第八章 光复用技术尽管目前光纤通信单信道实用化系统 的传输速率发展到了10Gbit/s，线路的利用 率有了很大提高，但与光纤巨大的带宽潜 力相比还微不足道 本章将介绍光时分复用、波分复用、 光频分复用、光码分复用和光副载波复用 等常用的几种光复用技术8.1 8.1 光复用技术的基本概念光复用技术的基本概念8.2 8.2 光时分复用技术光时分复用技术8.3 8.3 密集波分复用技术密集波分复用技术8.4 8.4 密集波分复用系统的非线性密集波分复用系统的非线性串扰串扰8.1 光复用技术的基本概念复用技术是为了提高通信线路的利用 率，而采用的在同一传输线路上同时传输 多路不同信号而互不干扰的技术另一种复用技术称为“统计复用”它 全称叫做“统计时分多路复用”(Statistical Time Division Multiplexing，STDM)，或 称“异步时分多路复用”光纤通信经过30多年的发展，单信道实用化系统的传输速率从1976年的45Mbit/s发展到了10Gbit/s，线路的利用率得到了很大提高(但与光纤巨大的带宽潜力相比这点带宽还微不足道)光波分复用(WDM)技术是在一芯光纤中同时传输多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，并耦合到光缆线路上的同一根 光纤中进行传输，在接收端将组合波长的 光信号分开，并作进一步处理，恢复出原 信号后送入不同的终端为了进一步提高光纤带宽利用率，相 邻两光载波的间隔将越来越小，一般认为 ：当相邻光载波的间隔小到0.1nm(10GHz) 以下时，此时的复用称为光频分复用 光时分复用(OTDM)技术指利用高速 光开关把多路光信号在时域里复用到一路 上的技术 光副载波复用(OSCM)技术是将基带 信号首先调制到GHz的副载波上，再把副 载波调制到THz的光载波上光码分复用(OCDM)技术是 CDM(Code Division Multiplexing)技术和 光纤通信技术相结合的产物，在这种复用 技术中，每个信道不是占用一个给定的波 长、频率或者时隙，而是以一个特有的编 码脉冲序列方式来传送其比特信息 光波分复用、光时分复用、光副载波 复用和光码分复用都是正在使用和研究的 光纤复用技术，这些技术的使用能增加线 路容量，提高线路利用率8.2 光时分复用技术光时分复用(OTDM)的原理与电时分复用相同，只不过电时分复用是在电域中 完成，而光时分复用是在光域中进行，即 将高速的光支路数据流(例如10Gbit/s，甚 至40Gbit/s)直接复用进光域，产生极高比特率的合成光数据流。
ý8.2.1 比特交错光时分复 用 比特交错光时分复用时，首先由锁模激光 器产生窄脉冲周期序列，然后将窄脉冲周期序列 分路为n路，每路窄脉冲周期序列分别被一路支 路数据流(电信号)外调制，对已调制过的第i支路 光数据流(i=1，2，…n)脉冲通过适当长度的硅光 纤延时i×τ(光在硅光纤中传播速度约为2×108m/s ，1km的光纤提供约5μs的时延)，这样，不同支 路光脉冲流延迟时间不同，在时间上复用不会重 叠，便于数据流的复接ý8.2.2 分组交错光时分复用分组交错光时分复用和比特交错光时分复用一样，首先由锁模激光器产生窄脉冲周期序列，然后将窄脉冲周期序列分路为n路，每路窄脉冲周期序列分别被一路支路数据流(电信号)外调制实现压缩的原理框图如图8.7(b)所示图中 的3dB耦合器起分路和合路作用，它将输入的窄 光脉冲分为两路，或将处理完后的两路光脉冲合 并为一路；两个半导体放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)具有高电平驱动时透光 ，低电平驱动时吸光的特性，它们的驱动时钟相 位相差180°，放大器的作用一是对分路损耗进行 补偿，二是在互补的两路时钟驱动下轮流透光， 从而将光脉冲流分组(每组的比特数取决于驱动时 钟高电平的宽度)，使一组通过延迟线，另一组则 不通过延迟线；延迟线的作用是将比特组延迟一 定的时间。
图8.7 分组交错复用原理图一种实用的方法是采用与门堆，首先将输入的高速串行的复用数据流变换为低速的并行数据流，然后再进行处理8.3 密集波分复用技术光波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)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，因此将此项技术称为光波长分割复用技术， 简称光波分复用技术波分复用技术有以下主要特点(1) 可以充分利用光纤的巨大带宽潜力 ，使一根光纤上的传输容量比单波长传输 增加几十至上万倍 (2) N个波长复用以后在一根光纤中传 输，在大容量长途传输时可以节约大量的 光纤(3) 波分复用通道对传输信号是完全透明的，即对传输码率、数据格式及调制方式均具有透明性，可同时提供多种协议的 业务，不受限制地提供端到端业务(4) 可扩展性好5) 降低器件的超高速要求ý8.3.1 WDM系统基本类 型 WDM系统从不同的角度可以分为不 同的类型，常见的分类方法有：从传输方 向分，可以分为双纤单向波分复用系统和 单纤双向波分复用系统；从光接口类型分 ，可以分为集成式波分复用系统和开放式 波分复用系统。
1. 双纤单向传输 单向DWM是指所有光路同时在一根 光纤上沿同一方向传送，如图8.10所示图8.10 双纤单向传输示意图2. 单纤双向传输 同一光波分复用器既可作合波器，又 可作分波器，具有方向的可逆性，因此， 可以在同一根光纤上实现双向传输 3. 集成式波分复用系统 考虑到各波长之间的影响最小和更多 厂家的设备能互通工作，WDM使用的激光 器发出的光的中心波长、波长间隔、中心 频率偏移等均有严格的规定，必需符合 ITU-T G.692建议4. 开放式波分复用系统开放式系统就是在波分复用器前加入波长转换器(Optical Transition Unit，OTU)，将SDH非规范的波长转换为标准波长，如图8.13 所示图8.13 开放式WDM系统ý8.3.2 WDM系统基本结 构与工作原理 一般来说，WDM系统主要由以下五部分组 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 光发射机是WDM系统的核心，除了对 WDM系统中发射激光器的中心波长有特殊的要 求外，还需要根据WDM系统的不同应用(主要是 传输光纤的类型和无电中继传输的距离)来选择具 有一定色度色散容限的发射机。
经过长距离光纤传输后(80～120km)，需要对光信号进行光中继放大在接收端，光前置放大器(PA)放大经传输而衰减的主信道光信号后，利用分波器从主信道光信号中分出特定波长的光信号送往各终端设备8.4 密集波分复用系统的非 线性串扰衰耗是指光纤中传输的光信号随着传 输距离的增长而逐渐减小的特性克服的 办法主要有：采用高输出功率的激光器， 采用高灵敏度的接收器，采用光放大器等 正色散区：红光(波长较长的光)传得较慢负色散区：蓝光(波长较短的光)传得较慢ý8.4.1 受激喇曼散射串扰 受激喇曼散射(Stimulated Raman Scattering，SRS)可以看作是介质中分子振 动对入射光的调制，对入射光产生散射作 用 L长的光纤输出端因SRS而损耗50% 的输入功率时，这个输入功率称为阈值功 率喇曼散射的阈值泵浦功率PR可以表示 为［7］：式中：Aeff为纤芯有效面积式中：s0为单模光纤的模场半径；gR 喇曼放大系数；Leff为光纤的有效互作用长 度，简称有效长度式中：L为光纤的长度；α为光纤的衰 减系数光纤越长，Leff也越长ý8.4.2 受激布里渊散射串 扰 受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering，SBS)与受激喇曼散射在物理过 程上十分相似，入射频率为ωp的泵浦光将 一部分能量转移给频率为ωs的斯托克斯 波，并发出频率为Ω的声波。
Ω=ωp-ωs 受激布里渊散射产生的斯托克斯波传 播方向与泵浦波相反光纤中受激布里渊散射的阈值功率可 以近似表示为： 式中：Aeffeff为光纤纤芯有效面积，Leff 为光纤的有效长度，分别如式(8-2)和式(8- 3)所示；gB为布里渊放大系数在实际应 用中为了简化式(8-4)，G.650建议又给出了 经验式：ý8.4.3 自相位调制和交叉相位调制这一极化过程由极化强度矢量P(r，t) 与电场强度矢量E(r，t)的关系来描述 P=ε0χE式中：ε0是自由空间的介电常数；χ是 介质的极化率在强电场作用下，介质呈现非线性，此时P随电场E发生非线性变化，这种非线性函数可以围绕E＝0展开成泰勒级数： P=ε0χE+2dE2+4χ(3)E3+…式中：d为二阶非线性系数；χ(3)为三阶非线性系数当光脉冲在光纤中传播时其相位改变为：式中：k0=2π/λ；L为光纤的长度是相位变化的线性部分，而由于光场自身引起的附加相位变化， 这种效应称之为自相位调制(Self-Phase Modulation，SPM) 这种相位的变化引起信号频率的瞬时 变化(频移)为：频移方向与d|E|2/dt的符号有关。
当两个或多个不同波长的光波在光纤 中同时传输时，某特定信道的相移不仅取 决于该信道自己场强的变化，也取决于其 它相邻信道场强的变化，这种现象称之为 交叉相位调制(Cross Phase Modulation， CPM或XPM)第j个信道的非线性相移为 ：ý8.4.4 四波混频 四波混频(Four Wave Mixing，FWM) 是指两个以上不同波长的光信号在光纤的 非线性影响下，除了原始的波长信号外还 会产生许多额外的混合成分(或叫边带) 四波混频边带的出现会导致信号功率 的大量耗散 四波混频的门限功率最低，在0dBm 左右，必须足够重视。