光纖通信技術的發(fā)展方向

光纖通信技術的發(fā)展方向第一頁，共三十七頁，2022年，8月28日10.1相干光通信 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。 與強度調制—直接檢測系統(tǒng)不同，相干光纖通信系統(tǒng)在光接收機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光波在滿足波前匹配和偏振匹配的條件下，進行光電混頻。第二頁，共三十七頁，2022年，8月28日圖10.1相干光通信系統(tǒng)的結構示意圖第三頁，共三十七頁，2022年，8月28日 如圖10.1所示，光源發(fā)出頻率為fs的光脈沖，通過調制器將已經變成電信號的信號源調制到光脈沖包絡上，通過長距離線路傳輸后，到達接收端，接收端采用外差技術，首先通過耦合器將光信號和本振光源信號同時送到光電檢測器接收，本振光源頻率為fs+fIF，信號光和本振光在滿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，該信號經過放大后送到解調器解調，最終到達接收電路完成通信過程。第四頁，共三十七頁，2022年，8月28日 相干光通信系統(tǒng)靈敏度的提高主要是因為它采用了本地振蕩得到了一定的增益，根據(jù)無線電知識中外差接收技術知識可以得到光電檢測器的電流［15］： 式中：η為光電檢測量子效率，h為普朗克常量，e為電子電量，f為光頻率，Ps為信號光功率，PL為本振光功率，m為調制系數(shù)，(t-τg)為群延時，ωs、ωL和φs、φL分別為信號光和本振光的角頻率和相位。第五頁，共三十七頁，2022年，8月28日10.1.2相干光通信關鍵技術1.光源技術 相干光纖通信系統(tǒng)中對信號光源和本振光源的要求比較高，它要求光譜線窄、頻率穩(wěn)定度高。第六頁，共三十七頁，2022年，8月28日2.調制技術 一般相干光通信的光調制有半導體激光器直接調制和光波導型外調制兩種。半導體激光器直接調制技術一般是采用具有動態(tài)單縱模特性的DFB激光器來進行直接調制，采用該技術在調制過程中可以使光譜保持良好的窄譜特性，同時頻率也較穩(wěn)定。第七頁，共三十七頁，2022年，8月28日3.接收技術 相干光通信的接收技術包括兩部分，一部分是光的接收技術，另一部分是中頻之后的各種制式的解調技術。(1)平衡接收法 在FSK制式中，由于半導體激光器在調制過程中，難免帶有額外的幅度調制噪聲，利用平衡接收方法可以減少調幅噪聲。第八頁，共三十七頁，2022年，8月28日(2)相位分集接收法 除了調幅噪聲外，如果本振光相位和信號光相位有相對起伏，就將產生相位噪聲，嚴重影響接收效果。(3)偏振控制技術 前面已經指出：相干光通信系統(tǒng)接收端必須要求信號光和本振光的偏振同偏，才能取得良好的混頻效果，提高接收質量。第九頁，共三十七頁，2022年，8月28日10.2光孤子通信技術10.2.1光孤子通信技術的基本原理1.非線性薛定諤方程及解法 根據(jù)光學知識，光脈沖可以用下列式子表示：E(z,t)=A(z,t)exp［j(ω0t-β0z)］其中：A(z，t)是脈沖包絡，對于常用的直接檢波光通信系統(tǒng)我們主要關心光脈沖的包絡情況。第十頁，共三十七頁，2022年，8月28日 在考慮色散作用下，并引入光纖非線性效應中自相位調制作用時，光脈沖包絡的傳輸方程可寫為下式［7］： 式中：A(z,t)為脈沖包絡，β1=1/νg，β2為群速度色散系數(shù)，β3為高階色散系數(shù)，γ是代表自相位調制效應的非線性系數(shù)。第十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日2.常見的光孤子源 作為理想情況下的光通信，孤子脈沖應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10.3所示。第十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日圖10.3自鎖模摻鉺光孤子激光器第十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日(2)法布里—珀羅光纖孤子激光器(3)DFB激光器/外調制孤子源 目前最簡單也用得比較多的孤子源是如圖10.5所示的DFB激光器/外調制激光器。圖10.5DFB激光器/外調制孤子源第十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日(4)DFB激光器/集成調制孤子源 理想情況下，孤子脈沖源應該是集成在單個芯片上的，參考文獻［19］報道說，用單個半導體器件—集成的多量子阱DFB激光器/調制器，已經得到脈沖重復頻率為20GHz、脈寬為7ps的變換限制孤子脈沖。第十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日10.2.2光孤子通信技術的新進展 光孤子通信從理論的提出到20世紀80年代在實驗中發(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程了，經過廣大科研工作者的不懈努力，光孤子通信系統(tǒng)取得了許多新的進展。第十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日1.理論研究進展 首先，在理論方法方面，基于標準非線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構和特征；基于光孤子通信系統(tǒng)的實際結構和擾動非線性薛定諤方程，建立了研究光孤子傳輸特性的各種擾動理論方法，深入研究了光孤子的動力學過程、動態(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，揭示了光時分復用、波分復用系統(tǒng)中光孤子相互作用的機制和規(guī)律。第十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日 其次，在光孤子通信系統(tǒng)分析設計模型方面，基于不同系統(tǒng)結構、運行條件和性能要求，研究了光孤子傳輸方案和理論模型，建立了平均孤子或導引中心孤子模型及動態(tài)孤子和絕熱孤子傳輸方案，確立了系統(tǒng)結構的基本模式。第十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日2.色散管理孤子 經過十余年對孤子脈沖傳輸研究，探索了各種實驗系統(tǒng)方案和系統(tǒng)設計方法，解決了許多關鍵技術，脈沖在光纖中傳輸時所產生的色散、損耗和非線性是公認的三大影響孤子脈沖傳輸?shù)囊蛩?，摻鉺光纖放大器(EDFA)問世后，損耗問題已經得到很好的解決，第十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日 但是隨著孤子脈沖源脈寬的越來越窄，色散作用越來越影響孤子的傳輸，于是對色散進行補償成為一個緊要的技術，現(xiàn)在光孤子通信系統(tǒng)的色散補償大體有兩類技術：一類是弱色散和局部色散補償；另一類是周期性全局強色散補償。第二十頁，共三十七頁，2022年，8月28日3.光孤子通信實用化研究進程 歐共體各國協(xié)同組建了多項孤子發(fā)展項目，歐洲各相關光通信公司、研究所和大學基本上都參加了其項目研究，表10.2給出了其中三個項目的基本情況。第二十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日第二十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日10.3全光通信網10.3.1全光網概述 全光網絡(All-OpticalNetworks，AON)技術是指光信息流在網絡中的傳輸及交換時始終以光的形式存在。 它具備更強的可管理性、靈活性、透明性與傳統(tǒng)通信網和現(xiàn)行的光通信系統(tǒng)相比，它具有以下多種優(yōu)點：第二十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日①可提供更大的帶寬，因為全光網對信號的交換都在光域內進行，可最大限度地利用光纖的傳輸容量；②具有傳輸透明性，因為采用的光路交換以波長來選擇路由，因此對傳輸碼率、數(shù)據(jù)格式以及調制方式具有透明性，即對信號形式無限制，允許采用不同的速率和協(xié)議；第二十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日③具有更高的處理速度和更低的誤碼率；④具有良好的兼容性，不僅可以與現(xiàn)有的通信網絡兼容，而且還可以支持未來的寬帶綜合業(yè)務數(shù)字網以及網絡的升級；⑤具備良好的擴展性能，網絡可同時擴展用戶、容量和種類，新節(jié)點的加入并不會影響原來網絡結構和原有各節(jié)點設備；第二十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日⑥具備可重構性，可以根據(jù)通信容量的需求，動態(tài)地改變網絡結構，可進行恢復、建立、拆除光波長的連接；⑦由于采用了較多無源光器件，省去了龐大的光/電/光轉換的設備及工作，可大幅提升網絡整體的交換速度，提高可靠性。第二十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日10.3.2全光網關鍵技術1.光交叉連接設備OXC

光交換/光路由屬于全光網絡中關鍵光節(jié)點技術，主要完成光節(jié)點處任意光纖端口之間的光信號交換及選路，它所完成的最關健工作就是波長變換。第二十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日(1)空分交換OXC技術 采用空分光交換的OXC結構如圖10.8所示［7］，它由輸入輸出光纖、星形耦合器(StarCoupler，SC)、可調光濾波器、空間開關矩陣(SpaceSwitchingMatrix，SSM)等模塊組成。第二十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日圖10.8不含波長變換器OXC第二十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日(2)分送耦合交換OXC結構 分送耦合交換OXC的基本單元是星形耦合器和光開關，圖10.10所示為分送耦合交換OXC的結構示意圖，圖中的波長變換器具有波長選擇功能，也可以起到濾波的功能。第三十頁，共三十七頁，2022年，8月28日圖10.10耦合交換OXC結構第三十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日(3)波長交換OXC結構 波長交換OXC結構如圖10.11所示。這種交換結構方案的交換機制主要是在頻域進行的，交換通過波長來完成。該結構具有嚴格的無阻塞特性，如果在設計星形耦合器(SC)數(shù)量的時候，留夠足夠的冗余。該結構還具有波長和鏈路模塊性，便于網絡的升級擴容。第三十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日圖10.11基于波長交換OXC結構第三十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日2.波長變換技術 全光網在干線網的交叉點引入光交叉連接和波長變換器，從而形成端到端的"虛波長"通道，只要各段鏈路分別存在未被占用的空閑波長，就可以通過波長變換建立通信路由，大大提高了波長利用率。第三十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日(1)光/電/光波長變換技術 采用該技術進行波長變換，先用光電檢測器接收該光信號，將光信號變成電信號，然后將信號調制到所需波長的激光器發(fā)射出去，實現(xiàn)電/光(E/O)轉換，從而實現(xiàn)波長變換。第三十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日(2)全光波長變換技術 全光波長變換技術不需要經過光/電處理，而是直接在光域內將某一波長的光信號直接轉換到另外的一個波長上。

SOA技術實現(xiàn)波長變換主要有以下幾種原理： ①基于光混頻原理的波長變換器主要包括差頻