第 7 章光纖通信新技術(shù)3

1、7.3 光光 交交 換換 技技 術(shù)術(shù) 目前的商用光纖通信系統(tǒng)，單信道傳輸速率已超過(guò)10 Gb/s， 實(shí)驗(yàn)WDM系統(tǒng)的傳輸速率已超過(guò)3.28 Tb/s。 但是，由于大量新業(yè)務(wù)的出現(xiàn)和國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，今后通信網(wǎng)絡(luò)還可能變得擁擠。原因是在現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)中，高速光纖在現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)中，高速光纖通信系統(tǒng)僅僅充當(dāng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸手段，網(wǎng)絡(luò)中重要的交換功能通信系統(tǒng)僅僅充當(dāng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸手段，網(wǎng)絡(luò)中重要的交換功能還是采用電子交換技術(shù)。還是采用電子交換技術(shù)。 傳統(tǒng)電子交換機(jī)的端口速率只有幾Mb/s到幾百M(fèi)b/s，不僅限制了光纖通信網(wǎng)絡(luò)速率的提高，而且要求在眾多的接口進(jìn)行頻繁的復(fù)用/解復(fù)用，光/電和電/光轉(zhuǎn)換，因而增加了

2、設(shè)備復(fù)雜性和成本，降低了系統(tǒng)的可靠性。 光交換光交換主要有三種方式：主要有三種方式： 空分光交換 時(shí)分光交換 波分光交換 雖然采用異步轉(zhuǎn)移模式異步轉(zhuǎn)移模式(ATM)可提供155 Mb/s或更高的速率，能緩解這種矛盾，但電子線路的極限速率約為20 Gb/s。要徹底解決高速光纖通信網(wǎng)存在的矛盾，只有實(shí)現(xiàn)全光通信，而光交換是全光通信的關(guān)鍵技術(shù)。 7.3.1 空分光交換空分光交換 空分光交換空分光交換的功能是：的功能是：使光信號(hào)的傳輸通路在空間上發(fā)生改變。 空分光交換空分光交換的核心器件是光開(kāi)關(guān)。的核心器件是光開(kāi)關(guān)。光開(kāi)關(guān)有電光型、電光型、 聲聲光型和磁光型光型和磁光型等多種類型，其中電光型光開(kāi)關(guān)電光

3、型光開(kāi)關(guān)具有開(kāi)關(guān)速度具有開(kāi)關(guān)速度快、串?dāng)_小和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，有很好的應(yīng)用前景?？?、串?dāng)_小和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，有很好的應(yīng)用前景。 典型光開(kāi)關(guān)是用鈦擴(kuò)散在鈮酸鋰(Ti: LiNbO3)晶片上形成兩條相距很近的光波導(dǎo)構(gòu)成的，并通過(guò)對(duì)電壓的控制改變輸出通路。 圖7.31(a)是由4個(gè)12光開(kāi)關(guān)器件組成的22光交換模塊。12 光開(kāi)關(guān)器件就是Ti: LiNbO3定向耦合器型光開(kāi)關(guān)， 只是少用了一個(gè)輸入端而已。 圖圖7.31空分光交換空分光交換(a) 22光交換單元光交換單元12光交換器件光交換器件(a) 這種22光交換模塊是最基本的光交換單元，它有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，通過(guò)電壓控制，可以實(shí)現(xiàn)平行連接和交叉

4、連接，如圖7.31(b)所示。圖圖7.31空分光交換空分光交換(b) 平行連接和交叉連接平行連接和交叉連接平行聯(lián)接平行聯(lián)接交叉聯(lián)接交叉聯(lián)接(b) 圖7.31(c)是由16個(gè)12光開(kāi)關(guān)器件或4個(gè)22光交換單元組成的44光交換單元。 圖圖7.31空分光交換空分光交換(c) 44光交換單元光交換單元 定向定向耦合器耦合器光波導(dǎo)光波導(dǎo)光信號(hào)輸出光信號(hào)輸出光信號(hào)輸入光信號(hào)輸入(c) 7.3.2 時(shí)分光交換時(shí)分光交換 時(shí)分光交換時(shí)分光交換是以時(shí)分復(fù)用為基礎(chǔ)，用時(shí)隙互換原理實(shí)現(xiàn)交是以時(shí)分復(fù)用為基礎(chǔ)，用時(shí)隙互換原理實(shí)現(xiàn)交換功能的。換功能的。 時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用是把時(shí)間劃分成幀，每幀劃分成N個(gè)時(shí)隙， 并分配給N路

5、信號(hào)，再把N路信號(hào)復(fù)接到一條光纖上。在接收端用分接器恢復(fù)各路原始信號(hào)， 如圖7.32(a)所示。1復(fù)復(fù)接接器器2N分分接接器器12N12N時(shí)隙時(shí)隙幀幀(a) 圖圖7.32 (a) 時(shí)分光交換時(shí)分光交換 時(shí)分復(fù)用原理時(shí)分復(fù)用原理 所謂時(shí)隙互換時(shí)隙互換，就是把時(shí)分復(fù)用幀中各個(gè)時(shí)隙的信號(hào)互換位置。如圖7.32(b)，首先使時(shí)分復(fù)用信號(hào)經(jīng)過(guò)分接器，在同一時(shí)間內(nèi)，分接器每條出線上依次傳輸某一個(gè)時(shí)隙的信號(hào)；然后使這些信號(hào)分別經(jīng)過(guò)不同的光延遲器件，獲得不同的延遲時(shí)間；最后用復(fù)接器把這些信號(hào)重新組合起來(lái)。1234分接器1延遲1延遲22延遲33延遲44(b)復(fù)接器輸入輸出4132圖圖7.32 (b) 時(shí)分光交換

6、時(shí)分光交換 時(shí)隙互換原理時(shí)隙互換原理圖圖7.32 (c) 時(shí)分光交換時(shí)分光交換等效的空分交換等效的空分交換12341234(c )圖7.32(c)示出時(shí)分光交換的空分等效空分等效。 7.3.3 波分光交換波分光交換 波分光交換波分光交換(或交叉連接或交叉連接)是以波分復(fù)用原理為基礎(chǔ)，采用是以波分復(fù)用原理為基礎(chǔ)，采用波長(zhǎng)選擇或波長(zhǎng)變換的方法實(shí)現(xiàn)交換功能的。波長(zhǎng)選擇或波長(zhǎng)變換的方法實(shí)現(xiàn)交換功能的。 圖7.33(a)和(b)分別示出和的原理框圖。 圖圖7.33 (a) 波分交換的原理框圖：波長(zhǎng)選擇法交換波分交換的原理框圖：波長(zhǎng)選擇法交換l l1空分交換空分交換l l2空分交換空分交換l l3空分交換

7、空分交換l lW空分交換空分交換l l1,l l2l lW12NN21WDMXWMUX分波器分波器合波器合波器(a)l l1,l l2l lWl l1,l l2l lWl l1,l l2l lWl l1,l l2l lWl l1,l l2l lWl l1l l2l lWNW NW空分交換空分交換l l1l l2l lWl l1l l2l lWl l1l l2l lWl l1l l2l lWl l1l l2l lWl l1l l2l lWl l1l l2l lW12N12NWDMXWMUX波長(zhǎng)變換器波長(zhǎng)變換器(b)圖圖7.33(b)波分交換的原理框圖：波長(zhǎng)變換法交換波分交換的原理框圖：波長(zhǎng)變換法

8、交換 設(shè)波分交換機(jī)的輸入和輸出都與N條光纖相連接，這N條光纖可能組成一根光纜。 每條光纖承載W個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào)。 從每條光纖輸入的光信號(hào)首先通過(guò)分波器(解復(fù)用器)WDMX分為W個(gè)波長(zhǎng)不同的信號(hào)。 所有N路輸入的波長(zhǎng)為i(i=1,2,W)的信號(hào)都送到i空分交換器，在那里進(jìn)行同一波長(zhǎng)N路(空分)信號(hào)的交叉連接，到底如何交叉連接，將由控制器決定。 然后，以W個(gè)空分交換器輸出的不同波長(zhǎng)的信號(hào)再通過(guò)合合波器波器(復(fù)用器復(fù)用器)WMUX復(fù)接到輸出光纖上。這種交換機(jī)當(dāng)前已經(jīng)成熟， 可應(yīng)用于采用波長(zhǎng)選路的全光網(wǎng)絡(luò)中。但由于每個(gè)空分交換器可能提供的連接數(shù)為NN, 故整個(gè)交換機(jī)可能提供的連接數(shù)為N2W，比下面介紹的

9、波長(zhǎng)變換法少。 波長(zhǎng)變換法與波長(zhǎng)選擇法的主要區(qū)別是用同一個(gè)NWNW空分交換器處理NW路信號(hào)的交叉連接，在空分交換器的輸出必須加上波長(zhǎng)變換器，然后進(jìn)行波分復(fù)接。這樣，可能提供的連接數(shù)為N2W2，即內(nèi)部阻塞概率較小。 波長(zhǎng)變換器將在7.7節(jié)介紹。7.4 光光 孤孤 子子 通通 信信 光孤子光孤子(Soliton)是經(jīng)光纖長(zhǎng)距離傳輸后，其幅度和寬度都不變的超短光脈沖(ps數(shù)量級(jí))。 光孤子的形成是光纖的群速度色散和非線性效應(yīng)相互平衡的結(jié)果。利用光孤子作為載體的通信方式稱為光孤子通信。光孤子通信。 光孤子通信的傳輸距離可達(dá)上萬(wàn)公里，甚至幾萬(wàn)公里，目前還處于試驗(yàn)階段。 我們知道，光纖通信的光纖通信的傳輸

10、距離傳輸距離和和傳輸速率傳輸速率受到受到光纖損耗光纖損耗和和色散色散的限制的限制。光纖放大器投入應(yīng)用后，克服了損耗的限制， 增加了傳輸距離。此時(shí)，光纖傳輸系統(tǒng)，尤其是傳輸速率在Gb/s以上的系統(tǒng)，光纖色散光纖色散引起的脈沖展寬，對(duì)傳輸速率的限制，成為提高系統(tǒng)性能的主要障礙。成為提高系統(tǒng)性能的主要障礙。 為了增加傳輸距離，在光纖線路上，每隔一定的距離， 可設(shè)置一個(gè)光纖放大器，以周期地補(bǔ)充光功率的損耗。但是多個(gè)光纖放大器產(chǎn)生的噪聲累積又妨礙了傳輸距離的增加，因而要求提高傳輸信號(hào)的光功率，這樣便產(chǎn)生非線性效應(yīng)非線性效應(yīng)。非線性效應(yīng)對(duì)光纖通信有害也有利，事實(shí)表明，克服其害還不如利用其利。 光纖非線性效

11、應(yīng)和色散單獨(dú)起作用時(shí)，在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)都要產(chǎn)生脈沖展寬，對(duì)傳輸速率的提高是有害的。但是如果適當(dāng)選擇相關(guān)參數(shù)，使兩種效應(yīng)相互平衡，就可以保持脈沖寬度不變， 因而形成光孤子。 7.4.1 光孤子的形成光孤子的形成 在討論光纖傳輸理論時(shí)，假設(shè)了光纖折射率n和入射光強(qiáng)(光功率)無(wú)關(guān)，始終保持不變。這種假設(shè)在低功率條件下是正確的，獲得了與實(shí)驗(yàn)良好一致的結(jié)果。然而，在高功率條件下，折射率n隨光強(qiáng)而變化，這種特性稱為非線性效應(yīng)非線性效應(yīng)。 在強(qiáng)光作用下，光纖折射率n可以表示為 n=n0+ |E|2 (7.19)2n式中，E為電場(chǎng)，n0為E=0時(shí)的光纖折射率，約為1.45。這種光纖折射率n隨光強(qiáng)|E|2而

12、變化特性，稱為克爾克爾(Kerr)效應(yīng)效應(yīng)， =10-22(m/V)2，稱為克爾系數(shù)。雖然光纖中電場(chǎng)較大， 為106(V/m)，但總的折射率變化n=n-n0= |E|2還是很小(10-10)。即使如此，這種變化對(duì)光纖傳輸特性的影響還是很大的。2n2n(7.20) )(2)(tnLLtncwtl 這種使脈沖不同部位產(chǎn)生不同相移的特性， 稱為自相位自相位調(diào)制調(diào)制(SPM)。 2n 設(shè)波長(zhǎng)為、光強(qiáng)為|E|2的光脈沖在長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖中傳輸， 則光強(qiáng)感應(yīng)的折射率變化n(t)= |E(t)|2，由此引起的相位變化為)(2)()(tntLtttwl(7.21) 設(shè)光纖無(wú)損耗，在光纖中傳輸?shù)囊颜{(diào)波已調(diào)波為線性

13、偏振模式線性偏振模式， 其場(chǎng)可以表示為E(r,z,t)=R(r)U(z,t)exp-i(0t-0z) (7.22) 式中，R(r)為徑向本征函數(shù)，U(z,t)為脈沖的調(diào)制包絡(luò)函數(shù)， 0為光載波頻率，0為調(diào)制頻率=0時(shí)的傳輸常數(shù)。tt)(tntn 如圖7.34 所示， 在脈沖上升部分，|E|2增加， 0， 得到0，頻率下移；在脈沖頂部，|E|2不變， =0， 得到=0，頻率不變；在脈沖下降部分，|E|2減小，nt0，頻率上移。頻移使脈沖頻率改變分布， 其前部(頭)頻率降低，后部(尾)頻率升高。這種情況稱脈沖已被線性調(diào)頻脈沖已被線性調(diào)頻，或稱啁啾啁啾(Chirp)。 圖圖7.34 脈沖的光強(qiáng)頻率調(diào)

14、制脈沖的光強(qiáng)頻率調(diào)制 151050510151050510250250.00.51.0時(shí)間 / ps時(shí)間 / ps頻率 / cm1光強(qiáng) 設(shè)已調(diào)波E(r,z,t)的頻譜在 處有峰值，頻譜較窄，則可近似為單色平面波。由于非線性克爾效應(yīng)，傳輸常數(shù)應(yīng)寫成0effAPnncnc20（7.23）式中，P為光功率，Aeff為光纖有效截面積。由此可見(jiàn)， 不僅是折射率的函數(shù)，而且是光功率的函數(shù)。式中, ， Vg為群速度群速度，即脈沖包絡(luò)線的運(yùn)動(dòng)速度。 ，比例于一階色散一階色散， 描述群速度與頻率的關(guān)系。 。令2P= ， 稱為非線性長(zhǎng)度非線性長(zhǎng)度， 表示非線性效應(yīng)對(duì)光脈沖傳輸特性的影響。gwwVw1|00effe

15、ffPcAnwAP/|/202NLL10|220wwwNLL1在0和P=0附近， 把展開(kāi)成級(jí)數(shù)，得到PP220000021,（7.24） 式(7.24)雖然略去高次項(xiàng)，但仍較完整地描述了光脈沖在光纖中傳輸?shù)奶匦?，式中右邊第三?xiàng)和第四項(xiàng)最為重要，這兩項(xiàng)正好體現(xiàn)了光纖色散和非線性效應(yīng)的影響。 如果00，適當(dāng)選擇相關(guān)參數(shù)，使兩項(xiàng)絕對(duì)值相等，光纖色散和非線性效應(yīng)便相互抵消，因而輸入脈沖寬度保持不變， 形成穩(wěn)定的光孤子。 現(xiàn)在我們回顧一下光纖色散。 波長(zhǎng)為的光纖色散系數(shù)光纖色散系數(shù)C()的定義為022)()(llll cdwdddddC（7.25）式中, =dd=1/Vg為群延時(shí)群延時(shí)，Vg為群速度群速度；=2f=2c/為光載波頻率光載波頻率，c為光速光速；0=d2/d2, 比例于一階色散。 式(7.25)描述的單模光纖色散特性單模光纖色散特性如圖7.35所示，圖中D為零色散波長(zhǎng)零色散波長(zhǎng)。在D時(shí)，C()0，稱為光纖正常色散光纖正常色散區(qū)區(qū)； 在D時(shí)，C()0, 0PS，同時(shí)考慮到本振光相位鎖定在信號(hào)光相位上，即L=S，這樣便得到零差檢測(cè)的信號(hào)光電流為 IP= (7.32) 由于PLPS，零差檢測(cè)接收光功率可以放大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 雖然噪聲也增加了，但是靈敏度仍然