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(shù)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(biāo)。2主要問題解決技術(shù)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(yīng)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(diào)制：提高系統(tǒng)的色散容限光孤子傳輸：抑制色散導(dǎo)致的光脈沖展寬延長距離的關(guān)鍵技術(shù)(1)3主要問題解決技術(shù)PMD效應(yīng)新型光纖：降低PMD系數(shù)PMD補償：補償傳輸鏈路PMD新型光調(diào)制：采用RZ碼抵消低階PMD電域補償：進一步在電域補償PMD導(dǎo)致的信號損傷非線性效應(yīng)新型光調(diào)制：提高光脈沖抵抗非線性效應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(guān)鍵技術(shù)(2)4擴大容量的關(guān)鍵技術(shù)主要問題解決技術(shù)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?dāng)_殘留邊帶（VSB）調(diào)制：減少串?dāng)_偏振光分復(fù)用（PDM）：提高單信道的容量5本章內(nèi)容7.1大容量WDM系統(tǒng)超長傳輸技術(shù)新型光纖技術(shù)新型光調(diào)制技術(shù)分布式光放大技術(shù)前向糾錯編碼技術(shù)光孤子技術(shù)7.2色散和偏振模色散補償常用的色散補償技術(shù)偏振模色散補償技術(shù)7.3光時分復(fù)用技術(shù)7.4量子通信6§7.1大容量WDM系統(tǒng)超長傳輸技術(shù)新型光纖技術(shù)新型光調(diào)制技術(shù)分布式光放大技術(shù)前向糾錯編碼技術(shù)光孤子技術(shù)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(dāng)?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|(zhì)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(yīng)，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(yīng)。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(yīng)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(shù)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(yīng)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(shù)新型光纖技術(shù)新型光調(diào)制技術(shù)分布式光放大技術(shù)前向糾錯編碼技術(shù)光孤子技術(shù)14傳統(tǒng)調(diào)制技術(shù)的不足基于非歸零（NRZ）碼的幅度調(diào)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(diào)制技術(shù)分類基于幅度的調(diào)制仍采用幅度調(diào)制方式和直接檢測技術(shù)，在RZ碼基礎(chǔ)上，從頻譜、相位等角度改善幅度調(diào)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{(diào)制在發(fā)送端將信息調(diào)制到光信號的相位上，在接收端使用差分或相干等技術(shù)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(diào)制技術(shù)以RZ碼為基礎(chǔ)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(yīng)和偏振模色散等影響。CRZ碼：對RZ碼的初始光脈沖引入預(yù)啁啾可進一步抑制有害的非線性效應(yīng)；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(yīng)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(diào)制技術(shù)的頻譜效率，因此出現(xiàn)了相位調(diào)制為主而幅度調(diào)制為輔的一些新型光調(diào)制技術(shù)。171819基于相位的新調(diào)制技術(shù)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(jié)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(fù)雜度較高。DPQPSK碼：雙偏振差分正交頻分復(fù)用碼偏振復(fù)用技術(shù)和QPSK的結(jié)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(shù)新型光纖技術(shù)新型光調(diào)制技術(shù)分布式光放大技術(shù)前向糾錯編碼技術(shù)光孤子技術(shù)EDFA應(yīng)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(yīng)22分布式、寬波段的喇曼放大技術(shù)將波長和功率適當(dāng)?shù)谋闷止庾⑷牍饫w，通過受激拉曼散射（SRS）效應(yīng)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(yīng)較少以較低的光功率就可獲得較大的光信噪比23實際應(yīng)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(shù)新型光纖技術(shù)新型光調(diào)制技術(shù)分布式光放大技術(shù)前向糾錯編碼技術(shù)光孤子技術(shù)25光傳輸系統(tǒng)中的FEC技術(shù)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(yīng)用最廣泛的是RS(255,239)和RS(255,238)。在應(yīng)用中的分類帶內(nèi)FEC：將FEC碼元放在幀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)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(shù)新型光纖技術(shù)新型光調(diào)制技術(shù)分布式光放大技術(shù)前向糾錯編碼技術(shù)光孤子技術(shù)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(yīng)共同作用形成的。當(dāng)光脈沖具有適當(dāng)?shù)姆取⑿螤顣r，由于光脈沖在光纖中的SPM效應(yīng)，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(dāng)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(guān)，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(zhǔn)孤子光通信系統(tǒng)應(yīng)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(shù)。30§7.2色散和偏振模色散補償采取適當(dāng)?shù)纳⒀a償技術(shù)，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(dǎo)致光脈沖展寬控制在一定范圍內(nèi)。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(yīng)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(yù)啁啾技術(shù)；④色散支持法；⑤頻譜反轉(zhuǎn)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(guān)，合理設(shè)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(biāo)有SMF+DCF的曲線為補償后的總色散，結(jié)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(yīng)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(shù)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(dǎo)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(diào)制器的分布式平衡器等構(gòu)成。這類方法很有潛力，但技術(shù)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(diào)節(jié)，進而提高信噪比，并減少誤碼率。電域PMD補償法應(yīng)用較廣泛，補償器與光接收機易于集成，技術(shù)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(fù)用技術(shù)光時分復(fù)用（OTDM）：采用超短光脈沖在時間上間插復(fù)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(yù)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(zhì)上是一種模擬技術(shù)，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(guān)產(chǎn)生的串?dāng)_、光纖中有害的非線性效應(yīng)、復(fù)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(shù)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(shè)備的要求。397.3.1OTDM原理OTDM技術(shù)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(fù)用信道中已分配好的時隙上。407.3.2OTDM關(guān)鍵技術(shù)（1）超短光脈沖發(fā)生技術(shù)要求：高重復(fù)率、高穩(wěn)定性、占空比相當(dāng)小的超窄光脈沖。重復(fù)率和振蕩波長應(yīng)可調(diào)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(fù)用的路數(shù)越多。脈形應(yīng)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(dǎo)體激光器、分布反饋式激光器和增益開關(guān)半導(dǎo)體激光器。其中效果較好的是鎖模光纖激光器和鎖模半導(dǎo)體激光器。41（2）光復(fù)用技術(shù)利用光波導(dǎo)的超高速非線性效應(yīng)來實現(xiàn)光域的復(fù)用/解復(fù)用功能。并行OTDM復(fù)用器并行調(diào)制各個子信道，再通過延遲器或調(diào)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(diào)制解調(diào)器速率的要求較低，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，對時鐘抖動和漂移較敏感。串行OTDM復(fù)用器將超短脈沖信號串行調(diào)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(fù)用技術(shù)OTDM解復(fù)用器是OTDM系統(tǒng)中最關(guān)鍵的器件之一。OTDM解復(fù)用器需要快速、穩(wěn)定、無誤碼地工作，與偏振無關(guān)，且定時抖動值小，控制功率還要低。OTDM解復(fù)用器的典型結(jié)構(gòu)非線性光環(huán)路鏡（NOLM）T赫茲非對稱解復(fù)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(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)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(fù)用器44工作原理與NOLM類似。NOLM利用光纖中的XPM效應(yīng)TOAD則利用SOA中的XPM

特點：SOA是一種非線性較強的介質(zhì)，TOAD用SOA代替光纖，縮短了環(huán)路長度，結(jié)構(gòu)更緊湊，功率更小，工作更穩(wěn)定，且易于集成。TOAD解復(fù)用器45（4）時鐘提取技術(shù)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(jié)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(xué)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(yīng)用。全光時鐘提取主要利用自脈動半導(dǎo)體激光器注入鎖定技術(shù)，或窄帶光濾波器技術(shù)；是速度最快的時鐘提取方式，潛力大，但技術(shù)不夠成熟。467.3.3OTDM網(wǎng)絡(luò)（1）OTDM廣域網(wǎng)當(dāng)廣域網(wǎng)的規(guī)模和距離很大，網(wǎng)絡(luò)容量達到幾個Tbps時，如果僅采用WDM技術(shù)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(jié)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(zé)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的上下路、輸導(dǎo)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(yīng)著顆粒最大的波長通道。OTDM層對應(yīng)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(shè)備所對應(yīng)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(shù)提供高質(zhì)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(luò)接口提取一部分時鐘脈沖，經(jīng)過調(diào)制器調(diào)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(luò)接口取出一部分時鐘和信號脈沖，取出的時鐘脈沖用來驅(qū)動解復(fù)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(fù)用的OTDMLAN采用基于幀的螺旋式單向

總線結(jié)構(gòu)，并通過時隙

復(fù)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?？梢岳霉獾牧孔有赃M行通信。量子通信量子理論和信息科學(xué)相結(jié)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(chǔ)量子信息用量子態(tài)表示信息，量子態(tài)的演變遵