第七章光纤通信新技术课件.ppt

光纤通信技术,南昌航空大学万生鹏,第七章 光纤通信新技术,7.1 光复用技术,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、灵活性的要求，产生了各种复用技术。,在光纤通信系统中复用方式主要有：光时分复用(OTDM)光波分复用(WDM)光频分复用(OFDM)副载波复用(SCM)光码分复用(OCDM),7.1 光复用技术分类,第一个商用的IM/DD系统完成于1977年。在1992年商用IM/DD系统的比特速率提高到2.5Gb/s（当时是采用电的SDH复用）。为了进一步提高传输容量，可以采用两条发展方向。一是采用电的或光的时分复用（ETDM或OTDM）技术继续提高单一波长信道的传输比特速率，但是采用ETDM会受到电子瓶颈的限制，因此人们偏向采用OTDM技术。另一是采用波分复用（WDM）技术。WDM技术的提出比较早，在上个世纪80年代就已经开始研究DWDM技术了，但是因为没有合适的光放大器补偿光纤损耗，而当时采用电中继的方法是非常不经济的，因此当时影响不大。直到1990年商用化的EDFA出现后，DWDM和EDFA相结合取得了巨大成功，引起了光纤通信技术的革命性变化。,表 三种复用技术的比较,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。光波分复用（WDM）的基本原理是：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，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。,7.2 光波分复用技术,图 中心波长在1.3 m和1.55 m的硅光纤低损耗传输窗口(插图表示1.55 m传输窗口的多信道复用),光纤的带宽有多宽？如上图所示，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。两个窗口合在一起，总带宽超过30THz。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。,由于目前一些光器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)。目前该系统是在1550 nm波长区段内，同时用8，16或更多个波长在一对光纤上(也可采用单光纤)构成的光通信系统，其中各个波长之间的间隔为1.6 nm、0.8 nm或更低，约对应于200 GHz,100 GHz或更窄的带宽。,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，但目前在电信界应用时，都采用DWDM技术。由于1310/1550 nm的复用超出了EDFA的增益范围，只在一些专门场合应用，所以经常用WDM这个更广义的名称来代替DWDM。,WDM技术对网络升级、发展宽带业务(如CATV，HDTV 和IP over WDM等)、充分挖掘光纤带宽潜力、实现超高速光纤通信等具有十分重要意义，尤其是WDM加上EDFA更是对现代信息网络具有强大的吸引力。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：双纤单向传输和单纤双向传输。(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。如下图所示，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。由于各信号是通过不同光波长携带的，因而彼此之间不会混淆。在接收端通过光解复用器将不同波长的信号分开，完成多路光信号传输的任务。反方向通过另一根光纤传输的原理与此相同。,图 双纤单向WDM传输,(2)单纤双向传输。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。如下图所示，所用波长相互分开，以实现双向全双工的通信。,图 单纤双向WDM传输,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。,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,3.光波分复用器的性能参数 光波分复用器是波分复用系统的重要组成部分，为了确保波分复用系统的性能，对波分复用器的基本要求是：,(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,其中Pi为发送进输入端口的光功率；Po为从输出端口接收到的光功率。,(dB),(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。,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。,(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,(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,(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。,7.2.2 WDM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，如下图所示。,光发射机位于WDM系统的发送端。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ITU-T G.957建议的非特定波长的光信号转换成符合ITU-T G.692建议的具有稳定的特定波长的光信号。OTU对输入端的信号波长没有特殊要求，可以兼容任意厂家的SDH信号，其输出端满足G.692的光接口，即标准的光波长和满足长距离传输要求的光源；利用合波器合成多路光信号；通过光功率放大器(BA：Booster Amplifier)放大输出多路光信号。,用掺铒光纤放大器(EDFA)对光信号进行中继放大。在应用时可根据具体情况，将EDFA用作“线放(LA：Line Amplifier)”,“功放(BA)”和“前放(PA：Preamplifier)”。在WDM系统中，对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。与此同时，还要考虑到不同数量的光信道同时工作的各种情况，保证光信道的增益竞争不影响传输性能。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。,光监控信道(OSC：Optical Supervisory Channel)的主要功能是：监控系统内各信道的传输情况，在发送端，插入本结点产生的波长为s(1510 nm)的光监控信号，与主信道的光信号合波输出；在接收端，将接收到的光信号分离，输出s(1510 nm)波长的光监控信号和业务信道光信号。帧同步字节、公务字节和网管所用的开销字节等都是通过光监控信道来传送的。网络管理系统通过光监控信道物理层传送开销字节到其他结点或接收来自其他结点的开销字节对WDM系统进行管理，实现配置管理、故障管理、性能管理和安全管理等功能，并与上层管理系统(如TMN)相连。,目前国际上已商用的系统有：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 Gb/s),3210 Gb/s(320 Gb/s),4010 Gb/s(400 Gb/s)。实验室已实现了8240 Gb/s(3.28 Tb/s)的速率，传输距离达3100 km=300 km。OFC2000(Optical Fiber Communication Conference)提供的情况有：Bell Labs:82路40 Gb/s=3.28 Tb/s在3100 km=300 km的True Wave(商标)光纤(即G.655光纤)上，利用C和L两个波带联合传输；日本NEC:16020 Gb/s=3.2 Tb/s，利用归零信号沿色散平坦光纤，经过增益宽度为64 nm的光纤放大器，传输距离达1500 km;日本富士通(Fujitsu):128路10.66 Gb/s，经过C和L波带（注：C波带为15251565 nm，L波带为15701620 nm），用分布喇曼放大(DRA:Distributed Raman Amplification),传输距离达6140 km=840 km;,日本NTT：30路42.7 Gb/s，利用归零信号，经过增益宽度为50 nm的光纤放大器，传输距离达3125 km;美国Lucent Tech:100路10 Gb/s=1 Tb/s，各路波长的间隔缩小到25 GHz,利用L波带，沿NZDF光纤(G.655光纤)传输400 km;美国Mciworldcom和加拿大Nortel:100路10 Gb/s=1 Tb/s，沿NZDF光纤在C和L波带传输4段，约200 km;美国Qtera 和Qwest:两个波带4路10 Gb/s和2路10 Gb/s沿NZDF光纤传输23105 km=2415 km,这个试验虽然WDM路数不多，但在陆地光缆中却是最长距离。武汉邮科院：12160公里的单根光纤（G.652）上每秒传输数据达到了1.031T,采用密集波分复用（DWDM）技术，武汉邮科院于2005年在上海到杭州开通了80 40Gbit/s系统（国家“863”项目），该系统容量相当于四千万对人同时通话。近两年，国际上也有公司开通或测试通过了单通道速率为100Gbit/s的系统。但是当单通道速率达到400Gbit/s或1-Tbit/s后，由于受光信噪比、非线性和色散等因素制约，需要采用新的技术。无线移动通信与光通信技术的发展也不断出现交叉和融合，原来在宽带无线移动通信系统中广泛使用的OFDM（正交频分复用）和LDPC（低密度校验码）等编码技术，已成为超高速、超大容量、超长距离（3U）光通信基础研究的热点。武汉邮科院：12160公里的单根光纤（G.652）上每秒传输数据达到了1.031T,以现在铺设的40Gb/s网络为例，家庭用户所使用的信号流量一般在Mb/s级左右。以1Mb/s流量为例，则一根光纤所能支持的最大用户数量为4万户。而对于1 Tb/s骨干传输网络，在不改变光纤链路的同时，则可支持最大用户100万户，是原有的25倍。为了实现这种超高速、超大容量、超长距离（3U）光传输，正交频分复用、编码、先进调制格式、数字信号处理、数模转换、色散补偿等技术的进一步研究就显得非常必要。,7.2.3 WDM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。,7.2.3 WDM技术的主要特点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、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 在前面介绍耦合器时，已经简单地介绍了波分复用器(WDM)。在这一部分我们将介绍各种各样的波长选择技术，即光滤波技术。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。,波分复用器和解复用器主要用在:WDM终端 波长路由器 波长分插复用器(Wavelength Add/Drop Multiplexer,WADM),光滤波器的三种应用：单纯的滤波应用 波分复用/解复用器中应用 波长路由器中应用,光滤波器,波分复用器,波长路由器是波长选路网络(Wavelength Routing Network)中的关键部件，其功能可由下图的例子说明,它有两个输入端口和两个输出端口，每路输入都载有一组1,2,3和4 WDM信号。,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，如下图所示。,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。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:Polarization dependent 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1dB带宽来衡量，如下图所示。,图 光滤波器的1 dB带宽,下面将介绍一些波长选择技术及其在WDM系统中的应用。1.光栅 光栅(Grating)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 基于光纤光栅结构的光分插复用器,图 基于光纤光栅结构的光分插复用器光分插,7.3 OTDM技术,1、概述OTDM是在光域上进行时间分割复用，一般有两种复用方式：比特间插(Bit interleaved)信元间插(Cell interleaved)2、OTDM的原理和系统基本结构,图 OTDM技术原理示意图,锁模激光器,分路器,调制器,合束器,支路i,延时,图 光时分复用光路示意图,图 光时分复用系统框图,Mod 1,Mod 2,Mod,n,合,路,器,光,分,路,器,T,(,n,1),T,超短脉冲,发生器,帧同步时钟,E/O,MUX,接收机,误码检测,光带通滤波器,全光开关,DEMUX,光波时钟,产生,时钟提取,电路,EDFA,延时线阵列,待传数据输入,图 光时分解复用示意光路图,OTDM的关键技术,（1）超短光脉冲光源 光时分复用要求光源产生高重复率（520 GHz）、占空比相当小的超窄光脉冲，脉宽越窄可以复用的路数越多，且谱宽也就越宽。能满足这些要求的光源主要有锁模环形光纤激光器（ML-FRL）、锁模半导体激光器、DFB激光器加电吸收调制器（EAM）、增益开关DFB激光器和超连续脉冲发生器。其中ML-FRL的特点是产生的脉冲几乎没有啁啾，在40 GHz的高频范围不需要进行啁啾补偿或脉冲压缩，就能产生ps级的超短变换极限光脉冲，输出波长较灵活，稳定性好，是一种很有前途的光时分复用光源。（2）超短光脉冲的长距离传输和色散抑制技术（3）光缓存,（4）全光解复用技术 相对于全光时分复用技术，解复用实现起来更困难。是将超高速光信号解复用成低速率光信号，它是实现高速OTDM传输所必须的技术。OTDM对全光解复用的要求是：快速稳定的无误码工作、控制功率低、与偏振无关、定时抖动值小。目前已研究出的结构有：光克尔开关、交叉相位调制频移开关、四波混频（FWM）开关和非线性光环路镜（NOLM）及太赫兹光学非对称解复用器（TOAD）等。NOLM解复用器具有超高速、高稳定性及低功耗等特点，是全光解复用的优良器件。,（5）全光时钟提取 全光时钟恢复指的是用全光学方法从归零码光脉冲信号中提取出低时间抖动（1 ps）的同步时钟信号，以便把它分配到OTDM通信系统的解复用器、路由选择器、信道选择器和接收器等，超远距干线传输系统的光信号再生也要用到它。因此时钟恢复对未来超高码率网络节点至关重要。全光时钟提取器的机理一般基于两路光波互作用，其中一路波是信号码流（波长s），另一路波是预定标准钟信号（波长c），因此首先必须要找到一个适当的光学非线性介质，鉴别或检测二路光波之间的相位误差。发生在这种非线性介质中的多波互作用的基本原理是通过交叉相位调制（XPM）产生相移或四波混频（FWM）信号，从而检测出两路波之间的相位误差信息，并通过锁相环纠正信号的相位抖动。（6）全光3R技术 全光 3R 再生(retiming、reshaping、reamplifying),传统的电锁相环基本结构,OCDMA中的全光时钟提取,时钟信号,基于受激布里渊散射的时钟恢复基本结构图,7.4光码分复用（OCDM）技术光码分复用（OCDM）技术是一种全新的频率资源利用思路，它的信道占据同一个宽频带，从而原则上不需要光滤波器件，不同信道之间相互独立地发送或接收信号，不需要网际规模的时钟同步。OCDM的异步操作模式能支持突发性业务，码分多址本身的特性同时也提高了一定的安全性，从其潜在的优势及应用前景来看，OCDM能满足目前及将来通信发展的要求，即异步、高速、宽带、可靠。,7.4 光码分复用,9.4.1OCDM的基本原理光码分复用技术和电码分复用技术在原理上并没有根本的区别，只是在OCDM通信系统中，每个用户都拥有一个唯一的地址码，该码是一组光正交码中的一个。在发送端，对要发送的数据地址码进行正交编码，然后进行信道复用。在接收端，用与发送端相同的地址码进行光正交解码。OCDM通过光编码和光解码实现光信道的复用、解复用及信号交换，在光通信中具有极大的应用前景。OCDM的典型原理图如下图所示。,7.5 光 交 换 技 术,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。但是，由于大量新业务的出现和国际互联网的发展，今后通信网络还可能变得拥挤。原因是在现有通信网络中，高速光纤通信系统仅仅充当点对点的传输手段，网络中重要的交换功能还是采用电子交换技术。,传统电子交换机的端口速率只有几Mb/s到几百Mb/s，不仅限制了光纤通信网络速率的提高，而且要求在众多的接口进行频繁的复用/解复用，光/电和电/光转换，因而增加了设备复杂性和成本，降低了系统的可靠性。,7.5 光 交 换 技 术,光交换主要有三种方式：空分光交换 时分光交换 波分光交换,虽然采用异步转移模式(ATM)可提供155 Mb/s或更高的速率，能缓解这种矛盾，但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。,7.5.1 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。,下图是由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(b)所示。,图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。,7.5.2 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，如下图所示。,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。如下图，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 时分光交换 时隙互换原理,下图示出时分光交换的空分等效。,7.5.3 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。,图7.33(a)波分交换的原理框图：波长选择法交换,图7.33(b)波分交换的原理框图：波长变换法交换,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)WDM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。,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NW，比下面介绍的波长变换法少。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。波长变换器将在7.7节介绍。,7.6 光 孤 子 通 信,“孤子”是soliton的译名，最早是英国海军工程师1834偶然发现的船舶在河流中航行时形成一种特殊的形状不变的水波，当时称之为孤波（solitorywave）。光学中孤波现象的研究起始于1965年，在光学中孤子这个词描述光脉冲包络在非线性介质中传播时不仅不失真，而且象粒子那样经受碰撞仍保持原形而继续存在，称之为光学孤子或光孤子（optical soliton）1973年在理论上推断光纤中能够形成孤子。1980年用实验性方法在光纤中观察到孤子。并且当年提出了将光孤子用作信息载体，构建一种新的光纤通信方案，称之为光纤孤子通信，或简称光孤子通信。光孤子(Soliton)是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。,在强光作用下，光纤折射率n可以表示为,式中，E为电场，n0为E=0时的光纤折射率，约为1.45。这种光纤折射率n随光强|E|2而变化特性，称为克尔(Kerr)效应，n2=10-22(m/V)2，称为克尔系数。虽然光纤中电场较大，为106(V/m)，但总的折射率变化n=n-n0=还是很小(10-10)。即使如此，这种变化对光纤传输特性的影响还是很大的。注：在光纤中，通常不存在一次项。,7.6.1 光孤子的形成 在讨论光纤传输理论时，假设了光纤折射率n和入射光强(光功率)无关，始终保持不变。这种假设在低功率条件下是正确的，获得了与实验良好一致的结果。然而，在高功率条件下，折射率n随光强而变化，这种特性称为非线性效应。,这种由于光场本身引起的相移，称为自相位调制(SPM)。当光纤中还存在其它光场时，很明显还会存在不同光场之间的相位调制，这就是交叉相位调制（XPM）。,设波长为、光强为|E|2的光脉冲在长度为L的光纤中传输，则光强感应的折射率变化，由此引起的相位变化为,如图所示，在脉冲上升部分，|E|2增加，得到0，频率上移。频移使脉冲频率改变分布，其前部(头)频率降低，后部(尾)频率升高。这种情况称脉冲已被线性调频，或称啁啾(Chirp)。,传输常数是频率和功率的函数，可展开为：,其中，是群速度。,是群速度色散（GVD）。,是微扰项，包括了光纤的损耗及非线性效应。,若谱宽，则展开式中的三次项及更高次项通常可以被忽略。,只考虑非线性时，有：,表示非线性效应对光脉冲传输特性的影响。定义非线性系数,，引入色散长度,T0为脉冲宽度。并引入非线性长度,通过上面两式可以比较系统中色散及非线性的影响程度。比如：设定参数：,如果输入脉冲宽度T0100ps，P0=1mW，由上面两式，在光纤长度L50km时，色散和非线性效应均可忽略。当光纤长度LLNL，而LLD时，GVD起主要作用，非线性相对较弱。当光纤长度LLNL，LLD时，色散和非线性将共同起作用。在反常色散区（），光纤能维持孤子。适当选择相关参数，使两项绝对值相等，光纤色散和非线性效应便相互抵消，因而输入脉冲宽度保持不变，形成稳定的光孤子。,现在我们回顾一下光纤色散。波长为的光纤色散系数C()的定义为,图中D为零色散波长。在0，称为光纤正常色散区；在D时，C()0,20，称为光纤反常色散区。,图 脉冲在反常色散光纤中传输因啁啾效应可被压缩或展宽,在反常色散区，群速度色散引起脉冲前沿蓝移（由于频率高，群速度大，因而高频成分向前沿集中，前沿频率升高，这就是前沿蓝移（并不是波长移到蓝色，后面的红移也同样）。后沿红移。而SPM使脉冲载波的前沿红移，后沿蓝移，正好与反常色散区的色散效应相反，适当选择相关参数，可以使光脉冲宽度保持不变。,7.6.2 光孤子通信系统的构成和性能 下图示出光孤子通信系统构成方框图。光孤子源产生一系列脉冲宽度很窄的光脉冲，即光孤子流，作为信息的载体进入光调制器，使信息对光孤子流进行调制。被调制的光孤子流经掺铒光纤放大器和光隔离器后，进入光纤进行传输。为克服光纤损耗引起的光孤子减弱，在光纤线路上周期地插入EDFA，向光孤子注入能量，以补偿因光纤传输而引起的能量消耗，确保光孤子稳定传输。在接收端，通过光检测器和解调装置，恢复光孤子所承载的信息。,孤子源,调制,脉冲源,EDFA,隔离器,探测,光纤传输系统,EDFA,EDFA,EDFA,(a),图 光孤子通信系统和实验系统(a)光孤子通信系统构成方框图,光孤子源是光孤子通信系统的关键。要求光孤子源提供的脉冲宽度为ps数量级，并有规定的形状和峰值。光孤子源有很多种类，主要有掺铒光纤孤子激光器、锁模半导体激光器等。目前，光孤子通信系统已经有许多实验结果。例如，对光纤线路直接实验系统，在传输速率为10 Gb/s时，传输距离达到1000 km；在传输速率为20 Gb/s时，传输距离达到350 km。对循环光纤间接实验系统(参看图7.37(b)，传输速率为2.4 Gb/s，传输距离达12000 km；改进实验系统，传输速率为10 Gb/s，传输距离达106 km。,事实上，对于单信道光纤通信系统来说，光孤子通信系统的性能并不比在零色散波长工作的常规(非光孤子)系统更好。循环光纤间接实验结果表明，零色散波长常规系统的传输速率为2.4 Gb/s时，传输距离可达21000 km，而为5 Gb/s时可达14300 km。然而，零色散波长系统只能实现单信道传输，而光孤子系统则可用于WDM系统，使传输速率大幅度增加，因而具有广阔的应用前景。,7.6.3 光孤子传输技术中的几个问题讨论（1）光纤损耗的补偿 为了在光纤中形成光孤子，在光纤沿线传输的光功率必须保持为P1.但由于光纤中损耗的存在，因此必须采用光放大器补偿光纤损耗，使光纤中一阶孤子存在的条件成立。目前，光孤子能量补充方案仍然采用FRA或者EDFA方式。（2）色散系数D的影响 在早期研究中光孤子系统都是单信道的，没有四波混频引起的信道串扰，因此常常采用DSF光纤使D尽可能小。减小D 带来以下好处。可增大放大器间隔。可用较小的光功率实现光孤子传输，使光源和光放大器容易实现，有利于降低成本。降低了相邻脉冲之间的相互作用，有利于提高传输比特率。,但是为了提高传输容量，WDM技术得到了广泛的应用，WDM光孤子系统得到了发展。而当D趋近于0时，由于满足相位匹配条件，FWM的影响大大增加，造成了信道串扰的增加。为了避免这一问题，与线性系统一样光孤子传输系统也可以采用色散管理孤子（Dispersion Management Soliton-DMS）系统。根据理论分析，该系统可用NZ-DSF（色散系数D正负相间排列，相列补偿色散，而D 的绝对值都比较小，但不等于零），所需功率可以比较小，达到了和DSF同样的效果。,色散补偿技术的引入使孤子通信系统设计更简单，性能更优良，更便于实用。（3）Gordon-Haus（哥顿-豪斯）效应及其限制的突破 由于系统中使用了EDFA，其ASE噪声将作为加性噪声影响信号的接收。另一方面，由于ASE噪声的随机性造成脉冲到达时间的抖动，使比特误码率（BER）增加，这就是Gordon-Haus效应。传输距离越长，抖动越大，因此，Gordon-Haus效应限制了传输距离，使得光孤子系统不能无限制地传输。采用时域或频域滤波技术可以克服Gordon-Haus极限，（4）光孤子源技术 光孤子源是光孤子通信系统的关键。要求光孤子源提供的脉冲宽度为ps数量级，并有规定的形状和峰值。光孤子源有很多种类，主要有自锁模掺铒光纤孤子激光器、法布里-珀罗光纤孤子激光器、DFB激光器/外调制孤子源及DFB激光器/集成调制孤子源等。,7.7 相干光通信技术,目前已经投入使用的光纤通信系统，都是采用光强调制-直接检测(IM-DD)方式。这种方式的优点是：调制和解调简单，容易实现，因而成本较低。但是这种方式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，像传统的无线电和微波通信一样，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。,微波通信（Microwave Communication）,微波通信是使用波长在0.1毫米至1米之间的电磁波微波进行的通信。微波通信不需要固体介质,当两点间直线距离内无障碍时就可以使用微波传送。利用微波进行通信具有容量大、质量好并可传至很远的距离,因此是国家通信网的一种重要通信手段,也普遍适用于各种专用通信网。,和IMD方式相比，相干检测可以把接收灵敏度提高20 dB，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 km。同时，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。,7.7.1 相干检测原理 下图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 相干检测原理方框图,光检测器,电信号处理,本地光,振荡器,混频器,信号光,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。设接收到的信号光光场可写为：式中,ES、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 因此，入射到PIN管的总光场为：因此PIN管的输出总光电流成为：,其中，。上面的推导中略出了倍频和和频项，为什么？因为它们对PIN来说频率太高，只能响应平均值即零。带有信息的电流成份为,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。,其平方平均值为：,输出平均光电流为：,1.量子极限信噪比由于散粒噪声与本征光功率成正比，而本征光功率很大，因此，外差检测中散粒噪声