s=3.28 Tb/s在3100 km=300 km的True Wave(商標(biāo))光纖(即G.655光纖)上，利用C和L兩個(gè)波帶聯(lián)合傳輸； 日本NEC: 16020 Gb/s=3.2 Tb/s， 利用歸零信號(hào)沿色散平坦光纖，經(jīng)過增益寬度為64 nm的光

21、纖放大器，傳輸距離達(dá)1500 km;, 日本富士通(Fujitsu): 128路10.66 Gb/s， 經(jīng)過C和L波帶注：C波帶為15251565 nm，L波帶為15701620 nm。， 用分布喇曼放大(DRA: Distributed Raman Amplification), 傳輸距離達(dá)6140 km=840 km; 日本NTT： 30路42.7 Gb/s， 利用歸零信號(hào)， 經(jīng)過增益寬度為50 nm的光纖放大器，傳輸距離達(dá)3125 km376 km; 美國Lucent Tech: 100路10 Gb/s=1 Tb/s，各路波長(zhǎng)的間隔縮小到25 GHz, 利用L波帶，沿NZDF光纖(G.6

22、55光纖)傳輸400 km; 美國Mciworldcom和加拿大Nortel: 100路10 Gb/s=1 Tb/s， 沿NZDF光纖在C和L波帶傳輸4段， 約200 km; 美國Qtera 和Qwest: 兩個(gè)波帶4路10 Gb/s和2路10 Gb/s沿NZDF光纖傳輸23105 km=2415 km, 這個(gè)試驗(yàn)雖然WDM路數(shù)不多，但在陸地光纜中卻是最長(zhǎng)距離。,7.2.3 WDM技術(shù)的主要特點(diǎn) 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(zhǎng)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(jià)值和經(jīng)

23、濟(jì)價(jià)值。 2. 同時(shí)傳輸多種不同類型的信號(hào) 由于WDM技術(shù)使用的各波長(zhǎng)的信道相互獨(dú)立，因而可以傳輸特性和速率完全不同的信號(hào)，完成各種電信業(yè)務(wù)信號(hào)的綜合傳輸，如PDH信號(hào)和SDH信號(hào)，數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)，多種業(yè)務(wù)(音頻、視頻、數(shù)據(jù)等)的混合傳輸?shù)取?3. 節(jié)省線路投資 采用WDM技術(shù)可使N個(gè)波長(zhǎng)復(fù)用起來在單根光纖中傳輸，也可實(shí)現(xiàn)單根光纖雙向傳輸，在長(zhǎng)途大容量傳輸時(shí)可以節(jié)約大量光纖。另外，對(duì)已建成的光纖通信系統(tǒng)擴(kuò)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(duì)原系統(tǒng)作大的改動(dòng)。 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(duì)一些

24、器件在性能上的極高要求，同時(shí)又可實(shí)現(xiàn)大容量傳輸。,5. 高度的組網(wǎng)靈活性、 經(jīng)濟(jì)性和可靠性 WDM技術(shù)有很多應(yīng)用形式，如長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換和故障恢復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)未來的透明、 靈活、經(jīng)濟(jì)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(shí)，已經(jīng)簡(jiǎn)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(zhǎng)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(zhǎng)路由器 波

25、長(zhǎng)分插復(fù)用器(Wavelength Add/Drop Multiplexer, 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(zhǎng)路由器中應(yīng)用(圖7.10(c)。,光濾波器,波分復(fù)用器,波長(zhǎng)路由器是波長(zhǎng)選路網(wǎng)絡(luò)(Wavelength Routing Network)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(gè)輸入端口和兩個(gè)輸出端口，每路輸入都載有一組1,2,3和4 WDM信號(hào)。,如果用 來標(biāo)記第i輸入鏈路上的波長(zhǎng)j, 則路由器的輸入端口1上的波長(zhǎng)記為 、 、 、 , 輸入端口2上的波長(zhǎng)記為 、 、

26、、 。,在輸入端口1上的波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)1和4。,在本例中，波長(zhǎng)路由器只有兩個(gè)輸入端口和兩個(gè)輸出端口， 每一路上只有4個(gè)波長(zhǎng)，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(zhǎng)數(shù)是W(2)(參看圖7.33)。, 如果一個(gè)波長(zhǎng)路由器的路由方式不隨時(shí)間變化，就稱為靜態(tài)路由器；路由方式隨時(shí)間變化，則稱之為動(dòng)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(duì)光濾波器的主要要求有： (1) 一個(gè)好的光濾波器應(yīng)有較低的插入損耗

27、，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(jī)變化，如果濾波器的插入損耗與光的偏振有關(guān)(PDL: Polarization dependent Loss), 則輸出光功率將極其不穩(wěn)定。, (2) 一個(gè)濾波器的通帶應(yīng)該對(duì)溫度的變化不敏感。 溫度系數(shù)是指溫度每變化1的波長(zhǎng)漂移。一個(gè)WDM系統(tǒng)要求在整個(gè)工作溫度范圍(大約100 )內(nèi)，波長(zhǎng)漂移應(yīng)該遠(yuǎn)小于相鄰信道的波長(zhǎng)間隔。 (3) 在一個(gè)WDM系統(tǒng)中，隨著級(jí)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(jí)聯(lián)的末端還有一個(gè)相當(dāng)寬的通帶，單個(gè)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(zhǎng)的微小變化。 單個(gè)濾

28、波器的通帶的平直程度常用1dB帶寬來衡量，如圖7.12所示。,下面將介紹一些波長(zhǎng)選擇技術(shù)及其在WDM系統(tǒng)中的應(yīng)用。 光柵 光柵(Grating)廣泛地用來將光分離為不同波長(zhǎng)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(gè)波長(zhǎng)。 圖7.13是光柵的兩個(gè)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,l,2,l,1,q,d,1,q,d,2,q,i,l,1,l,2,光柵平面,影像平面,l,2,l,1,q,d,1,q,d,2,q,i,l,1,l,2,(a),(b),我們以透射光柵為例來說明光柵的基

29、本原理。如圖7.14所示，設(shè)兩個(gè)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(duì)于a而言)， 入射角為i，衍射角為d，通過兩相鄰縫隙對(duì)應(yīng)光線的光程差由( )決定，而,其中m為整數(shù)，當(dāng)a和i一定時(shí)，不同的d對(duì)應(yīng)不同的波長(zhǎng)，也就是說，像面上的不同點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同的波長(zhǎng)，于是可用作WDM中的解復(fù)用器。,(7.5),7.14 透射光柵的工作原理,例i=600,d=450,光柵孔間隔為9.3m，求對(duì)應(yīng)的輸出波長(zhǎng)是？光柵兩側(cè)兩種材料的折射率那一種大?,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(qiáng)調(diào)制-直接檢測(cè)(IM-DD)方式。 這種方式的優(yōu)點(diǎn)是：調(diào)制和解調(diào)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，因而成

30、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(duì)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(cè)或外差檢測(cè)，這種檢測(cè)技術(shù)稱為相干檢測(cè)。,和IMD方式相比，相干檢測(cè)可以把接收靈敏度提高20 dB，相當(dāng)于在相同發(fā)射功率下，若光纖損耗為0.2 dB/km，則傳輸距離增加100 km。 同時(shí)，采用相干檢測(cè)，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10 GHz以下，因而大幅度增加了傳輸容量。 所謂相干光，就是兩個(gè)激光器產(chǎn)生的光場(chǎng)具有空間疊加、 相互干涉性質(zhì)的激光。

31、實(shí)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(cè)原理 圖7.38示出相干檢測(cè)原理方框圖，光接收機(jī)接收的信號(hào)光和本地振蕩器產(chǎn)生的本振光經(jīng)混頻器作用后，光場(chǎng)發(fā)生干涉。 由光檢測(cè)器輸出的光電流經(jīng)處理后，以基帶信號(hào)的形式輸出。,單模光纖的傳輸模式是基模HE11模，接收機(jī)接收的信號(hào)光其光場(chǎng)可以寫成 ES=ASexp-i(St+S) (7.26) 式中, AS、S和S分別為光載波的幅度、頻率和相位。,圖7.38 相干檢測(cè)原理方框圖,光檢測(cè)器,電信號(hào),處理,本地光,振蕩器,混頻器,同樣，本振光的光場(chǎng)可以寫成 EL=ALexp-i(Lt+L) (7.27),式

32、中, AL為本振光的幅度、L為本振光的頻率,L為本振光的相位。保持信號(hào)光的偏振方向不變，控制本振光的偏振方向， 使之與信號(hào)光的偏振方向相同。,本振光的中心角頻率L應(yīng)滿足 L=S-IF或L=S+IF (7.28),式中，IF是中頻信號(hào)的頻率。這時(shí)光檢測(cè)器輸出的光功率P與光強(qiáng)|ES+L|2成比例，即, P=K|ES+EL|2 (7.29) 式中， K為常數(shù)。,式中, PS=K(AS) 2 PL=K(AL) 2 IF= S-L。顯然，式(7.30)右邊最后一項(xiàng)是中頻信號(hào)功率分量，它實(shí)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(hào)功率分量帶有信號(hào)光的幅度、頻

33、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(cè)有零差檢測(cè)和外差檢測(cè)兩種方式。,由式(7.26)式(7.29)，根據(jù)模式理論和電磁理論計(jì)算的結(jié)果，輸出光功率近似為 P(t)PS+PL+2 cosIFt+(S-L) (7.30),圖7.39 干涉后的瞬時(shí)光功率變化,1. 零差檢測(cè) 選擇L=S，即IF=0，這種情況稱為零差檢測(cè)。這時(shí)， 濾去直流分量，中頻信號(hào)產(chǎn)生的光電流為 I(t)= cos(S-L) (7.31),零差檢測(cè)信號(hào)平均光功率與直接檢測(cè)信號(hào)平均光功率之比為4R2PSPL/(R2PS2)=4PL/P

34、S。,式中，R為光檢測(cè)器的響應(yīng)度。通常PLPS，同時(shí)考慮到本振光相位鎖定在信號(hào)光相位上，即L=S，這樣便得到零差檢測(cè)的信號(hào)光電流為 IP= (7.32),由于零差檢測(cè)接收光功率可以放大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 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(cè)技術(shù)非常復(fù)雜，因?yàn)橄辔蛔兓浅ｌ`敏， 必須控制相位， 使S-L保持不變，同時(shí)要求L和S相等。,與零差檢測(cè)相似，外差檢測(cè)接收光功率放大了，從而提高了靈敏度。外差檢測(cè)信噪比的改善比零差檢測(cè)低3dB，但是接收機(jī)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，因?yàn)椴恍枰辔绘i定。,2. 外差檢測(cè) 選擇LS，即IF=L-S0，這種情況稱為外差檢測(cè)。通常選擇fIF(=IF/2)在微波范圍(

35、例如1GHz)。這時(shí)中頻信號(hào)產(chǎn)生的光電流為,7.5.2 調(diào)制和解調(diào) 如前所述，相干檢測(cè)技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)是：可以對(duì)光載波實(shí)施幅度、頻率或相位調(diào)制。 對(duì)于模擬信號(hào)，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(duì)于數(shù)字信號(hào)， 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 7.40 ASK、 PSK和FSK調(diào)制方式比較,1. 幅移鍵控(ASK) 基帶數(shù)字信號(hào)只控制光載波的幅度變化，稱為幅移鍵控(ASK)。ASK的光場(chǎng)表達(dá)式 ES(t)=AS(t)cos

36、St+S (7.34) 式中, AS為光場(chǎng)的幅度、S為光場(chǎng)的中心角頻率和S為光場(chǎng)的相位。在ASK中，S保持不變，只對(duì)幅度進(jìn)行調(diào)制。對(duì)于二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)調(diào)制，在大多數(shù)情況下，“0” 碼傳輸時(shí)，使AS=0，“1”碼傳輸時(shí)，使A S=1。,ASK相干通信系統(tǒng)必須采用外調(diào)制器來實(shí)現(xiàn)，這樣只有輸出光信號(hào)的幅度隨基帶信號(hào)而變化，而相位保持不變。 如果采用直接光強(qiáng)調(diào)制，幅度變化將引起相位變化。外調(diào)制器通常用鈦擴(kuò)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，這種調(diào)制器在消光比大于20時(shí)， 調(diào)制帶寬可達(dá)20 GHz。,M-Z激光器管芯一直處于發(fā)光狀態(tài)，發(fā)出的光經(jīng)過一個(gè)Y型波導(dǎo)分束器

37、分出兩束光信號(hào)，電信號(hào)控制兩個(gè)干涉臂電極，使兩束光信號(hào)產(chǎn)生不同的相位，在經(jīng)過Y型合束器，“1”信號(hào)時(shí)，相位相同，“0”信號(hào)時(shí)，相位相差180度，光信號(hào)抵消，耦合到光纖上。,2. 相移鍵控(PSK) 基帶信號(hào)只控制光載波的相位變化，稱為相移鍵控(PSK)。 PSK的光場(chǎng)表達(dá)式為 ES(t)=AScosSt+(t) (7.35) 在PSK中，AS保持不變，只對(duì)相位進(jìn)行調(diào)制。傳輸“0”碼和傳輸“1”碼時(shí)，分別用兩個(gè)不同相位(通常相差180)表示。 如果傳輸“0”時(shí)，光載波相位不變，傳輸“1”碼時(shí)，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(jì)PSK使

38、用的相位調(diào)制器要簡(jiǎn)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=。但是在接收端光波相位必須非常穩(wěn)定，因此對(duì)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(hào)只控制光載波的頻率，稱為頻移鍵控(FSK)。 FSK的光場(chǎng)表達(dá)式為 ES(t)=AScos(S)t+S (7.36） 在FSK中，AS保持不變，只對(duì)頻率進(jìn)行調(diào)制。傳輸“0”碼和傳輸“1”碼時(shí)，分別用頻率f0(=0/2)和f1(=1/2)表示。 對(duì)于二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，用(S-)和(S+)分別表示“0”碼和“1”碼。 2f(=2/2)稱為碼頻間距。 在式(7.36)中，(S)t+S和St+(St)是等效的

39、， 因此FSK可以認(rèn)為一種PSK。,相干檢測(cè)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(cè)時(shí)，光信號(hào)直接被解調(diào)為基帶信號(hào)，要求本振光的頻率和信號(hào)光的頻率完全相同，本振光的相位要鎖定在信號(hào)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(jiǎn)單， 但是技術(shù)上卻很復(fù)雜。 用外差檢測(cè)時(shí)，不要求本振光和信號(hào)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IF(微波頻率)，因而要求一種電鎖相環(huán)路。 異步解調(diào)簡(jiǎn)化了接收機(jī)設(shè)計(jì)， 技術(shù)上容易實(shí)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(jī)方框圖。,圖7.41 外差同步解調(diào)接收機(jī)方框圖,光檢,測(cè)器,帶通,本振光,低通,載波,恢復(fù),圖7.42 外差異步解調(diào)接收機(jī)方框圖,光檢,測(cè)器,帶通,本振光,低通,包絡(luò),檢波,兩種解調(diào)方式的差別在于接收機(jī)的噪聲對(duì)信號(hào)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(jī)設(shè)