桂工 光纖通信第七章

擴大容量和增加功能的

新光通信技術第7章理論上，單根光纖可提供25THz帶寬，但目前遠未利用起來。進一步提高光通信系統(tǒng)的容量，并增強功能，成為我們努力的目標。2主要問題解決技術損耗及OSNR劣化新型FEC：等效于接收機優(yōu)化新型光纖：降低損耗分布喇曼放大、參量放大和EDFA混合放大：降低放大器噪聲指數(shù)增益平坦：減少多波長信道之間的差異色散效應新型光纖：減少跨波段的色散起伏色散及色散斜率補償：優(yōu)化跨波段段色散殘余量，減少多波長信道間的差異新型光調制：提高系統(tǒng)的色散容限光孤子傳輸：抑制色散導致的光脈沖展寬延長距離的關鍵技術(1)3主要問題解決技術PMD效應新型光纖：降低PMD系數(shù)PMD補償：補償傳輸鏈路PMD新型光調制：采用RZ碼抵消低階PMD電域補償：進一步在電域補償PMD導致的信號損傷非線性效應新型光調制：提高光脈沖抵抗非線性效應的能力波形管理（含光孤子傳輸）：提高光脈沖抵抗非線性效應的能力分布式喇曼放大和參量放大：利于降低入纖光功率有效面積管理：減小非線性效應的有效作用區(qū)域新型光纖：利用大有效面積和低非線性系數(shù)延長距離的關鍵技術(2)4擴大容量的關鍵技術主要問題解決技術擴展波段寬波段光放大：放大S、L、XL等波段分布式喇曼放大和參量放大提高光譜效率相鄰信道偏振垂直：減少串擾殘留邊帶（VSB）調制：減少串擾偏振光分復用（PDM）：提高單信道的容量5本章內容7.1大容量WDM系統(tǒng)超長傳輸技術新型光纖技術新型光調制技術分布式光放大技術前向糾錯編碼技術光孤子技術7.2色散和偏振模色散補償常用的色散補償技術偏振模色散補償技術7.3光時分復用技術7.4量子通信6§7.1大容量WDM系統(tǒng)超長傳輸技術新型光纖技術新型光調制技術分布式光放大技術前向糾錯編碼技術光孤子技術7大容量超長距WDM系統(tǒng)對光纖特性的要求：很小的衰減寬而平坦的光譜適當?shù)纳⑤^大的有效面積很低的PMD理想的彎曲特性存在可做色散補償?shù)纳⒒ツ鎲卧取?G.652光纖即常規(guī)單模光纖，又稱非色散位移光纖（NDSF）特點：零色散波長在1310nm附近在C波段（1530～1565nm）和L波段（1565～1625nm），色散系數(shù)為17～22ps/nm×km，損耗最小的波長1550nm附近速率在2.5Gbit/s以上時，采用G.652光纖受色散限制而傳輸距離不能很長改良的G.652光纖：G.652C光纖如朗訊的全波光纖，增強了對PMD的要求，并擴展工作波段為1360~1530nm，但仍不能很好地兼顧色散特性與損耗特性。9G.653光纖和G.654光纖統(tǒng)稱色散位移光纖（DSF）特點：零色散區(qū)域和最低損耗區(qū)域都在1550nm附近；單波長超長距離傳輸?shù)淖罴衙劫|在多波長情況下于1550nm區(qū)域有很強的FWM、SPM、XPM等非線性效應，不適用于WDM系統(tǒng)。10G.655光纖又稱非零色散位移光纖（NZDSF）在1530~1565nm保持較小的色散，可以抑制1550nm附近較強的非線性效應。第一代G.655光纖（G.655A）色散斜率較大，主要工作在C波段，工作在L波段時色散較大而不適用于高速信號的長距傳輸。代表：朗訊的True-Wave光纖和康寧的SMF-LS光纖第二代G.655光纖（G.655B）減小了色散斜率進而降低了對色散補償?shù)囊笤龃罅死w芯有效面積進而可有效地抑制非線性效應能較好地滿足了大容量WDM系統(tǒng)的要求，適用于C波段和L波段的長距離DWDM系統(tǒng)。代表：朗訊的TrueWave-RS和TrueWave-XL光纖、阿爾卡特的TeraLight光纖、康寧的大有效面積（LEAF）光纖等。11G.656光纖新型光纖，面向未來需求，技術正逐漸成熟以較小的色散和較弱的非線性工作于1460~1625nm范圍的S、C、L三個波段。12幾種應用廣泛的單模光纖的色散系數(shù)分布13§7.1大容量WDM系統(tǒng)超長傳輸技術新型光纖技術新型光調制技術分布式光放大技術前向糾錯編碼技術光孤子技術14傳統(tǒng)調制技術的不足基于非歸零（NRZ）碼的幅度調制優(yōu)點：實現(xiàn)簡單、成本低、頻譜效率較高；缺點：缺少足夠的時鐘信息因而不便于定時；對非線性和一階PMD較敏感；不能有效地抵抗色散、非線性和噪音等的影響。15新型光調制技術分類基于幅度的調制仍采用幅度調制方式和直接檢測技術，在RZ碼基礎上，從頻譜、相位等角度改善幅度調制信號的傳輸性能。舉例：啁啾歸零碼（CRZ）、載頻抑制歸零碼（CSRZ）、差分歸零碼（DRZ）等?；谙辔坏恼{制在發(fā)送端將信息調制到光信號的相位上，在接收端使用差分或相干等技術來檢測光信號。舉例：多進制相移鍵控（m-PSK）碼、差分相移鍵控（DPSK）碼、差分正交相移鍵控（DQPSK）碼、部分差分相移鍵控碼（P-DPSK）等。16基于幅度的新調制技術以RZ碼為基礎的原因利于定時，平均光功率較低進而利于抵抗非線性效應和偏振模色散等影響。CRZ碼：對RZ碼的初始光脈沖引入預啁啾可進一步抑制有害的非線性效應；但頻譜較寬，易因色散而展寬。CSRZ碼：使相鄰的RZ碼元之間存在相位差p載波分量均值為零，既可抑制載波又能減小頻譜寬度，增強了抵抗色散和非線性效應的能力。為了提高傳輸帶寬，同時避免光脈沖過窄，就需要提高調制技術的頻譜效率，因此出現(xiàn)了相位調制為主而幅度調制為輔的一些新型光調制技術。171819基于相位的新調制技術m-PSK碼：m=2時稱作BPSK碼，m=4時稱作QPSK碼DBPSK和DQPSK碼：是BPSK、QPSK與差分輸入法的結合。頻譜效率較高，所需功率較小，適用于長距離大容量WDM系統(tǒng)，但復雜度較高。DPQPSK碼：雙偏振差分正交頻分復用碼偏振復用技術和QPSK的結合對PMD和非線性等傳輸損傷有更高的容忍度2021§7.1大容量WDM系統(tǒng)超長傳輸技術新型光纖技術新型光調制技術分布式光放大技術前向糾錯編碼技術光孤子技術EDFA應用于大容量長距離WDM系統(tǒng)的不足增益波段較窄，一般只可對C、L波段有效放大在長距離中級聯(lián)的EDFA引入較多噪聲需較高光功率，引起較明顯的非線性效應22分布式、寬波段的喇曼放大技術將波長和功率適當?shù)谋闷止庾⑷牍饫w，通過受激拉曼散射（SRS）效應使光信號得到分布的漸變式的放大。優(yōu)點：較寬的增益波段（S、C、L波段）更長的放大距離（可以達到200～300km）引入的噪聲和非線性效應較少以較低的光功率就可獲得較大的光信噪比23實際應用：EDFA和喇曼放大器混合光放大，既可以在寬波段上獲得較大的平坦增益，又能避開高非線性區(qū)域和低信噪比區(qū)域。24§7.1大容量WDM系統(tǒng)超長傳輸技術新型光纖技術新型光調制技術分布式光放大技術前向糾錯編碼技術光孤子技術25光傳輸系統(tǒng)中的FEC技術光通信系統(tǒng)中的典型FEC漢明碼、BCH碼、RS碼、卷積碼、級聯(lián)碼。應用最廣泛的是RS(255,239)和RS(255,238)。在應用中的分類帶內FEC：將FEC碼元放在幀結構的空閑比特中，不改變線路速率且兼容性更好；但冗余開銷少，通常只能帶來1～2dB的光信噪比余量。帶外FEC：在幀結構以外追加FEC編碼開銷，糾錯能力更強，通?？商岣?～4dB的光信噪比余量。FEC帶來給光通信系統(tǒng)的好處在OSNR一定時可提高BER性能。可在一定程度上增加OSNR的設計富裕量，降低線性及非線性因素對系統(tǒng)性能的影響，可增加光放大器間隔，延長傳輸距離，提高信道速率，降低發(fā)射機功率、改善接收機靈敏度。26§7.1大容量WDM系統(tǒng)超長傳輸技術新型光纖技術新型光調制技術分布式光放大技術前向糾錯編碼技術光孤子技術27光孤子的概念指經(jīng)過長距離傳輸而保持形狀不變的光脈沖。由光纖中的GVD和SPM兩種效應共同作用形成的。當光脈沖具有適當?shù)姆?、形狀時，由于光脈沖在光纖中的SPM效應，前沿因頻率降低而速度減慢，后沿因頻率升高而速度加快，從而脈寬變窄。當GVD和SPM的恰好抵消時，光脈沖便在很長距離上保持穩(wěn)定的波形傳輸，即形成了光孤子。光孤子的形狀滿足雙曲正割表達式28光孤子的強度|U|2與傳輸距離無關，可以在傳播過程中保持脈沖形狀不變。29光孤子通信的特點：容量大，可達100Gb/s以上；抗干擾能力強、誤碼率低；中繼站間隔距離長，對光信號的再生需求較少。目前，上百Gb/s速率、上百km無中繼的光孤子通信實驗已成功實現(xiàn)，并有準孤子光通信系統(tǒng)應用于實際的超長距海纜通信，此外還出現(xiàn)了色散管理光孤子傳輸技術。30§7.2色散和偏振模色散補償采取適當?shù)纳⒀a償技術，能減少甚至抵消色散的影響，從而改善系統(tǒng)的傳輸性能。色散補償?shù)幕舅悸罚翰捎镁€性或非線性的方法，抵消各階色散系數(shù)，使光信號傳輸后總合的色散系數(shù)趨近零，進而將色散導致光脈沖展寬控制在一定范圍內。非線性色散補償：典型的例子光孤子傳輸系統(tǒng)，利用光纖中的非線性效應來抵消色散，使光脈沖在長距離傳輸中保持不變。線性色散補償①色散補償光纖（負色散光纖）法；②啁啾光纖光柵法；③預啁啾技術；④色散支持法；⑤頻譜反轉法；⑥多電平編碼；⑦相干光檢測（電均衡法）；⑧集成Mach-Zehnder干涉法；⑨時延線光均衡器。317.2.1色散補償光纖（DCF）法思路：用一段在1.550ｍ處具有負色散系數(shù)的光纖抵消常規(guī)光纖或NZDSF中的正色散系數(shù)。DCF光纖的實現(xiàn)途徑：光纖的色散系數(shù)與橫截面上的折射率分布緊密相關，合理設計光纖橫截面可使光纖在1.550ｍ處具有大的負色散系數(shù)值，如W型折射率分布的光纖。W型光纖的折射率分布和色散譜32在1550nm處，G.652光纖的色散系數(shù)D=

16.5ps/(nm?km)和色散斜率DS=0.057ps/(nm2?km)，例子中DCF的D和DS分別是?79.0ps/(nm?km)和?0.22ps/(nm2?km)，DCF與G.652的長度之比為1:4.6。標有SMF+DCF的曲線為補償后的總色散，結果表明，采用DCF法，在1500nm～1600nm波段上總色散很小。用DCF法進行色散補償?shù)膶嵗?3DCF法的特點DCF是一種無源器件，使用靈活、方便、可靠，且具有帶寬補償能力，是比較常用的色散補償方案；缺點是傳輸損耗和插入損耗大，非線性強，在很大程度上限制了傳輸速率、傳輸距離和DCF的安裝位置。347.2.2啁啾光纖光柵法啁啾光纖光柵：纖芯折射率呈周期分布，且周期由大到小。色散補償原理：光脈沖通過一段啁啾光纖光柵時，其長波長分量和短波長分量分別在光柵的頭、尾部反射，兩種波長分量之間產(chǎn)生時延差，從而補償了GVD。35啁啾光纖光柵法的優(yōu)點：體積小、對極化不敏感、插入損耗低、與光纖兼容性好、波長選擇性好、易于集成；便于系統(tǒng)使用和維護，成本低，可升級性好，可靠性高，受非線性效應影響小。啁啾光纖光柵法的缺點：啁啾光纖光柵是帶通濾波器，色散補償帶寬較窄；啁啾光纖光柵是通過反射實現(xiàn)色散補償?shù)?，因此需要光環(huán)形器來防止反射光對系統(tǒng)造成負面影響。367.2.3偏振模色散補償技術偏振模式色散（PMD）起因于光纖的雙折射現(xiàn)象：實際中光纖的纖芯總會呈現(xiàn)一定程度的橢圓度，導致偏振方向正交的兩個基模具有不同的傳輸速度。PMD的影響由于模式耦合引起附加

損耗，降低信噪比；引起脈沖展寬，速率受限。PMD甚至被認為是限制高速光纖通信系統(tǒng)傳輸容量和距離的最終因素。37PMD補償原理：首先在光域或電域上將兩個偏振模信號分開，然后用延遲線分別對它們進行延時，在反饋回路的控制下使兩個偏振模之間的時延差為零，最后將補償后的兩個偏振模信號混合輸出。光域PMD補償法：延時線通常由保偏光纖、基于鋰酸鈮調制器的分布式平衡器等構成。這類方法很有潛力，但技術不夠成熟。電域PMD補償法：先將探測到的光信號變成電信號，再通過非線性補償判決電路進行電信號的整形，該電路的判決閾值可根據(jù)信號間干擾的程度進行調節(jié)，進而提高信噪比，并減少誤碼率。電域PMD補償法應用較廣泛，補償器與光接收機易于集成，技術較成熟，系統(tǒng)也穩(wěn)定，但補償?shù)牧坑邢蕖?8§7.3光時分復用技術光時分復用（OTDM）：采用超短光脈沖在時間上間插復用的方法來提高單個波長的傳輸速率，其速率可達每秒幾百吉比特，大大超過了預計的電子速率的極限。OTDM的主要特點：可以避開或削弱WDM的一些缺點：WDM本質上是一種模擬技術，模擬系統(tǒng)固有的一些缺點（如，放大器級聯(lián)產(chǎn)生的增益特性不平坦、非理想濾波器和開關產(chǎn)生的串擾、光纖中有害的非線性效應、復雜的穩(wěn)頻系統(tǒng)、昂貴的多波長激光器和濾波器等）。便于組網(wǎng)：(1)單波長上的線路速率可高達幾百Gbps，支路數(shù)據(jù)可具有任意速率等級；(2)速率一定時通過OTDM技術可以僅利用單波長傳輸，簡化放大器級聯(lián)管理和色散管理；(3)在提高系統(tǒng)容量的同時放寬了對電子設備的要求。397.3.1OTDM原理OTDM技術把各個支路光信號變換成高速率、窄超短脈沖信號，然后間插到復用信道中已分配好的時隙上。407.3.2OTDM關鍵技術（1）超短光脈沖發(fā)生技術要求：高重復率、高穩(wěn)定性、占空比相當小的超窄光脈沖。重復率和振蕩波長應可調諧以便于信號同步和傳輸性能優(yōu)化。脈寬一般至少要小于1/3碼元周期，脈寬越窄可以復用的路數(shù)越多。脈形應該是變換受限的，以減小脈沖形變，進而降低碼間干擾。光源：目前主要有四種：鎖模光纖激光器、鎖模半導體激光器、分布反饋式激光器和增益開關半導體激光器。其中效果較好的是鎖模光纖激光器和鎖模半導體激光器。41（2）光復用技術利用光波導的超高速非線性效應來實現(xiàn)光域的復用/解復用功能。并行OTDM復用器并行調制各個子信道，再通過延遲器或調相器將子信道的位置相互錯開，然后通過耦合器將各個錯開的子信道以比特間插方式合在一起。對調制解調器速率的要求較低，但結構較復雜，對時鐘抖動和漂移較敏感。串行OTDM復用器將超短脈沖信號串行調制，對器件速率要求高，需消除因器件串聯(lián)而積累起來的有害影響。42（3）光解復用技術OTDM解復用器是OTDM系統(tǒng)中最關鍵的器件之一。OTDM解復用器需要快速、穩(wěn)定、無誤碼地工作，與偏振無關，且定時抖動值小，控制功率還要低。OTDM解復用器的典型結構非線性光環(huán)路鏡（NOLM）T赫茲非對稱解復用器（TOAD）輔以SOA的馬赫—曾德爾干涉儀（SOA-MZI）43接收到的信號脈沖從A端輸入，被耦合器被分為兩束幅度相等、相位相差/2的信號分量，分別沿環(huán)路順時針和逆時針方向傳輸，作為探測脈沖?？刂菩盘枺l率為OTDM信號的幀速率）經(jīng)由WDM耦合器進入光纖環(huán)并順時針傳輸。沒有控制脈沖時，兩束探測脈沖在沿著光纖環(huán)傳輸之后相位相差/2，在耦合器中干涉相消，不能從B端輸出。有控制脈沖時，只有順時針的探測脈沖因與控制脈沖之間的XPM而獲得相移，兩束探測脈沖在耦合器中干涉增強，進而從B端輸出。特點：結構簡單、響應速度快、轉換效率高、成本低等優(yōu)點，但功耗較大，工作狀態(tài)不穩(wěn)定，對偏振非常敏感。NOLM解復用器44工作原理與NOLM類似。NOLM利用光纖中的XPM效應TOAD則利用SOA中的XPM

特點：SOA是一種非線性較強的介質，TOAD用SOA代替光纖，縮短了環(huán)路長度，結構更緊湊，功率更小，工作更穩(wěn)定，且易于集成。TOAD解復用器45（4）時鐘提取技術電時鐘提取采用一個高Q值的濾波器直接提取時鐘。較簡單，但不適用于高速OTDM系統(tǒng)。光電鎖相環(huán)時鐘提取采用光電結合的反饋鎖相環(huán)路，將本地光時鐘與入射光脈沖流鎖定。既具備光學信號處理的高速性能，又利用了傳統(tǒng)電子鎖相環(huán)的頻率和相位跟蹤特性，因此得到了較廣泛的應用。全光時鐘提取主要利用自脈動半導體激光器注入鎖定技術，或窄帶光濾波器技術；是速度最快的時鐘提取方式，潛力大，但技術不夠成熟。467.3.3OTDM網(wǎng)絡（1）OTDM廣域網(wǎng)當廣域網(wǎng)的規(guī)模和距離很大，網(wǎng)絡容量達到幾個Tbps時，如果僅采用WDM技術則會遇到一些難以克服的困難，如波長數(shù)目有限及多波長的長途傳輸問題等，因而采用OTDM和WDM結合的方案來對廣域網(wǎng)擴容。采用OTDM高速干線連接多個WDM子網(wǎng)，在主節(jié)點可配置OADM和OXC來負責業(yè)務數(shù)據(jù)的上下路、輸導和保護等功能。47混合采用OTDM＋WDM的廣域網(wǎng)分層模型WDM層對應著顆粒最大的波長通道。OTDM層對應著較小顆粒，既支持比特間插的信道交換，又可支持基于分組的數(shù)據(jù)交換。OADM和光分組交換設備所對應的功能是這兩層之間聯(lián)系的紐帶。48采用U型總線拓撲來連接高性能計算機，利用比特間插光時分多址（OTDMA）技術提供高質量的互連和接入手段。為了實現(xiàn)節(jié)點同步，由一個超短脈沖源提供各節(jié)點讀寫操作的時鐘脈沖，由起始端沿著總線傳輸。在計算機進行寫操作時，網(wǎng)絡接口提取一部分時鐘脈沖，經(jīng)過調制器調制后，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信道通過一個可變延時器和耦合器插入到合適的時隙中去。在進行讀操作時，網(wǎng)絡接口取出一部分時鐘和信號脈沖，取出的時鐘脈沖用來驅動解復用器，從OTDMA的數(shù)據(jù)流中提取出所需的信道。2）基于比特間插的OTDMLAN49（3）基于時隙復用的OTDMLAN采用基于幀的螺旋式單向

總線結構，并通過時隙

復用方法來支持光纖總線

上用戶之間的互連。為了實現(xiàn)CoS和QoS，可以

對總線時隙分類和分級，

再根據(jù)優(yōu)先級把時隙帶寬

動態(tài)地分給用戶：保證帶寬的時隙（GBW時隙）按需分配帶寬的時隙（BOD時隙）接收機時隙（RCV時隙）50§7.4量子通信光既有粒子性又有波動性，即波粒二象性。可以利用光的量子性進行通信。量子通信量子理論和信息科學相結合的產(chǎn)物；利用光在微觀上的粒子特性，通過光子或糾纏的光子對作為信息載體；特點是，在理論上可實現(xiàn)超大容量的信息傳遞，并能生成理論上無法破譯的密鑰。517.4.1量子通信的理論基礎量子信息用量子態(tài)表示信息，量子態(tài)的演變遵