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1、7.1 光纤放大器7.2 光波分复用技术7.3 光交换技术7.4 光孤子通信7.5 相干光通信技术7.6 光时分复用技术7.7 波长变换技术,第 7 章 光纤通信新技术,返回主目录,第7章 光纤通信新技术,光纤通信发展的目标是提高通信能力和通信质量，降低价格，满足社会需要。进入20世纪90年代以后，光纤通信成为一个发展迅速、技术更新快、新技术不断涌现的领域。,已经实用化或者有重要应用前景的新技术：（1）光放大技术。代替光-电-光再生中继器。（2）光波分复用技术。扩大网络通信的容量。（3）光交换技术。突破电子线路的极限速率20Gb/s，是实现全光通信的关键技术。（4）光孤子通信。改善色散的影响，
2、实现超长距离传输。（5）相干光通信。提高灵敏度，增加传输距离。（6）光时分复用技术。提高传输速率，扩大传输容量。（7）波长变换技术。扩大WDM网络的灵活性和可扩容性。,光放大器的发展历史：（1）1980年以后，首先出现了利用半导体技术的半导体光放大器SOA（Semiconductor Optical Amplifier）的法布里泊罗型半导体激光放大器，并开始对行波式半导体激光放大器进行研究。（2）另一方面，随着光纤技术的发展，出现了利用光纤非线性效应的光纤拉曼放大器。（3）1987年，英国南安普敦大学和美国AT&T Bell实验室报道了离子态的稀土元素铒在光纤中可以提供1.55m波长处的光增益
3、，这标志着掺铒光纤放大器（EDFA）的研究取得突破性进展。（4）短短几年时间，EDFA迅速走向实用化，由于光纤放大器的问世，在1990年到1992年不到两年的时间里光纤系统的容量增加了整整一个数量级，而在此之前为达到相同的增长却花费了整整8年时间。这明确表明了光放大器的巨大作用，为光纤通信展现了无限广阔的发展前景。,种类：(1)半导体光放大器（SOA）半导体光放大器的优点是小型化，容易与其他半导体器件集成；缺点是性能与光偏振方向有关，器件与光纤的耦合损耗大。(2)光纤放大器掺铒光纤放大器（EDFA）分布光纤拉曼放大器（DRA）非线性光纤放大器,卓至飞高公司系列光纤放大器：,RF-1550-XX
4、 I型EDFA,RF-1550-XX 野外型EDFA,EDFA,SOA,7.1光 纤 放 大 器,光纤放大器的性能与光偏振方向无关，器件与光纤的耦合损耗很小，因而得到广泛应用。光纤放大器实际上是把工作物质制作成光纤形状的固体激光器，所以也称为光纤激光器。20世纪80年代末期，波长为1.55 m的掺铒(Er)光纤放大器(EDFA：ErbiumDoped Fiber Amplifier)研制成功并投入实用，把光纤通信技术水平推向一个新高度，成为光纤通信发展史上一个重要的里程碑。,7.1.1掺铒光纤放大器工作原理如图，在掺铒光纤(EDF)中，铒离子(Er3+)有三个能级：其中能级1代表基态，能量最低
5、；能级2是亚稳态，处于中间能级；能级3代表激发态，能量最高。,（1）当泵浦(Pump,抽运)光的光子能量等于能级3和能级1的能量差时，铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到激发态(13)。（2）但是激发态是不稳定的，Er3+很快返回到能级2（无辐射跃迁）。（3）如果输入的信号光的光子能量等于能级2和能级1的能量差，则处于能级2的Er3+将跃迁到基态(21)，产生受激辐射光，因而信号光得到放大。,从掺铒光纤放大器的工作原理可以看出，光放大是由于泵浦光的能量转换为信号光的结果。为提高放大器增益，应提高对泵浦光的吸收，使基态Er3+尽可能跃迁到激发态，图7.1(b)示出EDFA增益和吸收频谱。波长在1.5 m
6、附近时，吸收和增益最大。,图7.2(a)示出输出信号光功率和输入泵浦光功率的关系，由图可见，泵浦光功率转换为信号光功率的效率很高，达到92.6%。当泵浦光功率为60 mW时，吸收效率(信号输入光功率-信号输出光功率)/泵浦光功率为88%。,图7.2（b）是小信号条件下增益和泵浦光功率的关系，当 泵浦光功率小于6mW时，增益线性增加，增益系数为6.3dB/m。,7.1.2掺铒光纤放大器的构成和特性图7.3(a)为光纤放大器构成原理图，主要构成部件及功能为：,（1）光隔离器：防止反射光影响光放大器的工作稳定性。（2）光耦合器（波分复用器）：把信号光和泵浦光混合起来。（3）掺珥光纤：长约10100m
7、，Er 3+浓度约为25mg/kg。（4）泵浦光源：形成粒子数反转分布。光功率为10100mW，工作波长为0.98 m。,实用光纤放大器外形图及其构成方框图,EDFA构成器件的性能选择：EDFA的增益取决于Er 3+的浓度、光纤长度和直径以及泵浦光功率等多种因素，通常由实验获得最佳增益。（1）对泵浦光源的基本要求是大功率和长寿命。波长为1480 m的InGaAsP多量子阱(MQW)激光器，输出光功率高达100 mW,泵浦光转换为信号光效率在6 dB/mW以上。波长为980 nm的泵浦光转换效率更高，达10 dB/mW，而且噪声较低，是未来发展的方向。（2）对波分复用器的基本要求是插入损耗小。熔
8、拉双锥光纤耦合器型和干涉滤波型波分复用器最适用。（3）对光隔离器的作用是它的基本要求是插入损耗小，反射损耗大。,图7.4是EDFA商品的特性曲线，图中显示出增益、噪声指数和输出信号光功率与输入信号光功率的关系。在泵浦光功率一定的条件下，当输入信号光功率较小时，放大器增益不随输入信号光功率而变化，基本上保持不变。当信号光功率增加到一定值(一般为-20 dBm)后，增益开始随信号光功率的增加而下降，因此出现输出信号光功率达到饱和的现象。掺铒光纤越长，饱和度越深。,表7.1列出国外几家公司EDFA商品的技术参数。表7.1掺铒光纤放大器技术参数,7.1.3掺铒光纤放大器的优点和应用EDFA有许多优点，
9、并已得到广泛应用。EDFA的主要优点有：(1)工作波长正好落在光纤通信最佳波段(15001600 nm)；其主体是一段光纤(EDF)，与传输光纤的耦合损耗很小，可达0.1 dB。(2)增益高，约为3040 dB;饱和输出光功率大，约为1015 dBm;增益特性与光偏振状态无关。(3)噪声指数小，一般为47 dB;用于多信道传输时，隔离度大，无串扰，适用于波分复用系统。,(4)频带宽，在1550 nm窗口，频带宽度为2040 nm，可进行多信道传输，有利于增加传输容量。如果加上1310 nm掺镨光纤放大器(PDFA)，频带可以增加一倍。所以“波分复用+光纤放大器”被认为是充分利用光纤带宽增加传输
10、容量最有效的方法。,1550 nm EDFA在各种光纤通信系统中得到广泛应用，并取得了良好效果。副载波CATV系统，WDM或OFDM系统，相干光系统以及光孤子通信系统，都应用了EDFA，并大幅度增加了传输距离。EDFA的应用，归纳起来可以分为三种形式，如图7.5所示。（1）中继放大器（LA）。（2）前置放大器（PA）。（3）后置放大器（BA）。,图7.5光纤放大器的应用形式(a)中继放大器；(b)前置放大器和后置放大器,半导体光放大器 现代光放大器中最早出现的使半导体光放大器（SOA）。它的基本结构、原理和特性与半导体激光器非常相似。它们工作原理都是基于激光半导体介质固有的受激辐射光放大机制，
11、所不同的在于SOA去掉了构成激光振荡的谐振腔，并且SOA使用电流直接激励驱动的。半导体光放大器的优点是尺寸小、频带宽、增益高；但缺点是与光纤的耦合损耗太大、易受环境温度的影响、工作稳定性较差。但半导体光放大器容易集成，适宜同光集成和光电集成电路结合使用。通常光半导体放大器分为两大类：一种是将普通半导体激光器用作光放大器，称为法布里泊罗（F-P）半导体激光放大器（FPA），另一种是在F-P激光器的两个端面上涂上抗反射膜，以获得宽频、低噪的高输出特性。由于这种放大器是在光行进过程中对光进行放大的，故被称为行波式光放大器。,光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器是建立在拉曼放大工作原理之上。所谓拉曼放大实际上
12、是放大器的一个非谐振过程，其放大增益相应仅仅依赖于泵浦波长。因此只要选择合适的泵浦源就可以获得任意波长的拉曼放大。EDFA的出现确实极大的促进了现代光通信系统的发展。但是随着现代光网络进一步发展：（1）一方面EDFA已经不能满足现有系统对超大容量的要求（2）另一方面EDFA也会带来光信号信噪比的不断恶化而不能满足超长距离传输的要求。为此，必须要提出一种既要满足超宽带宽要求，又能满足超低噪声要求的新型光放大器。光纤拉曼放大器（FRA）由于其自身固有的全波段可放大、噪声指数小等特性，成为了新一代放大器的首选。,除此之外拉曼放大器还具备另外一个非常突出的优点就是能同其他光放大器（比如EDFA）进行有
13、机结合，通过有机的混合使用可以构成宽带宽、低噪声、增益平坦、高输出功率、响应时间短的混合放大系统。但这种混合放大系统也有对所需泵浦功率较大、对光偏振敏感的缺点。另外由于拉曼放大器的增益较低，从经济性的角度考虑，它不适合单独做功率放大器。因此拉曼放大器特别适合与EDFA相结合作为超长距离WDM系统的功率放大器。这样既能获得较大的增益，又能保证得到较高的光信噪比。,7.2 光波分复用技术,随着人类社会信息时代的到来，对通信的需求呈现加速增长的趋势。发展迅速的各种新型业务(特别是高速数据和视频业务)对通信网的带宽(或容量)提出了更高的要求。为了适应通信网传输容量的不断增长和满足网络交互性、灵活性的要
14、求，产生了各种复用技术。在光纤通信系统中除了大家熟知的时分复用(TDM)技术外，还出现了其他的复用技术，例如光时分复用(OTDM)、光波分复用(WDM)、光频分复用(OFDM)以及副载波复用(SCM)技术。本节主要讲述WDM技术。,7.2.1光波分复用原理 1.WDM的概念 光波分复用(WDM：Wavelength Division Multiplexing)技术是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术。其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来(复用)，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开(解复用)，并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端
15、，因此将此项技术称为光波长分割复用，简称光波分复用技术。,图7.6 中心波长在1.3m和1.55m的硅光纤低损耗传输窗口(插图表示1.55m传输窗口的多信道复用),两个窗口合在一起，总带宽超过30 THz。如果信道频率间隔为10 GHz，在理想情况下，一根光纤可以容纳3000个信道。,光纤的带宽很宽。如图7.6所示，在光纤的两个低损耗传输窗口：波长为1.31 m(1.251.35m)的窗口，相应的带宽(|f|=|-c/2|,和分别为中心波长和相应的波段宽度，c为真空中光速)为17700 GHz；波长为1.55 m(1.501.60 m)的窗口，相应的带宽为12500 GHz。,由于目前一些光器
16、件与技术还不十分成熟，因此要实现光信道十分密集的光频分复用(OFDM)还较为困难。在这种情况下，人们把在同一窗口中信道间隔较小的波分复用称为密集波分复用(DWDM：Dense Wavelength Division Multiplexing)。一般波长间隔小于0.8nm。WDM、DWDM和OFDM在本质上没有多大区别。以往技术人员习惯采用WDM 和DWDM来区分是1310/1550 nm 简单复用还是在1550 nm波长区段内密集复用。,目前，“掺铒光纤放大器(EDFA)+密集波分复用(WDM)+非零色散光纤(NZDSF，即G.655光纤)+光子集成(PIC)”正成为国际上长途高速光纤通信线路
17、的主要技术方向。,如果一个区域内所有的光纤传输链路都升级为WDM传输，我们就可以在这些WDM链路的交叉(结点)处设置以波长为单位对光信号进行交叉连接的光交叉连接设备(OXC)，或进行光上下路的光分插复用器(OADM)，则在原来由光纤链路组成的物理层上面就会形成一个新的光层。在这个光层中，相邻光纤链路中的波长通道可以连接起来，形成一个跨越多个OXC和OADM的光通路，完成端到端的信息传送，并且这种光通路可以根据需要灵活、动态地建立和释放，这就是目前引人注目的、新一代的WDM全光网络。,2.WDM系统的基本形式 光波分复用器和解复用器是WDM技术中的关键部件，将不同波长的信号结合在一起经一根光纤输
18、出的器件称为复用器(也叫合波器)。反之，经同一传输光纤送来的多波长信号分解为各个波长分别输出的器件称为解复用器(也叫分波器)。从原理上讲，这种器件是互易的(双向可逆)，即只要将解复用器的输出端和输入端反过来使用，就是复用器。因此复用器和解复用器是相同的(除非有特殊的要求)。,WDM系统的基本构成主要有以下两种形式：(1)双纤单向传输。单向WDM传输是指所有光通路同时在一根光纤上沿同一方向传送。如图7.7所示，在发送端将载有各种信息的、具有不同波长的已调光信号1,2,n通过光复用器组合在一起，并在一根光纤中单向传输。,图7.7 双纤单向WDM传输,图7.8 单纤双向WDM传输,(2)单纤双向传输
19、。双向WDM传输是指光通路在一根光纤上同时向两个不同的方向传输。如图7.8所示，所用波长相互分开，以实现双向全双工的通信。,双向WDM系统在设计和应用时必须要考虑几个关键的系统因素，如为了抑制多通道干扰(MPI)，必须注意到光反射的影响、双向通路之间的隔离、串扰的类型和数值、两个方向传输的功率电平值和相互间的依赖性、光监控信道(OSC)传输和自动功率关断等问题，同时要使用双向光纤放大器。所以双向WDM系统的开发和应用相对说来要求较高，但与单向WDM系统相比，双向WDM系统可以减少使用光纤和线路放大器的数量。另外，通过在中间设置光分插复用器(OADM)或光交叉连接器(OXC)，可使各波长光信号进
20、行合流与分流，实现波长的上下路(Add/Drop)和路由分配，这样就可以根据光纤通信线路和光网的业务量分布情况，合理地安排插入或分出信号。,3.光波分复用器的性能参数对波分复用器的基本要求是：插入损耗小，隔离度大，带内平坦，带外插入损耗变化陡峭，温度稳定性好，复用通路数多，尺寸小等。(1)插入损耗。插入损耗是指由于增加光波分复用器/解复用器而产生的附加损耗，定义为该无源器件的输入和输出端口之间的光功率之比，即,=10 lg,其中P0为发送进输入端口的光功率；P0为从输出端口接收到的光功率。,(2)串扰抑制度。串扰是指其他信道的信号耦合进某一信道，并使该信道传输质量下降的影响程度，有时也可用隔离
21、度来表示这一程度。对于解复用器,其中Pi是波长为i的光信号的输入光功率，Pij是波长为i的光信号串入到波长为j信道的光功率。(3)回波损耗。回波损耗是指从无源器件的输入端口返回的光功率与输入光功率的比，即 RL=-10(7.3)其中Pj为发送进输入端口的光功率，Pr为从同一个输入端口接收到的返回光功率。,(4)反射系数。反射系数是指在WDM器件的给定端口的反射光功率Pr与入射光功率Pj之比，即 R=10(7.4)(5)工作波长范围。工作波长范围是指WDM器件能够按照规定的性能要求工作的波长范围(min到max)。(6)信道宽度。信道宽度是指各光源之间为避免串扰应具有的波长间隔。(7)偏振相关损
22、耗。偏振相关损耗(PDL:Polarizationdependent Loss)是指由于偏振态的变化所造成的插入损耗的最大变化值。,7.2.2WDM系统的基本结构 实际的WDM系统主要由五部分组成：光发射机、光中继放大、光接收机、光监控信道和网络管理系统，如图7.9所示,图7.9 实际WDM系统的基本结构,系统工作过程：（1）在发送端首先将来自终端设备(如SDH端机)输出的光信号，利用光转发器(OTU)把符合ITUT G.957建议的非特定波长的光信号转换成符合ITUT G.692建议的具有稳定的特定波长的光信号。（2）利用合波器合成多路光信号；通过光功率放大器(BA：Booster Ampl
23、ifier)放大输出多路光信号。（3）经过一定距离传输后，要用掺铒光纤放大器(EDFA)对光信号进行中继放大。此时，EDFA用作“线放(LA：Line Amplifier)”。EDFA必须采用增益平坦技术，使得EDFA对不同波长的光信号具有接近相同的放大增益。,（4）在接收端，光前置放大器(PA)放大经传输而衰减的主信道光信号，分波器从主信道光信号中分出特定波长的光信号。接收机不但要满足一般接收机对光信号灵敏度、过载功率等参数的要求，还要能承受有一定光噪声的信号，要有足够的电带宽。,WDM的发展方向：WDM未来总的发展方向是向全光网络发展，具体体现在以下几个方面：（1）可变波长激光器（2）全光
24、中继器（3）光交叉连接设备（OXC）（4）光分插复用设备（OADM）,中国联通全国骨干网和中国移动东部网以及后续扩建项目均采用了西门子的Infinity MTS提供160个波道，每波道10Gbit/s，共1.6Tbit/s的容量波分复用系统。,7.2.3WDM技术的主要特点1.充分利用光纤的巨大带宽资源 光纤具有巨大的带宽资源(低损耗波段)，WDM技术使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍甚至几百倍，从而增加光纤的传输容量，降低成本，具有很大的应用价值和经济价值。2.同时传输多种不同类型的信号 由于WDM技术使用的各波长的信道相互独立，因而可以传输特性和速率完全不同的信号，完成各种电
25、信业务信号的综合传输，如PDH信号和SDH信号，数字信号和模拟信号，多种业务(音频、视频、数据等)的混合传输等。,3.节省线路投资 采用WDM技术可使N个波长复用起来在单根光纤中传输，也可实现单根光纤双向传输，在长途大容量传输时可以节约大量光纤。另外，对已建成的光纤通信系统扩容方便，只要原系统的功率余量较大，就可进一步增容而不必对原系统作大的改动。4.降低器件的超高速要求 随着传输速率的不断提高，许多光电器件的响应速度已明显不足，使用WDM技术可降低对一些器件在性能上的极高要求，同时又可实现大容量传输。,5.高度的组网灵活性、经济性和可靠性 WDM技术有很多应用形式，如长途干线网、广播分配网、
26、多路多址局域网。可以利用WDM技术选择路由，实现网络交换和故障恢复，从而实现未来的透明、灵活、经济且具有高度生存性的光网络。,7.2.4光滤波器与光波分复用器光滤波技术：即波长选择技术。光滤波器在WDM系统中是一种重要元器件，与波分复用有着密切关系，常常用来构成各种各样的波分复用器和解复用器。光滤波器的三种应用：（1）单纯的滤波应用(图7.10(a),(a)单纯的滤波应用；,（2）波分复用/解复用器中应用(图7.10(b),（3）波长路由器中应用(图7.10(c)。,波分复用器和解复用器主要用在WDM终端和波长路由器以及波长分插复用器(Wavelength Add/Drop Multiplex
27、er,WADM)中。,(b)波分复用器中应用,(c)波长路由器中应用,路由器交换了波长1和4。,如果一个波长路由器的路由方式不随时间变化，就称为静态路由器；路由方式随时间变化，则称之为动态路由器。静态路由器可以用波分复用器来构成，如图7.11所示。,波长分插复用器可以看成是波长路由器的简化形式，它只有一个输入端口和一个输出端口，再加上一个用于分插波长的本地端口。,图7.11 由波分复用器构成静态路由器,对光滤波器的主要要求有：(1)一个好的光滤波器应有较低的插入损耗，并且损耗应该与输入光的偏振态无关。在大多数系统中，光的偏振态随机变化，如果滤波器的插入损耗与光的偏振有关(PDL:Polariz
28、ationdependent Loss),则输出光功率将极其不稳定。(2)一个滤波器的通带应该对温度的变化不敏感。温度系数是指温度每变化1的波长漂移。一个WDM系统要求在整个工作温度范围(大约100)内，波长漂移应该远小于相邻信道的波长间隔。(3)在一个WDM系统中，随着级联的滤波器越来越多，系统的通带就变得越来越窄。为了确保在级联的末端还有一个相当宽的通带，单个滤波器的通带传输特性应该是平直的，以便能够容纳激光器波长的微小变化。单个滤波器的通带的平直程度常用1 dB带宽来衡量，如图7.12所示。,图7.12 光滤波器的1 dB带宽,波长选择技术及其在WDM系统中的应用。1.光栅 光栅(Gra
29、ting)广泛地用来将光分离为不同波长的单色光。在WDM系统中，光栅主要用在解复用器中，以分离出各个波长。图7.13是光栅的两个例子，图7.13(a)是透射光栅，图7.13(b)是反射光栅。,图7.13光栅(a)透射光栅；(b)反射光栅,光栅的基本原理（以透射光栅为例）如图7.14所示，设两个相邻缝隙间的距离即栅距为a,光源离光栅平面足够远(相对于a而言)，入射角为i，衍射角为d，通过两相邻缝隙对应光线的光程差由()决定，而,7.14 透射光栅的工作原理,光栅方程为 a(sini-sind)=m 其中m为整数，当a和i一定时，不同的d对应不同的波长，也就是说，像面上的不同点对应不同的波长，于是
30、可用作WDM中的解复用器。,2.布喇格光栅 布喇格光栅(Bragg Grating)广泛用于光纤通信之中。一般情况下，传输媒质的周期性微扰可以看作是布喇格光栅；这种微扰通常引起媒质折射率周期性的变化。应用：（1）半导体激光器使用布喇格光波导作分布反馈可以获得单频输出(如DFB激光器)；（2）在光纤中，写入布喇格光栅后可以用于光滤波器、光分插复用器和色散补偿器。,设两列波沿着同一方向传播，其传播常数分别为0和1，如果满足布喇格相位匹配条件：,其中为光栅周期，则一个波的能量可以耦合到另一个波中去。在反射型滤波器中，我们假设传播常数为0的光波从左向右传播，如果满足条件：,则这个光波的能量可以耦合到沿
31、它的反方向传播的具有相同波长的反射光中去。,设0=2neff/0，其中0为输入光的波长，neff为波导或光纤的有效折射率。也就是说，如果0=2neff，光波将发生反射，这个波长0就称作布喇格波长。随着入射光波的波长偏离布喇格波长，其反射率就会降低，如图7.15(a)所示。如果具有几个波长的光同时传输到光纤布喇格光栅上，则只有波长等于布喇格波长的光才反射，而其它的光全部透射。,(b)布喇格光栅的反射谱（变迹折射率）,图7.15(a)中的功率反射谱是针对折射率均匀周期性变化的光栅而言的，为了消除不需要的旁瓣，新研制成功了一种称为变迹光栅(Apodized Grating)的光栅，它与渐变折射率光纤
32、有点类似，其折射率沿光栅纤芯到边沿逐渐减小，变迹光栅的功率反射谱如图7.15(b)所示。注意变迹光栅旁瓣的减少是以主瓣加宽为代价的。,图7.15（a)布喇格光栅的反射谱均匀折射率,3.光纤光栅 光纤光栅(Fiber Grating)是一种非常有吸引力的全光纤器件，其用途非常广泛，可用作光滤波器、光分插复用器和色散补偿器。对于全光纤器件，其主要优点有：插入损耗低，易于与光纤耦合，对偏振不敏感，温度系数低，封装简单，成本也较低。光纤中写入光栅的原理：在传统光纤的SiO2中掺入少量锗(Ge)后就具有了光敏特性，再由紫外(UV)光照射，就可引起光纤纤芯的折射率变化。干涉法：若用两束相干的紫外光照射掺杂
33、后的光纤纤芯，则照射光束的强度将沿着光纤长度方向周期性地变化，强度高的地方纤芯折射率增加，强度低的地方纤芯折射率几乎无任何变化，这样就在光纤中写入了光栅。,衍射法：可以使用位相版(phase mask)来写入光栅。位相版是一种光衍射元件，当用光束照射它时，它将光束分离成各个不同的衍射级，这些衍射级相互干涉就可将光栅写入光纤。类型：（1）短周期(shortperiod)光纤光栅，也称光纤布喇格光栅，波长典型值大约0.5 m。（2）长周期(longperiod)光纤光栅。波长从几百微米到几毫米不等。,短周期光栅：光纤布喇格光栅(FBG：Fiber Bragg Grating)是一种反射型光纤光栅，
34、光栅使正向传输模(单模光纤中即为基模)同反向传输模之间发生耦合，光栅的周期应等于传输光波在光纤内部的波长的一半，这种光纤光栅只对在布喇格波长及其附近很窄的波长范围内的光发生反射，而不影响其它波长的光通过。,光纤布喇格光栅的特点：（1）损耗低(0.1 dB左右)（2）波长准确度高(可达0.05 nm)（3）邻近信道串扰抑制较高(可达40 dB)（4）通带顶部平坦 光纤长度随温度变化稍微有些变化，但这可以通过采用负热膨胀系数的材料封装来改善，使得在整个工作温度范围(100)内，中心波长的漂移可以小到0.07 nm。,在WDM系统中，光纤布喇格光栅可用作滤波器、光分插复用器和色散补偿器(Disper
35、sion Compensator)。图7.16(a)是一个简单的光分器，由一个三端口光环行器和一个光纤布喇格光栅构成，由光栅反射回来的波长2从环行器的端口3取出，余下的波长继续前行。在上面简单的光分器的基础上加上一个耦合器，就可以实现光的分插功能，如图7.16(b)所示。,7.3光 交 换 技 术,采用光交换技术的必要性：（1）目前的商用光纤通信系统，单信道传输速率已超过10 Gb/s，实验WDM系统的传输速率已超过3.28 Tb/s。（2）但是传统电子交换机的端口速率只有几Mb/s到几百Mb/s，限制了光纤通信网络速率的提高。（3）在众多的接口进行频繁的复用/解复用，光/电和电/光转换，增加
36、了设备复杂性和成本，降低了系统的可靠性。（4）电子线路的极限速率约为20 Gb/s。要彻底解决高速光纤通信网存在的矛盾，只有实现全光通信，而光交换是全光通信的关键技术。,光交换主要有三种方式：（1）空分光交换（2）时分光交换（3）波分光交换,7.3.1空分光交换 空分光交换的功能是使光信号的传输通路在空间上发生改变。空分光交换的核心器件是光开关。光开关有电光型、声光型和磁光型等多种类型，其中电光型光开关具有开关速度快、串扰小和结构紧凑等优点，有很好的应用前景。典型光开关是用钛扩散在铌酸锂(Ti:LiNbO3)晶片上形成两条相距很近的光波导构成的，并通过对电压的控制改变输出通路。图7.31(a)
37、是由4个12光开关器件组成的22光交换模块。12 光开关器件就是Ti:LiNbO3定向耦合器型光开关，只是少用了一个输入端而已。,这种22光交换模块是最基本的光交换单元，它有两个输入端和两个输出端，通过电压控制，可以实现平行连接和交叉连接，如图7.31(b)所示。图7.31(c)是由16个12光开关器件或4个22光交换单元组成的44光交换单元。,(b),(c),7.3.2时分光交换 时分光交换是以时分复用为基础，用时隙互换原理实现交换功能的。时分复用是把时间划分成帧，每帧划分成N个时隙，并分配给N路信号，再把N路信号复接到一条光纤上。在接收端用分接器恢复各路原始信号，如图7.32(a)所示。,
38、(b)时隙互换原理；(c)等效的空分交换,1,2,3,4,分,接,器,1,延迟,1,延迟,2,2,延迟,3,3,延迟,4,4,(,b,),复,接,器,输入,输出,4,1,3,2,1,2,3,4,1,2,3,4,(,c,),所谓时隙互换，就是把时分复用帧中各个时隙的信号互换位置。如图7.32(b)，首先使时分复用信号经过分接器，在同一时间内，分接器每条出线上依次传输某一个时隙的信号；然后使这些信号分别经过不同的光延迟器件，获得不同的延迟时间；最后用复接器把这些信号重新组合起来。图7.32(c)示出时分光交换的空分等效。,7.3.3波分光交换 波分光交换(或交叉连接)是以波分复用原理为基础，采用波
39、长选择或波长变换的方法实现交换功能的。图7.33(a)和(b)分别示出波长选择法交换和波长变换法交换的原理框图。设波分交换机的输入和输出都与N条光纤相连接，这N条光纤可能组成一根光缆。每条光纤承载W个波长的光信号。从每条光纤输入的光信号首先通过分波器(解复用器)WDMX分为W个波长不同的信号。所有N路输入的波长为i(i=1,2,W)的信号都送到i空分交换器，在那里进行同一波长N路(空分)信号的交叉连接，到底如何交叉连接，将由控制器决定。,图7.33波分交换的原理框图(a)波长选择法交换；(b)波长变换法交换,然后，以W个空分交换器输出的不同波长的信号再通过合波器(复用器)WMUX复接到输出光纤
40、上。这种交换机当前已经成熟，可应用于采用波长选路的全光网络中。但由于每个空分交换器可能提供的连接数为NN,故整个交换机可能提供的连接数为N2W。波长变换法与波长选择法的主要区别是用同一个NWNW空分交换器处理NW路信号的交叉连接，在空分交换器的输出必须加上波长变换器，然后进行波分复接。这样，可能提供的连接数为N2W2，即内部阻塞概率较小。,7.4光 孤 子 通 信,光孤子(Soliton)：经光纤长距离传输后，其幅度和宽度都不变的超短光脉冲(ps数量级)。光孤子的形成是光纤的群速度色散和非线性效应相互平衡的结果。利用光孤子作为载体的通信方式称为光孤子通信。光孤子通信的传输距离可达上万公里，甚至
41、几万公里，目前还处于试验阶段。我们知道，光纤通信的传输距离和传输速率受到光纤损耗和色散的限制。光纤放大器投入应用后，克服了损耗的限制，增加了传输距离。此时，光纤传输系统，尤其是传输速率在Gb/s以上的系统，光纤色散引起的脉冲展宽，对传输速率的限制，成为提高系统性能的主要障碍。,为了增加传输距离，在光纤线路上，每隔一定的距离，可设置一个光纤放大器，以周期地补充光功率的损耗。但是多个光纤放大器产生的噪声累积又妨碍了传输距离的增加，因而要求提高传输信号的光功率，这样便产生非线性效应。非线性效应对光纤通信有害也有利，事实表明，克服其害还不如利用其利。光纤非线性效应和色散单独起作用时，在光纤中传输的光信
42、号都要产生脉冲展宽，对传输速率的提高是有害的。但是如果适当选择相关参数，使两种效应相互平衡，就可以保持脉冲宽度不变，因而形成光孤子。,7.5相干光通信技术,光强调制-直接检测(IM-DD)方式的特点：优点：调制和解调简单，容易实现，成本较低。缺点：只用到振幅，没有利用光载波的频率和相位信息，限制了系统性能的进一步提高。相干光通信：在发射端对光载波进行幅度、频率或相位调制；在接收端，则采用零差检测或外差检测，这种检测技术称为相干检测。,相干光通信的优点：（1）和IM-DD方式相比，相干检测可以把接收灵敏度提高20dB，相当于在相同发射功率下，若光纤损耗为0.2 dB/km，则传输距离增加100
43、km。（2）采用相干检测，可以更充分利用光纤带宽。我们已经看到，在光频分复用(OFDM)中，信道频率间隔可以达到10 GHz以下，因而大幅度增加了传输容量。所谓相干光，就是两个激光器产生的光场具有空间叠加、相互干涉性质的激光。实现相干光通信，关键是要有频率稳定、相位和偏振方向可以控制的窄线谱激光器。,7.5.1相干检测原理 图7.38示出相干检测原理方框图，光接收机接收的信号光和本地振荡器产生的本振光经混频器作用后，光场发生干涉。由光检测器输出的光电流经处理后，以基带信号的形式输出。,图7.38 相干检测原理方框图,单模光纤的传输模式是基模HE11模，接收机接收的信号光其光场可以写成 ES=A
44、Sexp-i(St+S)(7.26)式中,AS、S和S分别为光载波的幅度、频率和相位。同样，本振光的光场可以写成 EL=ALexp-i(Lt+L)(7.27)式中,AL、L和L分别为本振光的幅度、频率和相位。,保持信号光的偏振方向不变，控制本振光的偏振方向，使之与信号光的偏振方向相同。本振光的中心角频率L应满足L=S-IF或L=S+IF(7.28)式中，IF是中频信号的频率。这时光检测器输出的光功率P与光强|ES+L|2成比例，即 P=K|ES+EL|2(7.29)式中，K为常数。,由式(7.26)式(7.29)，根据模式理论和电磁理论计算的结果，输出光功率近似为 P(t)PS+PL+2 co
45、sIFt+(S-L)(7.30)式中,PS=KA2S,PL=KA2L,IF=S-L。显然，式(7.30)右边最后一项是中频信号功率分量，它实际上是叠加在PS和PL之上的一种缓慢起伏的变化，如图7.39 所示。,图7.39 干涉后的瞬时光功率变化,由此可见，中频信号功率分量带有信号光的幅度、频率或相位信息，在发射端，无论采取什么调制方式，都可以从中频功率分量反映出来。所以，相干光接收方式是适用于所有调制方式的通信体制。,7.5.4相干光系统的优点和关键技术 相干光系统主要优点是：(1)灵敏度提高了1020 dB，线路功率损耗可以增加到50 dB。如果使用损耗为0.2 dB/km光纤，无中继传输距
46、离可达250 km。由于相干光系统通常受光纤损耗限制，周期地使用光纤放大器，可以增加传输距离。实验表明，当每隔80 km加入一个掺铒光纤放大器，25 个EDFA可以使 2.5 Gb/s系统的传输距离增加到2200 km以上，非常适合干线网使用。(2)由于相干光系统出色的信道选择性和灵敏度，和光频分复用相结合，可以实现大容量传输。,相干光系统的关键技术是：(1)必须使用频率稳定度和频谱纯度都很高的激光器作为信号光源和本振光源。在相干光系统中，中频一般选择为21082109Hz，1550nm的光载频约为21014Hz，中频是光载频的10-610-5倍，因此要求光源频率稳定度优于10-8。,一般激光
47、器达不到要求，必须研究稳频技术，如以分子标准频率作基准，稳定度可达10-12。信号光源和本振光源频谱纯度必须很高，例如中频选择100 MHz，频谱纯度应为几kHz，一般激光器满足不了这个要求。必须采用频谱压缩措施，提高频谱纯度，目前优质DFB-LD频谱宽度可达几kHz。(2)匹配技术。相干光系统要求信号光和本振光混频时满足严格的匹配条件，才能获得高混频效率，这种匹配包括空间匹配、波前匹配和偏振方向匹配。,7.6光时分复用技术,提高光纤通信的速率和增大容量有两种途径：波分复用(WDM)和光时分复用(OTDM)。OTDM是在光域上进行时间分割复用，一般有两种复用方式：(1)比特间插(Bitinte
48、rleaved)(2)信元间插(Cellinterleaved)比特间插是目前广泛被使用的方式，信元间插也称为光分组(Optical Packet)复用。图7.45是OTDM系统框图。,图7.45 光时分复用系统框图,要实现OTDM，需要解决的关键技术有：(1)超短光脉冲光源；(2)超短光脉冲的长距离传输和色散抑制技术；(3)帧同步及路序确定技术；(4)光时钟提取技术；(5)全光解复用技术。,7.7波长变换技术,波长变换(WC:Wavelength Conversion)是将信息从承载它的一个波长上转到另一个波长上。在WDM光网络中使用波长变换技术的原因有：(1)信息可以通过WDM网络中不适宜
49、使用的波长进入WDM网络。例如在现阶段光纤通信中大量使用1310 nm窗口的LED或FPLD光源，这些波长或光源均不适合WDM系统，因此在WDM系统的输入和输出处，都要在这些波长与1550 nm附近的波长之间进行转换。(2)在网络内部，可以提高链路上现有波长的利用率。有效地进行波长路由选择，降低网络阻塞率，从而提高WDM网络的灵活性和可扩充性。,(3)如果不同网络由不同的组织管理，并且这些网络没有协调一致的波长分配，那么在网络之间就可以使用波长变换器。波长变换的基本方法有两种：光/电/光方法和全光方法。1.光/电/光方法 将光信号经光/电转换变成电信号，电信号再调制所需波长的激光器，从而实现波
50、长变换。其优点有：输入动态范围大，不需要光滤波器，对输入光的偏振不敏感，并且对信号具有再生能力。其缺点是失去了全光网络的透明性。,2.全光方法 全光波长变换技术主要有基于半导体光放大器(SOA)中的交叉增益调制(XGM:Crossain Modulation)，交叉相位调制(XPM:CrossPhase Modulation)，基于半导体光放大器或光纤中的四波混频(FWM:Four Wave Mixing)和不同频率的变换(DFG:Difference Frequency Generation)。对波长变换技术的要求有：（1）对比特率和信号格式应具有透明性；（2）较宽的变换范围，既能向长波长变
