《現(xiàn)代光纖通信》課件第9章

第9章光纖通信新技術(shù)9.1相干光通信技術(shù)9.2光孤子通信技術(shù)9.3光交換技術(shù)

9.1相干光通信技術(shù)

1.相干光通信技術(shù)的基本原理

在相干光通信系統(tǒng)傳輸?shù)男盘柨梢允悄M信號，也可以是數(shù)字信號，無論何種信號，其工作原理可以用圖9-1-1來加以說明。圖9-1-1光相干檢測原理圖圖9-1-1中的光信號是以調(diào)幅、調(diào)頻或調(diào)相的方式被調(diào)制(設(shè)調(diào)制頻率為ωs)到光載波上的。當該信號傳輸?shù)浇邮斩藭r，首先與頻率為ωL本振光信號進行相干混合，然后由光電檢測器進行檢測，這樣獲得了中頻頻率為ωIF=ωs－ωL的輸出電信號，因為ωIF≠0,故稱該檢測為外差檢測，那么當輸出信號的頻率ωIF=0(即ωs=ωL)時，則稱之為零差檢測，此時在接收端可以直接產(chǎn)生基帶信號。根據(jù)平面波的傳播理論，可以寫出接收光信號Es(t)和本振光信號EL(t)的復(fù)數(shù)電場分布表達式為

ES(t)=ESexp[－j(ωSt+ΦS)]

(9-1-1)

EL(t)=ELexp[－j(ωLt+ΦL)]

(9-1-2)當ES(t)和EL(t)彼此相互平行，均勻地入射到光電檢測器表面上時，則發(fā)生光的干涉，由于總?cè)肷涔鈴娬扔赱ES(t)+EL(t)]2,則輸出電流為(9-1-3)式中，R為光電檢測器的響應(yīng)度，Ps，PL分別為接收光信號和本振光信號強度。一般情況下，PL>>Ps，從上式中可以看出，其中第一項近似為與傳輸信息無關(guān)的直流項，而第二項經(jīng)外差檢測后的輸出信號電流，很明顯其中含發(fā)射端傳送信息，輸出信號電流表示為(9-1-4)對零差檢測，ωIF=0，輸出信號電流為(9-1-5)

2.相干光通信系統(tǒng)的組成

相干光通信系統(tǒng)的方框圖參見圖9-1-2。圖9-1-2相干光通信系統(tǒng)框圖圖9-1-2中發(fā)射機是由光載波激光器、調(diào)制器和光匹配器組成。光載波調(diào)制器后，輸出的已調(diào)光波進入光匹配器。光匹配器有兩個作用，一是為了獲得最大的發(fā)射效率，使已調(diào)光波的空間分布和光纖中HE11模之間有最好的匹配；二是保證已調(diào)光波的偏振狀態(tài)和單模光纖的本征偏振狀態(tài)相匹配。

從光匹配器輸出的已調(diào)光波進入單模光纖傳輸，光纖的損耗、色散和偏振狀態(tài)的變化等因素都會影響已調(diào)信號光波。因此，在接收端光波首先進入光匹配器，它的主要作用是使信號光波的空間分布和偏振方向與本振光波匹配，以便得到最大的混頻效率。已調(diào)信號光波和本振光波混頻后，由光電二極管進行檢測，輸出的中頻信號在中頻放大器中得到放大，然后再通過適當?shù)奶幚?，即根?jù)發(fā)射端調(diào)制形式進行解調(diào)，就可以獲得基帶信號。

與直接檢測相比，相干光通信有如下優(yōu)點：

(1)接收靈敏度高。

(2)頻率選擇性好。

(3)相干光通信不但可利用信號的強度信息，還能充分利用信號的位相信息，并可采用多種調(diào)制解調(diào)方式，具有很大靈活性及選擇余地。

(4)相干接收技術(shù)可以抑制級聯(lián)光放大器中產(chǎn)生的嚴重噪聲累積，故可采用多級光放大器級聯(lián)來延長中繼距離。

3.相干光通信的影響因素

1)偏振噪聲

由于本振光的偏振方向是由光源來決定，并使之保持恒定，然而經(jīng)過單模光纖傳送的信號光將受到張力、側(cè)壓力和溫度變化等因素的影響，使得接收端所接收的信號光的偏振態(tài)隨時間而變化，這樣偏振態(tài)隨機變化的信號光與偏振態(tài)一致的本振光相互混合時，便產(chǎn)生了隨機變化的偏振噪聲。噪聲嚴重時，即信號光與本振光正交時，會出現(xiàn)信號消失的現(xiàn)象，從而影響正常通信。因此在相干光通信系統(tǒng)設(shè)計中，必須采取必要的措施，減少偏振噪聲。

2)反射噪聲

光纖傳輸路徑上總會存在一些光器件與光纖的耦合和光纖與光纖的連接點，而在這些點處其折射率是不均勻的，當光信號經(jīng)過時，便會引起反射。當這種反射光進入信號光源和本振光源時，便會造成激光器譜寬度的隨機變化，從而產(chǎn)生反射噪聲，嚴重時甚至?xí)辜す馄魈幱诙嗫v模工作狀態(tài)之下，進而嚴重影響系統(tǒng)性能?？朔椒ㄊ窃谙喔晒馔ㄐ畔到y(tǒng)中的信號光源處和本振光源處都使用光隔離器件，以減小反射噪聲的影響。

3)光纖中的非線性效應(yīng)

光纖中傳輸?shù)墓庑盘柟β蔬^大的話，會產(chǎn)生非線性效應(yīng)，主要有受激喇曼散射(SRS)、受激布里淵散射(SBS)、非線性折射和四波混頻等。SRS的閾值為500mW，SBS的閾值為10mW。所以，對單信道相干光系統(tǒng)，SRS和SBS一般不會產(chǎn)生影響；但對多信道復(fù)用相干光通信系統(tǒng)，必須考慮它們影響。此外相干光通信系統(tǒng)，還需要格外注意四波混頻對系統(tǒng)的限制問題。

4)光纖色散

由于相干光通信對光源的要求非常高，因而都以具有極窄的光譜寬度的單縱模激光器作為通信光源，加之采用外調(diào)制方式，這樣便可以避免啁啾的影響。盡管如此光纖色散效應(yīng)依然存在，因此，在實際相干光通信系統(tǒng)中，要求由光纖色散效應(yīng)所導(dǎo)致的接收靈敏度下降不得超過1dB。為達到這一要求，通常在外差相干光通信系統(tǒng)中，通過對中頻信號進行處理來補償光纖色散對系統(tǒng)性能的影響，從而達到消除色散影響的目的。

4.相干光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

1)半導(dǎo)體激光器的頻率穩(wěn)定問題和譜寬壓縮問題

由于外差接收機中混頻過程是信號光波和本振光波差拍，本振光波頻率為1014Hz，較中頻頻率高105~106倍。因此，本振光波頻率有一點微小的變化，對中頻來說都是很大的變化，所以，外差光纖通信系統(tǒng)對光源的頻率穩(wěn)定度要求很高，可達10－5~10－6以上，頻率漂移在10MHz以下。

外差光纖系統(tǒng)對光源除要求頻率穩(wěn)定以外，還要求光源所發(fā)光的譜線很窄，即單色性要非常好，否則將引起相位噪聲的增大。解決的辦法是注入鎖模、外腔反饋等，以及采用分布反饋半導(dǎo)體激光器(OFB-LD)、量子阱半導(dǎo)體激光器。

2)光波的極化穩(wěn)定問題

在外差式光接收機內(nèi)信號光波和本振光波的極化方向一致(即匹配)才能有高的接收機靈敏度。引起光波傳播時極化不穩(wěn)定的因素，從光纖內(nèi)部來看有光纖截面幾何形狀不均勻、光纖內(nèi)部應(yīng)力不均勻等；外部因素有光纖受到彎曲、扭絞、振動、受壓等。

為了減少光纖的極化不穩(wěn)定，在光纖制造上采取了一系列措施，例如制造極化保持光纖等。但是從性能和成本上來看都還存在一定的問題。目前多采用極化分集接收的辦法，亦可在接收機上加極化控制元件等。

3)平衡接收技術(shù)

雙路平衡接收技術(shù)可以降低強度噪聲對系統(tǒng)的影響，從圖9-1-3中可以看出，信號光與本振光首先在耦合器中進行混頻，然后被分成兩路強度相等的光信號，但它們的相位之間存在相位差。根據(jù)式(9-1-3)，這兩路光信號在分別通過光電檢測器之后，其光電流分別為圖9-1-3雙路平衡接收技術(shù)原理圖所以，輸出的總電流為(9-1-6)從式(9-1-6)可以清楚地看出，兩支路光電流相減之后，其直流分量被徹底抵消，這樣與直流分量有關(guān)的強度噪聲也隨之消除，但其交流項卻與本振光功率的平方根成正比，因而強度噪聲影響程度要小得多，這樣就通過采用平衡接收技術(shù)基本消除強度噪聲的影響。

4)相位分集接收技術(shù)

為了降低相位噪聲，要求在相干光通信系統(tǒng)中采用單縱模、光譜寬度窄、頻率可調(diào)諧的半導(dǎo)體激光器作為光源，即使如此，相位噪聲對系統(tǒng)性能的影響仍不能忽視，因而在實際中可在接收端采用相位分集接收技術(shù)來解決相位噪聲問題，如圖9-1-4所示。由圖中可看出，信號光與本振光經(jīng)光耦合分路器分成具有不同相位移的多路光信號，各路光信號經(jīng)各自的光電檢測器檢測獲得各路電信號，再經(jīng)過信號處理將它們疊加起來，當經(jīng)過理想處理后可使疊加的總信號電流與ΦS－ΦL無關(guān)。以零差檢測雙路相位分集接收為例，這時信號光與本振光耦合后被分成兩路，如果它們之間存在一個π/2的相位移，這兩種信號電流將分別正比于cos(ΦS－ΦL)和sin(ΦS－ΦL)，當兩路信號電流被分別平方再疊加時，其結(jié)果就與相位信息(ΦS－ΦL)無關(guān)。實驗充分表明，在采用多路相位分集接收的零差相干通信系統(tǒng)中，光源的光譜寬度可以放寬到接近碼率，而系統(tǒng)的接收靈敏度并沒有表現(xiàn)出明顯的下降趨勢。圖9-1-4相位分集接收技術(shù)原理圖諸多關(guān)鍵技術(shù)的解決使得相干光通信系統(tǒng)復(fù)雜程度很高，經(jīng)濟性、可靠性都有待提高，推遲了它的商業(yè)化進程。另外光放大技術(shù)和光波分復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用也推遲或替代了它的商用。但是，相干光通信技術(shù)在長途傳輸網(wǎng)、本地網(wǎng)、CATV網(wǎng)以及新型網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用仍有光明前景。

9.2光孤子通信技術(shù)

1.光孤子通信的概念

孤子波是在1834年首次被觀察到的。孤子波現(xiàn)象在水波、電磁波等中都有可能存在，人們對這種現(xiàn)象進行了長期的研究，在理論上給予了證明。1973年人們把孤子現(xiàn)象應(yīng)用于通信領(lǐng)域，1980年才通過實驗觀察到光纖中的孤子現(xiàn)象，光孤子通信技術(shù)得到了空前的研究和發(fā)展，并逐漸實用化。光孤子通信是一種很有發(fā)展前途的全光通信技術(shù)，是實現(xiàn)超大容量超長距離傳輸?shù)闹匾夹g(shù)之一。光孤子的產(chǎn)生原因是光纖的非線性效應(yīng)。通常在光場較弱的情況下，可以認為光纖的各種特征參數(shù)隨光場的強弱作線性變化。但是如果光場很強，則光纖的特征參數(shù)將隨光場呈非線性變化。光纖群速度色散(GVD)會使光脈沖展寬，而自相位調(diào)制則使波形中較高頻率分量不斷累積，使波形變陡，即光纖的非線性特性使光脈沖變窄。光纖群速度色散(GVD)和自相位調(diào)制(SPM)達到平衡，則使光脈沖在傳播中保持形狀不變，即形成所謂的“光孤子”，使“光孤子”在光纖中長距離傳輸即實現(xiàn)了超大容量超長距離傳輸?shù)墓夤伦油ㄐ畔到y(tǒng)。

2.光孤子通信系統(tǒng)

將光孤子物理現(xiàn)象運用于光纖通信中，即形成了光孤子通信系統(tǒng)，組成框圖如圖9-2-1所示，系統(tǒng)中的光源為光孤子源，光放大器代替光-電-光中繼器，由于系統(tǒng)的速度極高，多采用外調(diào)制器。圖9-2-1光孤子通信系統(tǒng)的組成框圖

1)光孤子源

光孤子激光器種類有多種，如增益開關(guān)法布里-柏羅腔(FP)激光器、分布反饋激光器、色心激光器、鎖模激光器等。除作為光纖通信光源的一般要求外，由于產(chǎn)生光孤子需要較高的功率，因此光孤子源要求輸出功率大且為窄脈沖。對于標準光纖，實現(xiàn)孤子傳輸(N=1)所需的實際功率大約是幾百毫瓦或更大，然而一般的激光二極管是難以達到這樣高的輸出功率的。對于色散位移光纖來說，7ps脈沖的孤子傳輸所需功率大約是20~60mW。若孤子脈沖寬度為20ps，則需要的功率可降低到幾個毫瓦，這樣低的峰值功率使實用化成為可能，并且也大大地降低了成本。

2)外調(diào)制器

超高速大容量的光通信，一般情況下都采用外調(diào)制技術(shù)。這是因為外調(diào)制可以顯著提高調(diào)制速度，可高達幾十吉赫茲每秒。另一個原因是外調(diào)制可避免光源直接調(diào)制時所產(chǎn)生的啁啾。目前使用較多的是LiNbO3光調(diào)制器。

3)光放大器

目前使用較多的光放大器是EDFA，泵浦光源采用1.48μmInGaAsP激光器，因為EDFA具有增益大、與光纖匹配好、技術(shù)成熟、成本較低等優(yōu)點。近年來，隨著光纖喇曼放大器的發(fā)展，在光孤子通信系統(tǒng)也逐漸獲得應(yīng)用。

4)光孤子傳輸光纖

用于光孤子傳輸?shù)墓饫w主要有兩種，即常規(guī)的1.3μm和1.55μm的單模光纖以及色散位移光纖。它們不僅處于低損耗窗口，而且對應(yīng)的群色散均處于負值范圍。具有正啁啾的光脈沖通過光纖時，脈沖可變窄。這樣一來，光纖非線性引起光脈沖壓縮與光纖色散引起的光脈沖展寬恰好相抵消，因而可保持光脈沖形狀不變，使光脈沖不變形地?zé)o限遠傳輸。

5)光檢測器

光孤子通信系統(tǒng)中的光檢測器與一般光纖通信系統(tǒng)中使用的檢測器相同，只不過是要求檢測器的響應(yīng)速度要快得多，即帶寬大得多，因為傳輸?shù)乃俾屎芨摺?/p>

20世紀90年代光孤子技術(shù)雖然取得巨大進步，在實驗室利用環(huán)路模型來完成孤子的長距離傳輸，光纖孤子傳輸?shù)膶嶒炑芯拷Y(jié)果是令人鼓舞的。1995年后開始現(xiàn)場試驗和實用化研究，已經(jīng)引起工業(yè)界和電信運營商的高度重視，光孤子通信系統(tǒng)以其固有的優(yōu)點，在超高速超長距離的通信中必將占一席之地。

9.3光交換技術(shù)

1.空分光交換

空分光交換是在空間域上將光信號進行交換?？臻g光開關(guān)(space-opticalswitch)是光交換中最基本的功能元件，它可以直接構(gòu)成空分光交換單元，也可以與其他功能開關(guān)一起構(gòu)成時分光交換單元和波分光交換單元。

圖9-3-1給出了一種以2×2光開關(guān)輸入為基本單元的多級互連空分光交換網(wǎng)絡(luò)，每個2×2光開關(guān)具有直通和交叉連接兩種狀態(tài)，2×2光開關(guān)按照一定的拓撲結(jié)構(gòu)連接起來，可實現(xiàn)任一輸入端到任一輸出端、任一輸入端到多輸出端以及多輸入端到任意一個輸出端之間的交換。圖9-3-1空分光交換原理圖空間光開關(guān)可以分為光纖型光開關(guān)和自由空間型光開關(guān)。基本的光纖型開關(guān)的入端和出端各有兩條光纖，可以完成兩種連接狀態(tài)：平行連接和交叉連接。這樣的光開關(guān)有四種實現(xiàn)方案。

(1)波導(dǎo)型光開關(guān)，它由外部控制波導(dǎo)的折射率，利用電光效應(yīng)或熱光效應(yīng)選擇輸出波導(dǎo)，如可利用LiNbO3方向耦合器構(gòu)成。

(2)門型光開關(guān)，它是用半導(dǎo)體光放大器或其他類型的門型光開關(guān)構(gòu)成的2×2門型光開關(guān)。

(3)機械型光開關(guān)，這種光開關(guān)的開關(guān)速度較慢(量級)，只能用在OXC或OADM節(jié)點中，但其工作穩(wěn)定，隔離度高。

(4)熱光開關(guān)，有Mach-Zahnder型和波導(dǎo)型。這種光開關(guān)的開關(guān)速度優(yōu)于機械型光開關(guān)。

利用2×2基本光開關(guān)以及相應(yīng)的1×2光開關(guān)可以構(gòu)成大型的空分光交換單元。

2.時分光交換

時分光交換是針對時分復(fù)用的一種光交換方式，采用時隙互換原理實現(xiàn)交換。時分復(fù)用是把時間劃分成幀，劃分成

N個時隙，并分配給N路信號，最后將N路信號復(fù)接到一根光纖上，在接收端用分接器恢復(fù)各路原始信號，如圖9-4-2(a)所示。圖9-3-2