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第5章光纖通信新技術(shù) 光纖通信 張樹東zhangsd2 光信息科學(xué)與技術(shù)曲阜師范大學(xué)物理工程學(xué)院 第5章光纖通信新技術(shù) 5 1光放大器5 2光復(fù)用技術(shù)5 3 光交換技術(shù)5 4 光孤子通信5 5 相干光通信技術(shù) 5 1光放大器 5 1 1光放大器概述5 1 2半導(dǎo)體光放大器SOA5 1 3摻鉺光纖放大器EDFA5 1 4光纖拉曼放大器FRA Anopticalamplifierisadevicewhichamplifiestheopticalsignaldirectlywithouteverchangingittoelectricity Thelightitselfisamplified 即直接對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大的有源器件 1 OpticalAmplifier OA 5 1 1光放大器概述 5 1光放大器 可靠性 Reliability 靈活性 Flexibility 波復(fù)用 WavelengthDivisionMultiplexing WDM 低成本 LowCost TraditionalOpticalCommunicationSystem Losscompensation Repeatersatevery20 50km 5 1 1光放大器概述 5 1光放大器 Genericopticalamplifier AllOAsbasedonstimulatedemissionofradiation aslasers incontrasttospontaneousemission Stimulatedemissionyieldscoherentradiation emittedphotonsareperfectclones 2 光放大器的原理 5 1 1光放大器概述 5 1光放大器 半導(dǎo)體光放大器 SOA SemiconductorOpticalAmplifier 3 光放大器的類型 按工作機(jī)理分類 5 1 1光放大器概述 5 1光放大器 諧振式 如FPA Fabry PerotAmplifier 行波式 如TW SOA TravelingWave SOA 光纖放大器 FA FiberAmplifier 摻雜稀土元素光纖放大器 DFA Doped FiberAmplifier EDFA Erbium DopedFiberAmplifierPDFA Praseodynium DopedFiberAmplifier 非線性光纖放大器 FRA FiberRamanAmplifier FBA FiberBrillouinAmplifier 幾種光放大器的比較 5 1 1光放大器概述 5 1光放大器 4 光放大器的主要性能參數(shù) 光增益特性飽和輸出功率工作帶寬噪聲系數(shù)增益平坦度等 5 1 1光放大器概述 5 1光放大器 1 放大器的增益 Gain 光增益與頻率和強(qiáng)度的具體關(guān)系取決于放大器增益介質(zhì)的特性 均勻展寬二能級(jí)模型介質(zhì)的增益系數(shù) 5 1 1光放大器概述 5 1光放大器 放大器輸出與輸入光信號(hào)功率之比 光功率沿增益區(qū)的分布 5 1 1光放大器概述 5 1光放大器 其中增益帶寬 放大器帶寬 2 飽和輸出功率 5 1 1光放大器概述 5 1光放大器 當(dāng)P增大至與Pa比擬 則g w 下降 G w 也下降 此現(xiàn)象為 增益飽和 定義為增益特性下降至3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出光功率為飽和輸出功率 G0為小信號(hào)時(shí)的增益 3 放大器的噪聲 Noise Atypicaloutputsignalat1540nmwithASEnoise 噪聲使信號(hào)放大后的信噪比下降 常用光放大器噪聲指數(shù)Fn來量度SNR下降程度 5 1 1光放大器概述 5 1光放大器 主要來自放大器的放大自發(fā)輻射 ASE AmplifiedSpontaneousEmission 即增益介質(zhì)中電子 空穴的自發(fā)復(fù)合 光放大器特性比較 5 1 1光放大器概述 5 1光放大器 線路放大 In line 周期性補(bǔ)償各段光纖損耗 功率放大 Boost 增加入纖功率 延長(zhǎng)傳輸距離 前置預(yù)放大 Pre Amplify 提高接收靈敏度 局域網(wǎng)的功率放大器 補(bǔ)償分配損耗 增大網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù) 5 光放大器的應(yīng)用 5 1 1光放大器概述 5 1光放大器 5 1練習(xí)題 1 1 傳統(tǒng)O E O光放大器必須具有所謂的 3R 功能 這里 3R 指代表什么 2 光放大器OA有哪些類型 3 光放大器OA有哪些應(yīng)用 畫出作為線路放大的示意圖 5 1光放大器 5 1 1光放大器概述5 1 2半導(dǎo)體光放大器SOA5 1 3摻鉺光纖放大器EDFA5 1 4光纖拉曼放大器FRA 半導(dǎo)體光放大器 SOA SemiconductorOpticalAmplifier 5 1光放大器 5 1 2半導(dǎo)體光放大器SOA 一種結(jié)構(gòu)類似于普通的半導(dǎo)體激光器的光放大器 與激光器的相同 即通過受激發(fā)射放大入射光信號(hào) 光放大器只是一個(gè)沒有反饋的激光器 其核心是當(dāng)放大器被光或電泵浦時(shí) 使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)獲得光增益 該增益通常不僅與入射信號(hào)的頻率有關(guān) 而且與放大器內(nèi)任一點(diǎn)的局部光強(qiáng)有關(guān) 該頻率和光強(qiáng)與光增益的關(guān)系又取決于放大器介質(zhì) 1 半導(dǎo)體光放大器的原理 5 1光放大器 5 1 2半導(dǎo)體光放大器SOA 根據(jù)光放大器端面反射率和工作偏置條件 將半導(dǎo)體光放大器分為 法布里 珀羅放大器 FP SOA 行波放大器 TW SOA 半導(dǎo)體光放大器的放大特性主要決定于激光腔的反射特性與有源層的介質(zhì)特性 5 1光放大器 5 1 2半導(dǎo)體光放大器SOA 沒有反饋的激光器 其核心是當(dāng)放大器被光或電泵浦時(shí) 使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)獲得光增益 2 行波半導(dǎo)體光放大器 TW SOA 5 1光放大器 5 1 2半導(dǎo)體光放大器SOA 3 F P半導(dǎo)體光放大器 FP Fabry Poret SOA 5 1光放大器 5 1 2半導(dǎo)體光放大器SOA 半導(dǎo)體激光器由于在解理面存在反射 當(dāng)偏流低于閾值時(shí)是放大器 F P諧振腔反射率R越大 SOA的增益越大 但是 當(dāng)R超過一定值后 光放大器將變?yōu)榧す馄?當(dāng)GsR 1時(shí) SOA產(chǎn)生激光發(fā)射 不同反射率時(shí)的F PSOA的增益頻譜 5 1光放大器 5 1 2半導(dǎo)體光放大器 減小端面反射反饋 就可以制出行波半導(dǎo)體光放大器 習(xí)慣當(dāng)GSR 0 17時(shí) 將SOA看作行波放大器 減小反射率的方法 F P半導(dǎo)體光放大器 5 1光放大器 5 1 2半導(dǎo)體光放大器 法布里 玻羅放大器 F PA 和行波放大器 TWA 的帶寬比較 行波光放大器的增益與波長(zhǎng)的關(guān)系 4 SOA帶寬和增益頻譜 5 1光放大器 5 1 2半導(dǎo)體光放大器 兩個(gè)放大器并接 兩個(gè)結(jié)平面相互垂直的放大器串接 起因 由于半導(dǎo)體有源層的橫截面呈扁長(zhǎng)方形 對(duì)橫向 長(zhǎng)方形的寬邊方向 和豎向 長(zhǎng)方形的窄邊方向 的光場(chǎng)約束不同 光場(chǎng)在豎向的衍射泄漏強(qiáng)于橫向 因而豎向的光增益弱于橫向 5 減小偏振態(tài)對(duì)SOA增益影響 5 1光放大器 5 1 2半導(dǎo)體光放大器 法拉第旋轉(zhuǎn)器加反射鏡 信號(hào)通過同一個(gè)放大器兩次 但是兩次間的極化旋轉(zhuǎn)了 使得總增益與偏振態(tài)無關(guān) 5 1光放大器 5 1 2半導(dǎo)體光放大器 5 1練習(xí)題 2 1 何謂半導(dǎo)體光放大器 描述其工作原理 5 1光放大器 5 1 1光放大器概述5 1 2半導(dǎo)體光放大器SOA5 1 3摻鉺光纖放大器EDFA5 1 4光纖拉曼放大器FRA 摻雜光纖放大器利用摻入石英光纖的稀土離子作為增益介質(zhì) 在泵浦光的激發(fā)下實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的放大 放大器的特性主要由摻雜元素決定 鉺 Er 摻雜光纖放大器 EDFA 1550nm鐠 Pr 摻雜光纖放大器 PDFA 1300nm銩 Tm 摻雜光纖放大器 TDFA 1400nm 目前 EDFA最為成熟 是光纖通信系統(tǒng)必備器件 5 1光放大器 5 1 3摻鉺光纖放大器EDFA 摻鉺光纖 鉺離子在光纖制造過程中被摻入光纖芯中 作為增益介質(zhì)半導(dǎo)體泵浦二極管 為信號(hào)放大提供足夠的能量 使物質(zhì)達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 波分復(fù)用耦合器 將信號(hào)光和泵浦光合路進(jìn)入摻鉺光纖中 光隔離器 使光傳輸具有單向性 放大器不受發(fā)射光影響 保證穩(wěn)定工作 1 摻鉺光纖放大器 EDFA 結(jié)構(gòu) 5 1光放大器 5 1 3摻鉺光纖放大器EDFA 監(jiān)視和 告警電路 泵浦監(jiān)視 和控制電路 泵浦 LD P D 探測(cè)器 泵浦 LD 輸入隔離器 輸入 WDM 輸出耦合器 輸出隔離器 輸出 WDM 摻鉺 光纖 熱沉 光輸入 5V 0V 5V 電源 監(jiān)視 激光器驅(qū)動(dòng)輸入 光輸出 實(shí)用光纖放大器外形圖及其構(gòu)成方框圖 5 1光放大器 5 1 3摻鉺光纖放大器EDFA 鉺離子濃度與b a的關(guān)系 摻鉺光纖結(jié)構(gòu)和折射率分布 2 摻鉺光纖結(jié)構(gòu) 5 1光放大器 5 1 3摻鉺光纖放大器EDFA EDFA采用摻鉺離子單模光纖為增益介質(zhì) 在泵浦光作用下產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 在信號(hào)光誘導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)受激輻射放大 信號(hào)光與波長(zhǎng)較其為短的光波 泵浦光 同沿光纖傳輸 泵浦光的能量被光纖中的稀土元素離子吸收而使其躍遷至更高能級(jí) 并可通過能級(jí)間的受激發(fā)射轉(zhuǎn)移為信號(hào)光的能量 信號(hào)光沿光纖長(zhǎng)度得到放大 泵浦光沿光纖長(zhǎng)度不斷衰減 3 EDFA的工作原理 5 1光放大器 5 1 3摻鉺光纖放大器EDFA EDFA中的Er3 能級(jí)結(jié)構(gòu) 泵浦波長(zhǎng)可以是520 650 800 980 1480nm波長(zhǎng)短于980nm的泵浦效率低 因而通常采用980和1480nm泵浦 鉺離子能級(jí)受石英材料的作用而分裂為窄能帶 吸收泵浦光 快速非輻射躍遷 光放大受激輻射 產(chǎn)生噪聲自發(fā)輻射 受激吸收 基態(tài)能帶 泵浦能帶 980nm 1480nm 亞穩(wěn)態(tài)能帶 1550nm 5 1光放大器 5 1 3摻鉺光纖放大器EDFA EDFA中的Er3 能級(jí)結(jié)構(gòu) 5 1光放大器 5 1 3摻鉺光纖放大器EDFA 同向泵浦 前向泵浦 型 好的噪聲性能 反向泵浦 后向泵浦 型 輸出信號(hào)功率高 雙向泵浦型 輸出信號(hào)功率比單泵浦源高3dB 且放大特性與信號(hào)傳輸方向無關(guān) 三種泵浦方式的EDFA 5 1光放大器 5 1 3摻鉺光纖放大器EDFA 增益G是描述光放大器對(duì)信號(hào)放大能力的參數(shù) 定義為 輸出信號(hào)光功率 輸入信號(hào)光功率 G與EDFA的增益與鉺離子濃度 摻鉺光纖長(zhǎng)度 芯徑和泵浦功率有關(guān) 4 EDFA的增益 5 1光放大器 5 1 3摻鉺光纖放大器EDFA 小信號(hào)增益G 30dB時(shí) 增益 輸入光功率的典型依存關(guān)系 5 1光放大器 5 1 3摻鉺光纖放大器EDFA 輸出信號(hào)功率與泵浦功率的關(guān)系 轉(zhuǎn)換效率 輸出信號(hào)功率 泵浦功率 吸收效率 信號(hào)輸出功率 信號(hào)輸入功率 泵浦功率 EDFA有很高的轉(zhuǎn)換效率 適合作功率放大器 60mW功率泵浦時(shí) 吸收效率為88 5 1光放大器 5 1 3摻鉺光纖放大器EDFA 工作波長(zhǎng)正好落在光纖通信最佳波段 1500 1600nm 其主體是一段光纖 EDF 與傳輸光纖的耦合損耗很小 可達(dá)0 1dB 增益高 約為30 40dB 飽和輸出光功率大 約為10 15dBm 增益特性與光偏振狀態(tài)無關(guān) 噪聲指數(shù)小 一般為4 7 用于多信道傳輸時(shí) 隔離度大 無串?dāng)_ 適用于波分復(fù)用系統(tǒng) 頻帶寬 在1550nm窗口 頻帶寬度為20 40nm 可進(jìn)行多信道傳輸 有利于增加傳輸容量 5 EDFA的優(yōu)點(diǎn) 5 1光放大器 5 1 3摻鉺光纖放大器EDFA 5 1練習(xí)題 3 1 何謂摻鉺光纖 2 摻鉺光纖放大器用于放大哪個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào) 3 畫出摻鉺光纖放大器中鉺離子的能級(jí)示意圖 標(biāo)出能級(jí)間的受激吸收和受激輻射過程 并借此說明光纖放大器的工作原理 5 1光放大器 5 1 1光放大器概述5 1 2半導(dǎo)體光放大器SOA5 1 3摻鉺光纖放大器EDFA5 1 4光纖拉曼放大器FRA 1 光纖拉曼放大器工作原理 5 1光放大器 5 1 4光纖拉曼放大器FRA 光纖拉曼放大器 FRA FiberRamanAmplifier 是靠非線性受激Raman散射 SRS StimulatedRamanScattering 效應(yīng)實(shí)現(xiàn)放大功能 不需要能級(jí)間粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 自發(fā)Raman散射和受激Raman散射 SRS 效應(yīng) RamanScattering StimulatedRamanscattering 5 1光放大器 5 1 4光纖拉曼放大器FRA 弱泵浦 散射光各向同性 強(qiáng)泵浦 散射光與泵浦光同向 反向 一個(gè)弱信號(hào)光與一個(gè)強(qiáng)泵浦光同時(shí)在一根光纖中傳輸弱信號(hào)光的波長(zhǎng)在泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)強(qiáng)泵浦光的能量通過受激拉曼散射耦合到光纖硅材料的振蕩模中 然后又以較長(zhǎng)的波長(zhǎng)發(fā)射 該波長(zhǎng)就是信號(hào)光的波長(zhǎng) 從而使弱信號(hào)光得到放大 獲得拉曼增益 FRAprinciple 5 1光放大器 5 1 4光纖拉曼放大器FRA 光纖 a 無泵激光的1550nm傳輸 5 1光放大器 5 1 4光纖拉曼放大器FRA 泵浦方式 反向泵浦為主 也可同向泵浦 放大介質(zhì) FRA以傳輸光纖作為放大介質(zhì) 分布式放大 從而實(shí)現(xiàn)一種 無損耗 傳輸 可降低入纖光功率 避免非線性效應(yīng) 放大范圍 通過適當(dāng)改變泵浦激光波長(zhǎng) 就可以達(dá)到在任意波段進(jìn)行寬帶光放大 甚至可在1270 1670nm整個(gè)波段內(nèi)提供放大 泵浦功率 要求泵浦源有較高的輸出功率 2 光纖拉曼放大器的特點(diǎn) 5 1光放大器 5 1 4光纖拉曼放大器FRA 分布放大 分立放大 3 分布 分立拉曼放大器 DRA 5 1光放大器 5 1 4光纖拉曼放大器FRA 小信號(hào)光在長(zhǎng)光纖內(nèi)的喇曼增益 泵浦功率為200mW時(shí) 最大增益值為7 78dB泵浦功率為100mW時(shí) 最大增益值為3 6dB 在增益峰值附近的增益帶寬約為7 8THz 4 光纖拉曼放大器的喇曼增益 5 1光放大器 5 1 4光纖拉曼放大器FRA 機(jī)制 拉曼增益與泵浦波長(zhǎng)相關(guān)方法 多波長(zhǎng)泵浦增益 各個(gè)泵浦波長(zhǎng)拉曼增益譜的加權(quán)和 以dB為單位 1495nm1465nm1480nm1450nm1455 5nm1485 5nm1472 5nm1502 5nm PLC MZItypeopticalcombiner LD FBG 5 光纖拉曼放大器的寬帶放大 5 1光放大器 5 1 4光纖拉曼放大器FRA 多波長(zhǎng)泵浦增益頻譜 5 1光放大器 5 1 4光纖拉曼放大器FRA 6 寬帶Raman EDFA光放大器 5 1光放大器 5 1 4光纖拉曼放大器FRA Raman EDFA光放大器增益曲線 Ultraflatamplifier 5 1光放大器 5 1 4光纖拉曼放大器FRA 5 1練習(xí)題 4 1 自發(fā)RAMAN效應(yīng)和受激RAMAN效應(yīng)有何不同 2 光纖拉曼放大器FRA的泵浦光波長(zhǎng)與需要放大的通信波長(zhǎng)之間有什么樣的關(guān)系 3 FRA工作時(shí)需要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)嗎 為什么 第5章光纖通信新技術(shù) 5 1光放大器5 2光復(fù)用技術(shù)5 3 光交換技術(shù)5 4 光孤子通信5 5 相干光通信技術(shù) 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 WDM 5 2 2光時(shí)分復(fù)用 OTDM 5 2 3光碼分復(fù)用 OCDM 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 1 多信道復(fù)用光纖通信技術(shù) 在光域內(nèi)進(jìn)行時(shí)間分割復(fù)用 使不同的信道占用不同的時(shí)隙 在單根光纖完成多信道復(fù)用 由于需要全光邏輯和存儲(chǔ)器件 該技術(shù)還在研究之中 1 光波分復(fù)用 OWDM 技術(shù) 在光域內(nèi)進(jìn)行波長(zhǎng)分割復(fù)用 使不同的信道占用不同的波長(zhǎng) 在單根光纖完成多信道復(fù)用 該技術(shù)已經(jīng)實(shí)用化 2 光時(shí)分復(fù)用 OTDM 技術(shù) 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 3 光碼分復(fù)用 OCDM 技術(shù) 在光域內(nèi)進(jìn)行碼型分割復(fù)用 用不同的碼型代表不同的信道 在單根光纖完成多信道復(fù)用 該技術(shù)尚在研究之中 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 1 密集波分復(fù)用DWDM 2 WDM若干概念 頻率間隔100GHz 波長(zhǎng)間隔約0 80nm 信道數(shù)8 16 32 40 頻率間隔200GHz 波長(zhǎng)間隔約1 60nm 信道數(shù)8 16 2 粗波分復(fù)用CWDM 波長(zhǎng)間隔20nm 頻率間隔約2 50THz 信道數(shù)4 8 16 3 寬帶波分復(fù)用BWDM 不在同一低損耗窗口的兩個(gè)波長(zhǎng)的復(fù)用 如1310 1550nm 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 4 光頻分復(fù)用OFDM 在1550nm窗口 頻率間隔1 10GHz 波長(zhǎng)間隔約0 008 0 080nm 的復(fù)用 目前在電信界都采用DWDM技術(shù) 且經(jīng)常用WDM這個(gè)更廣義的名稱來代替DWDM 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 正成為國際上長(zhǎng)途高速光纖通信線路的主要技術(shù)方向 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 Transmissionwindows 2 64Tb s高密集WDM傳輸實(shí)驗(yàn) 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 3 WDM系統(tǒng)的基本形式 1 雙纖單向WDM傳輸 所有光通路同時(shí)在一根光纖上沿同一方向傳送 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 2 單纖雙向WDM傳輸 光通路在一根光纖上同時(shí)向兩個(gè)不同的方向傳輸 所用波長(zhǎng)相互分開 以實(shí)現(xiàn)雙向全雙工的通信 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 4 波分復(fù)用系統(tǒng)的性能指標(biāo) 1 信道中心波長(zhǎng) 每個(gè)信道內(nèi)分配給光源的波長(zhǎng) 2 信道帶寬 每個(gè)信道內(nèi)分配給光源的波長(zhǎng)范圍 3 信道間隔 相鄰信道的波長(zhǎng)間隔 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 隔離度的倒數(shù)稱為串?dāng)_ Crosstalk 4 信道隔離度 ChannelIsolation 由一個(gè)信道耦合到另一個(gè)信道的信號(hào)大小 隔離度定義 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 MUX DMUX l1 l4 l1 l4 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 5 插入損耗 li光通道的插入損耗 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 MUX DMUX l1 l4 l1 l4 其中Pi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 回波損耗是指從無源器件的輸入端口返回的光功率與輸入光功率的比 即RL ReturnLoss 6 回波損耗 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 7 偏振相關(guān)損耗 PDL Polarization dependentLoss 由于偏振態(tài)的變化所造成的插入損耗的最大變化值 5 2練習(xí)題 1 1 WDM DWDM CWDM BWDM 和OFDM有何異同 2 波分復(fù)用系統(tǒng)的主要特性指標(biāo)有哪些 3 畫出單纖雙向WDM傳輸系統(tǒng)示意框圖 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 5 光波分復(fù)用器的器件 1 光纖耦合型器件 熔錐式光纖耦合器 將并排放置的兩根或多根光纖的一定長(zhǎng)度部位扭絞在一起 將扭絞處逐漸燒成熔融狀態(tài) 同時(shí)慢慢拉伸光纖 使扭絞部位形成雙錐形耦合區(qū) 在耦合區(qū)內(nèi)各個(gè)光纖的包層變薄 纖芯彼此靠近 根據(jù)靠近程度的不同 可以形成光場(chǎng)之間的強(qiáng) 弱耦合 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 將兩根光纖一定長(zhǎng)度部位的包層一側(cè)研磨拋光 將兩根光纖并排放置使研磨拋光部位面對(duì)面緊貼在一起 在它們之間涂有一層折射率匹配液 形成耦合區(qū)域 在該區(qū)域能夠產(chǎn)生光場(chǎng)之間的耦合 根據(jù)包層研磨變薄程度的不同 也可以產(chǎn)生光場(chǎng)之間的強(qiáng) 弱耦合 研磨式光纖耦合器 1 2和3 4為直通臂 1 3和2 4為耦合臂 2 2耦合器 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 光經(jīng)耦合器后 功率平均分配在兩臂上 但在兩臂上的信號(hào)有90度的相差 即直通臂相差為0 耦合臂相差為90度 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 z為耦合區(qū)軸向坐標(biāo) b為傳播常熟 g為光纖耦合系數(shù) 設(shè)計(jì)使得 gz p 4 則I2 I3 故稱3dB耦合器 理論計(jì)算給出 輸出光波的電場(chǎng)強(qiáng)度為 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 8 8星形耦合器 2 2耦合器組成的星形耦合器 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 2 角度色散型器件 棱鏡色散復(fù)用器 棱鏡對(duì)不同波長(zhǎng)的光有不同的折射角 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 衍射光柵色散復(fù)用器 不同波長(zhǎng)光的衍射角不一樣 透射光柵 普通透鏡反射光柵 漸變折射率透鏡反射光柵 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 普通透鏡反射光柵 光纖 硅衍射光柵 普通透鏡 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 陣列波導(dǎo)光柵 AWG 復(fù)用器 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 由2個(gè)多端口耦合器和陣列波導(dǎo)組成的解復(fù)用器 設(shè)計(jì)采用對(duì)稱結(jié)構(gòu) 根據(jù)互易性 可實(shí)現(xiàn)分波和合波功能 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 3 光干涉型器件 介質(zhì)膜濾波式由多層介質(zhì)薄膜構(gòu)成 其中高折射率層和低折射率層交替疊合 介質(zhì)膜濾波式波分復(fù)用器 多光束干涉 相鄰反射 透射 光線的相位差 不含相位突變 為 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 合理設(shè)計(jì)各個(gè)腔的厚度 使得不同波長(zhǎng)的光線以同一角度入射時(shí) 通過多層介質(zhì)膜 某個(gè)波長(zhǎng)光只在某個(gè)特定的F P腔有最大的透射輸出 介質(zhì)膜干涉屬于多光束干涉 又稱Fabry Perot干涉 三層介質(zhì)膜結(jié)構(gòu)稱為一個(gè)F P腔 多個(gè)F P腔級(jí)聯(lián)構(gòu)成多層介質(zhì)膜 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 微結(jié)構(gòu)型多層介質(zhì)膜波分復(fù)用器原理固 用自聚焦透鏡代替使反射 或透射 光線會(huì)聚的傳統(tǒng)透鏡 將介質(zhì)膜鍍?cè)谧跃劢雇哥R的端面上 形成微結(jié)構(gòu)型的介質(zhì)膜波分復(fù)用器 自聚焦透鏡是一種圓柱棒狀微型光學(xué)元件 其折射率分布與自聚焦光纖相同 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 馬赫 曾德爾 Mach Zehnder 干涉式波分復(fù)用器 馬赫 曾德爾干涉式波分復(fù)用器是利用M Z干涉儀兩個(gè)不同長(zhǎng)度的光路 提供相移隨波長(zhǎng)的依賴關(guān)系 使得分別從干涉儀兩個(gè)輸入端口射入的兩波長(zhǎng)光線 能夠從一個(gè)輸出端口射出 即合波 或者使得從干涉儀一個(gè)輸入端口射入的兩波長(zhǎng)光線 能夠分別從兩個(gè)輸出端口射出 即分波 馬赫 曾德爾 Mach Zehnder 干涉儀 當(dāng)兩列干涉臂的光程完全相等 考慮光波在半透半反鏡反射產(chǎn)生的半波損失 可知 光檢測(cè)器1的光路上有相長(zhǎng)干涉光檢測(cè)器2的光路上有相消干涉 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 MZI 雙臂干涉 雙臂位相差 上臂位相 下臂位相 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 同理 雙臂位相差 上臂位相 下臂位相 雙臂位相差 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 若波長(zhǎng)滿足 雙臂位相差 則4端干涉相長(zhǎng) 3端干涉相消 若波長(zhǎng)滿足 則3端干涉相長(zhǎng) 4端干涉相消 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 MZI 雙臂干涉 l1 l2從1端輸入 且滿足 l1從4端出 l2從3端出 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 一般式 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 級(jí)聯(lián)M Z干涉分 濾 波器 輸入光波的頻率間隔必須精確地控制在 Dv 2 的整數(shù)倍 光信道間隔 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 5 2練習(xí)題 2 1 光纖耦合器的分波原理是什么 何謂3dB耦合器 2 畫出由4個(gè)2 2耦合器級(jí)聯(lián)構(gòu)成4 4耦合器的連線圖 3 波分復(fù)用器件有哪三種類型 各包含哪些器件 4 畫出M Z干涉型波分復(fù)用器原理圖 如果作為l1 l2的分路器使用 說明其分波過程 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 6 光波分復(fù)用系統(tǒng)對(duì)光纖的新要求 1 制約波分復(fù)用系統(tǒng)的主要因素 偏振模色散 PMD PolarizationModeDispersion 單模光纖的幾何形狀不完善和折射率分布不對(duì)稱 使光纖中基模的兩個(gè)正交極化分量在光纖中傳播速度不一致 產(chǎn)生傳播時(shí)延差 引起光脈沖展寬的現(xiàn)象 稱為偏振模色散 平均時(shí)延差 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 高階色散 光纖色散與光波長(zhǎng)的二階及二階以上的變化關(guān)系 稱為高階色散 通常 用零色散波長(zhǎng)附近范圍內(nèi)的色散斜率來反映高階色散的大小 稱為零色散斜率 零色散斜率的定義式為 單位ps nm2 km 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 非線性效應(yīng) 光纖折射率與光波電場(chǎng)強(qiáng)度的二階和二階以上的變化關(guān)系 稱為非線性效應(yīng) 自相位調(diào)制 SPM 交叉相位調(diào)制 XPM 四波混頻 FWM 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 2 新型光纖的推出 大有效面積光纖 LEAF LargeEffectiveAreaFiber 在高功率傳輸系統(tǒng)中 增加光纖的有效面積 可以有效地降低光纖中光功率密度 減小非線性效應(yīng) Aeff 100mm2 朗訊公司 全波單模光纖G 652C 低水峰光纖 低水峰光纖 在1280 1625nm范圍內(nèi)的損耗趨于平坦 大大拓寬了光纖的可用帶寬 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 美國貝爾實(shí)驗(yàn)室 低色散斜率G 655真波 TrueWave 光纖 低色散斜率光纖 色散斜率在0 05ps nm2 km 以下 PMD應(yīng)低于0 5ps km1 2 低雙折射光纖 為降低PMD 制成低雙折射單模光纖G 652B 5 2練習(xí)題 3 1 制約波分復(fù)用系統(tǒng)的主要因素有哪些 2 為滿足光波分復(fù)用系統(tǒng)對(duì)光纖的新要求 有哪些新型光纖推出 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 WDM 5 2 2光時(shí)分復(fù)用 OTDM 5 2 3光碼分復(fù)用 OCDM 光時(shí)分復(fù)用 OTDM 是一種構(gòu)成高比特率傳輸很有效的技術(shù) 它在系統(tǒng)發(fā)送端光學(xué)復(fù)用幾個(gè)低比特率數(shù)據(jù)流 在接收端用光學(xué)方法把它解復(fù)用出來 這種方法避開使用高速電子器件而改用寬帶光電器件 5 2 2光時(shí)分復(fù)用 OTDM 5 2光復(fù)用技術(shù) 1 光時(shí)分復(fù)用 5 2 2光時(shí)分復(fù)用 OTDM 5 2光復(fù)用技術(shù) 該系統(tǒng)的E O和O E轉(zhuǎn)換器 即光發(fā)射機(jī)和接收機(jī) 已變成基帶信號(hào) 與信號(hào)處理有關(guān)的所有電子設(shè)備均工作在基帶比特速率下 不存在電子瓶頸問題 光時(shí)分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)示意圖 N個(gè)入射到復(fù)合器的光信號(hào)是RZ脈沖流 該脈沖流周期為B 脈沖寬度為T 使用延遲線對(duì)輸入脈沖流在時(shí)間上進(jìn)行調(diào)整 使加于光復(fù)用器上的每個(gè)信道的脈沖流依次延遲一段時(shí)間Td 5 2光復(fù)用技術(shù) 2 光時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)的定時(shí)原理圖 5 2 2光時(shí)分復(fù)用 OTDM 表示一個(gè)電主時(shí)鐘發(fā)生器被n個(gè)光脈沖發(fā)生器共用 在電時(shí)鐘路徑上 使用電延遲器件對(duì)輸入脈沖流延時(shí) 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 2光時(shí)分復(fù)用 OTDM 3 光時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)的復(fù)合過程 由多個(gè)光源構(gòu)成的復(fù)用線路 在光信號(hào)路徑上 使用光延遲器件對(duì)輸入脈沖流延時(shí) 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 2光時(shí)分復(fù)用 OTDM 由一個(gè)光源構(gòu)成的復(fù)用線路 構(gòu)成光解復(fù)用器的基本器件是1 2光開關(guān) 對(duì)于多信道系統(tǒng) 連接多個(gè)1 2光開關(guān)可以構(gòu)成大容量的解復(fù)用交換網(wǎng)絡(luò) 5 2光復(fù)用技術(shù) 4 光時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)的解復(fù)合過程 四信道解復(fù)用原理圖 5 2 2光時(shí)分復(fù)用 OTDM 5 2光復(fù)用技術(shù) 5 2 1光波分復(fù)用 WDM 5 2 2光時(shí)分復(fù)用 OTDM 5 2 3光碼分復(fù)用 OCDM 5 2 3光碼分復(fù)用 OCDM 5 2光復(fù)用技術(shù) 1 光碼分復(fù)用 給每個(gè)信道分配一個(gè)唯一的地址碼 該信道就以該密鑰作為信道的地址碼 對(duì)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行編碼 實(shí)現(xiàn)信道復(fù)用 接收機(jī)使用與發(fā)送端相同的編碼規(guī)則進(jìn)行反變換 即進(jìn)行光解碼 實(shí)現(xiàn)信道的解復(fù)用 對(duì)信號(hào)頻譜壓縮 恢復(fù)原來的數(shù)據(jù)信號(hào) 5 2 3光碼分復(fù)用 OCDM 5 2光復(fù)用技術(shù) 2 光碼分多址網(wǎng)絡(luò)編 解碼技術(shù) 直接編碼 跳時(shí)編碼 跳頻編碼 5 2光復(fù)用技術(shù) 直接編碼OCDM系統(tǒng) 使用7個(gè)比特 1001101 的密鑰對(duì)數(shù)據(jù)的每個(gè)比特進(jìn)行編碼 接收機(jī)使用相同的密鑰對(duì)接收到的編碼信號(hào)解碼 從而恢復(fù)原來的信息 5 2 3光碼分復(fù)用 OCDM OCDM光纖網(wǎng)絡(luò)中的用戶可采用同一工作波長(zhǎng) 所用設(shè)備可規(guī)格化 便于制造和維護(hù) 無須采用高選擇性的濾波器或相干檢測(cè) 不會(huì)產(chǎn)生四波混頻 對(duì)光放大器的增益平坦性要求不高 網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議簡(jiǎn)單 具有潛在的應(yīng)用前景 是實(shí)現(xiàn)未來全光通信網(wǎng)絡(luò)的重要技術(shù)之一 但是信道間串話比較大 雖然CDM光波系統(tǒng)受到人們的嚴(yán)重關(guān)注 但是離實(shí)用化還相差很遠(yuǎn) 5 2光復(fù)用技術(shù) 3 對(duì)OCDMA的評(píng)價(jià) 5 2 3光碼分復(fù)用 OCDM 第5章光纖通信新技術(shù) 5 1光放大器5 2光復(fù)用技術(shù)5 3 光交換技術(shù)5 4 光孤子通信5 5 相干光通信技術(shù) 5 3光交換技術(shù) 目前的商用光纖通信系統(tǒng) 由于大量新業(yè)務(wù)的出現(xiàn)和國際互聯(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) 單信道傳輸速率已超過10Gb s 實(shí)驗(yàn)WDM系統(tǒng)的傳輸速率已超過5 38Tb s 光纖通信的需求與限制 傳統(tǒng)電子交換機(jī)的缺點(diǎn) 端口速率只有幾Mb s到幾百M(fèi)b s接口間頻繁的復(fù)用 解復(fù)用 光 電和電 光轉(zhuǎn)換設(shè)備復(fù)雜 成本高 系統(tǒng)可靠性低 全光通信的關(guān)鍵技術(shù) 異步轉(zhuǎn)移模式 ATM 可提供155Mb s或更高的速率 但電子線路的極限速率約為20Gb 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) 5 3光交換技術(shù) 光交換主要有三種方式 空分光交換 時(shí)分光交換 波分光交換 5 3光交換技術(shù) 空分光交換 5 3 1空分光交換 5 3光交換技術(shù) 使光信號(hào)的傳輸通路在空間上發(fā)生改變 空分光交換的核心器件 光開關(guān) 有電光型 聲光型和磁光型 其中電光型光開關(guān)具有開關(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 5 3 1空分光交換 5 3光交換技術(shù) 典型光開關(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 并通過對(duì)電壓的控制改變輸出通路 4個(gè)1 2光開關(guān)器件組成的2 2光交換模塊 1 2光開關(guān)器件就是Ti LiNbO3定向耦合器型光開關(guān) 只是少用了一個(gè)輸入端而已 2 2空分光交換單元 5 3光交換技術(shù) 5 3 1空分光交換 這種2 2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 通過電壓控制 可以實(shí)現(xiàn)平行連接和交叉連接 空分光交換的平行連接和交叉連接 5 3光交換技術(shù) 5 3 1空分光交換 16個(gè)1 2光開關(guān)器件或4個(gè)2 2光交換單元組成的4 4光交換單元 4 4空分光交換單元 5 3光交換技術(shù) 5 3 1空分光交換 時(shí)分光交換 5 3 2時(shí)分光交換 5 3光交換技術(shù) 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 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) 時(shí)隙互換 把時(shí)分復(fù)用幀中各個(gè)時(shí)隙的信號(hào)互換位置 復(fù)用信號(hào)經(jīng)分接器后在每條出線上依次傳輸某一個(gè)時(shí)隙的信號(hào) 經(jīng)過不同的光延遲器件 最后用復(fù)接器把這些信號(hào)重新組合起來 5 3 2時(shí)分光交換 5 3光交換技術(shù) 波分光交換 或交叉連接 5 3 3波分光交換 5 3光交換技術(shù) 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)選擇法交換 5 3 3波分光交換 5 3光交換技術(shù) 1 設(shè)波分交換機(jī)的輸入和輸出都與N條光纖相連接 每條光纖承載W個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào)2 從每條光纖輸入的光信號(hào)首先通過分波器分為W個(gè)波長(zhǎng)不同的信號(hào) 5 3 3波分光交換 5 3光交換技術(shù) 3 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 5 3 3波分光交換 5 3光交換技術(shù) 4 然后 以W個(gè)空分交換器輸出的不同波長(zhǎng)的信號(hào)再通過合波器復(fù)接到輸出光纖上 5 3 3波分光交換 5 3光交換技術(shù) 波長(zhǎng)變換法交換 5 3 3波分光交換 5 3光交換技術(shù) 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)NW NW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 5 3 3波分光交換 5 3光交換技術(shù) 第5章光纖通信新技術(shù) 5 1光放大器5 2光復(fù)用技術(shù)5 3 光交換技術(shù)5 4 光孤子通信5 5 相干光通信技術(shù) 5 4光孤子通信 孤子 Soliton 孤子 Soliton 又稱孤立波 是一種特殊形式的超短脈沖 或者說是一種在傳播過程中形狀 幅度和速度都維持不變的脈沖狀行波 ThesolitonphenomenonwasfirstdescribedbyJohnScottRussell 1808 1882 whoobservedasolitarywaveintheUnionCanalinScotland Hereproducedthephenomenoninawavetankandnameditthe WaveofTranslation 5 4光孤子通信 利用光孤子作為載體的通信方式 光孤子 Soliton 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 光孤子通信 5 4光孤子通信 在入射光以高功率入射光纖的條件下 光纖折射率n隨光強(qiáng)而變化 這種特性稱為非線性效應(yīng) 5 4 1光孤子的形成 1 非線性效應(yīng) E 0時(shí)的光纖折射率 E為電場(chǎng) V m 克爾 Kerr 效應(yīng) 克爾系數(shù)10 22 m V 2 5 4光孤子通信 2 自相位調(diào)制 SPM Self phasemodulation 光纖 L 光脈沖中光強(qiáng)為 E 2的光在光纖中的折射率變化 經(jīng)光纖L引起的相位變化 這種使脈沖不同部位產(chǎn)生不同相移的特性 稱為自相位調(diào)制 5 4 1光孤子的形成 5 4光孤子通信 SPM引起的載波頻率的變化 脈沖的光強(qiáng)頻率調(diào)制 啁啾 zhoujiu chirp 脈沖的光頻被光強(qiáng)調(diào)制 即脈沖被調(diào)頻 在脈沖的上升部分頻率降低 在脈沖的下降部分頻率升高 此現(xiàn)象稱為啁啾 Chirp 脈沖上升部分 0 頻率上移 5 4 1光孤子的形成 5 4光孤子通信 光孤子的形成 設(shè)光纖中的已調(diào)波E r z t 的頻譜在w w0處有峰值 頻譜較窄 可近似為單色平面波 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) 考慮非線性克爾效應(yīng) 傳輸常數(shù)應(yīng)寫成 P為光功率 Aeff為光纖有效截面積 5 4 1光孤子的形成 5 4光孤子通信 是折射率和光功率的函數(shù) 把 在w0和P 0附近展開成級(jí)數(shù) 5 4 1光孤子的形成 5 4光孤子通信 反映脈沖包絡(luò)線的運(yùn)動(dòng) 反映色散 反映非線性效應(yīng) 如果 2P 0 同時(shí) 0 0 適當(dāng)選擇相關(guān)參數(shù)使兩項(xiàng)絕對(duì)值相等 則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 5 4 1光孤子的形成 5 4光孤子通信 光孤子的傳播 SPM調(diào)制 紫頭紅尾 正常色散 高頻傳播慢 低頻快 光纖輸入 光纖輸出 5 4 1光孤子的形成 描述孤子傳輸所需的脈沖形狀演化 需要考慮非線性薛定鄂 NLS 方程 光纖的GVD效應(yīng) 展寬脈沖寬度 能量的損耗或增益 非線性相 展寬脈沖的頻譜 5 4光孤子通信 5 4 1光孤子的形成 N 1的基態(tài)孤子解為 雙曲正割函數(shù) 為鐘形脈沖 相位項(xiàng)不影響脈沖波形 結(jié)論 光孤子形狀與z無關(guān) 因此在時(shí)域是不彌散的 Hyperbolicsecant 5 4光孤子通信 5 4 1光孤子的形成 5 4光孤子通信 5 4 2光孤子通信系統(tǒng)構(gòu)成 系統(tǒng)構(gòu)成 孤子源是一個(gè)光孤子激光器 用來發(fā)射光孤子 調(diào)制器用來對(duì)光孤子進(jìn)行編碼 使之承載信息 5 4光孤子通信 光孤子在長(zhǎng)距離光纖線路上傳輸?shù)牟ㄐ?光孤子在5000km距離上傳輸?shù)牟ㄐ?假定光纖損耗0 2dB km 光孤子每100km被的EDFA放大一次 正好補(bǔ)償了100km光纖上20dB的損耗 盡管經(jīng)過50級(jí)EDFA放大 光孤子形狀也保特得相當(dāng)好 5 4 2光孤子通信系統(tǒng)構(gòu)成 第5章光纖通信新技術(shù) 5 1光放大器5 2光復(fù)用技術(shù)5 3 光交換技術(shù)5 4 光孤子通信5 5 相干光通信技術(shù) 目前光纖通信系統(tǒng)采用該方式 其優(yōu)點(diǎn)是 調(diào)制和解調(diào)簡(jiǎn)單 容易實(shí)現(xiàn) 因而成本較低 缺點(diǎn)是沒有利用光載波的頻率和相位信息 限制了系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提高 5 5相干光通信技術(shù) 在發(fā)射端對(duì)光載波進(jìn)行幅度 頻率或相位調(diào)制 在接收端采用零差檢測(cè)或外差檢測(cè)的通信方式 光強(qiáng)調(diào)制 直接檢測(cè) IM DD 通信 相干光通信 其優(yōu)點(diǎn)是 接收靈敏度提高 光纖帶寬得到充分利用 5 5 1相干檢測(cè)原理 光接收機(jī)接收的信號(hào)光和本地振蕩器產(chǎn)生的本振光經(jīng)混頻器作用后 光場(chǎng)發(fā)生干涉 由光檢測(cè)器輸出的光電流經(jīng)處理后 以基帶信號(hào)的形式輸出 光檢測(cè)器 電信號(hào) 處理 本地光 振蕩器 混頻器 5 5相干光通信技術(shù) 單模光纖基模HE11 本振光場(chǎng) EL ALexp i Lt L 偏振方向相同 信號(hào)光場(chǎng) ES ASexp i St S 且本振光頻率 L滿足 L S IF或 L S IF IF是中頻信號(hào)頻率 5 5 1相干檢測(cè)原理 5 5相干光通信技術(shù) EL ALexp i Lt L ES ASexp i St S L S IF或 L S IF 混頻后光檢測(cè)器輸出 光功率P與光強(qiáng) ES L 2成比例 P K ES EL 2 K為常數(shù) 根據(jù)模式理論和電磁理論計(jì)算 輸出光功率近似為 5 5 1相干檢測(cè)原理 5 5相干光通信技術(shù) P t PS PL 2cos IFt S L EL ALexp i Lt L ES ASexp i St S L S IF或 L S IF P K ES EL 2 K為常數(shù) P t PS PL 2cos IFt S L 中頻信號(hào)功率分量 5 5 1相干檢測(cè)原理 5 5相干光通信技術(shù) EL ALexp i Lt L ES ASexp i St S P t PS PL 2cos IFt S L 干涉后的瞬時(shí)光功率變化 5 5 1相干檢測(cè)原理 5 5相干光通信技術(shù) EL ALexp i Lt L ES ASexp i St S P t PS PL 2cos IFt S L 中頻信號(hào)功率分量帶有信號(hào)光的幅度 頻率或相位信息 在發(fā)射端 無論采取什么調(diào)制方式 都可以從中頻功率分量反映出來 所以 相干光接收方式是適用于所有調(diào)制方式的通信體制 相干檢測(cè)有零差檢測(cè)和外差檢測(cè)兩種方式 5 5 1相干檢測(cè)原理 5 5相干光通信技術(shù) EL ALexp i Lt L ES ASexp i St S P t PS PL 2cos IFt S L 1 零差檢測(cè) 濾去直流分量 中頻信號(hào)產(chǎn)生的光電流為 選擇 L S 即 IF 0情況下的檢測(cè) R為檢測(cè)器的響應(yīng)度 通常PL PS 本振光相位鎖定在信號(hào)光相位上 即 L S 零差檢測(cè)的信號(hào)光電流 5 5 1相干檢測(cè)原理 5 5相干光通信技術(shù) EL ALexp i Lt L ES ASexp i St S P t PS PL 2cos IFt S L 零差檢測(cè)的信號(hào)光電流 零差檢測(cè)信號(hào)平均光功率與直接檢測(cè)信號(hào)平均光功率之比為 5 5 1相干檢測(cè)原理 5 5相干光通信技術(shù) EL ALexp i Lt L ES ASexp i St S 由于PL PS 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 但是靈敏度仍然可以大幅度提高 零差檢測(cè)技術(shù)非常復(fù)雜 因?yàn)橄辔蛔兓浅ｌ`敏 必須控制相位 使 S L保持不變 同時(shí)要求 L和 S相等 5 5 1相干檢測(cè)原理 5 5相干光通信技術(shù) EL ALexp i Lt L ES ASexp i St S P t PS PL 2cos IFt S L 2 外差檢測(cè) 選擇 L S 即 IF S L 0情況下的檢測(cè) 濾去直流分量 中頻信號(hào)產(chǎn)生的光電流為 外差檢測(cè)接收光功率放大了 從而提高了靈敏度 外差檢測(cè)不需要相位鎖定 5 5 1相干檢測(cè)原理 5 5相干光通信技術(shù) 相干檢測(cè)技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)是 可以對(duì)光載波實(shí)施幅度 頻率或相位調(diào)制 5 5 2調(diào)制和解調(diào) 5 5相干光通信技術(shù) 模擬信號(hào)調(diào)制方式 幅度調(diào)制 AM 頻率調(diào)制 FM 和相位調(diào)制 PM 數(shù)字信號(hào)調(diào)制方式 幅移鍵控 ASK 頻移鍵控 FSK 和相移鍵控 PSK ASK PSK和FSK調(diào)制方式比較 5 5 2調(diào)制和解調(diào) 5 5相干光通信技術(shù) 1 幅移鍵控 ASK ASK的光場(chǎng) ES t AS t cos St S 基帶數(shù)字信號(hào)只控制光載波的幅度變化 AS S S為光場(chǎng)的幅度 角頻率和相位 在ASK中 S保持不變 只對(duì)幅度進(jìn)行調(diào)制 對(duì)于二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)調(diào)制 在大多數(shù)情況下 0 碼傳輸時(shí) 使AS 0 1 碼傳輸時(shí) 使AS 1 5 5 2調(diào)制和解調(diào) 5 5相干光通信技術(shù) ASK相干通信系統(tǒng)必須采用外調(diào)制器來實(shí)現(xiàn) 這樣只有輸出光信號(hào)的幅度隨基帶信號(hào)而變化 而相位保持不變 如果采用直接光強(qiáng)調(diào)制 幅度變化將引起相位變化 外調(diào)制器通常用鈦擴(kuò)散的鈮酸鋰 Ti LiNbO3 波導(dǎo)制成的馬赫 曾德爾 MZ 干涉型調(diào)制器 這種調(diào)制器在消光比大于20dB時(shí) 調(diào)制帶寬可達(dá)20GHz 5 5 2調(diào)制和解調(diào) 5 5相干光通信技術(shù) 2 相移鍵控 PSK PSK的光場(chǎng)為 ES t AScos St t 基帶信號(hào)只控制光載波的相位變化 在PSK中 AS保持不變 只對(duì)相位進(jìn)行調(diào)制 傳輸 0 碼和傳輸 1 碼時(shí) 分別用兩個(gè)不同相位 通常相差180 表示 如果傳輸 0 時(shí) 光