《光纤通信新技术》PPT课件

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1、7.1 7.1 光纤放大器光纤放大器7.2 7.2 光波分复用技术光波分复用技术7.3 7.3 光交换技术光交换技术7.4 7.4 光孤子通信光孤子通信7.5 7.5 相干光通信技术相干光通信技术7.6 7.6 光时分复用技术光时分复用技术7.7 7.7 波长变换技术波长变换技术第第 7 7 章章 光纤通信新技术光纤通信新技术返回主目录第第7 7章章 光纤通信新技术光纤通信新技术 光光纤纤通通信信发发展展的的目目标标是是提提高高通通信信能能力力和和通通信信质质量量，降降低低价价格，满足社会需要。格，满足社会需要。 进进入入2020世世纪纪9090年年代代以以后后，光光纤纤通通信信成成为为一一个

2、个发发展展迅迅速速、 技术更新快、新技术不断涌现的领域。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：已经实用化或者有重要应用前景的新技术：（1 1）光放大技术。代替光）光放大技术。代替光- -电电- -光再生中继器。光再生中继器。（2 2）光波分复用技术）光波分复用技术。扩大网络通信的容量。扩大网络通信的容量。（3 3）光交换技术。突破电子线路的极限速率）光交换技术。突破电子线路的极限速率20Gb/s20Gb/s，是实现是实现全光通信的关键技术。全光通信的关键技术。（4 4）光孤子通信。改善色散的影响，实现超长距离传输。）光孤子通信。改善色散的影响，实现超长距离传输

3、。（5 5）相干光通信。提高灵敏度，增加传输距离。）相干光通信。提高灵敏度，增加传输距离。（6 6）光时分复用技术。提高传输速率，扩大传输容量。）光时分复用技术。提高传输速率，扩大传输容量。（7 7）波长变换技术。扩大）波长变换技术。扩大WDMWDM网络的灵活性和可扩容性。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

4、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，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：种类：(1)(1)半导体光放大器（半导体光放大器（SOASOA）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

5、关，器件与光纤的耦合损耗大。(2)(2)光纤放大器光纤放大器掺铒光纤放大器（掺铒光纤放大器（EDFAEDFA）分布光纤拉曼放大器（分布光纤拉曼放大器（DRADRA）非线性光纤放大器非线性光纤放大器卓至飞高公司系列光纤放大器：卓至飞高公司系列光纤放大器：RF-1550-XXI型型EDFARF-1550-XX野外型野外型EDFAEDFASOA7.17.1光光 纤纤 放放 大大 器器 光光纤纤放放大大器器的的性性能能与与光光偏偏振振方方向向无无关关，器器件件与与光光纤纤的的耦耦合损耗很小，因而得到广泛应用。合损耗很小，因而得到广泛应用。 光光纤纤放放大大器器实实际际上上是是把把工工作作物物质质制制作

6、作成成光光纤纤形形状状的的固固体体激光器，所以也称为光纤激光器。激光器，所以也称为光纤激光器。 2020世世纪纪8080年年代代末末期期，波波长长为为1.55 1.55 mm的的掺掺铒铒( (ErEr) )光光纤纤放放大大器器(EDFA(EDFA： ErbiumErbiumDoped Doped Fiber Fiber Amplifier)Amplifier)研研制制成成功功并并投投入入实实用用，把把光光纤纤通通信信技技术术水水平平推推向向一一个个新新高高度度，成成为为光光纤纤通信发展史上一个重要的里程碑。通信发展史上一个重要的里程碑。 7.1.17.1.1掺铒光纤放大器工作原理掺铒光纤放大器

7、工作原理如如图图，在在掺掺铒铒光光纤纤(EDF)(EDF)中中，铒铒离离子子(Er(Er3+3+) )有有三三个个能能级级： 其其中中能能级级1 1代代表表基基态态， 能能量量最最低低；能能级级2 2是是亚亚稳稳态态，处处于于中中间间能能级级；能级能级3 3代表激发态，代表激发态， 能量最高。能量最高。（1 1）当泵浦）当泵浦(Pump, (Pump, 抽运抽运) )光的光子光的光子能量等于能级能量等于能级3 3和能级和能级1 1的能量差时，的能量差时，铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到激铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到激发态发态(13)(13)。（2 2）但是激发态是不稳定的，）但是激发态是不稳定的，

8、ErEr3+3+很快返回到能级很快返回到能级2 2（无辐射跃迁）。（无辐射跃迁）。（3 3）如果输入的信号光的光子能量）如果输入的信号光的光子能量等于能级等于能级2 2和能级和能级1 1的能量差，则处的能量差，则处于能级于能级2 2的的ErEr3+3+将跃迁到基将跃迁到基态态(21)(21)，产生受激辐射光，因而信号光得，产生受激辐射光，因而信号光得到放大。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，能量转换为信号光的结果。为提高放大器增益， 应提高对泵浦应提高对泵浦光的吸收

9、，光的吸收， 使基态使基态ErEr3+3+尽可能跃迁到激发态，图尽可能跃迁到激发态，图7.1(b)7.1(b)示出示出EDFAEDFA增益和吸收频谱。增益和吸收频谱。波长在波长在1.5 1.5 mm附近时附近时，吸收和增益最大，吸收和增益最大。图图7.2(a)7.2(a)示示出出输输出出信信号号光光功功率率和和输输入入泵泵浦浦光光功功率率的的关关系系， 由由图图可可见见，泵泵浦浦光光功功率率转转换换为为信信号号光光功功率率的的效效率率很很高高，达达到到92.6%92.6%。当当泵泵浦浦光光功功率率为为60 60 mWmW时时，吸吸收收效效率率( (信信号号输输入入光光功功率率- -信号输出光功

10、率信号输出光功率)/)/泵浦光功率为泵浦光功率为88%88%。 图图7.2（b）是小信号条件下增益和泵浦光功率的关系，当是小信号条件下增益和泵浦光功率的关系，当泵泵浦光功率小于浦光功率小于6mW时，增益线性增加，增益系数为时，增益线性增加，增益系数为6.3dB/m。 7.1.27.1.2掺铒光纤放大器的构成和特性掺铒光纤放大器的构成和特性图图7.3(a)7.3(a)为为光光纤纤放放大大器器构构成成原原理理图图，主主要要构构成成部部件件及及功功能能为为： （1 1）光隔离器：防止反射光影响光放大器的工作稳定性。）光隔离器：防止反射光影响光放大器的工作稳定性。（2 2）光耦合器（波分复用器）：把信

11、号光和泵浦光混合起来。）光耦合器（波分复用器）：把信号光和泵浦光混合起来。（3 3）掺珥光纤：长约）掺珥光纤：长约10100m10100m， ErEr 3+3+浓度约为浓度约为25mg/kg25mg/kg。（4 4）泵浦光源：形成粒子数反转分布。光功率为泵浦光源：形成粒子数反转分布。光功率为10100mW10100mW，工作波长为工作波长为0.98 0.98 mm。实用光纤放大器外形图及其构成方框图EDFAEDFA构成器件的性能选择：构成器件的性能选择：EDFAEDFA的增益取决于的增益取决于ErEr 3+3+的浓度的浓度、光纤长度光纤长度和和直径直径以及以及泵浦光功泵浦光功率率等多种因素，通

12、常由实验获得最佳增益。等多种因素，通常由实验获得最佳增益。（1 1）对泵浦光源的基本要求是大功率和长寿命。波长为）对泵浦光源的基本要求是大功率和长寿命。波长为1480 1480 mm的的InGaAsPInGaAsP多量子阱多量子阱(MQW)(MQW)激光器，激光器， 输出光功率高达输出光功率高达100 100 mWmW, , 泵浦光转换为信号光效率在泵浦光转换为信号光效率在6 dB/6 dB/mWmW以上。以上。波长为波长为980 nm980 nm的泵浦的泵浦光转换效率更高，达光转换效率更高，达10 dB/10 dB/mWmW，而且噪声较低，是未来发展的而且噪声较低，是未来发展的方向。方向。（

13、2 2）对波分复用器的基本要求是插入损耗小。熔拉双锥光纤耦）对波分复用器的基本要求是插入损耗小。熔拉双锥光纤耦合器型和干涉滤波型波分复用器最适用。合器型和干涉滤波型波分复用器最适用。（3 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）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。耗大。图图7.47.4是是EDFAEDFA商商品品的的特特性性曲曲线线，图图中中显显示示出出增增益益、 噪噪声声指指数数和和输输出出信信号号光光功功率率与与输输入入信信号号光光功功率率的的关关系系。在在泵泵浦浦光光功功率率一一定定的的条条件件下下，当当输输入入信信号号光光功功率率较较小小时时，放放大

14、大器器增增益益不不随随输输入入信信号号光光功功率率而而变变化化，基基本本上上保保持持不不变变。 当当信信号号光光功功率率增增加加到到一一定定值值( (一一般般为为-20 -20 dBmdBm) ) 后后，增增益益开开始始随随信信号号光光功功率率的的增增加加而而下下降降， 因因此此出出现现输输出出信信号号光光功功率率达达到到饱饱和和的的现现象象。掺掺铒铒光光纤纤越越长，饱和度越深。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。表表7.1掺铒光纤放大器技术参数掺铒光纤放大器技术参数7.1.37.1.3掺铒光纤放大器的优点和应用掺铒光纤放大器的优点和应用EDFAEDFA有许多优点，

15、有许多优点， 并已得到广泛应用。并已得到广泛应用。EDFAEDFA的主要优点有：的主要优点有：(1)(1)工工作作波波长长正正好好落落在在光光纤纤通通信信最最佳佳波波段段(1500(15001600 1600 nm)nm)； 其其主主体体是是一一段段光光纤纤(EDF)(EDF)，与与传传输输光光纤纤的的耦耦合合损损耗耗很很小小，可可达达0.1 dB0.1 dB。 (2) (2) 增增益益高高，约约为为303040 40 dB; dB; 饱饱和和输输出出光光功功率率大大， 约约为为101015 15 dBmdBm; ; 增益特性与光偏振状态无关。增益特性与光偏振状态无关。 (3) (3) 噪噪声

16、声指指数数小小，一一般般为为4 47 7 dB; dB; 用用于于多多信信道道传传输输时时，隔隔离度大，无串扰，适用于波分复用系统。离度大，无串扰，适用于波分复用系统。 (4) (4) 频频带带宽宽，在在1550 1550 nmnm窗窗口口，频频带带宽宽度度为为202040 40 nmnm， 可可进行多信道传输，有利于增加传输容量。进行多信道传输，有利于增加传输容量。 如如果果加加上上1310 1310 nmnm掺掺镨镨光光纤纤放放大大器器(PDFA)(PDFA)，频频带带可可以以增增加加一一倍倍。所所以以“波波分分复复用用+ +光光纤纤放放大大器器”被被认认为为是是充充分分利利用用光光纤纤带

17、宽增加传输容量最有效的方法。带宽增加传输容量最有效的方法。 1550 nm EDFA1550 nm EDFA在各种光纤通信系统中得到广泛应用，并取得了在各种光纤通信系统中得到广泛应用，并取得了良好效果。副载波良好效果。副载波CATVCATV系统，系统，WDMWDM或或OFDMOFDM系统，相干光系统以系统，相干光系统以及光孤子通信系统，都应用了及光孤子通信系统，都应用了EDFAEDFA，并并大幅度增加了传输距离。大幅度增加了传输距离。 EDFAEDFA的应用，的应用， 归纳起来可以分为三种形式，归纳起来可以分为三种形式， 如图如图7.57.5所示。所示。 （1 1）中继放大器（）中继放大器（L

18、ALA）。）。 （2 2）前置放大器（前置放大器（PAPA）。）。 （3 3）后置放大器（后置放大器（BABA）。）。 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，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，

19、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EDF

20、A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，

21、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 7.2 光波分复用技术光波分复用技术 随随着着人人类类社社会会信信息息时时代代的的到到来来，对对通通信信的的需需求求呈呈现现加加速速增增长长的的趋趋势势。发发展展迅迅速速的的各各种种新新型型业业务务( (特特别别是是高高速速数数据据和和视视频频业业务务) )对对通通信信网网的的带带宽宽( (或或容容量量) )提提出出了了更更高高的的要要求求。为为了了适适应应通通信信网网传传输输容容量量的的不不断断增增长长和和满满足足网网络络交交互互性性

22、、灵灵活活性性的的要求，产生了各种复用技术。要求，产生了各种复用技术。 在在光光纤纤通通信信系系统统中中除除了了大大家家熟熟知知的的时时分分复复用用(TDM)(TDM)技技术术外外， 还还出出现现了了其其他他的的复复用用技技术术，例例如如光光时时分分复复用用(OTDM)(OTDM)、光光波波分分复复用用(WDM)(WDM)、 光光频频分分复复用用(OFDM)(OFDM)以以及及副副载载波波复复用用(SCM)(SCM)技技术术。 本节主要讲述本节主要讲述WDMWDM技术。技术。 7.2.17.2.1光波分复用原理光波分复用原理 1. WDM1. WDM的概念的概念 光光波波分分复复用用(WDM(

23、WDM： Wavelength Wavelength Division Division Multiplexing)Multiplexing)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

24、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， 简称光波分复用技术。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

25、.501.60 m)的窗口， 相应的带宽为12500 GHz。 由由于于目目前前一一些些光光器器件件与与技技术术还还不不十十分分成成熟熟，因因此此要要实实现现光光信信道道十十分分密密集集的的光光频频分分复复用用(OFDM)(OFDM)还还较较为为困困难难。在在这这种种情情况况下下，人人们们把把在在同同一一窗窗口口中中信信道道间间隔隔较较小小的的波波分分复复用用称称为为密密集集 波波 分分 复复 用用 (DWDM(DWDM： Dense Dense Wavelength Wavelength Division Division Multiplexing)Multiplexing)。一一般般波波长

26、长间间隔隔小小于于0.8nm0.8nm。 WDMWDM、 DWDMDWDM和和OFDMOFDM在在本本质质上上没没有有多多大大区区别别。以以往往技技术术人人员员习习惯惯采采用用WDM WDM 和和DWDMDWDM来来区区分分是是1310/1550 1310/1550 nm nm 简简单单复复用用还还是是在在1550 1550 nmnm波波长长区区段内密集复用。段内密集复用。目目前前，“掺掺铒铒光光纤纤放放大大器器(EDFA)+(EDFA)+密密集集波波分分复复用用(WDM)+(WDM)+非非零零色色散散光光纤纤(NZDSF(NZDSF，即即G.655G.655光光纤纤)+)+光光子子集集成成(

27、PIC)(PIC)”正正成成为为国国际际上长途高速光纤通信线路的主要技术方向。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.

28、WDM2. WDM系统的基本形式系统的基本形式 光光波波分分复复用用器器和和解解复复用用器器是是WDMWDM技技术术中中的的关关键键部部件件，将将不不同同波波长长的的信信号号结结合合在在一一起起经经一一根根光光纤纤输输出出的的器器件件称称为为复复用用器器( (也也叫叫合合波波器器) )。反反之之，经经同同一一传传输输光光纤纤送送来来的的多多波波长长信信号号分分解解为为各各个个波波长长分分别别输输出出的的器器件件称称为为解解复复用用器器( (也也叫叫分分波波器器) )。 从从原原理理上上讲讲，这这种种器器件件是是互互易易的的( (双双向向可可逆逆) )，即即只只要要将将解解复复用用器器的的输输出

29、出端端和和输输入入端端反反过过来来使使用用，就就是是复复用用器器。因因此此复复用用器器和解复用器是相同的和解复用器是相同的( (除非有特殊的要求除非有特殊的要求) )。 WDMWDM系统的基本构成主要有以下两种形式：系统的基本构成主要有以下两种形式： (1) (1) 双双纤纤单单向向传传输输。单单向向WDMWDM传传输输是是指指所所有有光光通通路路同同时时在在一一根根光光纤纤上上沿沿同同一一方方向向传传送送。如如图图7.77.7所所示示，在在发发送送端端将将载载有有各各种种信信息息的的、具具有有不不同同波波长长的的已已调调光光信信号号1 1,2 2, ,n n通通过过光光复用器组合在一起，并在

30、一根光纤中单向传输。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传输图图7.8单纤双向单纤双向WDM传输传输(2) (2) 单纤双向传输。单纤双向传输。 双向双向WDMWDM传输是指光通路在一根光纤上同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。时向两个不同的方向传输。如图如图7.87.8所示，所用波长相互分开，所示，所用波长相互分开， 以实现双向全双工的通信。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

31、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。 3. 3. 光波分复用器的性能参数光波分复用器的性能参数对对波波分分复复用用器器的的基基本本要要求求是是：插插入入损损耗耗小小，隔隔离离度度大大，带带内内平平坦坦，

32、带带外外插插入入损损耗耗变变化化陡陡峭峭，温温度度稳稳定定性性好好，复复用用通通路路数数多多，尺寸小等。尺寸小等。 (1) (1) 插插入入损损耗耗。 插插入入损损耗耗是是指指由由于于增增加加光光波波分分复复用用器器/ /解解复复用用器器而而产产生生的的附附加加损损耗耗，定定义义为为该该无无源源器器件件的的输输入入和和输输出出端端口口之间的光功率之比之间的光功率之比，即，即=10lg其中其中P P0 0为发送进输入端口的光功率；为发送进输入端口的光功率；P P0 0为从输出端口接收到为从输出端口接收到的光功率。的光功率。 (2)串串扰扰抑抑制制度度。串串扰扰是是指指其其他他信信道道的的信信号号

33、耦耦合合进进某某一一信信道道，并并使使该该信信道道传传输输质质量量下下降降的的影影响响程程度度，有有时时也也可可用用隔隔离离度度来表示这一程度。来表示这一程度。对于解复用器对于解复用器其其中中Pi是是波波长长为为i的的光光信信号号的的输输入入光光功功率率，Pij是是波波长长为为i的光信号串入到波长为的光信号串入到波长为j信道的光功率。信道的光功率。(3)回回波波损损耗耗。回回波波损损耗耗是是指指从从无无源源器器件件的的输输入入端端口口返返回的光功率与输入光功率的比，即回的光功率与输入光功率的比，即RL=-10(7.3)其其中中Pj为为发发送送进进输输入入端端口口的的光光功功率率，Pr为为从从同

34、同一一个个输输入入端端口接收到的返回光功率。口接收到的返回光功率。(4) (4) 反反射射系系数数。反反射射系系数数是是指指在在WDMWDM器器件件的的给给定定端端口口的的反反射射光光功率功率P Pr r与入射光功率与入射光功率P Pj j之比，即之比，即 R=10 (7.4)R=10 (7.4)(5) (5) 工工作作波波长长范范围围。工工作作波波长长范范围围是是指指WDMWDM器器件件能能够够按按照照规规定定的性能要求工作的波长范围的性能要求工作的波长范围(minmin到到maxmax) )。(6) (6) 信信道道宽宽度度。信信道道宽宽度度是是指指各各光光源源之之间间为为避避免免串串扰扰

35、应应具具有有的的波长间隔。波长间隔。(7) (7) 偏偏 振振 相相 关关 损损 耗耗 。 偏偏 振振 相相 关关 损损 耗耗 (PDL: (PDL: PolarizationPolarizationdependent dependent Loss)Loss)是是指指由由于于偏偏振振态态的的变变化化所所造造成的插入损耗的最大变化值。成的插入损耗的最大变化值。 7.2.2WDM系统的基本结构系统的基本结构实实际际的的WDM系系统统主主要要由由五五部部分分组组成成：光光发发射射机机、光光中中继继放大、光接收机、光监控信道放大、光接收机、光监控信道和和网络管理系统网络管理系统，如图，如图7.9所示所

36、示图7.9实际WDM系统的基本结构系统工作过程：系统工作过程：（1）在发送端首先将来自终端设备）在发送端首先将来自终端设备(如如SDH端机端机)输出的光信号，输出的光信号，利用光转发器利用光转发器(OTU)把符合把符合ITUTG.957建议的非特定波长的光建议的非特定波长的光信号转换成符合信号转换成符合ITUTG.692建议的具有稳定的特定波长的光信建议的具有稳定的特定波长的光信号。号。（2）利用合波器合成多路光信号；）利用合波器合成多路光信号；通过光功率放大器通过光功率放大器(BA：BoosterAmplifier)放大输出多路光信号。放大输出多路光信号。（3）经过一定距离传输后，要用掺铒光

37、纤放大器）经过一定距离传输后，要用掺铒光纤放大器(EDFA)对光信对光信号进行中继放大。此时，号进行中继放大。此时，EDFA用作用作“线放线放(LA：LineAmplifier)”。EDFA必须采用增益平坦技术，使得必须采用增益平坦技术，使得EDFA对不对不同波长的光信号具有接近相同的放大增益。同波长的光信号具有接近相同的放大增益。（4）在在接接收收端端，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信号，分波器从主信道光信号中分出特定波长的光信号。光信号，分波器从主信道光信号中分出特定波长的光信号。接接收收机机不不但但要要满满足足一一般般接接收收机机对对光

38、光信信号号灵灵敏敏度度、过过载载功功率率等等参参数数的的要要求求，还还要要能能承承受受有有一一定定光光噪噪声声的的信信号号，要要有有足足够够的的电带宽。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）全光中继器（3）光交叉连接设备（OXC）（4）光分插复用设备（OADM）中国中国联联通全国骨干网和中国移通全国骨干网和中国移动东动东部网以及后部网以及后续扩续扩建建项项目均采用了目均采用了西门西门子的子的InfinityMTS提供提供160个波道，每波道个波道，每波道10Gbit/s，共，共1.6Tbit/s的容量的容量波分复用系

39、统。波分复用系统。7.2.3WDM7.2.3WDM技术的主要特点技术的主要特点1. 1. 充分利用光纤的巨大带宽资源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. 2. 同时传输多种不同类型的信号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. 3.

40、节省线路投资节省线路投资 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. 4. 降低器件的超高速要求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. 5. 高度的组网灵活性、高度的组网灵活性、 经济性和可靠性经济性和可靠性 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

41、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。 7.2.47.2.4光滤波器与光波分复用器光滤波器与光波分复用器光滤波技术：即波长选择技术。光滤波技术：即波长选择技术。光光滤滤波波器器在在WDMWDM系系统统中中是是一一种种重重要要元元器器件件，与与波波分分复复用用有有着着密密切切关关系系，常常常常用用来来构构成成各各种种各各样样的的波波分分复复用用器器和和解解复复用用器器。光滤波器的三种应用：光滤波器的三种应用：（1 1）单纯的滤波应用）单纯的滤波应用( (图图7.10(a)7.10(a)光滤波器l1,l2,l3,l4l2,l3,l4l1(a)(

42、a) 单纯的滤波应用；波分复用器(b)l1l2l3l4l1,l2,l3,l4波长路由器l1,l2,l3,l4l1,l2,l3,l4(c)1111222l1,l2,l3,l42112l1,l2,l3,l412212（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波分复用器和解复用器主要用在WDMWDM终端终端和和波长路由器波长路由器以以及及波长波长分插复用器分插复用器(Wavelength Add/Drop Multiplexer, WADM)(Wavelength Add/Drop Multiplexer, WADM)中。中

43、。(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路由器交换了波长长1和和4。如如果果一一个个波波长长路路由由器器的的路路由由方方式式不不随随时时间间变变化化，就就称称为为静静态态路路由由器器；路路由由方方式式随随时时间间变变化化，则则称称之之为为动动态态路路由由器器。 静静态态路路由由器可以用波分复用器来构成，如图器可以用波分复用器来构成，如图7.117.11所示。所示。 波波长长分分插插复复用用器器可可以以看看成成是是波波长长路路由由器器的的简简化化形形式式，它它只只有有一一个个输输入入端端口口和和一一个个输输出出端端口口，再再加加上上一一个个用用于于分分插插波波长长的的本地端口

44、。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：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: Polarizationdependent 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

45、。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1dB带宽波长选择技术及其在WDM系统中的应用。 1. 1. 光栅光栅 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）光栅的基本原理（以透射光栅为例）如图如图

46、7.14所示，设两个相邻缝隙间所示，设两个相邻缝隙间的距离即栅距为的距离即栅距为a,光源离光栅平面光源离光栅平面足够远足够远(相对于相对于a而言而言)，入射角为，入射角为i，衍射角为衍射角为d，通过两相邻缝隙对通过两相邻缝隙对应光线的光程差由应光线的光程差由()决定，而决定，而7.14透射光栅的工作原理光栅方程为光栅方程为a(sini-sind)=m其中其中m为整数，当为整数，当a和和i一定时，不同的一定时，不同的d对应不同的波长对应不同的波长，也就也就是说，像面上是说，像面上的不同点对应不同的波长，于是可用作的不同点对应不同的波长，于是可用作WDM中的解复用器。中的解复用器。2. 2. 布喇

47、格光栅布喇格光栅 布布喇喇格格光光栅栅(Bragg (Bragg Grating)Grating)广广泛泛用用于于光光纤纤通通信信之之中中。 一一般般情情况况下下，传传输输媒媒质质的的周周期期性性微微扰扰可可以以看看作作是是布布喇喇格格光光栅栅； 这种微扰通常引起媒质折射率周期性的变化这种微扰通常引起媒质折射率周期性的变化。 应用：应用：（1 1）半半导导体体激激光光器器使使用用布布喇喇格格光光波波导导作作分分布布反反馈馈可可以以获获得得单单频输出频输出( (如如DFBDFB激光器激光器) )； （2 2）在在光光纤纤中中，写写入入布布喇喇格格光光栅栅后后可可以以用用于于光光滤滤波波器器、光光

48、分分插复用器和色散补偿器。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

49、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. 3. 光纤光栅光纤光栅 光光纤纤光光栅栅(Fiber (Fiber Grating)Grating)是是一一种种非非常常有有吸

50、吸引引力力的的全全光光纤纤器器件件，其其用用途途非非常常广广泛泛，可可用用作作光光滤滤波波器器、光光分分插插复复用用器器和和色色散补偿器散补偿器。对对于于全全光光纤纤器器件件，其其主主要要优优点点有有：插插入入损损耗耗低低，易易于于与与光光纤纤耦耦合，对偏振不敏感，温度系数低，封装简单，成本也较低合，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：光纤中写入光栅的原理： 在在传传统统光光纤纤的的SiOSiO2 2中中掺掺入入少少量量锗锗( (GeGe) )后后就就具具有有了了光光敏敏特特性性，再由紫外再由紫外(UV)(UV)光照射，就可引起光纤纤芯的折射率变化。光照射，就

51、可引起光纤纤芯的折射率变化。 干干涉涉法法：若若用用两两束束相相干干的的紫紫外外光光照照射射掺掺杂杂后后的的光光纤纤纤纤芯芯，则则照照射射光光束束的的强强度度将将沿沿着着光光纤纤长长度度方方向向周周期期性性地地变变化化，强强度度高高的的地地方方纤纤芯芯折折射射率率增增加加，强强度度低低的的地地方方纤纤芯芯折折射射率率几几乎乎无无任任何何变变化化，这样就在光纤中写入了光栅。这样就在光纤中写入了光栅。 衍衍射射法法：可可以以使使用用位位相相版版(phase (phase mask)mask)来来写写入入光光栅栅。位位相相版版是是一一种种光光衍衍射射元元件件，当当用用光光束束照照射射它它时时，它它将

52、将光光束束分分离离成成各各个个不不同同的的衍衍射射级级， 这这些些衍衍射射级级相相互互干干涉涉就就可可将将光光栅栅写写入入光光纤纤。 类型：类型：（1 1）短短周周期期(short(shortperiod)period)光光纤纤光光栅栅，也也称称光光纤纤布布喇喇格格光光栅栅，波长典型值大约波长典型值大约0.5 m0.5 m。（2 2）长长周周期期(long(longperiod)period)光光纤纤光光栅栅。波波长长从从几几百百微微米米到到几几毫米不等。毫米不等。短周期光栅：短周期光栅： 光纤布喇格光栅光纤布喇格光栅(FBG(FBG： Fiber Bragg Grating)Fiber Br

53、agg Grating)是一种反是一种反射型光纤光栅，光栅使正向传输模射型光纤光栅，光栅使正向传输模( (单模光纤中即为基模单模光纤中即为基模) )同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，纤内部的波长的一半， 这种光纤光栅只对在这种光纤光栅只对在布喇格波长及其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通过。 光纤布喇格光栅的特点：光纤布喇格光栅的特点：（1 1）损耗低）损耗低(0.1 dB(0.1 dB左右左右) )（2 2

54、）波长准确度高）波长准确度高( (可达可达0.05 nm)0.05 nm)（3 3）邻近信道串扰抑制较高邻近信道串扰抑制较高( (可达可达40 dB)40 dB)（4 4）通带顶部平坦通带顶部平坦 光光纤纤长长度度随随温温度度变变化化稍稍微微有有些些变变化化，但但这这可可以以通通过过采采用用负负热热膨膨胀胀系系数数的的材材料料封封装装来来改改善善， 使使得得在在整整个个工工作作温温度度范范围围(100 )(100 )内，内， 中心波长的漂移可以小到中心波长的漂移可以小到0.07 nm0.07 nm。在在WDMWDM系统中，光纤布喇格光栅可用作滤波器、系统中，光纤布喇格光栅可用作滤波器、 光分插

55、复用器光分插复用器和色散补偿器和色散补偿器(Dispersion Compensator)(Dispersion Compensator)。图图7.16(a)7.16(a)是一个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构成，由光栅反射回来的波长2 2从环行器的端口从环行器的端口3 3取出，余下取出，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，器， 就可以实现光的分插功能，如图就可以实现光的分插功能，如图7.16(b)7.16

56、(b)所示。所示。7.37.3光光 交交 换换 技技 术术 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

57、光交换 7.3.17.3.1空分光交换空分光交换 空空分分光光交交换换的的功功能能是是使使光光信信号号的的传传输输通通路路在在空空间间上上发发生生改改变变。空空分分光光交交换换的的核核心心器器件件是是光光开开关关。光光开开关关有有电电光光型型、 声声光光型型和和磁磁光光型型等等多多种种类类型型，其其中中电电光光型型光光开开关关具具有有开开关关速速度快、串扰小和结构紧凑等优点，有很好的应用前景。度快、串扰小和结构紧凑等优点，有很好的应用前景。 典典型型光光开开关关是是用用钛钛扩扩散散在在铌铌酸酸锂锂(Ti: (Ti: LiNbOLiNbO3 3) )晶晶片片上上形形成成两两条条相相距距很很近近的

58、的光光波波导导构构成成的的，并并通通过过对对电电压压的的控控制制改改变变输输出出通通路路。图图7.31(a)7.31(a)是是由由4 4个个1 12 2光光开开关关器器件件组组成成的的2 22 2光光交交换换模模块块。1 12 2 光光开开关关器器件件就就是是Ti: Ti: LiNbOLiNbO3 3定定向向耦耦合合器器型型光光开开关，关， 只是少用了一个输入端而已。只是少用了一个输入端而已。12光交换器件 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

59、 件 或 4个22光交换单元组成的44光交换单元。 平行联接交叉联接定向耦合器光波导光信号输出光信号输入(b)(c)7.3.27.3.2时分光交换时分光交换 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。1复接器2N分接器12N12N时隙帧(a)(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22延迟33延迟44(b)复接器输入输出4 1 3 212341234(c)所谓时隙互换，就是把时分复用帧中各个

60、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。 7.3.37.3.3波分光交换波分光交换 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。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

61、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

62、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光光孤孤子子通通信信光孤子光孤子( (SolitonSoliton) )：经经光光纤纤长长距距离离传传输输后后，其其幅幅度度和和宽宽度度都都不不变变的的超超短短光光脉脉冲冲( (psps数量级数量级) )。 光光孤孤子子的的形形成成是是光光纤纤的的群群速速度度色色散散和和非非线线性性效效应应相相互互平平衡衡的的结结果果。利利用用光光孤孤子子作作为为载载体体的的通通信信方方式式称称为为光光孤孤子子通通信信。 光光孤孤子子通通信信的的传传输输距距离离可可达达上上万万公公里里

63、，甚甚至至几几万万公公里里，目目前前还还处于试验阶段。处于试验阶段。 我我们们知知道道，光光纤纤通通信信的的传传输输距距离离和和传传输输速速率率受受到到光光纤纤损损耗耗和和色色散散的的限限制制。光光纤纤放放大大器器投投入入应应用用后后，克克服服了了损损耗耗的的限限制制， 增增加加了了传传输输距距离离。此此时时，光光纤纤传传输输系系统统，尤尤其其是是传传输输速速率率在在Gb/sGb/s以以上上的的系系统统，光光纤纤色色散散引引起起的的脉脉冲冲展展宽宽，对对传传输输速速率率的的限限制，成为提高系统性能的主要障碍。制，成为提高系统性能的主要障碍。 为为了了增增加加传传输输距距离离，在在光光纤纤线线路

64、路上上，每每隔隔一一定定的的距距离离， 可可设设置置一一个个光光纤纤放放大大器器，以以周周期期地地补补充充光光功功率率的的损损耗耗。但但是是多多个个光光纤纤放放大大器器产产生生的的噪噪声声累累积积又又妨妨碍碍了了传传输输距距离离的的增增加加，因因而而要要求求提提高高传传输输信信号号的的光光功功率率，这这样样便便产产生生非非线线性性效效应应。非非线线性性效效应应对对光光纤纤通通信信有有害害也也有有利利，事事实实表表明明，克克服服其其害害还还不不如如利利用用其利。其利。 光光纤纤非非线线性性效效应应和和色色散散单单独独起起作作用用时时，在在光光纤纤中中传传输输的的光光信信号号都都要要产产生生脉脉冲

65、冲展展宽宽，对对传传输输速速率率的的提提高高是是有有害害的的。但但是是如如果果适适当当选选择择相相关关参参数数，使使两两种种效效应应相相互互平平衡衡，就就可可以以保保持持脉脉冲冲宽度不变，宽度不变， 因而形成光孤子。因而形成光孤子。 7.5相干光通信技术相干光通信技术光强调制光强调制-直接检测直接检测(IM-DD)方式的特点：方式的特点：优点：优点：调制和解调简单，容易实现，成本较低。调制和解调简单，容易实现，成本较低。缺缺点点：只只用用到到振振幅幅，没没有有利利用用光光载载波波的的频频率率和和相相位位信信息息，限限制了系统性能的进一步提高。制了系统性能的进一步提高。相相干干光光通通信信：在在

66、发发射射端端对对光光载载波波进进行行幅幅度度、频频率率或或相相位位调调制制；在在接接收收端端，则则采采用用零零差差检检测测或或外外差差检检测测，这这种种检检测测技技术术称称为为相相干检测。干检测。相干光通信的优点：相干光通信的优点：（1）和和IM-DD方方式式相相比比，相相干干检检测测可可以以把把接接收收灵灵敏敏度度提提高高20dB，相相当当于于在在相相同同发发射射功功率率下下，若若光光纤纤损损耗耗为为0.2dB/km，则传输距离增加则传输距离增加100km。（2）采采用用相相干干检检测测，可可以以更更充充分分利利用用光光纤纤带带宽宽。我我们们已已经经看看到到，在在光光频频分分复复用用(OFD

67、M)中中，信信道道频频率率间间隔隔可可以以达达到到10GHz以下，因而大幅度增加了传输容量。以下，因而大幅度增加了传输容量。所所谓谓相相干干光光，就就是是两两个个激激光光器器产产生生的的光光场场具具有有空空间间叠叠加加、相相互互干干涉涉性性质质的的激激光光。实实现现相相干干光光通通信信，关关键键是是要要有有频频率率稳稳定定、相位相位和和偏振方向可以控制偏振方向可以控制的的窄线谱激光器窄线谱激光器。7.5.1相干检测原理相干检测原理图图7.38示示出出相相干干检检测测原原理理方方框框图图，光光接接收收机机接接收收的的信信号号光光和和本本地地振振荡荡器器产产生生的的本本振振光光经经混混频频器器作作

68、用用后后，光光场场发发生生干干涉涉。由由光光检检测测器器输输出出的的光光电电流流经经处处理理后后，以以基基带带信信号号的的形形式式输输出出。图7.38相干检测原理方框图单模光纤的传输模式是基模单模光纤的传输模式是基模HE11模，接收机接收的信号光模，接收机接收的信号光其光场可以写成其光场可以写成ES=ASexp-i(St+S)(7.26)式中式中,AS、S和和S分别为光载波的幅度、频率和相位。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同样，本振光的光场可以写成EL=ALexp-i(Lt+L)(7.27)式中式中,AL、L和和L分别为本振光的幅度、频率和相位。分别为本振光的幅度、

69、频率和相位。保保持持信信号号光光的的偏偏振振方方向向不不变变，控控制制本本振振光光的的偏偏振振方方向向，使使之之与信号光的偏振方向相同。本振光的中心角频率与信号光的偏振方向相同。本振光的中心角频率L应满足应满足L=S-IF或或L=S+IF(7.28)式式中中，IF是是中中频频信信号号的的频频率率。这这时时光光检检测测器器输输出出的的光光功功率率P与光强与光强|ES+L|2成比例，即成比例，即P=K|ES+EL|2(7.29)式中，式中，K为常数。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+2cosIFt+(S-L)(7.30)式

70、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1020dB，线路功率损耗可以增加到50dB。如果使用损耗为0.2dB/km光纤，无中继传输距离可达250km。由于相干

71、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80km加入一个掺铒光纤放大器，25个EDFA可以使2.5Gb/s系统的传输距离增加到2200km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。一般激光器达不到要求，必须研究稳频技术，如以分子标

72、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100MHz，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光时分复用技术光时分复用技术提提高高光光纤纤通通信信的的速速率率和和增增大大容容量量有有两两种种途途径径：波波分分复复用用(WDM)和光时分复用和光时分复用(OTDM)。OTDM是是在在光光域域上上进进行行时时间间分分割割复复用用，

73、一一般般有有两两种种复复用用方式：方式：(1)比特间插比特间插(Bitinterleaved)(2)信元间插信元间插(Cellinterleaved)比比特特间间插插是是目目前前广广泛泛被被使使用用的的方方式式，信信元元间间插插也也称称为为光光分分组组(OpticalPacket)复用。图复用。图7.45是是OTDM系统框图。系统框图。图7.45光时分复用系统框图要实现要实现OTDM，需要解决的关键技术有：需要解决的关键技术有：(1)超短光脉冲光源；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；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；帧同步及路序确定技术

74、；(4)光时钟提取技术；光时钟提取技术；(5)全光解复用技术。全光解复用技术。7.7波长变换技术波长变换技术波波长长变变换换(WC:WavelengthConversion)是是将将信信息息从从承承载载它它的一个波长上转到另一个波长上。的一个波长上转到另一个波长上。在在WDM光网络中使用波长变换技术的原因有：光网络中使用波长变换技术的原因有：(1)信信息息可可以以通通过过WDM网网络络中中不不适适宜宜使使用用的的波波长长进进入入WDM网网络络。例例如如在在现现阶阶段段光光纤纤通通信信中中大大量量使使用用1310nm窗窗口口的的LED或或FPLD光光源源，这这些些波波长长或或光光源源均均不不适适

75、合合WDM系系统统，因因此此在在WDM系系统统的的输输入入和和输输出出处处，都都要要在在这这些些波波长长与与1550nm附近的波长之间进行转换。附近的波长之间进行转换。(2)在在网网络络内内部部，可可以以提提高高链链路路上上现现有有波波长长的的利利用用率率。有有效效地地进进行行波波长长路路由由选选择择，降降低低网网络络阻阻塞塞率率，从从而而提提高高WDM网网络的灵活性和可扩充性。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.光光/电电/光方法光方法将光信号

76、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:CrossainModulation)，交叉相位调制(XPM:CrossPhaseModulation)，基于半导体光放大器或光纤中的四波混频(FWM:FourWaveMixing)和不同频率的变换(DFG:DifferenceFrequencyGeneration)。对波长变换技术的要求有：（1）对比特率和信

77、号格式应具有透明性；（2）较宽的变换范围，既能向长波长变换又能向短波长变换；（3）适当的输入光功率(不大于0dBm)；（4）变换速率快；（5）对偏振不敏感，低啁啾输出，高信噪比，高消光比；（6）实现简单。第七章点知识小结第七章点知识小结1、光放大器的种类、光放大器的种类2、掺铒光纤放大器的工作原理、掺铒光纤放大器的工作原理3、掺铒光纤放大器的构成方框图、掺铒光纤放大器的构成方框图4、什么是、什么是WDM？5、光交换技术的方式、光交换技术的方式6、什么是光孤子？、什么是光孤子？7、光孤子的产生机理、光孤子的产生机理8、相干光通信信号调制的方式、相干光通信信号调制的方式9、相干光通信技术的优点、相干光通信技术的优点