第6章新技術(shù)X.ppt

1、第6章 光纖通信新技術(shù) 6.1光波分復(fù)用技術(shù) 6.2光交換技術(shù) 6.3光孤子通信 6.4相干光通信 6.5全光通信網(wǎng),6.1 光波分復(fù)用技術(shù) 隨著人類(lèi)社會(huì)信息時(shí)代的到來(lái)，對(duì)通信的需求呈現(xiàn)加速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。發(fā)展迅速的各種新型業(yè)務(wù)(特別是高速數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù))對(duì)通信網(wǎng)的帶寬(或容量)提出了更高的要求。為了適應(yīng)通信網(wǎng)傳輸容量的不斷增長(zhǎng)和滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)交互性、靈活性的要求，產(chǎn)生了各種復(fù)用技術(shù)。 在光纖通信系統(tǒng)中除了大家熟知的時(shí)分復(fù)用(TDM)技術(shù)外，還出現(xiàn)了其他的復(fù)用技術(shù)，例如光時(shí)分復(fù)用(OTDM)、光波分復(fù)用(WDM)、 光頻分復(fù)用(OFDM)以及副載波復(fù)用(SCM)技術(shù)。本節(jié)主要講述WDM技術(shù)。,6.1.1

2、光波分復(fù)用原理 1. WDM的概念 光波分復(fù)用(WDM： Wavelength Division Multiplexing)技術(shù)是在一根光纖中同時(shí)傳輸多個(gè)波長(zhǎng)光信號(hào)的一項(xiàng)技術(shù)。其基本原理是在發(fā)送端將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)組合起來(lái)(復(fù)用)，并耦合到光纜線(xiàn)路上的同一根光纖中進(jìn)行傳輸，在接收端又將組合波長(zhǎng)的光信號(hào)分開(kāi)(解復(fù)用)，并作進(jìn)一步處理，恢復(fù)出原信號(hào)后送入不同的終端，因此將此項(xiàng)技術(shù)稱(chēng)為光波長(zhǎng)分割復(fù)用，簡(jiǎn)稱(chēng)光波分復(fù)用技術(shù)。,光纖的帶寬很寬。如圖6.2.1-1所示，在光纖的兩個(gè)低損耗傳輸窗口： 波長(zhǎng)為1.31 m(1.251.35m)的窗口，相應(yīng)的帶寬(|f|=|-c/2|，和分別為中心波長(zhǎng)和相應(yīng)的波段

3、寬度，c為真空中光速)為17700 GHz； 波長(zhǎng)為1.55m(1.501.60 m)的窗口，相應(yīng)的帶寬為12500 GHz。兩個(gè)窗口合在一起，總帶寬超過(guò)30 THz。如果信道頻率間隔為10 GHz，在理想情況下，一根光纖可以容納3000個(gè)信道。 由于目前一些光器件與技術(shù)還不十分成熟，因此要實(shí)現(xiàn)光信道十分密集的光頻分復(fù)用(OFDM)還較為困難。在這種情況下，人們把在同一窗口中信道間隔較小的波分復(fù)用稱(chēng)為密集波分復(fù)用(DWDM：Dense Wavelength Division Multiplexing)。,圖6.1.1-1 中心波長(zhǎng)在1.3 m和1.55 m的硅光纖低損耗傳輸窗口 (插圖表示1.

4、55 m傳輸窗口的多信道復(fù)用),目前該系統(tǒng)是在1550 nm波長(zhǎng)區(qū)段內(nèi)，同時(shí)用8，16或更多個(gè)波長(zhǎng)在一對(duì)光纖上(也可采用單光纖)構(gòu)成的光通信系統(tǒng)，其中各個(gè)波長(zhǎng)之間的間隔為1.6 nm、 0.8 nm或更低，約對(duì)應(yīng)于200 GHz#，100 GHz或更窄的帶寬。WDM、 DWDM和OFDM在本質(zhì)上沒(méi)有多大區(qū)別。以往技術(shù)人員習(xí)慣采用WDM 和DWDM來(lái)區(qū)分是1310/1550 nm 簡(jiǎn)單復(fù)用還是在1550 nm波長(zhǎng)區(qū)段內(nèi)密集復(fù)用，但目前在電信界應(yīng)用時(shí)，都采用DWDM技術(shù)。由于1310/1550 nm的復(fù)用超出了EDFA的增益范圍，只在一些專(zhuān)門(mén)場(chǎng)合應(yīng)用，所以經(jīng)常用WDM這個(gè)更廣義的名稱(chēng)來(lái)代替DWDM

5、。,WDM技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)升級(jí)、發(fā)展寬帶業(yè)務(wù)(如CATV，HDTV 和IP over WDM等)、充分挖掘光纖帶寬潛力、實(shí)現(xiàn)超高速光纖通信等具有十分重要意義，尤其是WDM加上EDFA更是對(duì)現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的吸引力。目前,“摻鉺光纖放大器(EDFA)+密集波分復(fù)用(WDM)+非零色散光纖(NZDSF，即G.655光纖)+光子集成(PIC)”正成為國(guó)際上長(zhǎng)途高速光纖通信線(xiàn)路的主要技術(shù)方向。 如果一個(gè)區(qū)域內(nèi)所有的光纖傳輸鏈路都升級(jí)為WDM傳輸，我們就可以在這些WDM鏈路的交叉(結(jié)點(diǎn))處設(shè)置以波長(zhǎng)為單位對(duì)光信號(hào)進(jìn)行交叉連接的光交叉連接設(shè)備(OXC)，或進(jìn)行光上下路的光分插復(fù)用器(OADM)，則在原來(lái)由光

6、纖鏈路組成的物理層上面就會(huì)形成一個(gè)新的光層。,在這個(gè)光層中，相鄰光纖鏈路中的波長(zhǎng)通道可以連接起來(lái)，形成一個(gè)跨越多個(gè)OXC和OADM的光通路，完成端到端的信息傳送，并且這種光通路可以根據(jù)需要靈活、動(dòng)態(tài)地建立和釋放，這就是目前引人注目的、 新一代的WDM全光網(wǎng)絡(luò)。 2. WDM系統(tǒng)的基本形式 光波分復(fù)用器和解復(fù)用器是WDM技術(shù)中的關(guān)鍵部件，將不同波長(zhǎng)的信號(hào)結(jié)合在一起經(jīng)一根光纖輸出的器件稱(chēng)為復(fù)用器(也叫合波器)。反之，經(jīng)同一傳輸光纖送來(lái)的多波長(zhǎng)信號(hào)分解為各個(gè)波長(zhǎng)分別輸出的器件稱(chēng)為解復(fù)用器(也叫分波器)。從原理上講，這種器件是互易的(雙向可逆)，即只要將解復(fù)用器的輸出端和輸入端反過(guò)來(lái)使用，就是復(fù)用器。

7、因此復(fù)用器和解復(fù)用器是相同的(除非有特殊的要求)。,WDM系統(tǒng)的基本構(gòu)成主要有以下兩種形式： (1) 雙纖單向傳輸。單向WDM傳輸是指所有光通路同時(shí)在一根光纖上沿同一方向傳送。如圖6.2.1-2（a）所示，在發(fā)送端將載有各種信息的、具有不同波長(zhǎng)的已調(diào)光信號(hào)1,2,n通過(guò)光復(fù)用器組合在一起，并在一根光纖中單向傳輸。由于各信號(hào)是通過(guò)不同光波長(zhǎng)攜帶的，因而彼此之間不會(huì)混淆。在接收端通過(guò)光解復(fù)用器將不同波長(zhǎng)的信號(hào)分開(kāi)，完成多路光信號(hào)傳輸?shù)娜蝿?wù)。反方向通過(guò)另一根光纖傳輸?shù)脑砼c此相同。 (2) 單纖雙向傳輸。雙向WDM傳輸是指光通路在一根光纖上同時(shí)向兩個(gè)不同的方向傳輸。如圖6.2.1-2（b）所示，所用

8、波長(zhǎng)相互分開(kāi)，以實(shí)現(xiàn)雙向全雙工的通信。,圖6.1.1-2 （a）雙纖單向WDM傳輸,圖6.1.1-2 （b）單纖雙向WDM傳輸,雙向WDM系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和應(yīng)用時(shí)必須要考慮幾個(gè)關(guān)鍵的系統(tǒng)因素，如為了抑制多通道干擾(MPI)，必須注意到光反射的影響、 雙向通路之間的隔離、串?dāng)_的類(lèi)型和數(shù)值、兩個(gè)方向傳輸?shù)墓β孰娖街岛拖嗷ラg的依賴(lài)性、光監(jiān)控信道(OSC)傳輸和自動(dòng)功率關(guān)斷等問(wèn)題，同時(shí)要使用雙向光纖放大器。所以雙向WDM系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用相對(duì)說(shuō)來(lái)要求較高，但與單向WDM系統(tǒng)相比，雙向WDM系統(tǒng)可以減少使用光纖和線(xiàn)路放大器的數(shù)量。 另外，通過(guò)在中間設(shè)置光分插復(fù)用器(OADM)或光交叉連接器(OXC)，可使各波長(zhǎng)

9、光信號(hào)進(jìn)行合流與分流，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的上下路(Add/Drop)和路由分配，這樣就可以根據(jù)光纖通信線(xiàn)路和光網(wǎng)的業(yè)務(wù)量分布情況，合理地安排插入或分出信號(hào)。,3. 光波分復(fù)用器的性能參數(shù) 光波分復(fù)用器是波分復(fù)用系統(tǒng)的重要組成部分，為了確保波分復(fù)用系統(tǒng)的性能，對(duì)波分復(fù)用器的基本要求是：插入損耗小，隔離度大，帶內(nèi)平坦，帶外插入損耗變化陡峭，溫度穩(wěn)定性好，復(fù)用通路數(shù)多，尺寸小等。 (1) 插入損耗。插入損耗是指由于增加光波分復(fù)用器/解復(fù)用器而產(chǎn)生的附加損耗，定義為該無(wú)源器件的輸入和輸出端口之間的光功率之比，即 =10 lg(P1 / P0) 其中P1為發(fā)送進(jìn)輸入端口的光功率；P0為從輸出端口接收到的光功率。,

10、(2) 串?dāng)_抑制度。串?dāng)_是指其他信道的信號(hào)耦合進(jìn)某一信道，并使該信道傳輸質(zhì)量下降的影響程度，有時(shí)也可用隔離度來(lái)表示這一程度。對(duì)于解復(fù)用器Cij =-10 lg(Pij/ Pi )(dB) 其中Pi是波長(zhǎng)為i的光信號(hào)的輸入光功率，Pij是波長(zhǎng)為i的光信號(hào)串入到波長(zhǎng)為j信道的光功率。 (3) 回波損耗?；夭〒p耗是指從無(wú)源器件的輸入端口返回的光功率與輸入光功率的比，即 RL=-10 lg(Pr / Pj)(dB) (a) 其中Pj為發(fā)送進(jìn)輸入端口的光功率，Pr為從同一個(gè)輸入端口接收到的返回光功率。,(4) 反射系數(shù)。反射系數(shù)是指在WDM器件的給定端口的反射光功率Pr與入射光功率Pj之比，即 R=10

11、 lg (Pij / Pi ) (dB) (5) 工作波長(zhǎng)范圍。工作波長(zhǎng)范圍是指WDM器件能夠按照規(guī)定的性能要求工作的波長(zhǎng)范圍(min到max)。 (6) 信道寬度。信道寬度是指各光源之間為避免串?dāng)_應(yīng)具有的波長(zhǎng)間隔。 (7) 偏振相關(guān)損耗。偏振相關(guān)損耗(PDL: Polarizationdependent Loss)是指由于偏振態(tài)的變化所造成的插入損耗的最大變化值。,6.1.2WDM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 實(shí)際的WDM系統(tǒng)主要由五部分組成：光發(fā)射機(jī)、光中繼放大、光接收機(jī)、光監(jiān)控信道和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，如圖6.2.2-1所示。 光發(fā)射機(jī)位于WDM系統(tǒng)的發(fā)送端。在發(fā)送端首先將來(lái)自終端設(shè)備(如SDH端機(jī))輸出的

12、光信號(hào)，利用光轉(zhuǎn)發(fā)器(OTU)把符合ITUT G.957建議的非特定波長(zhǎng)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成符合ITUT G.692建議的具有穩(wěn)定的特定波長(zhǎng)的光信號(hào)。OTU對(duì)輸入端的信號(hào)波長(zhǎng)沒(méi)有特殊要求，可以兼容任意廠家的SDH信號(hào)，其輸出端滿(mǎn)足G.692的光接口，即標(biāo)準(zhǔn)的光波長(zhǎng)和滿(mǎn)足長(zhǎng)距離傳輸要求的光源；利用合波器合成多路光信號(hào)；通過(guò)光功率放大器(BA： Booster Amplifier)放大輸出多路光信號(hào)。,圖6.1.2-1 實(shí)際WDM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu),經(jīng)過(guò)一定距離傳輸后，要用摻鉺光纖放大器(EDFA)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行中繼放大。在應(yīng)用時(shí)可根據(jù)具體情況，將EDFA用作“線(xiàn)放(LA： Line Amplifier)”#

13、，“功放(BA)”和“前放(PA： Preamplifier)”。在WDM系統(tǒng)中，對(duì)EDFA必須采用增益平坦技術(shù)，使得EDFA對(duì)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)具有接近相同的放大增益。與此同時(shí)，還要考慮到不同數(shù)量的光信道同時(shí)工作的各種情況，保證光信道的增益競(jìng)爭(zhēng)不影響傳輸性能。 在接收端，光前置放大器(PA)放大經(jīng)傳輸而衰減的主信道光信號(hào)，分波器從主信道光信號(hào)中分出特定波長(zhǎng)的光信號(hào)。接收機(jī)不但要滿(mǎn)足一般接收機(jī)對(duì)光信號(hào)靈敏度、過(guò)載功率等參數(shù)的要求，還要能承受有一定光噪聲的信號(hào)，要有足夠的電帶寬。,光監(jiān)控信道(OSC： Optical Supervisory Channel)的主要功能是監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)各信道的傳輸情況，

14、在發(fā)送端，插入本結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的波長(zhǎng)為s(1510 nm)的光監(jiān)控信號(hào)，與主信道的光信號(hào)合波輸出；在接收端，將接收到的光信號(hào)分離，輸出s(1510 nm)波長(zhǎng)的光監(jiān)控信號(hào)和業(yè)務(wù)信道光信號(hào)。幀同步字節(jié)、公務(wù)字節(jié)和網(wǎng)管所用的開(kāi)銷(xiāo)字節(jié)等都是通過(guò)光監(jiān)控信道來(lái)傳送的。 網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)通過(guò)光監(jiān)控信道物理層傳送開(kāi)銷(xiāo)字節(jié)到其他結(jié)點(diǎn)或接收來(lái)自其他結(jié)點(diǎn)的開(kāi)銷(xiāo)字節(jié)對(duì)WDM系統(tǒng)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)配置管理、故障管理、性能管理和安全管理等功能，并與上層管理系統(tǒng)(如TMN)相連。,目前國(guó)際上已商用的系統(tǒng)有42.5 Gb/s(10 Gb/s)，82.5 Gb/s(20 Gb/s)，162.5 Gb/s(40 Gb/s)，402.5 Gb

15、/s(100 Gb/s)，3210 Gb/s(320 Gb/s)，4010 Gb/s(400 Gb/s)。 實(shí)驗(yàn)室已實(shí)現(xiàn)了8240 Gb/s(3.28 Tb/s)的速率，傳輸距離達(dá)3100 km=300 km。OFC2000(Optical Fiber Communication Conference)提供的情況有： Bell Labs: 82路40 Gb/s=3.28 Tb/s在3100 km=300 km的True Wave(商標(biāo))光纖(即G.655光纖)上，利用C和L兩個(gè)波帶聯(lián)合傳輸； 日本NEC: 16020 Gb/s=3.2 Tb/s，利用歸零信號(hào)沿色散平坦光纖，經(jīng)過(guò)增益寬度為64

16、nm的光纖放大器，傳輸距離達(dá)1500 km; , 日本富士通(Fujitsu): 128路10.66 Gb/s，經(jīng)過(guò)C和L波帶注：C波帶為15251565 nm，L波帶為15701620 nm。用分布喇曼放大(DRA: Distributed Raman Amplification)，傳輸距離達(dá)6140 km=840 km; 日本NTT： 30路42.7 Gb/s，利用歸零信號(hào)，經(jīng)過(guò)增益寬度為50 nm的光纖放大器，傳輸距離達(dá)3125 km376 km; 美國(guó)Lucent Tech: 100路10 Gb/s=1 Tb/s，各路波長(zhǎng)的間隔縮小到25 GHz，利用L波帶，沿NZDF光纖(G.655

17、光纖)傳輸400 km;, 美國(guó)Mciworldcom和加拿大Nortel: 100路10 Gb/s=1 Tb/s，沿NZDF光纖在C和L波帶傳輸4段，約200 km; 美國(guó)Qtera 和Qwest: 兩個(gè)波帶4路10 Gb/s和2路10 Gb/s沿NZDF光纖傳輸23105 km=2415 km，這個(gè)試驗(yàn)雖然WDM路數(shù)不多，但在陸地光纜中卻是最長(zhǎng)距離。,6.1.3WDM技術(shù)的主要特點(diǎn) 1. 充分利用光纖的巨大帶寬資源 光纖具有巨大的帶寬資源(低損耗波段)，WDM技術(shù)使一根光纖的傳輸容量比單波長(zhǎng)傳輸增加幾倍至幾十倍甚至幾百倍，從而增加光纖的傳輸容量，降低成本，具有很大的應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 2

18、. 同時(shí)傳輸多種不同類(lèi)型的信號(hào) 由于WDM技術(shù)使用的各波長(zhǎng)的信道相互獨(dú)立，因而可以傳輸特性和速率完全不同的信號(hào)，完成各種電信業(yè)務(wù)信號(hào)的綜合傳輸，如PDH信號(hào)和SDH信號(hào)，數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)，多種業(yè)務(wù)(音頻、視頻、數(shù)據(jù)等)的混合傳輸?shù)取?3. 節(jié)省線(xiàn)路投資 采用WDM技術(shù)可使N個(gè)波長(zhǎng)復(fù)用起來(lái)在單根光纖中傳輸，也可實(shí)現(xiàn)單根光纖雙向傳輸，在長(zhǎng)途大容量傳輸時(shí)可以節(jié)約大量光纖。另外，對(duì)已建成的光纖通信系統(tǒng)擴(kuò)容方便，只要原系統(tǒng)的功率余量較大，就可進(jìn)一步增容而不必對(duì)原系統(tǒng)作大的改動(dòng)。 4. 降低器件的超高速要求 隨著傳輸速率的不斷提高，許多光電器件的響應(yīng)速度已明顯不足，使用WDM技術(shù)可降低對(duì)一些器件在性能上

19、的極高要求，同時(shí)又可實(shí)現(xiàn)大容量傳輸。,5. 高度的組網(wǎng)靈活性、 經(jīng)濟(jì)性和可靠性 WDM技術(shù)有很多應(yīng)用形式，如長(zhǎng)途干線(xiàn)網(wǎng)、廣播分配網(wǎng)、多路多址局域網(wǎng)?？梢岳肳DM技術(shù)選擇路由，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換和故障恢復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)未來(lái)的透明、 靈活、經(jīng)濟(jì)且具有高度生存性的光網(wǎng)絡(luò)。,6.1.4光濾波器與光波分復(fù)用器 在前面介紹耦合器時(shí)，已經(jīng)簡(jiǎn)單地介紹了波分復(fù)用器(WDM)。在這一部分我們將介紹各種各樣的波長(zhǎng)選擇技術(shù)，即光濾波技術(shù)。光濾波器在WDM系統(tǒng)中是一種重要元器件，與波分復(fù)用有著密切關(guān)系，常常用來(lái)構(gòu)成各種各樣的波分復(fù)用器和解復(fù)用器。 下圖為光濾波器的三種應(yīng)用：?jiǎn)渭兊臑V波應(yīng)用(圖6.1.4-1(a)、波分復(fù)用/解復(fù)

20、用器中應(yīng)用(圖6.1.4-1(b)和波長(zhǎng)路由器中應(yīng)用(圖6.1.4-1(c)。波分復(fù)用器和解復(fù)用器主要用在WDM終端和波長(zhǎng)路由器以及波長(zhǎng)分插復(fù)用器(Wavelength Add/Drop Multiplexer，WADM)中。,波長(zhǎng)路由器是波長(zhǎng)選路網(wǎng)絡(luò)(Wavelength Routing Network)中的關(guān)鍵部件，其功能可由圖6.1.4-1(c)的例子說(shuō)明，它有兩個(gè)輸入端口和兩個(gè)輸出端口，每路輸入都載有一組1,2，3和4 WDM信號(hào)。 如果用ij來(lái)標(biāo)記第i輸入鏈路上的波長(zhǎng)j，則路由器的輸入端口1上的波長(zhǎng)記為11、12、13、14，輸入端口2上的波長(zhǎng)記為21、22、23、24。在輸入端口1

21、上的波長(zhǎng)中，如果12和13 由輸出端口1輸出，則11和14由輸出端口2輸出；在輸入端口2上的波長(zhǎng)中，如果22和23由輸出端口2輸出，則21和24由輸出端口1輸出，這樣，我們就稱(chēng)路由器交換了波長(zhǎng)1和4。,圖6.1.4-1 光濾波器的三種應(yīng)用 (a) 單純的濾波應(yīng)用； (b) 波分復(fù)用器中應(yīng)用； (c) 波長(zhǎng)路由器中應(yīng)用,在本例中，波長(zhǎng)路由器只有兩個(gè)輸入端口和兩個(gè)輸出端口，每一路上只有4個(gè)波長(zhǎng)，但是在一般情況下，輸入和輸出的端口數(shù)是N(2)，并且每一端口的波長(zhǎng)數(shù)是W(2)。 如果一個(gè)波長(zhǎng)路由器的路由方式不隨時(shí)間變化，就稱(chēng)為靜態(tài)路由器；路由方式隨時(shí)間變化，則稱(chēng)之為動(dòng)態(tài)路由器。靜態(tài)路由器可以用波分復(fù)用

22、器來(lái)構(gòu)成，如圖6.1.4-2所示。 波長(zhǎng)分插復(fù)用器可以看成是波長(zhǎng)路由器的簡(jiǎn)化形式，它只有一個(gè)輸入端口和一個(gè)輸出端口，再加上一個(gè)用于分插波長(zhǎng)的本地端口。對(duì)光濾波器的主要要求有：,圖6.1.4-2 由波分復(fù)用器構(gòu)成靜態(tài)路由器,(1)一個(gè)好的光濾波器應(yīng)有較低的插入損耗，并且損耗應(yīng)該與輸入光的偏振態(tài)無(wú)關(guān)。在大多數(shù)系統(tǒng)中，光的偏振態(tài)隨機(jī)變化，如果濾波器的插入損耗與光的偏振有關(guān)(PDL: Polarizationdependent Loss)，則輸出光功率將極其不穩(wěn)定。 (2)一個(gè)濾波器的通帶應(yīng)該對(duì)溫度的變化不敏感。溫度系數(shù)是指溫度每變化1的波長(zhǎng)漂移。一個(gè)WDM系統(tǒng)要求在整個(gè)工作溫度范圍(大約100 )內(nèi)

23、，波長(zhǎng)漂移應(yīng)該遠(yuǎn)小于相鄰信道的波長(zhǎng)間隔。 (3)在一個(gè)WDM系統(tǒng)中，隨著級(jí)聯(lián)的濾波器越來(lái)越多，系統(tǒng)的通帶就變得越來(lái)越窄。為了確保在級(jí)聯(lián)的末端還有一個(gè)相當(dāng)寬的通帶，單個(gè)濾波器的通帶傳輸特性應(yīng)該是平直的，以便能夠容納激光器波長(zhǎng)的微小變化。單個(gè)濾波器的通帶的平直程度常用1 dB帶寬來(lái)衡量，如圖6.1.4-3所示。,圖6.1.4-3 光濾波器的1 dB帶寬,下面將介紹一些波長(zhǎng)選擇技術(shù)及其在WDM系統(tǒng)中的應(yīng)用。 1. 光柵 光柵(Grating)廣泛地用來(lái)將光分離為不同波長(zhǎng)的單色光。在WDM系統(tǒng)中，光柵主要用在解復(fù)用器中，以分離出各個(gè)波長(zhǎng)。下圖是光柵的兩個(gè)例子，圖 6.1.4-4(a)是透射光柵，圖 6

24、.1.4-4(b)是反射光柵。,圖6.1.4-4 光柵,圖6.1.4-5 基于光纖光柵結(jié)構(gòu)的光分插復(fù)用器(a) 簡(jiǎn)單光分； (b) 光分插,2. 法布里-珀羅濾波器 法布里-珀羅(FP: FabryPerot)濾波器是由兩塊平行放置的高反射率的鏡面形成的腔構(gòu)成的。這種濾波器也叫F-P干涉儀，輸入光垂直到達(dá)第一個(gè)鏡面，從第二個(gè)鏡面出來(lái)的光就是輸出。這個(gè)器件傳統(tǒng)上用作干涉儀，現(xiàn)在也用在WDM系統(tǒng)中作濾波器。,F-P濾波器選擇不同的波長(zhǎng)時(shí)一般有兩種方法：一種是改變腔的長(zhǎng)度；另一種是改變腔內(nèi)介質(zhì)的折射率。改變腔長(zhǎng)有機(jī)械移鏡和用壓電材料(PZT)兩種辦法。,3.多層介質(zhì)薄膜濾波器 薄膜諧振腔濾波器(Th

25、inFilm Resonant Cavity Filter)也是一個(gè)F-P干涉儀，只不過(guò)其反射鏡是采用多層介質(zhì)薄膜而已，常稱(chēng)為多層介質(zhì)薄膜濾波器(Multilayer Dielectric ThinFilm Filter)。這種濾波器用作帶通濾波器，只允許特定波長(zhǎng)的光通過(guò)而讓其它所有波長(zhǎng)的光反射，腔的長(zhǎng)度決定要通過(guò)的波長(zhǎng)。 薄膜諧振多腔濾波器(ThinFilm Resonant Multicavity Filter)的結(jié)構(gòu)如下圖6.1.4-6(a)所示，由反射介質(zhì)薄膜隔開(kāi)的兩個(gè)或多個(gè)腔構(gòu)成。改成多腔后與單腔相比，通帶頂部更加平坦，邊緣更為尖銳，如下圖6.1.4-6(b)所示。這種濾波器多個(gè)級(jí)聯(lián)

26、后，就可以做成波分復(fù)用器，如下圖6.1.4-6(c)所示。由于這種濾波器通帶頂部平坦，邊緣尖銳，溫度變化時(shí)性能穩(wěn)定，插入損耗低，對(duì)光的偏振不敏感，所以在系統(tǒng)應(yīng)用中是非常有吸引力的，如今已經(jīng)廣泛用在商業(yè)系統(tǒng)中。,圖6.1.4-6(a) 三腔介質(zhì)薄膜諧振腔濾波器,圖6.1.4-6(b) 單腔、 雙腔、 三腔介質(zhì)薄膜濾波器的傳輸譜,圖6.1.4-6(c) 基于多層介質(zhì)薄膜濾波器的波分復(fù)用/解復(fù)用器,4. 馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x 馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(MZI: MachZehnder Interferometer)使用兩條不同長(zhǎng)度的干涉路徑來(lái)決定不同的波長(zhǎng)輸出。MZI通常以集成光波導(dǎo)的形式出現(xiàn)，即用兩個(gè)3

27、dB定向耦合器來(lái)連接兩條不同長(zhǎng)度的光通路，如圖6.1.4-7 (a)所示，襯底通常采用硅(Si),波導(dǎo)區(qū)采用二氧化硅(SiO2)。一個(gè)MZI可用圖 6.1.4-7(b)表示。 MZI可用來(lái)作濾波器和波分復(fù)用器。雖然多層介質(zhì)薄膜濾波器在窄帶濾波方面性能較好，但在寬帶濾波方面MZI非常有用，例如用來(lái)分開(kāi)1.31 m和1.55 m兩個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào)。當(dāng)然，通過(guò)級(jí)聯(lián)幾個(gè)MZI也可以做成窄帶濾波器，如圖6.1.4-7(c)所示，但是這將導(dǎo)致?lián)p耗大大增加。,圖6.1.4-7 馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(MZI) (a) 結(jié)構(gòu)圖； (b) 方框圖； (c) 四級(jí)MZI,MZI可用來(lái)作濾波器和波分復(fù)用器。雖然多層介質(zhì)薄

28、膜濾波器在窄帶濾波方面性能較好，但在寬帶濾波方面MZI非常有用，例如用來(lái)分開(kāi)1.31m和1.55m兩個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào)。當(dāng)然，通過(guò)級(jí)聯(lián)幾個(gè)MZI也可以做成窄帶濾波器,如圖6.1.4-7(c)所示，但是這將導(dǎo)致?lián)p耗大大增加。從原理上講，級(jí)聯(lián)幾個(gè)MZI后性能較好，但是在實(shí)際工作中存在波長(zhǎng)隨溫度和時(shí)間的變化而漂移的現(xiàn)象，串?dāng)_性能遠(yuǎn)不如理想情況，級(jí)聯(lián)后的窄帶MZI的通帶不平坦，相反地，多層介質(zhì)多腔薄膜濾波器的通帶和阻帶都比較平坦。 現(xiàn)在簡(jiǎn)單分析MZI的工作原理。考慮MZI作為一個(gè)解復(fù)用器的情況。這時(shí)只有一個(gè)輸入，假設(shè)從輸入端口1輸入，經(jīng)過(guò)第一個(gè)定向耦合器后，功率平均分配到兩臂上，但是在兩臂上的信號(hào)有了/2

29、的相差，下臂上的信號(hào)比上臂滯后/2。,如果將MZI級(jí)聯(lián)就構(gòu)成多級(jí)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(Multistage MachZehnder Interferometer)。圖6.1.4-7 (c)示出4級(jí)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x，其中每個(gè)MZI以及級(jí)聯(lián)后整個(gè)4級(jí)MZI的傳遞函數(shù)曲線(xiàn)如下圖所示。,(前4個(gè)為每單個(gè)MZI的傳遞函數(shù)，最后一個(gè)為級(jí)聯(lián)后4級(jí)MZI的傳遞函數(shù))圖6.1.4-8 MZI的傳遞函數(shù),前面討論了MZI用作12解復(fù)用器情況，由于MZI是一種互易器件，因此也可用作21 復(fù)用器。 5. 陣列波導(dǎo)光柵 陣列波導(dǎo)光柵(AWG: Arrayed Waveguide Grating)是MZI的推廣和一般形式

30、。如6.1.4-9(a)圖所示，它由兩個(gè)多端口耦合器和連接它們的陣列波導(dǎo)構(gòu)成。AWG可用作n1波分復(fù)用器和1n波分解復(fù)用器。與多級(jí)MZI相比，AWG損耗低，通帶平坦，容易集成在一塊襯底上。AWG也可用作靜態(tài)波長(zhǎng)路由器，如圖6.1.4-9(b)所示。,圖6.1.4-9(a) 陣列波導(dǎo)光柵(AWG),圖6.1.4-9(b) 基于AWG的靜態(tài)波長(zhǎng)路由器,6. 聲光可調(diào)諧濾波器 聲光可調(diào)諧濾波器(AOTF: AcoustoOptic Tunable Filter)是一種多用途器件，是目前已知的惟一能夠同時(shí)選擇多個(gè)波長(zhǎng)的可調(diào)諧濾波器，并且可用來(lái)構(gòu)造波長(zhǎng)路由器。AOTF的基本原理是聲與光的相互作用，圖6.

31、1.4-10(a)是AOTF的集成光波導(dǎo)形式。一個(gè)簡(jiǎn)化的AOTF如圖6.1.4-10(b)所示，波導(dǎo)材料是一種雙折射物質(zhì)，僅能支持最低階TE模和TM模。假設(shè)輸入光完全是TE模，一個(gè)只能選擇TM模的偏振器放在波導(dǎo)的輸出端。如果在被選擇的波長(zhǎng)附近的一個(gè)窄譜范圍內(nèi)的光能量轉(zhuǎn)換為T(mén)M模式，而其余光能量仍保持TE模式，這樣就可以制成一個(gè)波長(zhǎng)選擇性濾波器。,圖6.1.4-10(a) 集成光波導(dǎo)AOTF,圖6.1.4-10(b) 簡(jiǎn)化的AOTF,一個(gè)簡(jiǎn)化的AOTF如下圖所示，波導(dǎo)材料是一種雙折射物質(zhì)，僅能支持最低階TE模和TM模。假設(shè)輸入光完全是TE模，一個(gè)只能選擇TM模的偏振器放在波導(dǎo)的輸出端。如果在被選

32、擇的波長(zhǎng)附近的一個(gè)窄譜范圍內(nèi)的光能量轉(zhuǎn)換為T(mén)M模式，而其余光能量仍保持TE模式，這樣就可以制成一個(gè)波長(zhǎng)選擇性濾波器。 這種濾波器的實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)沿著光波的傳播方向或逆著光波的傳播方向發(fā)射一列聲波來(lái)完成。聲波傳播引起媒質(zhì)的密度周期性變化，其變化周期等于聲波波長(zhǎng)，這相當(dāng)于形成了一個(gè)布喇格光柵。,6.1.5 WDM網(wǎng)絡(luò)組成及實(shí)例 點(diǎn)到點(diǎn)組網(wǎng)是目前 DWDM設(shè)備組網(wǎng)最普諞的一種方式。它不需要OADM設(shè)備，只由DWDM 光終端復(fù)用設(shè)備和光線(xiàn)路放大設(shè)備組成。,SBSW32最基本的組網(wǎng)方式為點(diǎn)到點(diǎn)方式、鏈形組網(wǎng)方式、環(huán)形組網(wǎng)方式，由這三種方式可組合出其它等較復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)形式。與STM-16設(shè)備組合，可組成十分復(fù)

33、雜的光傳輸網(wǎng)絡(luò)。 1.鏈形,2.環(huán)形,OADM,OADM,OADM,OADM,3. 實(shí)例 實(shí)例一 名稱(chēng)：貴州省干線(xiàn) DWDM傳輸網(wǎng)實(shí)驗(yàn)局 網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)：中國(guó)電信貴州省二級(jí)干線(xiàn) 初驗(yàn)時(shí)間： 1999年 12月 地點(diǎn)：貴陽(yáng)、遵義、都勻、總烽 規(guī)模：4OTM+1OLA 容量：162.5G,實(shí)例二 名稱(chēng)：中國(guó)鐵路滬杭、浙贛 DWD M傳輸干線(xiàn) 網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)：中國(guó)鐵路通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司傳輸干線(xiàn) 開(kāi)通時(shí)間： 2000年2月 地點(diǎn)：上海一杭州、杭州一林州 規(guī)模：12OTM+7OLA 容量： 162.5G,實(shí)例三：吉林省DWDM干線(xiàn),6.2光 交 換 技 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/

34、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)。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，因而增加了設(shè)備復(fù)雜性和成本，降低了系統(tǒng)的可靠性。,雖然采用異步轉(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(xiàn)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

35、實(shí)現(xiàn)全光通信，而光交換是全光通信的關(guān)鍵技術(shù)。 光交換主要有三種方式： 空分光交換、 時(shí)分光交換和波分光交換。,6.2.1空分光交換 空分光交換的功能是使光信號(hào)的傳輸通路在空間上發(fā)生改變?？辗止饨粨Q的核心器件是光開(kāi)關(guān)。光開(kāi)關(guān)有電光型、 聲光型和磁光型等多種類(lèi)型，其中電光型光開(kāi)關(guān)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。 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6.2.1-1(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

36、入端而已。,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)平行連接和交叉連接，如圖6.2.1-1 (b)所示。 圖6.2.1-1 (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6.2.1-1 空分光交換 (a) 22光交換單元； (b) 平行連接和交叉連接； (c) 44光交換單元,6.2.2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)交換功能的。 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6.2.2-1(a)所示。

37、 所謂時(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6.2.2-1(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(xiàn)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)。圖6.2.2-1(c)示出時(shí)分光交換的空分等效。,圖6.2.2-1 時(shí)分光交換 (a) 時(shí)分復(fù)用原理； (b) 時(shí)隙互換原理； (c) 等效的空分交換,6.2.3波分光交換 波分光交換(或交叉連接)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。圖6.2.3-1 (a)和(b)分別示出波長(zhǎng)選擇法交換和波長(zhǎng)變換法交

38、換的原理框圖。 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。,圖6.2.3-1 波分交換的原理框圖 (a) 波長(zhǎng)選擇法交換； (b) 波長(zhǎng)變換法交換,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)合波器(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

39、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。,6.3光 孤 子 通 信 p150,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(xiàn)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(chēng)為光孤子通信。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

40、，光纖通信的傳輸距離和傳輸速率受到光纖損耗和色散的限制。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。,為了增加傳輸距離，在光纖線(xiàn)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(xiàn)性效應(yīng)。非線(xiàn)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(xiàn)性效應(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

41、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。,6.3.1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(chēng)為非線(xiàn)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 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而變化特性，稱(chēng)為克爾(Kerr)效應(yīng)。,對(duì)正常色散光纖，結(jié)論正相反。因此，具有正啁啾的光脈沖通過(guò)反常色散光纖時(shí)，脈沖前部(

42、頭)頻率低，傳播得慢，而后部(尾)頻率高，傳播得快。 這種脈沖形象地被稱(chēng)為“紅頭紫尾”光脈沖。在傳播過(guò)程中,“紫”尾逐漸接近“紅”頭,因而脈沖被壓縮,如圖6.3.1-3(a)。相反，具有負(fù)啁啾的光脈沖通過(guò)反常色散光纖時(shí)，前部(頭)傳播得快，后部(尾)傳播得慢，“紫”頭和“紅”尾逐漸分離，結(jié)果脈沖被展寬，如圖6.3.1-3(b)所示。由此可見(jiàn)，適當(dāng)選擇相關(guān)參數(shù)，可以使光脈沖寬度保持不變。,圖6.3.1-3 脈沖在反常色散光纖中傳輸因啁啾效應(yīng)可被壓縮或展寬,6.3.2光孤子通信系統(tǒng)的構(gòu)成和性能 圖6.3.2-1(a)示出光孤子通信系統(tǒng)構(gòu)成方框圖。光孤子源產(chǎn)生一系列脈沖寬度很窄的光脈沖，即光孤子流，

43、作為信息的載體進(jìn)入光調(diào)制器，使信息對(duì)光孤子流進(jìn)行調(diào)制。被調(diào)制的光孤子流經(jīng)摻鉺光纖放大器和光隔離器后，進(jìn)入光纖進(jìn)行傳輸。為克服光纖損耗引起的光孤子減弱，在光纖線(xiàn)路上周期地插入EDFA，向光孤子注入能量，以補(bǔ)償因光纖傳輸而引起的能量消耗，確保光孤子穩(wěn)定傳輸。在接收端，通過(guò)光檢測(cè)器和解調(diào)裝置，恢復(fù)光孤子所承載的信息。,圖6.3.2-1 光孤子通信系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) (a) 光孤子通信系統(tǒng)構(gòu)成方框圖； (b) 循環(huán)光纖間接光孤子實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖,光孤子源是光孤子通信系統(tǒng)的關(guān)鍵。要求光孤子源提供的脈沖寬度為ps數(shù)量級(jí)，并有規(guī)定的形狀和峰值。光孤子源有很多種類(lèi)，主要有摻鉺光纖孤子激光器、鎖模半導(dǎo)體激光器等 目前，光

44、孤子通信系統(tǒng)已經(jīng)有許多實(shí)驗(yàn)結(jié)果。例如，對(duì)光纖線(xiàn)路直接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在傳輸速率為10 Gb/s時(shí)，傳輸距離達(dá)到1000 km；在傳輸速率為20 Gb/s時(shí)，傳輸距離達(dá)到350 km。對(duì)循環(huán)光纖間接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖6.3.2-1(b)，傳輸速率為2.4 Gb/s，傳輸距離達(dá)12 000 km；改進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，傳輸速率為10 Gb/s，傳輸距離達(dá)106 km。,事實(shí)上，對(duì)于單信道光纖通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，光孤子通信系統(tǒng)的性能并不比在零色散波長(zhǎng)工作的常規(guī)(非光孤子)系統(tǒng)更好。循環(huán)光纖間接實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，零色散波長(zhǎng)常規(guī)系統(tǒng)的傳輸速率為2.4 Gb/s時(shí)，傳輸距離可達(dá)21000 km，而為5 Gb/s時(shí)可達(dá)14300 km。

45、然而，零色散波長(zhǎng)系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)單信道傳輸，而光孤子系統(tǒng)則可用于WDM系統(tǒng)，使傳輸速率大幅度增加，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。,6.3.3 常見(jiàn)的光孤子源 作為理想情況下的光通信，孤子脈沖應(yīng)該具有很好的確定的形狀、寬度、功率和能量，為了解決這樣的問(wèn)題，已提出了幾種解決方案。 (1) 自鎖模摻鉺光孤子激光器 自鎖模摻鉺光孤子激光器原理圖如圖6.3.3-1所示。,圖6.3.3-1自鎖模摻鉺光孤子激光器原理圖,(2) 法布里珀羅光纖孤子激光器 (3) DFB激光器/外調(diào)制孤子源 目前最簡(jiǎn)單也用得比較多的孤子源是如下圖所示的DFB激光器/外調(diào)制激光器。,(4) DFB激光器/集成調(diào)制孤子源 理想情況下，孤子脈

46、沖源應(yīng)該是集成在單個(gè)芯片上的，具報(bào)道說(shuō)，用單個(gè)半導(dǎo)體器件集成的多量子阱DFB激光器/調(diào)制器，已經(jīng)得到脈沖重復(fù)頻率為20GHz、脈寬為7ps的變換限制孤子脈沖。,6.3.4 光孤子通信技術(shù)的新進(jìn)展 光孤子通信從理論的提出到20世紀(jì)80年代在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)孤子，并提出將光孤子作為一種信息載體用于高速光纖通信已有幾十年的過(guò)程了，經(jīng)過(guò)廣大科研工作者的不懈努力，光孤子通信系統(tǒng)取得了許多新的進(jìn)展。 1. 理論研究進(jìn)展 首先，在理論方法方面，基于標(biāo)準(zhǔn)非線(xiàn)性薛定諤方程和逆散射理論，深入研究了理想孤子解的基本結(jié)構(gòu)和特征；基于光孤子通信系統(tǒng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)和擾動(dòng)非線(xiàn)性薛定諤方程，建立了研究光孤子傳輸特性的各種擾動(dòng)理論方法，

47、深入研究了光孤子的動(dòng)力學(xué)過(guò)程、動(dòng)態(tài)演化特性、穩(wěn)定性及穩(wěn)定傳輸?shù)臈l件和能力；基于光孤子的粒子性，建立了分析孤子相互作用的各種理論方法，揭示了光時(shí)分復(fù)用、波分復(fù)用系統(tǒng)中光孤子相互作用的機(jī)制和規(guī)律。,其次，在光孤子通信系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)模型方面，基于不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行條件和性能要求，研究了光孤子傳輸方案和理論模型，建立了平均孤子或?qū)б行墓伦幽Ｐ图皠?dòng)態(tài)孤子和絕熱孤子傳輸方案，確立了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本模式。 2. 色散管理孤子 經(jīng)過(guò)十余年對(duì)孤子脈沖傳輸研究，探索了各種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方案和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，解決了許多關(guān)鍵技術(shù)，脈沖在光纖中傳輸時(shí)所產(chǎn)生的色散、損耗和非線(xiàn)性是公認(rèn)的三大影響孤子脈沖傳輸?shù)囊蛩?，摻鉺光纖放大器(E

48、DFA)問(wèn)世后，損耗問(wèn)題已經(jīng)得到很好的解決。但是隨著孤子脈沖源脈寬的越來(lái)越窄，色散作用越來(lái)越影響孤子的傳輸，于是對(duì)色散進(jìn)行補(bǔ)償成為一個(gè)緊要的技術(shù)，現(xiàn)在光孤子通信系統(tǒng)的色散補(bǔ)償大體有兩類(lèi)技術(shù)：一類(lèi)是弱色散和局部色散補(bǔ)償；另一類(lèi)是周期性全局強(qiáng)色散補(bǔ)償。,3. 光孤子通信實(shí)用化研究進(jìn)程 歐共體各國(guó)協(xié)同組建了多項(xiàng)孤子發(fā)展項(xiàng)目，歐洲各相關(guān)光通信公司、研究所和大學(xué)基本上都參加了其項(xiàng)目研究，下表給出了其中三個(gè)項(xiàng)目的基本情況。,6.4 相干光通信 p154,6.4.1 相干光通信的概念及原理 相干光通信系統(tǒng)可以把光頻段劃分為許多頻道，從而使光頻段得到充分利用，即多信道光纖通信。 與強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)系統(tǒng)不同，相

49、干光纖通信系統(tǒng)在光接收機(jī)中增加了外差或零差接收所需的本地振蕩光源，該光源輸出的光波與接收到的已調(diào)光波在滿(mǎn)足波前匹配和偏振匹配的條件下，進(jìn)行光電混頻。 如圖6.4.1-1所示，光源發(fā)出頻率為fs的光脈沖，通過(guò)調(diào)制器將已經(jīng)變成電信號(hào)的信號(hào)源調(diào)制到光脈沖包絡(luò)上，通過(guò)長(zhǎng)距離線(xiàn)路傳輸后，到達(dá)接收端，接收端采用外差技術(shù)，首先通過(guò)耦合器將光信號(hào)和本振光源信號(hào)同時(shí)送到光電檢測(cè)器接收，本振光源頻率為fs+fIF，信號(hào)光和本振光在滿(mǎn)足波前匹配和偏振匹配的條件下混頻，得到頻率為fIF的中頻信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后送到解調(diào)器解調(diào)，最終到達(dá)接收電路完成通信過(guò)程。,圖6.4.1-1 相干光通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖,圖6.4.1

50、-2 相干檢測(cè)原理方框圖,相干光通信系統(tǒng)靈敏度的提高主要是因?yàn)樗捎昧吮镜卣袷幍玫搅艘欢ǖ脑鲆?，根?jù)無(wú)線(xiàn)電知識(shí)中外差接收技術(shù)知識(shí)可以得到光電檢測(cè)器的電流： 式中：為光電檢測(cè)量子效率，h為普朗克常量，e為電子電量，f為光頻率，Ps為信號(hào)光功率，PL為本振光功率，m為調(diào)制系數(shù)，(t-g)為群延時(shí)，s、L和s、L分別為信號(hào)光和本振光的角頻率和相位。,6.4.2 相干光通信關(guān)鍵技術(shù) 1. 光源技術(shù) 相干光纖通信系統(tǒng)中對(duì)信號(hào)光源和本振光源的要求比較高，它要求光譜線(xiàn)窄、頻率穩(wěn)定度高。 2.調(diào)制技術(shù) 一般相干光通信的光調(diào)制有半導(dǎo)體激光器直接調(diào)制和光波導(dǎo)型外調(diào)制兩種。半導(dǎo)體激光器直接調(diào)制技術(shù)一般是采用具有動(dòng)態(tài)單縱模特性的DFB激光器來(lái)進(jìn)行直接調(diào)制，采用該技術(shù)在調(diào)制過(guò)程中可以使光譜保持良好的窄譜特性，同時(shí)頻率也較穩(wěn)定。,3. 接收技術(shù) 相干光通信的接收技術(shù)包括兩部分，一部分