第七章-光纖通信新技術(shù)

光纖通信技術(shù)南昌航空大學(xué)萬生鵬第七章光纖通信新技術(shù)7.1光復(fù)用技術(shù)隨著人類社會信息時代的到來，對通信的需求呈現(xiàn)加速增長的趨勢。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和滿足網(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)中復(fù)用方式主要有：光時分復(fù)用(OTDM)光波分復(fù)用(WDM)光頻分復(fù)用(OFDM)副載波復(fù)用(SCM)光碼分復(fù)用(OCDM)7.1光復(fù)用技術(shù)分類第一個商用的IM/DD系統(tǒng)完成于1977年。在1992年商用IM/DD系統(tǒng)的比特速率提高到2.5Gb/s（當時是采用電的SDH復(fù)用）。為了進一步提高傳輸容量，可以采用兩條發(fā)展方向。一是采用電的或光的時分復(fù)用（ETDM或OTDM）技術(shù)繼續(xù)提高單一波長信道的傳輸比特速率，但是采用ETDM會受到電子瓶頸的限制，因此人們偏向采用OTDM技術(shù)。另一是采用波分復(fù)用（WDM）技術(shù)。WDM技術(shù)的提出比較早，在上個世紀80年代就已經(jīng)開始研究DWDM技術(shù)了，但是因為沒有合適的光放大器補償光纖損耗，而當時采用電中繼的方法是非常不經(jīng)濟的，因此當時影響不大。直到1990年商用化的EDFA出現(xiàn)后，DWDM和EDFA相結(jié)合取得了巨大成功，引起了光纖通信技術(shù)的革命性變化。1lmllt1tnt表三種復(fù)用技術(shù)的比較波長控制全網(wǎng)同步用戶數(shù)其它WDM需要精確的波長控制不需要由可用波長數(shù)決定網(wǎng)絡(luò)協(xié)議復(fù)雜，目前技術(shù)比較成熟OTDM不需要波長控制需嚴格的全網(wǎng)同步由可用時隙段決定網(wǎng)絡(luò)協(xié)議復(fù)雜，目前光存儲器發(fā)展不成熟OCDMA不需要波長控制不需要由地址碼容量決定網(wǎng)絡(luò)協(xié)議簡單，隨機接入，網(wǎng)絡(luò)具有軟容量，目前技術(shù)不成熟

7.2.1光波分復(fù)用原理

1.WDM的概念

光波分復(fù)用(WDM：WavelengthDivisionMultiplexing)技術(shù)是在一根光纖中同時傳輸多個波長光信號的一項技術(shù)。光波分復(fù)用（WDM）的基本原理是：在發(fā)送端將不同波長的光信號組合起來(復(fù)用)，并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進行傳輸，在接收端又將組合波長的光信號分開(解復(fù)用)，并作進一步處理，恢復(fù)出原信號后送入不同的終端，因此將此項技術(shù)稱為光波長分割復(fù)用，簡稱光波分復(fù)用技術(shù)。7.2光波分復(fù)用技術(shù)圖

中心波長在1.3μm和1.55μm的硅光纖低損耗傳輸窗口

(插圖表示1.55μm傳輸窗口的多信道復(fù)用)80001.02.03.04.0100012001400160018001~10GHz波長/nm衰減(dB/km信道間隔載波頻率光纖的帶寬有多寬？

如上圖所示，在光纖的兩個低損耗傳輸窗口：波長為1.31μm(1.25～1.35μm)的窗口，相應(yīng)的帶寬(|Δf|=|-Δλc/λ2|,λ和Δλ分別為中心波長和相應(yīng)的波段寬度，c為真空中光速)為17700GHz；波長為1.55μm(1.50～1.60μm)的窗口，相應(yīng)的帶寬為12500GHz。兩個窗口合在一起，總帶寬超過30THz。如果信道頻率間隔為10GHz，在理想情況下，一根光纖可以容納3000個信道。

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)用稱為密集波分復(fù)用(DWDM：DenseWavelengthDivisionMultiplexing)。目前該系統(tǒng)是在1550nm波長區(qū)段內(nèi)，同時用8，16或更多個波長在一對光纖上(也可采用單光纖)構(gòu)成的光通信系統(tǒng)，其中各個波長之間的間隔為1.6nm、0.8nm或更低，約對應(yīng)于200GHz,100GHz或更窄的帶寬。

WDM、DWDM和OFDM在本質(zhì)上沒有多大區(qū)別以往技術(shù)人員習慣采用WDM和DWDM來區(qū)分是1310/1550nm簡單復(fù)用還是在1550nm波長區(qū)段內(nèi)密集復(fù)用，但目前在電信界應(yīng)用時，都采用DWDM技術(shù)。由于1310/1550nm的復(fù)用超出了EDFA的增益范圍，只在一些專門場合應(yīng)用，所以經(jīng)常用WDM這個更廣義的名稱來代替DWDM。

WDM技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)升級、發(fā)展寬帶業(yè)務(wù)(如CATV，HDTV和IPoverWDM等)、充分挖掘光纖帶寬潛力、實現(xiàn)超高速光纖通信等具有十分重要意義，尤其是WDM加上EDFA更是對現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)具有強大的吸引力。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)”正成為國際上長途高速光纖通信線路的主要技術(shù)方向。如果一個區(qū)域內(nèi)所有的光纖傳輸鏈路都升級為WDM傳輸，我們就可以在這些WDM鏈路的交叉(結(jié)點)處設(shè)置以波長為單位對光信號進行交叉連接的光交叉連接設(shè)備(OXC)，或進行光上下路的光分插復(fù)用器(OADM)，則在原來由光纖鏈路組成的物理層上面就會形成一個新的光層。在這個光層中，相鄰光纖鏈路中的波長通道可以連接起來，形成一個跨越多個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，將不同波長的信號結(jié)合在一起經(jīng)一根光纖輸出的器件稱為復(fù)用器(也叫合波器)。反之，經(jīng)同一傳輸光纖送來的多波長信號分解為各個波長分別輸出的器件稱為解復(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來使用，就是復(fù)用器。

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：雙纖單向傳輸和單纖雙向傳輸。

(1)雙纖單向傳輸。

單向WDM傳輸是指所有光通路同時在一根光纖上沿同一方向傳送。如下圖所示，在發(fā)送端將載有各種信息的、具有不同波長的已調(diào)光信號λ1,λ2,…,λn通過光復(fù)用器組合在一起，并在一根光纖中單向傳輸。由于各信號是通過不同光波長攜帶的，因而彼此之間不會混淆。在接收端通過光解復(fù)用器將不同波長的信號分開，完成多路光信號傳輸?shù)娜蝿?wù)。反方向通過另一根光纖傳輸?shù)脑砼c此相同。

圖

雙纖單向WDM傳輸

(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向兩個不同的方向傳輸。如下圖所示，所用波長相互分開，以實現(xiàn)雙向全雙工的通信。圖單纖雙向WDM傳輸

雙向WDM系統(tǒng)在設(shè)計和應(yīng)用時必須要考慮幾個關(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、串擾的類型和數(shù)值、兩個方向傳輸?shù)墓β孰娖街岛拖嗷ラg的依賴性、光監(jiān)控信道(OSC)傳輸和自動功率關(guān)斷等問題，同時要使用雙向光纖放大器。所以雙向WDM系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用相對說來要求較高，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路放大器的數(shù)量。另外，通過在中間設(shè)置光分插復(fù)用器(OADM)或光交叉連接器(OXC)，可使各波長光信號進行合流與分流，實現(xiàn)波長的上下路(Add/Drop)和路由分配，這樣就可以根據(jù)光纖通信線路和光網(wǎng)的業(yè)務(wù)量分布情況，合理地安排插入或分出信號。

?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，對波分復(fù)用器的基本要求是：

(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，定義為該無源器件的輸入和輸出端口之間的光功率之比，即其中Pi為發(fā)送進輸入端口的光功率；Po為從輸出端口接收到的光功率。(dB)

(2)串擾抑制度串擾是指其他信道的信號耦合進某一信道，并使該信道傳輸質(zhì)量下降的影響程度，有時也可用隔離度來表示這一程度。對于解復(fù)用器其中Pi是波長為λi的光信號的輸入光功率，Pij是波長為λi的光信號串入到波長為λj信道的光功率。其中Pj為發(fā)送進輸入端口的光功率，Pr為從同一個輸入端口接收到的返回光功率。

(3)回波損耗

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

(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

(5)工作波長范圍

工作波長范圍是指WDM器件能夠按照規(guī)定的性能要求工作的波長范圍(λmin到λmax)。

(6)信道寬度

信道寬度是指各光源之間為避免串擾應(yīng)具有的波長間隔。

(7)偏振相關(guān)損耗

偏振相關(guān)損耗(PDL:PolarizationdependentLoss)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。

7.2.2WDM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

實際的WDM系統(tǒng)主要由五部分組成：光發(fā)射機、光中繼放大、光接收機、光監(jiān)控信道和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，如下圖所示。

?光發(fā)射機位于WDM系統(tǒng)的發(fā)送端。在發(fā)送端首先將來自終端設(shè)備(如SDH端機)輸出的光信號，利用光轉(zhuǎn)發(fā)器(OTU)把符合ITU-TG.957建議的非特定波長的光信號轉(zhuǎn)換成符合ITU-TG.692建議的具有穩(wěn)定的特定波長的光信號。

OTU對輸入端的信號波長沒有特殊要求，可以兼容任意廠家的SDH信號，其輸出端滿足G.692的光接口，即標準的光波長和滿足長距離傳輸要求的光源；利用合波器合成多路光信號；通過光功率放大器(BA：BoosterAmplifier)放大輸出多路光信號。

?

用摻鉺光纖放大器(EDFA)對光信號進行中繼放大。在應(yīng)用時可根據(jù)具體情況，將EDFA用作“線放(LA：LineAmplifier)”,“功放(BA)”和“前放(PA：Preamplifier)”。在WDM系統(tǒng)中，對EDFA必須采用增益平坦技術(shù)，使得EDFA對不同波長的光信號具有接近相同的放大增益。與此同時，還要考慮到不同數(shù)量的光信道同時工作的各種情況，保證光信道的增益競爭不影響傳輸性能。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，分波器從主信道光信號中分出特定波長的光信號。接收機不但要滿足一般接收機對光信號靈敏度、過載功率等參數(shù)的要求，還要能承受有一定光噪聲的信號，要有足夠的電帶寬。

?光監(jiān)控信道(OSC：OpticalSupervisoryChannel)的主要功能是：

監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)各信道的傳輸情況，在發(fā)送端，插入本結(jié)點產(chǎn)生的波長為λs(1510nm)的光監(jiān)控信號，與主信道的光信號合波輸出；在接收端，將接收到的光信號分離，輸出λs(1510nm)波長的光監(jiān)控信號和業(yè)務(wù)信道光信號。

幀同步字節(jié)、公務(wù)字節(jié)和網(wǎng)管所用的開銷字節(jié)等都是通過光監(jiān)控信道來傳送的。

?網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)通過光監(jiān)控信道物理層傳送開銷字節(jié)到其他結(jié)點或接收來自其他結(jié)點的開銷字節(jié)對WDM系統(tǒng)進行管理，實現(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。

目前國際上已商用的系統(tǒng)有：4×2.5Gb/s(10Gb/s),8×2.5Gb/s(20Gb/s),16×2.5Gb/s(40Gb/s),40×2.5Gb/s(100Gb/s),32×10Gb/s(320Gb/s),40×10Gb/s(400Gb/s)。實驗室已實現(xiàn)了82×40Gb/s(3.28Tb/s)的速率，傳輸距離達3×100km=300km。OFC2000(OpticalFiberCommunicationConference)提供的情況有：

BellLabs:82路×40Gb/s=3.28Tb/s在3×100km=300km的TrueWave(商標)光纖(即G.655光纖)上，利用C和L兩個波帶聯(lián)合傳輸；

日本NEC:160×20Gb/s=3.2Tb/s，利用歸零信號沿色散平坦光纖，經(jīng)過增益寬度為64nm的光纖放大器，傳輸距離達1500km;日本富士通(Fujitsu):128路×10.66Gb/s，經(jīng)過C和L波帶（注：C波帶為1525～1565nm，L波帶為1570～1620nm），用分布喇曼放大(DRA:DistributedRamanAmplification),傳輸距離達6×140km=840km;

日本NTT：

30路×42.7Gb/s，利用歸零信號，經(jīng)過增益寬度為50nm的光纖放大器，傳輸距離達3×125km;

美國LucentTech:100路×10Gb/s=1Tb/s，各路波長的間隔縮小到25GHz,利用L波帶，沿NZDF光纖(G.655光纖)傳輸400km;

美國Mciworldcom和加拿大Nortel:100路×10Gb/s=1Tb/s，沿NZDF光纖在C和L波帶傳輸4段，約200km;

美國Qtera

和Qwest:

兩個波帶4路×10Gb/s和2路×10Gb/s沿NZDF光纖傳輸23×105km=2415km,這個試驗雖然WDM路數(shù)不多，但在陸地光纜中卻是最長距離。

武漢郵科院：12160公里的單根光纖（G.652）上每秒傳輸數(shù)據(jù)達到了1.031T采用密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)，武漢郵科院于2005年在上海到杭州開通了80×40Gbit/s系統(tǒng)（國家“863”項目），該系統(tǒng)容量相當于四千萬對人同時通話。近兩年，國際上也有公司開通或測試通過了單通道速率為100Gbit/s的系統(tǒng)。但是當單通道速率達到400Gbit/s或1-Tbit/s后，由于受光信噪比、非線性和色散等因素制約，需要采用新的技術(shù)。無線移動通信與光通信技術(shù)的發(fā)展也不斷出現(xiàn)交叉和融合，原來在寬帶無線移動通信系統(tǒng)中廣泛使用的OFDM（正交頻分復(fù)用）和LDPC（低密度校驗碼）等編碼技術(shù)，已成為超高速、超大容量、超長距離（3U）光通信基礎(chǔ)研究的熱點。武漢郵科院：12160公里的單根光纖（G.652）上每秒傳輸數(shù)據(jù)達到了1.031T以現(xiàn)在鋪設(shè)的40Gb/s網(wǎng)絡(luò)為例，家庭用戶所使用的信號流量一般在Mb/s級左右。以1Mb/s流量為例，則一根光纖所能支持的最大用戶數(shù)量為4萬戶。而對于1Tb/s骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)，在不改變光纖鏈路的同時，則可支持最大用戶100萬戶，是原有的25倍。為了實現(xiàn)這種超高速、超大容量、超長距離（3U）光傳輸，正交頻分復(fù)用、編碼、先進調(diào)制格式、數(shù)字信號處理、數(shù)模轉(zhuǎn)換、色散補償?shù)燃夹g(shù)的進一步研究就顯得非常必要。

7.2.3WDM技術(shù)的主要特點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)用價值和經(jīng)濟價值。2.同時傳輸多種不同類型的信號

由于WDM技術(shù)使用的各波長的信道相互獨立，因而可以傳輸特性和速率完全不同的信號，完成各種電信業(yè)務(wù)信號的綜合傳輸，如PDH信號和SDH信號，數(shù)字信號和模擬信號，多種業(yè)務(wù)(音頻、視頻、數(shù)據(jù)等)的混合傳輸?shù)取?.節(jié)省線路投資采用WDM技術(shù)可使N個波長復(fù)用起來在單根光纖中傳輸，也可實現(xiàn)單根光纖雙向傳輸，在長途大容量傳輸時可以節(jié)約大量光纖。另外，對已建成的光纖通信系統(tǒng)擴容方便，只要原系統(tǒng)的功率余量較大，就可進一步增容而不必對原系統(tǒng)作大的改動。

7.2.3WDM技術(shù)的主要特點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)可降低對一些器件在性能上的極高要求，同時又可實現(xiàn)大容量傳輸。5.高度的組網(wǎng)靈活性、經(jīng)濟性和可靠性

WDM技術(shù)有很多應(yīng)用形式，如長途干線網(wǎng)、廣播分配網(wǎng)、多路多址局域網(wǎng)。可以利用WDM技術(shù)選擇路由，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換和故障恢復(fù)，從而實現(xiàn)未來的透明、靈活、經(jīng)濟且具有高度生存性的光網(wǎng)絡(luò)。7.2.4光濾波器與光波分復(fù)用器在前面介紹耦合器時，已經(jīng)簡單地介紹了波分復(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，常常用來構(gòu)成各種各樣的波分復(fù)用器和解復(fù)用器。波分復(fù)用器和解復(fù)用器主要用在:?WDM終端

?波長路由器

?波長分插復(fù)用器(WavelengthAdd/DropMultiplexer,WADM)光濾波器的三種應(yīng)用：

?單純的濾波應(yīng)用

?

波分復(fù)用/解復(fù)用器中應(yīng)用

?波長路由器中應(yīng)用l1光濾波器圖(a)單純的濾波應(yīng)用l1,l2,l3,l4l,l,l234波分復(fù)用器l1l2l3l4圖

波分復(fù)用器中應(yīng)用l1,l2,l3,l4

圖波長路由器波長路由器l1,l2,l3,l4l1,l2,l3,l411112222l1,l2,l3,l42112l1,l2,l3,l41221波長路由器是波長選路網(wǎng)絡(luò)(WavelengthRoutingNetwork)中的關(guān)鍵部件，其功能可由下圖的例子說明它有兩個輸入端口和兩個輸出端口，每路輸入都載有一組λ1,λ2,λ3和λ4WDM信號。如果一個波長路由器的路由方式不隨時間變化，就稱為靜態(tài)路由器；路由方式隨時間變化，則稱之為動態(tài)路由器。靜態(tài)路由器可以用波分復(fù)用器來構(gòu)成，如下圖所示。波長分插復(fù)用器可以看成是波長路由器的簡化形式，它只有一個輸入端口和一個輸出端口，再加上一個用于分插波長的本地端口。

對光濾波器的主要要求有：

(1)一個好的光濾波器應(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)無關(guān)。

在大多數(shù)系統(tǒng)中，光的偏振態(tài)隨機變化，如果濾波器的插入損耗與光的偏振有關(guān)(PDL:PolarizationdependentLoss),則輸出光功率將極其不穩(wěn)定。

(2)一個濾波器的通帶應(yīng)該對溫度的變化不敏感。

溫度系數(shù)是指溫度每變化1℃的波長漂移。一個WDM系統(tǒng)要求在整個工作溫度范圍(大約100℃)內(nèi)，波長漂移應(yīng)該遠小于相鄰信道的波長間隔。

(3)在一個WDM系統(tǒng)中，隨著級聯(lián)的濾波器越來越多，系統(tǒng)的通帶就變得越來越窄。

為了確保在級聯(lián)的末端還有一個相當寬的通帶，單個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的微小變化。單個濾波器的通帶的平直程度常用1dB帶寬來衡量，如下圖所示。

圖

光濾波器的1dB帶寬下面將介紹一些波長選擇技術(shù)及其在WDM系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1.光柵

光柵(Grating)廣泛地用來將光分離為不同波長的單色光。在WDM系統(tǒng)中，光柵主要用在解復(fù)用器中，以分離出各個波長。圖基于光纖光柵結(jié)構(gòu)的光分插復(fù)用器l1l2l3l4113光纖布喇格光柵l1l3l4lll42l23l2圖

基于光纖光柵結(jié)構(gòu)的光分插復(fù)用器光分插l23l1l2l3l41光纖布喇格光柵2l2l1l3l4耦合器l27.3OTDM技術(shù)1、概述OTDM是在光域上進行時間分割復(fù)用，一般有兩種復(fù)用方式：

?比特間插(Bitinterleaved)?信元間插(Cellinterleaved)2、OTDM的原理和系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

圖OTDM技術(shù)原理示意圖鎖模激光器分路器調(diào)制器合束器支路i延時圖

光時分復(fù)用光路示意圖圖光時分復(fù)用系統(tǒng)框圖Mod1Mod2…Modn……合路器光分路器T(n－1)T超短脈沖發(fā)生器幀同步時鐘E/OMUX接收機誤碼檢測光帶通濾波器全光開關(guān)DEMUX光波時鐘產(chǎn)生時鐘提取電路EDFA延時線陣列待傳數(shù)據(jù)輸入復(fù)用信號輸入分路器或星形耦合器門限判決器與門延遲圖

光時分解復(fù)用示意光路圖OTDM的關(guān)鍵技術(shù)（1）超短光脈沖光源光時分復(fù)用要求光源產(chǎn)生高重復(fù)率（5～20GHz）、占空比相當小的超窄光脈沖，脈寬越窄可以復(fù)用的路數(shù)越多，且譜寬也就越寬。能滿足這些要求的光源主要有鎖模環(huán)形光纖激光器（ML-FRL）、鎖模半導(dǎo)體激光器、DFB激光器加電吸收調(diào)制器（EAM）、增益開關(guān)DFB激光器和超連續(xù)脈沖發(fā)生器。其中ML-FRL的特點是產(chǎn)生的脈沖幾乎沒有啁啾，在40GHz的高頻范圍不需要進行啁啾補償或脈沖壓縮，就能產(chǎn)生ps級的超短變換極限光脈沖，輸出波長較靈活，穩(wěn)定性好，是一種很有前途的光時分復(fù)用光源。（2）超短光脈沖的長距離傳輸和色散抑制技術(shù)（3）光緩存（4）全光解復(fù)用技術(shù)相對于全光時分復(fù)用技術(shù)，解復(fù)用實現(xiàn)起來更困難。是將超高速光信號解復(fù)用成低速率光信號，它是實現(xiàn)高速OTDM傳輸所必須的技術(shù)。OTDM對全光解復(fù)用的要求是：快速穩(wěn)定的無誤碼工作、控制功率低、與偏振無關(guān)、定時抖動值小。目前已研究出的結(jié)構(gòu)有：光克爾開關(guān)、交叉相位調(diào)制頻移開關(guān)、四波混頻（FWM）開關(guān)和非線性光環(huán)路鏡（NOLM）及太赫茲光學(xué)非對稱解復(fù)用器（TOAD）等。NOLM解復(fù)用器具有超高速、高穩(wěn)定性及低功耗等特點，是全光解復(fù)用的優(yōu)良器件。（5）全光時鐘提取全光時鐘恢復(fù)指的是用全光學(xué)方法從歸零碼光脈沖信號中提取出低時間抖動（<1ps）的同步時鐘信號，以便把它分配到OTDM通信系統(tǒng)的解復(fù)用器、路由選擇器、信道選擇器和接收器等，超遠距干線傳輸系統(tǒng)的光信號再生也要用到它。因此時鐘恢復(fù)對未來超高碼率網(wǎng)絡(luò)節(jié)點至關(guān)重要。全光時鐘提取器的機理一般基于兩路光波互作用，其中一路波是信號碼流（波長λs），另一路波是預(yù)定標準鐘信號（波長λc），因此首先必須要找到一個適當?shù)墓鈱W(xué)非線性介質(zhì)，鑒別或檢測二路光波之間的相位誤差。發(fā)生在這種非線性介質(zhì)中的多波互作用的基本原理是通過交叉相位調(diào)制（XPM）產(chǎn)生相移或四波混頻（FWM）信號，從而檢測出兩路波之間的相位誤差信息，并通過鎖相環(huán)糾正信號的相位抖動。（6）全光3R技術(shù)全光3R再生(retiming、reshaping、reamplifying)

傳統(tǒng)的電鎖相環(huán)基本結(jié)構(gòu)OCDMA中的全光時鐘提取時鐘信號基于受激布里淵散射的時鐘恢復(fù)基本結(jié)構(gòu)圖7.4光碼分復(fù)用（OCDM）技術(shù)光碼分復(fù)用（OCDM）技術(shù)是一種全新的頻率資源利用思路，它的信道占據(jù)同一個寬頻帶，從而原則上不需要光濾波器件，不同信道之間相互獨立地發(fā)送或接收信號，不需要網(wǎng)際規(guī)模的時鐘同步。OCDM的異步操作模式能支持突發(fā)性業(yè)務(wù)，碼分多址本身的特性同時也提高了一定的安全性，從其潛在的優(yōu)勢及應(yīng)用前景來看，OCDM能滿足目前及將來通信發(fā)展的要求，即異步、高速、寬帶、可靠。7.4光碼分復(fù)用9.4.1

OCDM的基本原理光碼分復(fù)用技術(shù)和電碼分復(fù)用技術(shù)在原理上并沒有根本的區(qū)別，只是在OCDM通信系統(tǒng)中，每個用戶都擁有一個唯一的地址碼，該碼是一組光正交碼中的一個。在發(fā)送端，對要發(fā)送的數(shù)據(jù)地址碼進行正交編碼，然后進行信道復(fù)用。在接收端，用與發(fā)送端相同的地址碼進行光正交解碼。OCDM通過光編碼和光解碼實現(xiàn)光信道的復(fù)用、解復(fù)用及信號交換，在光通信中具有極大的應(yīng)用前景。OCDM的典型原理圖如下圖所示。圖OCDMA的數(shù)據(jù)格式比特數(shù)據(jù)地址碼經(jīng)地址碼編碼后的比特數(shù)據(jù)時間時間時間比特周期用戶1電信號調(diào)制器光源光CDMA編碼器1用戶2電信號調(diào)制器光源光CDMA編碼器2光源用戶N電信號調(diào)制器光CDMA編碼器N光CDMA解碼器1探測器在時判決用戶1電信號光CDMA解碼器2探測器在時判決用戶2電信號光CDMA解碼器N探測器在時判決用戶N電信號圖OCDMA系統(tǒng)原理框圖N×N星形耦合器7.5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10Gb/s，實驗WDM系統(tǒng)的傳輸速率已超過3.28Tb/s。但是，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)僅僅充當點對點的傳輸手段，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)電子交換機的端口速率只有幾Mb/s到幾百Mb/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。7.5光交換技術(shù)光交換主要有三種方式：

?空分光交換

?時分光交換

?

波分光交換雖然采用異步轉(zhuǎn)移模式(ATM)可提供155Mb/s或更高的速率，能緩解這種矛盾，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，只有實現(xiàn)全光通信，而光交換是全光通信的關(guān)鍵技術(shù)。

7.5.1空分光交換

空分光交換的功能是：使光信號的傳輸通路在空間上發(fā)生改變。

空分光交換的核心器件是光開關(guān)。光開關(guān)有電光型、聲光型和磁光型等多種類型，其中電光型光開關(guān)具有開關(guān)速度快、串擾小和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，有很好的應(yīng)用前景。典型光開關(guān)是用鈦擴散在鈮酸鋰(Ti:LiNbO3)晶片上形成兩條相距很近的光波導(dǎo)構(gòu)成的，并通過對電壓的控制改變輸出通路。下圖是由4個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)，只是少用了一個輸入端而已。圖空分光交換(a)2×2光交換單元1×2光交換器件(a)這種2×2光交換模塊是最基本的光交換單元，它有兩個輸入端和兩個輸出端，通過電壓控制，可以實現(xiàn)平行連接和交叉連接，如圖(b)所示。圖a空分光交換圖b平行連接和交叉連接平行聯(lián)接交叉聯(lián)接(b)圖c是由16個1×2光開關(guān)器件或4個2×2光交換單元組成的4×4光交換單元。圖空分光交換圖c4×4光交換單元

定向耦合器光波導(dǎo)光信號輸出光信號輸入(c)

7.5.2時分光交換

時分光交換是以時分復(fù)用為基礎(chǔ)，用時隙互換原理實現(xiàn)交換功能的。

時分復(fù)用是把時間劃分成幀，每幀劃分成N個時隙，并分配給N路信號，再把N路信號復(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，如下圖所示。1復(fù)接器2N…分接器12N12…N時隙幀(a)

圖

時分光交換時分復(fù)用原理所謂時隙互換，就是把時分復(fù)用幀中各個時隙的信號互換位置。如下圖，首先使時分復(fù)用信號經(jīng)過分接器，在同一時間內(nèi)，分接器每條出線上依次傳輸某一個時隙的信號；然后使這些信號分別經(jīng)過不同的光延遲器件，獲得不同的延遲時間；最后用復(fù)接器把這些信號重新組合起來。1234分接器1延遲1延遲22延遲33延遲44(b)復(fù)接器輸入輸出4132圖

時分光交換時隙互換原理圖時分光交換等效的空分交換12341234(c)下圖示出時分光交換的空分等效。

7.5.3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)，采用波長選擇或波長變換的方法實現(xiàn)交換功能的。

圖7.33(a)和(b)分別示出波長選擇法交換和波長變換法交換的原理框圖。圖7.33(a)波分交換的原理框圖：波長選擇法交換l1空分交換l2空分交換l3空分交換…lW空分交換l1,l2…lW12…NN…21WDMXWMUX分波器合波器(a)l1,l2…lWl1,l2…lWl1,l2…lWl1,l2…lWl1,l2…lWl1l2lWNW×NW空分交換l1l2lWl1l2lWl1l2lWl1l2lWl1l2lWl1l2lWl1l2lW12…N12…NWDMXWMUX波長變換器(b)圖7.33(b)波分交換的原理框圖：波長變換法交換設(shè)波分交換機的輸入和輸出都與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個波長的光信號。從每條光纖輸入的光信號首先通過分波器(解復(fù)用器)WDM分為W個波長不同的信號。所有N路輸入的波長為λi(i=1,2,…,W)的信號都送到λi空分交換器，在那里進行同一波長N路(空分)信號的交叉連接，到底如何交叉連接，將由控制器決定。然后，以W個空分交換器輸出的不同波長的信號再通過合波器(復(fù)用器)WMUX復(fù)接到輸出光纖上。這種交換機當前已經(jīng)成熟，可應(yīng)用于采用波長選路的全光網(wǎng)絡(luò)中。但由于每個空分交換器可能提供的連接數(shù)為N×N,故整個交換機可能提供的連接數(shù)為NW，比下面介紹的波長變換法少。波長變換法與波長選擇法的主要區(qū)別是用同一個NW×NW空分交換器處理NW路信號的交叉連接，在空分交換器的輸出必須加上波長變換器，然后進行波分復(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。波長變換器將在7.7節(jié)介紹。7.6光孤子通信“孤子”是soliton的譯名，最早是英國海軍工程師1834偶然發(fā)現(xiàn)的船舶在河流中航行時形成一種特殊的形狀不變的水波，當時稱之為孤波（solitorywave）。光學(xué)中孤波現(xiàn)象的研究起始于1965年，在光學(xué)中孤子這個詞描述光脈沖包絡(luò)在非線性介質(zhì)中傳播時不僅不失真，而且象粒子那樣經(jīng)受碰撞仍保持原形而繼續(xù)存在，稱之為光學(xué)孤子或光孤子（opticalsoliton）1973年在理論上推斷光纖中能夠形成孤子。1980年用實驗性方法在光纖中觀察到孤子。并且當年提出了將光孤子用作信息載體，構(gòu)建一種新的光纖通信方案，稱之為光纖孤子通信，或簡稱光孤子通信。

光孤子(Soliton)是經(jīng)光纖長距離傳輸后，其幅度和寬度都不變的超短光脈沖(ps數(shù)量級)。

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。利用光孤子作為載體的通信方式稱為光孤子通信。光孤子通信的傳輸距離可達上萬公里，甚至幾萬公里，目前還處于試驗階段。我們知道，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，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，在光纖線路上，每隔一定的距離，可設(shè)置一個光纖放大器，以周期地補充光功率的損耗。但是多個光纖放大器產(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的光功率，這樣便產(chǎn)生非線性效應(yīng)。非線性效應(yīng)對光纖通信有害也有利，事實表明，克服其害還不如利用其利。光纖非線性效應(yīng)和色散單獨起作用時，在光纖中傳輸?shù)墓庑盘柖家a(chǎn)生脈沖展寬，對傳輸速率的提高是有害的。但是如果適當選擇相關(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。在強光作用下，光纖折射率n可以表示為式中，E為電場，n0為E=0時的光纖折射率，約為1.45。這種光纖折射率n隨光強|E|2而變化特性，稱為克爾(Kerr)效應(yīng)，n2=10-22(m/V)2，稱為克爾系數(shù)。雖然光纖中電場較大，為106(V/m)，但總的折射率變化Δn=n-n0=

還是很小(10-10)。即使如此，這種變化對光纖傳輸特性的影響還是很大的。注：在光纖中，通常不存在一次項。

7.6.1光孤子的形成在討論光纖傳輸理論時，假設(shè)了光纖折射率n和入射光強(光功率)無關(guān)，始終保持不變。這種假設(shè)在低功率條件下是正確的，獲得了與實驗良好一致的結(jié)果。然而，在高功率條件下，折射率n隨光強而變化，這種特性稱為非線性效應(yīng)。這種由于光場本身引起的相移，稱為自相位調(diào)制(SPM)。當光纖中還存在其它光場時，很明顯還會存在不同光場之間的相位調(diào)制，這就是交叉相位調(diào)制（XPM）。設(shè)波長為λ、光強為|E|2的光脈沖在長度為L的光纖中傳輸，則光強感應(yīng)的折射率變化，由此引起的相位變化為圖

脈沖的光強頻率調(diào)制-15-10-50510-15-10-50510-250250.00.51.0時間/ps時間/ps頻率變化/cm-1光強如圖所示，在脈沖上升部分，|E|2增加，，得到Δω<0，頻率下移；在脈沖頂部，|E|2不變，，得到Δω=0，頻率不變；在脈沖下降部分，|E|2減小，，得到Δω>0，頻率上移。頻移使脈沖頻率改變分布，其前部(頭)頻率降低，后部(尾)頻率升高。這種情況稱脈沖已被線性調(diào)頻，或稱啁啾(Chirp)。

傳輸常數(shù)是頻率和功率的函數(shù)，可展開為：其中，，，是群速度。是群速度色散（GVD）。是微擾項，包括了光纖的損耗及非線性效應(yīng)。若譜寬，則展開式中的三次項及更高次項通?？梢员缓雎浴Ｖ豢紤]非線性時，有：表示非線性效應(yīng)對光脈沖傳輸特性的影響。定義非線性系數(shù)，引入色散長度T0為脈沖寬度。并引入非線性長度通過上面兩式可以比較系統(tǒng)中色散及非線性的影響程度。比如：設(shè)定參數(shù)：如果輸入脈沖寬度T0>100ps，P0=1mW，由上面兩式，在光纖長度L<50km時，色散和非線性效應(yīng)均可忽略。當光纖長度L<<LNL，而L≈LD時，GVD起主要作用，非線性相對較弱。當光纖長度L≥LNL，L≥LD時，色散和非線性將共同起作用。在反常色散區(qū)（），光纖能維持孤子。適當選擇相關(guān)參數(shù)，使兩項絕對值相等，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?，F(xiàn)在我們回顧一下光纖色散。波長為λ的光纖色散系數(shù)C(λ)的定義為圖

單模光纖的色散特性-20-10010201.11.21.41.51.61.7-20-1001020色散位移光纖普通光纖圖中λD為零色散波長。在λ<λD時，C(λ)<0,β2>0，稱為光纖正常色散區(qū)；在λ>λD時，C(λ)>0,β2<0，稱為光纖反常色散區(qū)。圖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

在反常色散區(qū)，群速度色散引起脈沖前沿藍移（由于頻率高，群速度大，因而高頻成分向前沿集中，前沿頻率升高，這就是前沿藍移（并不是波長移到藍色，后面的紅移也同樣））。后沿紅移。而SPM使脈沖載波的前沿紅移，后沿藍移，正好與反常色散區(qū)的色散效應(yīng)相反，適當選擇相關(guān)參數(shù)，可以使光脈沖寬度保持不變。

7.6.2光孤子通信系統(tǒng)的構(gòu)成和性能下圖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，作為信息的載體進入光調(diào)制器，使信息對光孤子流進行調(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，進入光纖進行傳輸。為克服光纖損耗引起的光孤子減弱，在光纖線路上周期地插入EDFA，向光孤子注入能量，以補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，通過光檢測器和解調(diào)裝置，恢復(fù)光孤子所承載的信息。孤子源調(diào)制脈沖源EDFA隔離器探測光纖傳輸系統(tǒng)EDFAEDFAEDFA(a)圖

光孤子通信系統(tǒng)和實驗系統(tǒng)

(a)光孤子通信系統(tǒng)構(gòu)成方框圖

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，并有規(guī)定的形狀和峰值。光孤子源有很多種類，主要有摻鉺光纖孤子激光器、鎖模半導(dǎo)體激光器等。目前，光孤子通信系統(tǒng)已經(jīng)有許多實驗結(jié)果。例如，對光纖線路直接實驗系統(tǒng)，在傳輸速率為10Gb/s時，傳輸距離達到1000km；在傳輸速率為20Gb/s時，傳輸距離達到350km。對循環(huán)光纖間接實驗系統(tǒng)(參看圖7.37(b))，傳輸速率為2.4Gb/s，傳輸距離達12000km；改進實驗系統(tǒng)，傳輸速率為10Gb/s，傳輸距離達106km。

圖

光孤子通信系統(tǒng)和實驗系統(tǒng)

(b)循環(huán)光纖間接光孤子實驗系統(tǒng)圖

(b)→光隔離器調(diào)制器→鎖模激光器EDFA光隔離器1dB耦合器微波頻譜分析儀EDFA光纖EDFA光纖EDFA光纖25km25km25km事實上，對于單信道光纖通信系統(tǒng)來說，光孤子通信系統(tǒng)的性能并不比在零色散波長工作的常規(guī)(非光孤子)系統(tǒng)更好。循環(huán)光纖間接實驗結(jié)果表明，零色散波長常規(guī)系統(tǒng)的傳輸速率為2.4Gb/s時，傳輸距離可達21000km，而為5Gb/s時可達14300km。然而，零色散波長系統(tǒng)只能實現(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。7.6.3光孤子傳輸技術(shù)中的幾個問題討論（1）光纖損耗的補償為了在光纖中形成光孤子，在光纖沿線傳輸?shù)墓夤β时仨毐３譃镻1.但由于光纖中損耗的存在，因此必須采用光放大器補償光纖損耗，使光纖中一階孤子存在的條件成立。目前，光孤子能量補充方案仍然采用FRA或者EDFA方式。（2）色散系數(shù)D的影響在早期研究中光孤子系統(tǒng)都是單信道的，沒有四波混頻引起的信道串擾，因此常常采用DSF光纖使D盡可能小。減小D帶來以下好處?？稍龃蠓糯笃鏖g隔?？捎幂^小的光功率實現(xiàn)光孤子傳輸，使光源和光放大器容易實現(xiàn)，有利于降低成本。降低了相鄰脈沖之間的相互作用，有利于提高傳輸比特率。但是為了提高傳輸容量，WDM技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，WDM光孤子系統(tǒng)得到了發(fā)展。而當D趨近于0時，由于滿足相位匹配條件，F(xiàn)WM的影響大大增加，造成了信道串擾的增加。為了避免這一問題，與線性系統(tǒng)一樣光孤子傳輸系統(tǒng)也可以采用色散管理孤子（DispersionManagementSoliton-DMS）系統(tǒng)。根據(jù)理論分析，該系統(tǒng)可用NZ-DSF（色散系數(shù)D正負相間排列，相列補償色散，而D的絕對值都比較小，但不等于零），所需功率可以比較小，達到了和DSF同樣的效果。色散補償技術(shù)的引入使孤子通信系統(tǒng)設(shè)計更簡單，性能更優(yōu)良，更便于實用。（3）Gordon-Haus（哥頓-豪斯）效應(yīng)及其限制的突破由于系統(tǒng)中使用了EDFA，其ASE噪聲將作為加性噪聲影響信號的接收。另一方面，由于ASE噪聲的隨機性造成脈沖到達時間的抖動，使比特誤碼率（BER）增加，這就是Gordon-Haus效應(yīng)。傳輸距離越長，抖動越大，因此，Gordon-Haus效應(yīng)限制了傳輸距離，使得光孤子系統(tǒng)不能無限制地傳輸。采用時域或頻域濾波技術(shù)可以克服Gordon-Haus極限，（4）光孤子源技術(shù)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，并有規(guī)定的形狀和峰值。光孤子源有很多種類，主要有自鎖模摻鉺光纖孤子激光器、法布里-珀羅光纖孤子激光器、DFB激光器/外調(diào)制孤子源及DFB激光器/集成調(diào)制孤子源等。光隔離器（ISO）波分復(fù)用器波分復(fù)用器單模光纖摻鉺光纖泵浦光泵浦光監(jiān)測輸出光圖

自鎖模光纖環(huán)形孤子激光器FP腔濾波器PCPC7.7相干光通信技術(shù)目前已經(jīng)投入使用的光纖通信系統(tǒng)，都是采用光強調(diào)制-直接檢測(IM-DD)方式。這種方式的優(yōu)點是：調(diào)制和解調(diào)簡單，容易實現(xiàn)，因而成本較低。但是這種方式?jīng)]有利用光載波的頻率和相位信息，限制了系統(tǒng)性能的進一步提高。

相干光通信，像傳統(tǒng)的無線電和微波通信一樣，在發(fā)射端對光載波進行幅度、頻率或相位調(diào)制；在接收端，則采用零差檢測或外差檢測，這種檢測技術(shù)稱為相干檢測。微波通信（MicrowaveCommunication）微波通信是使用波長在0.1毫米至1米之間的電磁波——微波進行的通信。微波通信不需要固體介質(zhì),當兩點間直線距離內(nèi)無障礙時就可以使用微波傳送。

利用微波進行通信具有容量大、質(zhì)量好并可傳至很遠的距離,因此是國家通信網(wǎng)的一種重要通信手段,也普遍適用于各種專用通信網(wǎng)。

和IMD方式相比，相干檢測可以把接收靈敏度提高20dB，相當于在相同發(fā)射功率下，若光纖損耗為0.2dB/km，則傳輸距離增加100km。同時，采用相干檢測，可以更充分利用光纖帶寬。我們已經(jīng)看到，在光頻分復(fù)用(OFDM)中，信道頻率間隔可以達到10GHz以下，因而大幅度增加了傳輸容量。所謂相干光，就是兩個激光器產(chǎn)生的光場具有空間疊加、相互干涉性質(zhì)的激光。實現(xiàn)相干光通信，關(guān)鍵是要有頻率穩(wěn)定、相位和偏振方向可以控制的窄線譜激光器。

7.7.1相干檢測原理

下圖示出相干檢測原理方框圖，光接收機接收的信號光和本地振蕩器產(chǎn)生的本振光經(jīng)混頻器作用后，光場發(fā)生干涉。由光檢測器輸出的光電流經(jīng)處理后，以基帶信號的形式輸出。

圖

相干檢測原理方框圖光檢測器電信號處理基帶信號本地光振蕩器混頻器信號光光接收機接收的信號光和本地振蕩器產(chǎn)生的本振光經(jīng)混頻器作用后，光場發(fā)生干涉。由光檢測器輸出的光電流經(jīng)處理后，以基帶信號的形式輸出。設(shè)接收到的信號光光場可寫為：式中,ES、ωS和φS分別為光載波的幅度、頻率和相位。同樣，本振光的光場可以寫成因此，入射到PIN管的總光場為：因此PIN管的輸出總光電流成為：其中，。上面的推導(dǎo)中略出了倍頻和和頻項，為什么？因為它們對PIN來說頻率太高，只能響應(yīng)平均值即零。帶有信息的電流成份為由此可見，中頻信號功率分量帶有信號光的幅度、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。其平方平均值為：輸出平均光電流為：1.量子極限信噪比由于散粒噪聲與本征光功率成正比，而本征光功率很大，因此，外差檢測中散粒噪聲遠大于熱噪聲，也就是說，可以認為在相干通信中只存在量子噪聲，即達到了量子極限。這是信噪比為：圖

干涉后的瞬時光功率變化

1.零差檢測選擇ωL=ωS，即ωIF=0，這種情況稱為零差檢測。這時，濾去直流分量，中頻信號產(chǎn)生的光電流為式中，ρ為光檢測器的響應(yīng)度。通常PL>>PS，同時考慮到本振光相位鎖定在信號光相位上，即φL=φS，這樣便得到零差檢測的信號光電流為零差檢測信號平均光功率與直接檢測信號平均光功率之比為零差檢測信號平均光功率與直接檢測信號平均光功率之比為式中，R為光檢測器的響應(yīng)度。通常PL>>PS，同時考慮到本振光相位鎖定在信號光相位上，即φL=φS，這樣便得到零差檢測的信號光電流為

由于PL>>PS，零差檢測接收光功率可以放大幾個數(shù)量級。雖然噪聲也增加了，但是靈敏度仍然可以大幅度提高。零差檢測技術(shù)非常復(fù)雜，因為相位變化非常靈敏，必須控制相位，使φS-φL保持不變，同時要求ωL和ωS相等。與零差檢測相似，外差檢測接收光功率放大了，從而提高了靈敏度。外差檢測信噪比的改善比零差檢測低3dB，但是接收機設(shè)計相對簡單，因為不需要相位鎖定。2.外差檢測選擇ωL≠ωS，即ωIF=ωS-ωL>0，這種情況稱為外差檢測。通常選擇fIF(=ωIF/2π)在微波范圍(例如1GHz)。這時中頻信號產(chǎn)生的光電流為

7.7.2調(diào)制和解調(diào)如前所述，相干檢測技術(shù)主要優(yōu)點是：可以對光載波實施幅度、頻率或相位調(diào)制。對于模擬信號，有三種調(diào)制方式，即幅度調(diào)制(AM)、頻率調(diào)制(FM)和相位調(diào)制(PM)。對于數(shù)字信號，也有三種調(diào)制方式，即幅移鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)。下圖示出ASK、PSK和FSK調(diào)制方式的比較，下面分別介紹這三種調(diào)制方式。圖ASK、PSK和FSK調(diào)制方式比較

1.幅移鍵控(ASK)

基帶數(shù)字信號只控制光載波的幅度變化，稱為幅移鍵控(ASK)。ASK的光場表達式

ES(t)=AS(t)cos［ωSt+φS］式中,AS為光場的幅度、ωS為光場的中心角頻率和φS為光場的相位。在ASK中，φS保持不變，只對幅度進行調(diào)制。對于二進制數(shù)字信號調(diào)制，在大多數(shù)情況下，“0”碼傳輸時，使AS=0，“1”碼傳輸時，使AS=1。

ASK相干通信系統(tǒng)必須采用外調(diào)制器來實現(xiàn)，這樣只有輸出光信號的幅度隨基帶信號而變化，而相位保持不變。如果采用直接光強調(diào)制，幅度變化將引起相位變化。外調(diào)制器通常用鈦擴散的鈮酸鋰(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20時，調(diào)制帶寬可達20GHz。2.相移鍵控(PSK)

基帶信號只控制光載波的相位變化，稱為相移鍵控(PSK)。PSK的光場表達式為

ES(t)=AScos［ωSt+φ(t)］

在PSK中，AS保持不變，只對相位進行調(diào)制。傳輸“0”碼和傳輸“1”碼時，分別用兩個不同相位(通常相差180°)表示。如果傳輸“0”時，光載波相位不變，傳輸“1”碼時，相位改變180°，