光纖通信原理》第08章

1、第八章 光復(fù)用技術(shù),盡管目前光纖通信單信道實(shí)用化系統(tǒng)的傳輸速率發(fā)展到了10Gbit/s，線路的利用率有了很大提高，但與光纖巨大的帶寬潛力相比還微不足道。 本章將介紹光時(shí)分復(fù)用、波分復(fù)用、光頻分復(fù)用、光碼分復(fù)用和光副載波復(fù)用等常用的幾種光復(fù)用技術(shù)。,8.1 光復(fù)用技術(shù)的基本概念 8.2 光時(shí)分復(fù)用技術(shù) 8.3 密集波分復(fù)用技術(shù) 8.4 密集波分復(fù)用系統(tǒng)的非線性串?dāng)_,8.1 光復(fù)用技術(shù)的基本概念,復(fù)用技術(shù)是為了提高通信線路的利用率，而采用的在同一傳輸線路上同時(shí)傳輸多路不同信號(hào)而互不干擾的技術(shù)。 另一種復(fù)用技術(shù)稱(chēng)為“統(tǒng)計(jì)復(fù)用”。它全稱(chēng)叫做“統(tǒng)計(jì)時(shí)分多路復(fù)用”(Statistical Time Div

2、ision Multiplexing，STDM)，或稱(chēng)“異步時(shí)分多路復(fù)用”。,光纖通信經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，單信道實(shí)用化系統(tǒng)的傳輸速率從1976年的45Mbit/s發(fā)展到了10Gbit/s，線路的利用率得到了很大提高(但與光纖巨大的帶寬潛力相比這點(diǎn)帶寬還微不足道)。,光波分復(fù)用(WDM)技術(shù)是在一芯光纖中同時(shí)傳輸多波長(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)，并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進(jìn)行傳輸，在接收端將組合波長(zhǎng)的光信號(hào)分開(kāi)，并作進(jìn)一步處理，恢復(fù)出原信號(hào)后送入不同的終端。,為了進(jìn)一步提高光纖帶寬利用率，相鄰兩光載波的間隔將越來(lái)越小，一般認(rèn)為：當(dāng)相鄰光載波的間隔小到0

3、.1nm(10GHz)以下時(shí)，此時(shí)的復(fù)用稱(chēng)為光頻分復(fù)用。 光時(shí)分復(fù)用(OTDM)技術(shù)指利用高速光開(kāi)關(guān)把多路光信號(hào)在時(shí)域里復(fù)用到一路上的技術(shù)。 光副載波復(fù)用(OSCM)技術(shù)是將基帶信號(hào)首先調(diào)制到GHz的副載波上，再把副載波調(diào)制到THz的光載波上。,光碼分復(fù)用(OCDM)技術(shù)是CDM(Code Division Multiplexing)技術(shù)和光纖通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，在這種復(fù)用技術(shù)中，每個(gè)信道不是占用一個(gè)給定的波長(zhǎng)、頻率或者時(shí)隙，而是以一個(gè)特有的編碼脈沖序列方式來(lái)傳送其比特信息。 光波分復(fù)用、光時(shí)分復(fù)用、光副載波復(fù)用和光碼分復(fù)用都是正在使用和研究的光纖復(fù)用技術(shù)，這些技術(shù)的使用能增加線路容量，提高

4、線路利用率。,8.2 光時(shí)分復(fù)用技術(shù),光時(shí)分復(fù)用(OTDM)的原理與電時(shí)分復(fù)用相同，只不過(guò)電時(shí)分復(fù)用是在電域中完成，而光時(shí)分復(fù)用是在光域中進(jìn)行，即將高速的光支路數(shù)據(jù)流(例如10Gbit/s，甚至40Gbit/s)直接復(fù)用進(jìn)光域，產(chǎn)生極高比特率的合成光數(shù)據(jù)流。,8.2.1 比特交錯(cuò)光時(shí)分復(fù)用 比特交錯(cuò)光時(shí)分復(fù)用時(shí)，首先由鎖模激光器產(chǎn)生窄脈沖周期序列，然后將窄脈沖周期序列分路為n路，每路窄脈沖周期序列分別被一路支路數(shù)據(jù)流(電信號(hào))外調(diào)制，對(duì)已調(diào)制過(guò)的第i支路光數(shù)據(jù)流(i=1，2，n)脈沖通過(guò)適當(dāng)長(zhǎng)度的硅光纖延時(shí)i(光在硅光纖中傳播速度約為2108m/s，1km的光纖提供約5s的時(shí)延)，這樣，不同支

5、路光脈沖流延遲時(shí)間不同，在時(shí)間上復(fù)用不會(huì)重疊，便于數(shù)據(jù)流的復(fù)接。,8.2.2 分組交錯(cuò)光時(shí)分復(fù)用 分組交錯(cuò)光時(shí)分復(fù)用和比特交錯(cuò)光時(shí)分復(fù)用一樣，首先由鎖模激光器產(chǎn)生窄脈沖周期序列，然后將窄脈沖周期序列分路為n路，每路窄脈沖周期序列分別被一路支路數(shù)據(jù)流(電信號(hào))外調(diào)制。,實(shí)現(xiàn)壓縮的原理框圖如圖8.7(b)所示。圖中的3dB耦合器起分路和合路作用，它將輸入的窄光脈沖分為兩路，或?qū)⑻幚硗旰蟮膬陕饭饷}沖合并為一路；兩個(gè)半導(dǎo)體放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)具有高電平驅(qū)動(dòng)時(shí)透光，低電平驅(qū)動(dòng)時(shí)吸光的特性，它們的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘相位相差180，放大器的作用一是對(duì)分路損耗

6、進(jìn)行補(bǔ)償，二是在互補(bǔ)的兩路時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下輪流透光，從而將光脈沖流分組(每組的比特?cái)?shù)取決于驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘高電平的寬度)，使一組通過(guò)延遲線，另一組則不通過(guò)延遲線；延遲線的作用是將比特組延遲一定的時(shí)間。,圖8.7 分組交錯(cuò)復(fù)用原理圖,一種實(shí)用的方法是采用與門(mén)堆，首先將輸入的高速串行的復(fù)用數(shù)據(jù)流變換為低速的并行數(shù)據(jù)流，然后再進(jìn)行處理。,8.3 密集波分復(fù)用技術(shù),光波分復(fù)用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)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)，并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進(jìn)行傳輸，在接收端又將組合波

7、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)用技術(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)光波分復(fù)用技術(shù)。,波分復(fù)用技術(shù)有以下主要特點(diǎn)。 (1) 可以充分利用光纖的巨大帶寬潛力，使一根光纖上的傳輸容量比單波長(zhǎng)傳輸增加幾十至上萬(wàn)倍。 (2) N個(gè)波長(zhǎng)復(fù)用以后在一根光纖中傳輸，在大容量長(zhǎng)途傳輸時(shí)可以節(jié)約大量的光纖。,(3) 波分復(fù)用通道對(duì)傳輸信號(hào)是完全透明的，即對(duì)傳輸碼率、數(shù)據(jù)格式及調(diào)制方式均具有透明性，可同時(shí)提供多種協(xié)議的業(yè)務(wù)，不受限制地提供端到端業(yè)務(wù)。 (4) 可擴(kuò)展性好。 (5) 降低器件的超高速要求。,8.3.1 WDM系統(tǒng)基本類(lèi)型 WDM系統(tǒng)從不同的角度可以分為不

8、同的類(lèi)型，常見(jiàn)的分類(lèi)方法有：從傳輸方向分，可以分為雙纖單向波分復(fù)用系統(tǒng)和單纖雙向波分復(fù)用系統(tǒng)；從光接口類(lèi)型分，可以分為集成式波分復(fù)用系統(tǒng)和開(kāi)放式波分復(fù)用系統(tǒng)。 1. 雙纖單向傳輸 單向DWM是指所有光路同時(shí)在一根光纖上沿同一方向傳送，如圖8.10所示。,圖8.10 雙纖單向傳輸示意圖,2. 單纖雙向傳輸 同一光波分復(fù)用器既可作合波器，又可作分波器，具有方向的可逆性，因此，可以在同一根光纖上實(shí)現(xiàn)雙向傳輸。 3. 集成式波分復(fù)用系統(tǒng) 考慮到各波長(zhǎng)之間的影響最小和更多廠家的設(shè)備能互通工作，WDM使用的激光器發(fā)出的光的中心波長(zhǎng)、波長(zhǎng)間隔、中心頻率偏移等均有嚴(yán)格的規(guī)定，必需符合ITU-T G.692建議

9、。,4. 開(kāi)放式波分復(fù)用系統(tǒng) 開(kāi)放式系統(tǒng)就是在波分復(fù)用器前加入波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器(Optical Transition Unit，OTU)，將SDH非規(guī)范的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)，如圖8.13 所示。,圖8.13 開(kāi)放式WDM系統(tǒng),8.3.2 WDM系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理 一般來(lái)說(shuō)，WDM系統(tǒng)主要由以下五部分組成：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)。 光發(fā)射機(jī)是WDM系統(tǒng)的核心，除了對(duì)WDM系統(tǒng)中發(fā)射激光器的中心波長(zhǎng)有特殊的要求外，還需要根據(jù)WDM系統(tǒng)的不同應(yīng)用(主要是傳輸光纖的類(lèi)型和無(wú)電中繼傳輸?shù)木嚯x)來(lái)選擇具有一定色度色散容限的發(fā)射機(jī)。,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離光纖傳輸后(80120km)，需

10、要對(duì)光信號(hào)進(jìn)行光中繼放大。 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)后，利用分波器從主信道光信號(hào)中分出特定波長(zhǎng)的光信號(hào)送往各終端設(shè)備。,8.4 密集波分復(fù)用系統(tǒng)的非線性串?dāng)_,衰耗是指光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)隨著傳輸距離的增長(zhǎng)而逐漸減小的特性?？朔霓k法主要有：采用高輸出功率的激光器，采用高靈敏度的接收器，采用光放大器等。 正色散區(qū)：紅光(波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光)傳得較慢。 負(fù)色散區(qū)：藍(lán)光(波長(zhǎng)較短的光)傳得較慢。,8.4.1 受激喇曼散射串?dāng)_ 受激喇曼散射(Stimulated Raman Scattering，SRS)可以看作是介質(zhì)中分子振動(dòng)對(duì)入射光的調(diào)制，對(duì)入射光產(chǎn)生散射作用。 L長(zhǎng)的

11、光纖輸出端因SRS而損耗50%的輸入功率時(shí)，這個(gè)輸入功率稱(chēng)為閾值功率。喇曼散射的閾值泵浦功率PR可以表示為7：,式中：Aeff為纖芯有效面積。 式中：s0為單模光纖的模場(chǎng)半徑；gR喇曼放大系數(shù)；Leff為光纖的有效互作用長(zhǎng)度，簡(jiǎn)稱(chēng)有效長(zhǎng)度。 式中：L為光纖的長(zhǎng)度；為光纖的衰減系數(shù)。光纖越長(zhǎng)，Leff也越長(zhǎng)。,8.4.2 受激布里淵散射串?dāng)_ 受激布里淵散射(Stimulated Brillouin Scattering，SBS)與受激喇曼散射在物理過(guò)程上十分相似，入射頻率為p的泵浦光將一部分能量轉(zhuǎn)移給頻率為s的斯托克斯 波，并發(fā)出頻率為的聲波。 =p-s 受激布里淵散射產(chǎn)生的斯托克斯波傳播方向與

12、泵浦波相反。,光纖中受激布里淵散射的閾值功率可以近似表示為： 式中：Aeff為光纖纖芯有效面積，Leff為光纖的有效長(zhǎng)度，分別如式(8-2)和式(8-3)所示；gB為布里淵放大系數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中為了簡(jiǎn)化式(8-4)，G.650建議又給出了經(jīng)驗(yàn)式：,8.4.3 自相位調(diào)制和交叉相位調(diào)制 這一極化過(guò)程由極化強(qiáng)度矢量P(r，t)與電場(chǎng)強(qiáng)度矢量E(r，t)的關(guān)系來(lái)描述。P=0E 式中：0是自由空間的介電常數(shù)；是介質(zhì)的極化率。,在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，介質(zhì)呈現(xiàn)非線性，此時(shí)P隨電場(chǎng)E發(fā)生非線性變化，這種非線性函數(shù)可以圍繞E0展開(kāi)成泰勒級(jí)數(shù)：P=0E+2dE2+4(3)E3+ 式中：d為二階非線性系數(shù)；(3)為三階非線性系數(shù)。,當(dāng)光脈沖在光纖中傳播時(shí)其相位改變?yōu)椋?式中：k0=2/；L為光纖的長(zhǎng)度。 是相位變化的線性部分，而,由于光場(chǎng)自身引起的附加相位變化，這種效應(yīng)稱(chēng)之為自相位調(diào)制(Self-Phase Modulation，SPM)。 這種相位的變化引起信號(hào)頻率的瞬時(shí)變化(頻移)為： 頻移方向與d|E|2/dt的符號(hào)有關(guān)。,當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)不同波長(zhǎng)的光波在光纖中同時(shí)傳輸時(shí)，某特定信道的相移不僅取決于該信道自己場(chǎng)強(qiáng)的變化，也取決于其它相鄰信道場(chǎng)強(qiáng)的變化，這種現(xiàn)