【教学课件】第10章光纤通信新技术.ppt
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1、第10章 光纤通信新技术,相干光通信光孤子通信光时分复用光码分复用自动交换光网络,10.1 相干光通信,目前实用化的光纤通信系统都是采用光强度调制/直接检测(IM-DD)方式,即光子到基带信号的直接转换。其原理简单,成本低,但不能充分发挥光纤通信的优越性,存在频带利用率低、接收机灵敏度差、中继距离短等缺点。为了充分利用光纤通信的带宽,将无线电数字通信中外差检测的相干通信方式应用于光纤通信。在光纤通信系统中采用外差或零差检测方式可以显著提高接收灵敏度和选择性,这就是相干光通信。,10.1.1 相干检测原理,相干光通信系统的基本框图如图所示。在发送端,采用直接调制或外调制方式将信号以调幅、调相或调
2、频的方式调制到光载波上,送入光纤中传输。在接收端,首先与一本振光信号(通过耦合器)进行相干混合,然后由检测器进行检测。其中,偏振控制器用于调节信号光与本振光间的偏振态匹配。图解释了相干检测原理。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后,由光检测器检测,经处理后,以基带信号的形式输出。,图10.1.1 相干光通信系统的基本框图,图10.1.2 相干检测原理框图,设接收机接收的信号光以及本振光的光场分别为,(10.1.1),(10.1.2),分别为信号光的幅度、频率和相位,,当信号光与本振光的偏振方向相同时,入射总光强P,因此有,(10.1.3)式中,称为中频信号的频率。,式中,,分别
3、为本振光的幅度、频率和相位。,光检测器输出的光电流,正比于入射光功率P,近似为,式中R为光检测器的相应度。根据本振光信号频率与接收到的信号光频率是否相等,可分为零差检测相干光通信和外差检测相干光通信。,(10.1.5),采用零差检测要求,所以需要频率稳定性高、线宽窄的光源;另外,这种方式取决于信号光与本振光之间的干涉,因此要通过在接收机内进行偏振控制来保持它们之间的偏振方向。当中频信号,时,称为外差检测。此时,,在外差检测方式中也可以通过增大本振光功率的方式增加接收灵敏度。外差检测相干光通信不要求本振光与信号光之间的相位锁定,并允许本振光和信号光之间存在频差。,(10.1.7),相干光通信中采
4、用的调制方法有3种:幅移键控ASK(Amplitude Shift Key)、频移键控FSK(Frequency Shift Key)和相移键控PSK(Phase Shift Key)。1、幅移键控(ASK)光载波的频率和相位为常数,用数字信号去调制光载波的幅度,称为幅移键控ASK。ASK相干通信系统必须采用外调制器来实现,这样只有输出光信号的幅度随基带信号而变化,而相位保持不变。如果采用直接光强调制,幅度变化将引起相位变化。2、频移键控(FSK)光载波的相位和幅度为常数,用数字信号去调制光载波的频率,称为频移键控FSK。对应二进制调制信号,传输“0”码和传输“1”码时,分别用不同的频率表示。
5、3、相移键控(PSK)光载波的幅度和频率为常数,用数字信号去调制光载波的相位,称为相移键控PSK。传输“0”码和传输“1”码时,分别用两个不同相位(通常相差)表示。利用量子阱半导体相位外调制器或LiNbO3相位调制器实现PSK调制这种调制器只要选择适当的脉冲电压,就可以使相位改变。但是在接收端光波相位必须非常稳定,因此对发射和本振激光器的谱宽要求非常苛刻。,10.1.2 调制与解调,图10.1.3 数字调制的三种基本形式,把中频信号解调成基带信号有两种方法:同步解调与异步解调。将中频信号再次与原载波信号相乘并通过低通滤波器滤去高频信号分量,则可恢复出原来的基带信号,此方法称为同步调制。异步解调
6、即包络检波法。,零差检测中,光信号经光电检波器后被直接转换成基带信号,不用二次解调。外差检测经光电检波器获得的是中频信号,中频信号还需二次解调才能被转换成基带信号。根据中频信号的解调方式不同,外差检测又分为同步解调和包络解调。外差同步解调检测器上输出的中频信号通过一个中频滤波器后分成两路,其中一路用作中频载频恢复,恢复出的中频载波与另一路中频信号进行混频,再由低通滤波器输出基带信号。外差包络解调是在包络检测器后接一个低通滤波器而直接检测出基带信号。,10.1.3 接收灵敏度,为分析相干光通信系统光接收机的性能,首先推导零差PSK的信噪比。零差检测的信噪比为,(),为光检测器的响应度,为平均接收
7、信号功率,为热噪声功率,B为光接收机的等效噪声带宽,q为电子电荷。通过控制本振光的功率,可使分母中的第一项占主导地位,从而得到散粒噪声极限下的SNR:,在比特率为1/T时,,则,如果以系统的品质因素Q来表示,则最小接收光功率,即灵敏度为,10.1.4 相干光通信的关键技术,1、外光调制技术外光调制是根据某些电光或声光晶体的光波传输特性随电压或声压等外界因素的变化而变化的物理现象而提出的。因此,外光调制器主要有三种类型:电光调制器、声光调制器和磁光调制器。2、偏振控制相干检测要求信号光束与本振光束的偏振态相匹配。因此,在相干光通信中应采取光波偏振稳定措施。主要有两种方法:(1)采用保偏光纤,使光
8、波在传输过程中保持光波的偏振方向不变。(2)在接收端采用偏振分集技术。信号光与本振光混合后首先分成两路作为平衡接收,对每一路信号又采用偏振分束镜分成正交偏振的两路信号分别检测,然后进行平方求和,最后对两路平衡接收信号进行判决,选择较好的一路作为输出信号。此时的输出信号已与接收信号的偏振态无关,从而消除了信号在传输过程中偏振态的随机变化。,3、频率稳定技术只有保证光载波振荡器和光本振振荡器的高频率稳定性,才能保证相干光通信系统的正常工作。激光器的频率稳定技术主要有:(1)将激光器的频率稳定在某种原子或分子的谐振频率上;(2)利用光生伏特效应、锁相环技术方法实现稳频;(3)利用半导体激光器工作温度
9、的自动控制、注入电流的自动控制等方法实现稳频。4、频谱压缩技术在相干光通信中,光源的频谱宽度越窄,越能克服半导体激光器量子调幅和调频噪声对接收机灵敏度的影响,因相位漂移而产生的相位噪声也越小。为了满足相干光通信对光源谱宽的要求,通常采取的频谱压缩技术有:(1)注入锁模法,即利用一个以单模工作的频率稳定、谱线很窄的主激光器的光功率,注入到需要宽度压缩的从激光器,从而使从激光器保持和主激光器一致的谱线宽度、单模性及频率稳定度;(2)外腔反馈法,将激光器的输出通过一个外部反射镜和光栅等色散元件反射回腔内,并用外腔的选模特性获得动态单模运用以及依靠外腔的高Q 值压缩谱线宽度。除了以上关键技术外,对于本
10、振光和信号光之间产生的相位漂移,在接收端还可采用相位分集接收技术以消除相位噪声;为了减小本振光的相对强度噪声对系统的影响,可以采用双路平衡接收技术,零差检测中为保证本振零差检测中为保证本振光与信号光同步而采用的光锁相环技术,以及用于本振频率稳定的自动频率控制等。,10.1.5 相干光通信的优点及其应用,相干光通信充分利用了相干通信方式具有的混频增益、出色的信道选择性及可调性等特点。与直接检测系统相比,具有以下独特的优点:1.接收灵敏度高相干检测能通过提高本振光功率来有效地抑制噪声,改善接收机的灵敏度。从而也增加了光信号的传输距离。2.频率选择性好外差接收时中频落在微波波段,采用非常窄的带通滤波
11、器,可实现信道间隔小于110 GHz的密集频分复用,实现超高容量的信息传输。3.可使用电子学的均衡技术来补偿光纤中光脉冲的色散效应如使得外差检测相干光通信中的中频滤波器的传输函数正好与光纤的传输函数相反,则可以降低光纤色散对系统的影响。4.可抑制级联光放大器中产生的噪声累积这样就可以采用多级光放大器级联来延长中继距离。,5.具有多种调制方式在直接检测系统中,只能使用强度调制方式对光波进行调制。而在相干光通信中,除了可以对光波进行幅度调制外,还可以进行频率调制或相位调制。由于相干光通信可以大大提高接收机的灵敏度,在EDFA出现之前,拟用相干光通信大大延长线路的中继距离,显著提高传输容量。但在相干
12、光通信中需要有频率和相位十分稳定的激光光源,这给相干光通信的实现带来了相当大的难度。,10.2 光孤子通信,损耗与色散是制约光纤通信系统传输距离以及容量的主要因素。利用光孤子(soliton)传输信息的新一代光纤通信系统,可以真正做到全光通信,无需光、电转换,就可在超长距离、超大容量传输中大显身手,是光通信技术上的一场革命。光孤子是一种具有特殊性质的短脉冲,它经光纤长距离传输后能保持其初始形状,即其幅度和宽度都保持不变。光纤具有色散和非线性的特性,它们单独起作用时,会使光纤中传输的光信号产生脉冲展宽,损害系统的传输性能。然而,通过合理选择相关参数,可以使非线性的影响抵消色散的影响。利用两种效应
13、的相互制约作用,就可以光脉冲经过长距离传输而不发生畸变,这就是光孤子通信。,10.2.1 光孤子通信的基本原理,如节所述,在强光作用下,光纤的折射率由()式表示,即光强感应的介质折射率变化为(),由此引起的光相位变化为,由此,SPM引起的频移为,(),(),如图所示,在脉冲前沿,频率下移;脉冲顶部,频移为零;脉冲后沿,频率上移。即这种相位调制的结果,表现为频率的变化,引起脉冲前沿谱红移,后沿谱蓝移,因而前沿速度减慢,后沿速度加快。,图10.2.1 脉冲的光强频率调制,光脉冲在光纤中以群速度传播,群速度随频率而变,光脉冲中不同频率的分量将以不同速度传播,导致脉冲展宽,称为群速色散。在反常色散区,
14、光脉冲的高频分量较低频分量的传输速度快。此时,群速度的色散效应恰与SPM的影响相反。当合理选择相关参数,使两种效应的影响恰好彼此抵消时,脉冲就保持其初始形状传输,因而形成基本光孤子,也称一阶孤子。可以证明,孤子的振幅不是任意的,而是唯一地由非线性系数、色散值以及脉冲宽度所确定,并且脉冲具有双曲正割分布。一阶孤子的阈值功率可表示为,当唯一确定的基本孤子注入无损耗光纤后,将沿光纤无失真地无限传输下去。但实际上,光纤的损耗导致孤子幅度随着传输距离的增加而降低,同时由于孤子幅度的变化导致脉冲展宽,但孤子幅度与脉宽之积为常数。这样,通过每隔一段距离补充脉冲损失的能量,可以使脉宽自动恢复到初始状态。如此一
15、来,就可以增加传输级数,极大地延长传输距离。,10.2.2 光孤子通信系统,由于基本孤子脉冲在传输中,色散效应恰与非线性效应相抵消,形状保持不变,使人们想到用基本孤子为信息载体,将有可能克服原来线性脉冲遇到的困难。1980年贝尔实验室的莫勒诺尔(Mollenauer,L.F.)等人实验成功后,海斯格瓦(A.Hasegwa)等人开始着手研究基本孤子用于通信技术的可能性,并于1981年首次明确地提出了光纤孤子通信的设想。上世纪90年代贝尔实验室的奥尔森()小组利用多重孤子两路传输9000km,甚至1992年在传输速率为10GB/s的条件下成功地进行了100万公里的光孤子传输试验。这表明光纤孤子通信
16、不仅可以跨洋,甚至可以在全球任意两地间进行。1、光孤子通信系统的组成及关键技术 如图所示,长距离光孤子通信系统由光孤子源、传输光纤、孤子能量补偿放大器与孤子脉冲检测接收单元组成。,图10.2.2 长距离光孤子通信系统基本框图,根据理论分析,只有当输出的光脉冲为严格的双曲正割形,且振幅满足一定条件时,光孤子才能在光纤中稳定地传输。但光孤子通信系统中所用的孤子源一般并非严格意义上的孤子激光器,只是一种类似孤子的超短光脉冲源,它产生满足基本光孤子能量、频谱等要求的超短脉冲,这种超短光脉冲在光纤中传输时自动压缩、整形而形成光孤子。较常用的光孤子源有增益开关分布反馈半导体激光器(GS-DFB-LD)以及
17、锁模外腔半导体激光器(ML-EC-LD)。GS-DFB-LD依靠大电流的注入形成窄脉冲,结构简单,且重复频率可调,但产生的光脉冲啁啾大,所以在入纤前要进行消啁啾处理,它是目前光孤子传输系统中重要的光源;ML-EC-LD产生的脉冲波形较好且频率啁啾成分较低,但结构复杂,稳定性差,集成ML-EC-LD是一种较好的孤子源产生方案;ML-ER-FRL是一种新颖的超短光脉冲源,它能直接产生孤子,无啁啾,可自启动并易于与光纤连接,结构较简单,也是目前使用较多的光源。,光纤的损耗不可避免地消耗孤子能量,当能量不满足孤子形成的条件时,脉冲丧失孤子特性而展宽,但只要通过掺铒光纤放大器给孤子补充能量,孤子即自动整
18、形。利用孤子的这一特性可进行全光中继。主要有四种光放大器可实现光孤子放大,它们是半导体光放大器(SOA)、掺铒光纤放大器(EDFA)、分布式掺铒光纤放大器(D-EDFA)和喇曼光纤放大器。SOA尺寸小、频带宽、增益高,易和其他光电子器件混合集成,但输出功率较低,并且其增益与光的偏振有关。EDFA具有大输出功率、增益高、频带宽、噪声低、对偏振不敏感、结构简单等特点,特别适用于高速长距离通信应用。D-EDFA采用掺Er3+浓度低、增益系数低、截止波长长、数值孔径大、负色散区宽的三角形折射率分布的掺铒光纤,并采用1480nm双向泵浦技术,可达到较长的中继距离。利用受激拉曼散射效应的光放大器是一种典型
19、的分布式光放大器。其优点是光纤自身成为放大介质,然而石英光纤中的受激拉曼散射增益系数相当小,这意味着需要高功率的激光器作为光纤中产生受激拉曼散射的泵浦源。其中,集总放大方法是通过EDFA实现的,其稳定性已得到理论和试验的证明,成为当前孤子通信的主要放大方法。光放大被认为是全光孤子通信的核心问题。但是放大器的自发辐射噪声,是一种不可避免的热噪声,它与孤子相互作用后,造成孤子中心频率的随机抖动,进而引起孤子到达接收端的抖动,即戈登-豪斯效应。这一效应是限制孤子传输系统的容量、放大器间隔等系统指标的重要因素。因此通常在放大器后加一个带通滤波器来抑制戈登-豪斯效应。传输光纤、孤子脉冲检测接收单元的作用
20、与在普通光纤系统中的作用类似。,2、光孤子系统的实用化进程在全世界范围,全光通信系统已在横跨大西洋的TAT-10系统和横跨太平洋的TPC-15系统上首先应用。美国贝尔实验室Mollenauer研究小组的实验系统是世界上最早的光孤子实验系统,首次检测出脉宽为10ps的光孤子经10km传输无明显变化,从而首次从实验上证实了光孤子传输的可能性。日本利用普通光缆线路成功地进行了超高20Tbit/s、远距离1000km孤子通信;日本电报电话公司在1992年推出速率为10Gbit/s、能传输12000km的直通光孤子通信实验系统。我国在1999年也成功地进行了82.5Gb/s、105km的光纤传输。该技术
21、中:采用色散补偿光纤对光脉冲进行压缩;采用2.5Gbit/s20Gbit/s的光信号复用;从20Gbit/s的复用系统中提取2.5Gbit/s电时钟;采用非线性光学环路实现2.5Gbits20Gbits的解复用;采用啁啾光栅对20Gbits信号在标准单模光纤中传输105km后造成的色散进行补偿。3、光孤子通信系统的发展前景 光孤子通信是未来高速率光纤通信系统的一种非常有前景的通信方式,它具有超大容量和超长距离传输的潜力。并且孤子脉冲的特殊性质使中继过程简化为一个绝热放大过程,大大降低了中继设备的数量以及成本。近几年来,人们对光孤子研究的领域不断拓展,取得了重大进展,例如光孤子的波分复用应用,准
22、孤子理论。当然,实际的光孤子通信仍然存在许多技术的难题,比如:延长放大间距,减少放大器数量,降低成本仍是光孤子通信有待解决的一系列问题。但目前已取得的突破性进展使我们相信,光孤子通信在超长距离、高速、大容量的全光通信中,尤其在海底光通信系统中,有着光明的发展前景。,10.3 光时分复用,通信网应该具有足够大的容量,有能力适应各种通信业务量,保证通信畅通。现行的电通信网利用电的时分多路TDM技术,按照标准的同步数字群系列SDH,最高的数字速度限于最高一级数字群的速度,即40Gbs。由于受到电的TDM技术中电子瓶颈的限制,该速率尚未能突破。目前有两种途径可以提高传输速率:波分复用WDM和光时分复用
23、OTDM。前者在第8章中已作专门介绍,这里主要讨论OTDM技术。10.3.1 光时分复用原理OTDM与电时分复用ETDM相似,只是将复用技术移到光频上,就是将多个高速电调制信号分别转换为等速率光信号,然后在光层上利用超窄光脉冲进行时域复用,将其调制为更高速率的光信号。这种方法使用高速光电器件代替了电子器件,克服了电子瓶颈效应。图是OTDM系统框图。光时分复用技术中,一条物理信道按时间分成若干个时间片,轮流地分配给多个信号使用,每一时间片由复用的一个信号占用,即构成帧结构。这样,利用每个信号在时间上的交叉,就可以在一条物理信道上传输多个数字信号。同时时分复用必须采取同步技术来使远距离的接收端能够
24、识别和恢复这种帧结构。,时分复用可分为比特交错OTDM和分组交错OTDM,这两种复用方式都需要利用帧脉冲信号区分不同的复用数据或分组。比特交错OTDM如图(a)所示,比特交错在传输过程中按顺序将比特流按1n循环编号,编号为i的比特在第i路时隙中传输,主要用于电路交换业务。,在接收端,OTDM输入复接信号经3dB耦合器分成两个数据流,通过选取时隙提取所需比特信息。为了提取帧同步脉冲,可通过门限功率判决得到(因为帧脉冲有比其它数据脉冲更高的发送功率)。因此,从OTDM复接信号中得到第i个支路信号的解复用过程如图图10.3.2 比特交错复用/解复用原理(b)所示:将OTDM复接信号首先经耦合器分成两
25、个数据流,将其中一个数据流延迟i 个时隙后送入门限判决器,得到已被延迟i个时隙的帧脉冲,此帧脉冲位置正好与要求提取的第i个支路信号脉冲相一致,因此将帧脉冲数据流与复接脉冲数据流进行逻辑与操作,与门输出便得到要求提取的第i个支路数据流。,2.分组交错OTDM分组交错OTDM与比特交错OTDM相似,但是帧中每个时隙对应一个待复用支路的分组信息(若干个比特区),帧脉冲作为不同分组的界限,主要用于分组交换业务,如图。由锁模激光器产生的窄脉冲周期序列分别被支路数据流外调制,若支路一个比特持续时间是T,则相邻支路脉冲之间距离也是T。为了减少脉冲之间的间隔以便实现分组交错复接,在每个支路外调制器输出端串入一
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