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1、第八章第八章 光复用技术光复用技术尽尽管管目目前前光光纤纤通通信信单单信信道道实实用用化化系系统统的的传传输输速速率率发发展展到到了了10Gbit/s，线线路路的的利利用用率率有有了了很很大大提提高高，但但与与光光纤纤巨巨大大的的带带宽宽潜潜力相比还微不足道。力相比还微不足道。本本章章将将介介绍绍光光时时分分复复用用、波波分分复复用用、光光频频分分复复用用、光光码码分分复复用用和和光光副副载载波波复复用用等常用的几种光复用技术。等常用的几种光复用技术。8.1 光复用技术的基本概念光复用技术的基本概念8.2 光时分复用技术光时分复用技术8.3 密集波分复用技术密集波分复用技术8.4 密集波分复用
2、系统的非线性串扰密集波分复用系统的非线性串扰8.1 光复用技术的基本概念光复用技术的基本概念复复用用技技术术是是为为了了提提高高通通信信线线路路的的利利用用率率，而而采采用用的的在在同同一一传传输输线线路路上上同同时时传传输输多路不同信号而互不干扰的技术。多路不同信号而互不干扰的技术。另另一一种种复复用用技技术术称称为为“统统计计复复用用”。它它 全全 称称 叫叫 做做 “统统 计计 时时 分分 多多 路路 复复 用用”(Statistical Time Division Multiplexing，STDM)，或或称称“异异步步时时分分多路复用多路复用”。光光纤纤通通信信经经过过30多多年年的
3、的发发展展，单单信信道道实实 用用 化化 系系 统统 的的 传传 输输 速速 率率 从从 1976年年 的的45Mbit/s发发展展到到了了10Gbit/s，线线路路的的利利用用率率得得到到了了很很大大提提高高(但但与与光光纤纤巨巨大大的的带带宽宽潜潜力力相比这点带宽还微不足道相比这点带宽还微不足道)。光波分复用光波分复用(WDM)技术是在一芯光纤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
4、接收端将组合波长的光纤中进行传输，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。信号后送入不同的终端。为为了了进进一一步步提提高高光光纤纤带带宽宽利利用用率率，相相邻邻两两光光载载波波的的间间隔隔将将越越来来越越小小，一一般般认认为为：当当相相邻邻光光载载波波的的间间隔隔小小到到0.1nm(10GHz)以以下时，此时的复用称为光频分复用。下时，此时的复用称为光频分复用。光光时时分分复复用用(OTDM)技技术术指指利利用用高高速速光光开开关关把把多多路路光光信信号号在在时时域域里里复复用用到到一一路路上上的技术。的技术。光光副副
5、载载波波复复用用(OSCM)技技术术是是将将基基带带信信号号首首先先调调制制到到GHz的的副副载载波波上上，再再把把副副载载波调制到波调制到THz的光载波上。的光载波上。光光码码分分复复用用(OCDM)技技术术是是CDM(Code Division Multiplexing)技技术术和和光光纤纤通通信信技技术术相相结结合合的的产产物物，在在这这种种复复用用技技术术中中，每每个个信信道道不不是是占占用用一一个个给给定定的的波波长长、频频率率或或者者时时隙隙，而而是是以以一一个个特特有有的的编编码码脉脉冲冲序序列列方方式来传送其比特信息。式来传送其比特信息。光光波波分分复复用用、光光时时分分复复用
6、用、光光副副载载波波复复用用和和光光码码分分复复用用都都是是正正在在使使用用和和研研究究的的光光纤纤复复用用技技术术，这这些些技技术术的的使使用用能能增增加加线线路容量，提高线路利用率。路容量，提高线路利用率。8.2 光时分复用技术光时分复用技术光光时时分分复复用用(OTDM)的的原原理理与与电电时时分分复复用用相相同同，只只不不过过电电时时分分复复用用是是在在电电域域中中完完成成，而而光光时时分分复复用用是是在在光光域域中中进进行行，即即将将高高速速的的光光支支路路数数据据流流(例例如如10Gbit/s，甚甚至至40Gbit/s)直直接接复复用用进进光光域域，产产生生极极高高比比特特率的合成
7、光数据流。率的合成光数据流。8.2.1 比特交错光时分复用比特交错光时分复用比比特特交交错错光光时时分分复复用用时时，首首先先由由锁锁模模激激光光器器产产生生窄窄脉脉冲冲周周期期序序列列，然然后后将将窄窄脉脉冲冲周周期期序序列列分分路路为为n路路，每每路路窄窄脉脉冲冲周周期期序序列列分分别别被被一一路路支支路路数数据据流流(电电信信号号)外外调调制制，对对已已调调制制过过的的第第i支支路路光光数数据据流流(i=1，2，n)脉脉冲冲通通过过适适当当长长度度的的硅硅光光 纤纤 延延 时时 i(光光 在在 硅硅 光光 纤纤 中中 传传 播播 速速 度度 约约 为为2108m/s，1km的的光光纤纤提
8、提供供约约5s的的时时延延)，这这样样，不不同同支支路路光光脉脉冲冲流流延延迟迟时时间间不不同同，在在时时间间上上复复用用不会重叠，便于数据流的复接。不会重叠，便于数据流的复接。8.2.2 分组交错光时分复用分组交错光时分复用分分组组交交错错光光时时分分复复用用和和比比特特交交错错光光时时分分复复用用一一样样，首首先先由由锁锁模模激激光光器器产产生生窄窄脉脉冲冲周周期期序序列列，然然后后将将窄窄脉脉冲冲周周期期序序列列分分路路为为n路路，每每路路窄窄脉脉冲冲周周期期序序列列分分别别被被一一路路支支路数据流路数据流(电信号电信号)外调制。外调制。实实现现压压缩缩的的原原理理框框图图如如图图8.7
9、(b)所所示示。图图中中的的3dB耦耦合合器器起起分分路路和和合合路路作作用用，它它将将输输入入的的窄窄光光脉脉冲冲分分为为两两路路，或或将将处处理理完完后后的的两两路路光光脉脉冲冲合合并并为为一一路路；两两个个半半导导体体放放大大器器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)具具有有高高电电平平驱驱动动时时透透光光，低低电电平平驱驱动动时时吸吸光光的的特特性性，它它们们的的驱驱动动时时钟钟相相位位相相差差180，放放大大器器的的作作用用一一是是对对分分路路损损耗耗进进行行补补偿偿，二二是是在在互互补补的的两两路路时时钟钟驱驱动动下下轮轮流流透透光光，从从而而将
10、将光光脉脉冲冲流流分分组组(每每组组的的比比特特数数取取决决于于驱驱动动时时钟钟高高电电平平的的宽宽度度)，使使一一组组通通过过延延迟迟线线，另另一一组组则则不不通通过过延延迟迟线线；延延迟迟线线的的作作用用是是将将比比特特组组延延迟迟一定的时间。一定的时间。图图8.7 分分组组交交错错复复用用原原理理图图一一种种实实用用的的方方法法是是采采用用与与门门堆堆，首首先先将将输输入入的的高高速速串串行行的的复复用用数数据据流流变变换换为为低低速的并行数据流，然后再进行处理。速的并行数据流，然后再进行处理。8.3 密集波分复用技术密集波分复用技术光光 波波 分分 复复 用用 (Wavelength
11、Division Multiplexing，WDM)技技术术是是在在一一根根光光纤纤中中同同时时传传输输多多个个波波长长光光信信号号的的一一项项技技术术。其其基基本本原原理理是是在在发发送送端端将将不不同同波波长长的的光光信信号号组组合合起起来来(复复用用)，并并耦耦合合到到光光缆缆线线路路上上的的同同一一根根光光纤纤中中进进行行传传输输，在在接接收收端端又又将将组组合合波波长长的的光光信信号号分分开开(解解复复用用)，并并作作进进一一步步处处理理，恢恢复复出出原原信信号号后后送送入入不不同同的的终终端端，因因此此将将此此项项技技术术称称为为光光波波长长分分割割复复用用技技术术，简称光波分复用
12、技术。简称光波分复用技术。波分复用技术有以下主要特点。波分复用技术有以下主要特点。(1) 可可以以充充分分利利用用光光纤纤的的巨巨大大带带宽宽潜潜力力，使使一一根根光光纤纤上上的的传传输输容容量量比比单单波波长长传传输输增增加几十至上万倍。加几十至上万倍。(2) N个个波波长长复复用用以以后后在在一一根根光光纤纤中中传传输输，在在大大容容量量长长途途传传输输时时可可以以节节约约大大量量的的光纤。光纤。(3) 波分复用通道对传输信号是完全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方式均具有透明性，可同时
13、提供多种协议的业务，不受限制地提供端到端业务。的业务，不受限制地提供端到端业务。(4) 可扩展性好。可扩展性好。(5) 降低器件的超高速要求。降低器件的超高速要求。8.3.1 WDM系统基本类型系统基本类型WDM系系统统从从不不同同的的角角度度可可以以分分为为不不同同的的类类型型，常常见见的的分分类类方方法法有有：从从传传输输方方向向分分，可可以以分分为为双双纤纤单单向向波波分分复复用用系系统统和和单单纤纤双双向向波波分分复复用用系系统统；从从光光接接口口类类型型分分，可可以以分分为为集集成成式式波波分分复复用用系系统统和和开开放放式式波波分复用系统。分复用系统。1. 双纤单向传输双纤单向传输
14、单单向向DWM是是指指所所有有光光路路同同时时在在一一根根光纤上沿同一方向传送，如图光纤上沿同一方向传送，如图8.10所示。所示。图图8.10 双纤单向传输示意图双纤单向传输示意图2. 单纤双向传输单纤双向传输同同一一光光波波分分复复用用器器既既可可作作合合波波器器，又又可可作作分分波波器器，具具有有方方向向的的可可逆逆性性，因因此此，可以在同一根光纤上实现双向传输。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集成式波分复用系统考考虑虑到到各各波波长长之之间间的的影影响响最最小小和和更更多多厂厂家家的的设设备备能能互互通通工工作作，WDM使使用用的的激激光光器器发发出出的的光光的的
15、中中心心波波长长、波波长长间间隔隔、中中心心频频率率偏偏移移等等均均有有严严格格的的规规定定，必必需需符符合合ITU-T G.692建议。建议。4. 开放式波分复用系统开放式波分复用系统开开放放式式系系统统就就是是在在波波分分复复用用器器前前加加入入波波长长转转换换器器(Optical Transition Unit，OTU)，将将SDH非非规规范范的的波波长长转转换换为为标标准准波波长，如图长，如图8.13 所示。所示。图图8.13 开放式开放式WDM系统系统8.3.2 WDM系系统统基基本本结结构构与与工工作原理作原理一一般般来来说说，WDM系系统统主主要要由由以以下下五五部部分分组组成成
16、：光光发发射射机机、光光中中继继放放大大、光光接接收收机机、光光监监控控信道和网络管理系统。信道和网络管理系统。光光发发射射机机是是WDM系系统统的的核核心心，除除了了对对WDM系系统统中中发发射射激激光光器器的的中中心心波波长长有有特特殊殊的的要要求求外外，还还需需要要根根据据WDM系系统统的的不不同同应应用用(主主要要是是传传输输光光纤纤的的类类型型和和无无电电中中继继传传输输的的距距离离)来来选选择择具有一定色度色散容限的发射机。具有一定色度色散容限的发射机。经过长距离光纤传输后经过长距离光纤传输后(80120km)，需要对光信号进行光中继放大。需要对光信号进行光中继放大。在在接接收收端
17、端，光光前前置置放放大大器器(PA)放放大大经经传传输输而而衰衰减减的的主主信信道道光光信信号号后后，利利用用分分波波器器从从主主信信道道光光信信号号中中分分出出特特定定波波长长的的光光信信号送往各终端设备。号送往各终端设备。8.4 密集波分复用系统的非密集波分复用系统的非线性串扰线性串扰衰耗是指光纤中传输的光信号随着传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，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。采用高灵敏度的接收器，采用光放大器等。正色散区：红光正色散区：红
18、光(波长较长的光波长较长的光)传得较慢。传得较慢。负色散区：蓝光负色散区：蓝光(波长较短的光波长较短的光)传得较慢。传得较慢。8.4.1 受激喇曼散射串扰受激喇曼散射串扰受受激激喇喇曼曼散散射射(Stimulated Raman Scattering，SRS)可可以以看看作作是是介介质质中中分分子子振振动动对对入入射射光光的的调调制制，对对入入射射光光产产生生散散射射作作用。用。L长长的的光光纤纤输输出出端端因因SRS而而损损耗耗50%的的输输入入功功率率时时，这这个个输输入入功功率率称称为为阈阈值值功功率率。喇喇曼曼散散射射的的阈阈值值泵泵浦浦功功率率PR可可以以表表示示为为7：式中：式中：
19、Aeff为纤芯有效面积。为纤芯有效面积。式式中中：s0为为单单模模光光纤纤的的模模场场半半径径；gR喇喇曼曼放放大大系系数数；Leff为为光光纤纤的的有有效效互互作作用用长长度度，简称有效长度。简称有效长度。式式中中：L为为光光纤纤的的长长度度；为为光光纤纤的的衰衰减减系系数。光纤越长，数。光纤越长，Leff也越长。也越长。8.4.2 受激布里渊散射串扰受激布里渊散射串扰受受 激激 布布 里里 渊渊 散散 射射 (Stimulated Brillouin Scattering，SBS)与与受受激激喇喇曼曼散散射射在在物物理理过过程程上上十十分分相相似似，入入射射频频率率为为p的的泵泵浦浦光光将
20、将一一部部分分能能量量转转移移给给频频率率为为s的的斯斯托克斯托克斯波，并发出频率为波，并发出频率为的声波。的声波。=p-s受受激激布布里里渊渊散散射射产产生生的的斯斯托托克克斯斯波波传传播方向与泵浦波相反。播方向与泵浦波相反。光光纤纤中中受受激激布布里里渊渊散散射射的的阈阈值值功功率率可可以近似表示为：以近似表示为：式式中中：Aeff为为光光纤纤纤纤芯芯有有效效面面积积，Leff为为光光纤纤的的有有效效长长度度，分分别别如如式式(8-2)和和式式(8-3)所所示示；gB为为布布里里渊渊放放大大系系数数。在在实实际际应应用用中中为为了了简简化化式式(8-4)，G.650建建议议又又给给出出了了
21、经经验式：验式：8.4.3 自相位调制和交叉相位调制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这一极化过程由极化强度矢量P(r，t)与电场强度矢量与电场强度矢量E(r，t)的关系来描述。的关系来描述。P=0E式式中中：0是是自自由由空空间间的的介介电电常常数数；是是介介质质的极化率。的极化率。在强电场作用下，介质呈现非线性，在强电场作用下，介质呈现非线性，此时此时P随电场随电场E发生非线性变化，这种非线发生非线性变化，这种非线性函数可以围绕性函数可以围绕E0展开成泰勒级数：展开成泰勒级数：P=0E+2dE2+4(3)E3+式式中中：d为为二二阶阶非非线线性性系系数数；(3)为为三三阶阶
22、非非线性系数。线性系数。当当光光脉脉冲冲在在光光纤纤中中传传播播时时其其相相位位改改变变为：为：式中：式中：k0=2/；L为光纤的长度。为光纤的长度。是相位变化的线性部分，而是相位变化的线性部分，而由由于于光光场场自自身身引引起起的的附附加加相相位位变变化化，这这种种效效应应称称之之为为自自相相位位调调制制(Self-Phase Modulation，SPM)。这这种种相相位位的的变变化化引引起起信信号号频频率率的的瞬瞬时时变化变化(频移频移)为：为：频移方向与频移方向与d|E|2/dt的符号有关。的符号有关。当当两两个个或或多多个个不不同同波波长长的的光光波波在在光光纤纤中中同同时时传传输输
23、时时，某某特特定定信信道道的的相相移移不不仅仅取取决决于于该该信信道道自自己己场场强强的的变变化化，也也取取决决于于其其它它相相邻邻信信道道场场强强的的变变化化，这这种种现现象象称称之之为为交交叉叉相相位位调调制制(Cross Phase Modulation，CPM或或XPM)。第第j个信道的非线性相移为：个信道的非线性相移为：8.4.4 四波混频四波混频四四波波混混频频(Four Wave Mixing，FWM)是是指指两两个个以以上上不不同同波波长长的的光光信信号号在在光光纤纤的的非非线线性性影影响响下下，除除了了原原始始的的波波长长信信号号外外还还会产生许多额外的混合成分会产生许多额外的混合成分(或叫边带或叫边带)。四四波波混混频频边边带带的的出出现现会会导导致致信信号号功功率率的大量耗散。的大量耗散。四四波波混混频频的的门门限限功功率率最最低低，在在0dBm左右，必须足够重视。左右，必须足够重视。
