工程硕士光纤课件第八章

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1、第八章第八章 光纤通信中的高新技术光纤通信中的高新技术v8.1 光交换技术v光交换技术具有交换速度快的特点，故很适合于高速、宽带通信系统，而且还具有许多电交换不能比拟的优点。 v8.1.1 光交换技术的特点v1.光电子器件的开关速率比电子器件要高得多，理论上可以达到0.1ps。 v2. 除了提供大的带宽，快速交换以外，采用光交换技术还能够实现透明系统，便于扩展业务，另外，由于省去了中间的光/电、电/光转换设备，可以使系统变的更加简单。 8.1.2 光交换原理编码译码复用器分离器E/OO/E编码译码编码译码编码译码写入14光波导开关阵读出41光波导开关阵光交换程序控制器控制开关指令、复位指令总线

2、阵列门闩阵列门闩数据存储器驱动器光 双稳D1#2#3#4#CCCCVVVV注：阵列门闩D：数据终端 C：摄像机V：彩色监视器光交换原理示意图8.1.3 光交换系统分类和组成v光交换系统大致可分为三种类型：空分光交换、时分光交换和波分光交换，这里简要介绍前两种交换方式。v1. 空分光交换v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，其中电光型光开关开关速度快、串扰小、结构紧凑，目前已被广泛应用。8.1.3 光交换系统分类和组成v1. 空分光交换I2I3输入I1O1O2O3输出光空分交换网8.1.3 光交换系统分类和

3、组成v空分交换网是由若干个光开关矩阵构成 直流状态 1 1 2 2 1 1 2 2 交叉状态 22光开关工作状态8.1.3 光交换系统分类和组成v，还有一种空分交换的方法是光门矩阵交换。41光门矩阵的交换原理如图 分光器 光门复合器透镜 光源 检测器 44光门交换原理图8.1.3 光交换系统分类和组成v2. 时分光交换v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。 v时分交换系统的基本机理以取样理论为基础。 N2112N输入 输出 复用器 公共 时隙交换 公共 去复用器 MuX） 话路 (TSI) 话路 (DMuX) 时分交换单元方框图8.1.3 光交换系统分类和组成v图86是

4、利用光延迟线的光时分交换系统的一个具体实例，它由延迟线部分、激光二极管开关和41光耦合器部分组成。 8.2 波长转换技术v8.2.1 波长转换技术定义v波长转换技术是在全光网络的中间节点中，为了适应相应波长的信息传输模式，需要把携带有信息的一定波长信号通过处理，把信息转载到另外一个波长上去的技术 。波长转换器 s c 波长转换器示意图8.2 波长转换技术v交叉节点引入交叉连接设备（OXC）和波长转换器，则可以建立端到端之间的虚波长通道。在建立虚波长通道时，只要各链路段分别存在未被占用的空闲波长，就可以通过波长交换建立通信路由。这样就提高了波长的利用率，尤其是对大容量、多节点的网状网，波长转换器

5、的加入能大大降低网络的阻塞率。8.2 波长转换技术 节点 节点节点 11 22 （a）无波长转换 节点 节点节点 11 22 （b）有波长转换 有无波长转换的网络比较8.2.2 波长转换技术的特点v(1)对传输比特率和信号形式具有透明性。v(2)具有对高速率信号（10Gbps）的波长转换能力。v(3)对输入信号的功率要求不苛刻，并且对偏振敏感程度低。v(4)波长转换范围宽，既可以向长波长转换，又可以向短波长转换，而且有相同输入输出波长（不实现波长转换）的能力。v(5)具有低啁啾输出、高信噪比、高消光比。v(6)实现简单、工作稳定、价格合理。8.2.3 波长转换技术类型v波长转换技术大体上可以分

6、为两大类，光/电/光（O/E/O）波长转换器和全光波长转换器。v1. 光/电/光波长转换技术 光检测器可调激光器先进先出队列装置地址解码光/电/光波长转换器示意图 8.2.3 波长转换技术类型v2. 全光波长转换技术v全光波长变换是指不经过光/电处理，直接在光域内将某一波长(频率)的光信号直接转换到另外的一个波长(频率)上的转换技术。主要有光调制和光混频两种模式。(n) in out=p p （a)光调制波长转换 I p out=（n-1）p-in (b) （n）阶非线效应波长转换 全光波长转换器8.2.4全光波长转换技术v目前实现波长转换主要有光/电/光（O/E/O）法和全光波长转换（AOW

7、C）两大类方法。 v全光波长转换是指不经过光电处理，利用某些介质的非线性光学效应直接在光域将输入的某一波长的光信号转换到新的波长上去，以便实现波长的再利用，解决光交叉连接（OXC）中的波长竞争问题，使网络通道层的调配和管理更加灵活。 8.2.4全光波长转换技术v本章介绍几种典型的全光波长转换技术：v1.基于半导体光放大器中交叉增益调制（SOA-XGM）的全光波长转换。v2.基于半导体光放大器中交叉相位调制（SOA-XPM）的全光波长转换。v3.基于四波混频（FWM）的全光波长转 换。v4.非线性光学环镜（NOLM）型全光波长转换。1. 基于SOA中XGM的全光波长转换v（1） SOA-XGM波

8、长转换原理基于SOA中XGM的AOWC原理图（2） SOA-XGM全光波长转换器SOA s 信号光 c 探测光 输出光c （a）同向传输SOA-XGM型AOWC方案SOA 信号光 s c 探测光 输出光 c （b）反向传输SO方案A-XGM型AOWC（2） SOA-XPM波长转换器vSOA-XPM波长转换器通常为干涉型，在干涉仪的臂上放置半导体光放大器SOA，通过信号光对SOA的控制使两束相干光的相位改变不一样，通过干涉叠加后就可以转换成干涉光幅度的变化而完成波长转换功能。干涉光平面镜 半银镜入射光 半银镜 平面镜马赫-泽德干涉仪 （2） SOA-XPM波长转换器SOA2SOA1 信号光s c

9、 探测光 输出光c 马赫泽德干涉型全光波长转换器原理示意图3. 非线性光学环镜型（NOLM）波长转换v它是基于Sagnac干涉仪和XPM进行转换的，其原理与SOA-XGM型的AOWC类似。平面镜平面镜入射光半银镜 平面镜干涉光 Sagnac干涉仪3. 非线性光学环镜型（NOLM）波长转换v（2） NOLM波长转换器v非线性光学环镜型波长转换器实际上是一种使用非线性介质的Sagnac干涉仪。NOML全光波长转换4 基于四波混频（FWM）的波长转换v四波混频是一种三阶非线性效应，当有两个或三个光波i， j和k（ki ，j）注入光纤时，它们可以通过光纤的三阶非线性电极化率发生混频，产生频率为Fijk

10、ijk的新光频分量，其强度正比于相互作用光波强度的乘积，新光频的相位和频率是这些相互作用波的线性组合。在满足相位匹配条件下，可以获得较高的FWM效率。4 基于四波混频（FWM）的波长转换v（2） 基于光纤中FWM效应的AOWC光放大器滤波器耦合器 信号光 泵谱光 零色散单模光纤 输出光 4 基于四波混频（FWM）的波长转换vFWM效应实现AOWC的优点是： v唯一能够提供严格全透明波长转换，适用于任意调制方式、任意码型的信号；v具有多波长同时进行转换的能力，可以对DWDM系统中的一组信号同时实现波长转换；v由于混频效应是参量过程，在转换过程中啁啾将反转，将器件放在适当的位置还可起色散补偿作用。

11、 4 基于四波混频（FWM）的波长转换v以光纤为FWM介质的AOWC的优点是： 响应速度快，转换速率可以达到100Gbps。v光纤FWM的AOWC缺点是： 1.转换特性（主要包括转换效率、信噪比）同转换间距有很强的依赖性； 2.转换效率较低（典型值20dB），需要较高的泵浦功率； 3.在DWDM系统中由于信道多而密集，产生的卫星波会造成系统的信号功率下降、误码上升。 （3） 基于SOA中FWM效应的AOWC半导体光放SOA耦合器耦合器泵谱1 泵谱2 PC1 PC2 信号光PC3 输出光垂直双泵谱SOA-AOWC原理图 4.几种全光波长转换器的性能比较v全光波长转换器应用于实际通信系统（DWDM

12、）要求具有以下性能：v(1)高信噪比；v(2)对光信号具有透明性；v(3)无消光退化；v(4)波长转换范围宽、可实现相同波长转换；v(5)低啁啾；v(6)结构简单、性价比好；v(7)对输入信号功率要求低，且对偏振不敏感等。性能类 型SOA-XGM型SOA-XPM型SOA-FWM型噪声指数透明度消光比转换范围转换效率转换速率啁啾参数优缺点8 dB有限8 dB3 THz8 dB小于40 Gbps2.5（量子阱）(1)结构简单，容易实现(2)转换效率高、范围宽，与偏振无关(3)转换信号与输入信号反相(4)噪声指数高，啁啾大(5)转换时消光比退化3 dB有限14 dB2 THz14 dB40 Gbps

13、-0.5(1)无消光比退化，能减小啁啾失真(2)转换效率高，速率较快(3)转换信号可与输入信号同相，也可反相(4)可起色散补偿作用(5)结构较复杂信噪比小于20dB严格透明与输入信号相同可达5 THz-6 dB可达100 Gbps啁啾反转(1)比特率透明转换速率快(2)可以同时进行多波长转换(3)啁啾反转(4)自发噪声大(5)转换效率低基于SOA中XGM、XPM、FWM三种AOWC性能比较8.3 光孤子通信技术v8.3.1 什么是光孤子v孤子（Soliton）又称孤立波，是一种特殊形式的超短脉冲，或者说是一种在传播过程中形状、幅度和速度都维持不变的脉冲状行波。有人把孤子定义为：孤子与其他同类孤

14、立波相遇后，能维持其幅度、形状和速度不变。8.3 光孤子通信技术v8.3.2 光孤立子产生的机理v在强输入光场的作用下，光纤中会产生较强的非线性克尔效益，即光纤的析射率与光场强度成正比，进而使得脉冲相位正比于光场强度，即自相位调制，脉冲后沿比脉冲前沿运动得快，引起脉冲压缩效益。当这种压缩效应与色散单独作用引起的脉冲展宽效应平衡时即产生了束缚光脉冲光孤子，它可以传播得很远而不改变形状与速度。 8.3 光孤子通信技术v8.3.3 光孤子通信v光孤子通信是一种全光非线性通信方案，其基本原理是光纤折射率的非线性（自相位调制）效应导致对光脉冲的压缩可以与群速色散引起的光脉冲展宽相平衡，在一定条件（光纤的

15、反常色散区及脉冲光功率密度足够大）下，光孤子能够长距离不变形地在光纤中传输。它完全摆脱了光纤色散对传输速率和通信容量的限制，其传输容量比当今最好的通信系统高出12个数量级，中继距离可达几百km。它被认为是下一代最有发展前途的传输方式之一 。8.3 光孤子通信技术v8.3.4 光孤子通信系统的基本组成v目前已提出的光孤子通信的实验系统的构成方式种类较多，但其基本部件却大体相同，即图所示即为基本组成结构。8.3 光孤子通信技术v8.3.5 主要技术内容v（1）光孤子源技术 v研究和开发的光孤子源种类繁多，有拉曼孤子激光器、参量孤子激光器、掺饵光纤孤子激光器、增益开关半导体孤子激光器和锁模半导体孤子

16、激光器等。v（2）光孤子开关技术 8.3 光孤子通信技术v（3）光孤子源技术 v补偿这些损耗成为光孤子传输的关键技术之一。目前有两种补偿孤子能量的方法，一种是采用分布式的光放大器的方法，即使用受激拉曼散解放大器或分布的掺铒光纤放大器；另一种是集总的光放大器法，即采用掺铒光纤放大器或半导体激光放大器。 8.3 光孤子通信技术v8.3.6 光孤子通信的优点v一、传输容量比最好的线性通信系统大1个2个数量级；v二、可以进行全光中继。由于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，大大简化了中继设备，高效、简便、经济。 8.3 光孤子通信技术v8.3.7 与普通光纤通信系统不同的技术问题v1.

17、 EDFA（掺饵光纤放大器）v2. 预加重技术v3. 抑制戈登-豪斯效应v4. 光孤子复用8.3 光孤子通信技术v8.3.8 光孤子通信的前景v孤子技术未来的前景是：v在传输速度方面采用超长距离的高速通信，时域和频域的超短脉冲控制技术以及超短脉冲的产生和应用技术使现行速率10-20Gbit/s提高到100Gbit/s以上；v在增大传输距离方面采用重定时，整形，再生技术和减少ASE，光学滤波使传输距离提高到100000公里以上；v在高性能EDFA方面是获得低噪声高输出EDFA。 8.4 相干光通信技术v8.4.1 相干光通信的基本工作原理v相干光通信的基本工作原理如下：v在发送端，采用外光调制方

18、式将信号以调幅、调相或调频的方式调制到光载波上，再经光匹配器送入光纤中传输。当信号光传输到达接收端时，首先与一本振光信号进行相干混合，然后由探测器进行探测。 8.4 相干光通信技术v8.4.2 相干光通信系统的组成v由上面的介绍可以知道，相干光通信系统由光发射机、光纤和光接收机组成。 v1.光发射机光频振荡器调制器光匹配器数字信号 光发射机框图8.4 相干光通信技术v光发射机中的调制器根据调制方式的不同，可分为以下三种基本形式： v1）幅移键控（ASK） v（2）频移键控（FSK）v（3）相移键控（PSK） （a）ASK101(b)FSK101相位差（c）PSK8.4 相干光通信技术v3.光接

19、收机光匹配器光混频器光 电检 测器中频放大滤波器解调单 模光 纤数字信号本振激光器 光接收机框图8.4.3 相干光通信的优点v 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IM-DD系统相比，具有以下独特的优点: v1. 灵敏度高，中继距离长v2. 选择性好，通信容量大v3. 可以使用电子学的均衡技术来补偿光纤中光脉冲的色散效应v4. 具有多种调制方式8.4.4 相干光通信的关键技术v为了实现准确、有效、可靠的相干光通信，应采用以下关键技术。 v1. 外光调制技术v2. 偏振保持技术v3. 频率稳定技术v4. 频谱压缩技术v5. 非线性串扰控制技术8.5

20、光分插复用(OADM)技术光分插复用系统是在光域实现支路信号的分插和复用。主要实现技术有WDM、O-CDMA、OTDM。基于WDM技术的OADM系统的功能、节点结构及其产品和应用，其分插复用的支路信号以波长为单位，称为光通道。 OADM的基本功能：是从WDM传输线路上选择性地分插和复用某些光通道，而不影响其它光通道的透明传输。 固定波长OADM：选择某个或某些固定的波长通道进行分插复用。可配置OADM：分插复用的波长通道是可配置的。半可配置OADM：前两种情况的综合。 VOA为通道功率均衡单元 完整的OADM系统具有以下附加功能：1.线路（或称复用段）及通道保护倒换功能。支持各种自愈环，包括二

21、纤单向复用段保护环、二纤单向通道保护环、二纤双向复用段保护环、二纤双向通道保护环、四纤双向复用段保护环，和链型组网等。2.光中继放大和均衡功能。每个OADM节点根据需要可具有光功率放大功能，以弥补光线路和OADM节点本身带来的光功率损耗，使OADM节点设备适应不同跨距的应用；同时OADM节点也可根据需要配置光功率均衡功能（包括线路光功率均衡和通道光功率均衡），以提高传输系统的性能。3.上路光通道波长指配、下路光通道端口指配功能。具有这种功能的OADM可以使某一上路信号以不同的波长接入光网络，相当于接入OTU具有可调偕波长变换功能；而下路信号可以指配到不同的光纤端口；具有这一功能可以极大地扩展O

22、ADM在实际组网应用中地灵活性。4.多业务接入功能。如STM-N系列SDH信号的接入和千兆以太网信号的接入。8.6 光交叉连接技术光交叉连接设备相当于一个模块，它具有多个标准的光纤接口，它可以把输入端的任一光纤信号(或其各波长信号)可控地连接到输出端的任一光纤(或其各波长)中去，并且这一过程是完全在光域中进行的。OXC的特点及应用1.OXC的特点OXC与DXC在网络中的作用相同，但功能和实现的方法不同。主要的不同点是：（1）OXC是对光信号交叉连接，DXC是对电信号交叉连接。（2）OXC具有透明的传输代码格式和比特率，可以对不同传输代码格式和不同比特速率等级的信号进行交叉，设备型号少。DXC设

23、备针对不同传输代码格式和不同比特速率等级的信号要进行不同的处理。 （3）OXC交叉容量、交叉连接速率和接入速率高，交叉总容量可达到petabit/s 级别，交叉连接速率和接入速率范围宽。（4）OXC无需进行时钟同步和开销处理；DXC必须进行时钟同步和开销处理。（5）0XC易于网络升级，网络升级时一般无需更换；DXC在网络升级时需要随之更换。（6）0XC设备型号少，监控维护参数少，易于标准化；DXC设备型号多，监控维护参数多，标准化难度较大。（7）OXC适用于高比特率信号的交叉连接；DXC能够对信号进行更细致的处理，适用于低比特率信号的交叉连接。（8）OXC一般用于替代现有的光总配线架；DXC一

24、般用于替代现有的数字配线架。 虽然OXC和DXC在网络中的作用相同，但由于两者的功能和实现的方法不同，因此它们各有不同的应用范围。理想的方式是将传输节点分为光层和数字层，光层的OXC和数字层的DXC配合使用。 OXC的结构及其工作原理如图所示，OXC主要由输入部分(放大器EDFA，解复用DMUX)，光交叉连接部分(光交叉连接矩阵)，输出部分(波长变换器OUT，均功器，复用器)，控制和管理部分及其分插复用这五大部分组成。 假设图中输入输出OXC设备的光纤数为M，每条光纤复用N个波长。这些波分复用光信号首先进入放大器EDFA放大，然后经解复用器DMUX把每一条光纤中的复用光信号分解为单波长信号(1

25、-N),M条光纤就分解为M*N个单波长光信号。所以信号通过(M*N)*(M*N)的光交叉连接矩阵，在控制和管理单元的操作下进行波长配置，交叉连接。由于每条光纤不能同时传输两个相同波长的信号(即波长争用)，所以为了防止出现这种情况，实现无阻塞交叉连接，在连接矩阵的输出端每波长通道光信号还需要经过波长变换器OTU进行波长变换。 然后再进入均功器把各波长通道的光信号功率控制在可允许的范围内，防止非均衡增益经EDFA放大导致比较严重的非线性效应。最后光信号经复用器MUX把相应的波长复用到同一光纤中，经EDFA放大到线路所需的功率完成信号的汇接。 光交叉连接矩阵的结构光交叉连接矩阵是0XC的核心，是技术

26、的关键，要求无阻塞、低延迟、宽带和高可靠，并且要具有单向、双向和广播形式的连接功能。对光信号进行交叉连接比较成熟的技术是波分复用技术和空分技术。如果将波分复用技术和空分技术相结合，就大大提高了交叉连接矩阵的容量和灵活性。如图所示OXC的3种实现方式：光纤交叉连接、波长交叉连接、波长变换交叉连接。（1）光纤交叉连接以一根光纤上所有波长的总容量为基础进行交叉连接，容量大但不灵活。（2）波长交叉连接可将任何光纤上的任何波长交叉连接到使用相同波长的任何光纤上。比如，波长(l)、(2)、(3)和(4)从输入端1号纤输入，波长交叉连接可以将这4个波长选路到输出端口的1、2、3和4号纤上去。现在也有人将这种

27、波长交叉连接称为无源光路由器，它的波长可以通过空间分割实现重用，波长的选路路由由内部交叉矩阵决定，一个N(N的交叉矩阵可以同时建立 N2条路由。它的其他几个别名是拉丁路由器（Latin routers）、波导光栅路由器（WGR）和波长路由器（WR）。（3）波长变换交叉连接可将任何光纤上的任何波长交叉连接到使用不同波长的任何光纤上，具有最高的灵活性。它和波长交叉连接的区别是可以进行波长转换。OXCOXC在网络中的应用在网络中的应用 朗讯公司已研制了1296*1296端口的MEMS。其单端口传送容量为1.6Tb/s(单纤复用40个信道，每路信道传送40Gb/s信号)，总传送容量达到2.07Peta

28、bit/s。具有严格无阻塞特性，介入损耗为5.1dB，串扰(最坏情况)为38dB。使光开关的交换总容量达到新的数量级。 (1.6*1296=2070Tbit/s)附 光纤通信图片实例半导体激光器（LD）图例红光点状光斑激光器红光点状光斑激光器工作参数工作参数输出波长：输出波长：635nm 650nm 670nm出光功率：出光功率：075mw光斑直径：光斑直径：工作电压：工作电压：3V 4.5V 5V 6V 图 3.1发光二极管图例v 圆形发光二极管工作参数波长：470nm发光强度：10004000mcd正向电压；3.4v 图 3.2光电检测器图例图图 3.3 插拔式光电二极管插拔式光电二极管图图3.4 APD雪崩光电二极管雪崩光电二极管光连接器其他图片ONU设备与ODN8Mb/s光通信端机（PDH）155Mb/s光通信端机（SDH）232/485/422数据光端机单纤基带图像光端机单路数字传输图像光端机10位数字编码及无压缩式视频传输 支持任何高分辩率视频信号 自动兼容PAL、NTSC、SECAM 视频制式基带图像光端机基带图像光端机32路数字传输图像光端机64路数字传输图像光端机数字压缩图像传输光端机数字压缩图像传输光端机应用数字光端机的综合应用以太网光纤收发器