第八章 光复用技术尽管目前光纤通信单信道实用化系统的传输速率发展到了 10Gbit/s,线路的利用率有了很大提高,但与光纤巨大的带宽潜力相比还微不足道 。
本章将介绍光时分复用,波分复用,
光频分复用,光码分复用和光副载波复用等常用的几种光复用技术 。
8.1 光复用技术的基本概念
8.2 光时分复用技术
8.3 密集波分复用技术
8.4 密集波分复用系统的非线性串扰
8.1 光复用技术的基本概念复用技术是为了提高通信线路的利用率,而采用的在同一传输线路上同时传输多路不同信号而互不干扰的技术 。
另一种复用技术称为,统计复用,。
它全称叫做,统 计 时 分 多 路 复用,(Statistical Time Division Multiplexing，
STDM),或称,异步时分多路复用,。
光纤通信经过 30多年的发展,单信道实 用 化 系 统 的 传 输 速 率 从 1976年的
45Mbit/s发展到了 10Gbit/s,线路的利用率得到了很大提高 (但与光纤巨大的带宽潜力相比这点带宽还微不足道 )。
光波分复用 (WDM)技术是在一芯光纤中同时传输多波长光信号的一项技术。其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端将组合波长的光信号分开，并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端。
为了进一步提高光纤带宽利用率,相邻两光载波的间隔将越来越小,一般认为：
当相邻光载波的间隔小到 0.1nm(10GHz)以下时,此时的复用称为光频分复用 。
光时分复用 (OTDM)技术指利用高速光开关把多路光信号在时域里复用到一路上的技术 。
光副载波复用 (OSCM)技术是将基带信号首先调制到 GHz的副载波上,再把副载波调制到 THz的光载波上 。
光 码 分 复 用 ( OCDM) 技术是
CDM(Code Division Multiplexing)技术和光纤通信技术相结合的产物,在这种复用技术中,每个信道不是占用一个给定的波长,频率或者时隙,而是以一个特有的编码脉冲序列方式来传送其比特信息 。
光波分复用,光时分复用,光副载波复用和光码分复用都是正在使用和研究的光纤复用技术,这些技术的使用能增加线路容量,提高线路利用率 。
8.2 光时分复用技术光时分复用 (OTDM)的原理与电时分复用相同,只不过电时分复用是在电域中完成,而光时分复用是在光域中进行,即将高速的光支路数据流 (例如 10Gbit/s,甚至 40Gbit/s)直接复用进光域,产生极高比特率的合成光数据流 。
8.2.1 比特交错光时分复用比特交错光时分复用时,首先由锁模激光器产生窄脉冲周期序列,然后将窄脉冲周期序列分路为 n路,每路窄脉冲周期序列分别被一路支路数据流 (电信号 )外调制,对已调制过的第 i支路光数据流 (i=1,2,… n)脉冲通过适当长度的硅光纤延时 i× τ( 光在硅光纤中传播速度约为
2× 108m/s,1km的光纤提供约 5μs的时延 ),这样,
不同支路光脉冲流延迟时间不同,在时间上复用不会重叠,便于数据流的复接 。
8.2.2 分组交错光时分复用分组交错光时分复用和比特交错光时分复用一样,首先由锁模激光器产生窄脉冲周期序列,然后将窄脉冲周期序列分路为 n路,每路窄脉冲周期序列分别被一路支路数据流 (电信号 )外调制 。
实现压缩的原理框图如图 8.7(b)所示 。 图中的 3dB耦合器起分路和合路作用,它将输入的窄光脉冲分为两路,或将处理完后的两路光脉冲合并为一路；两个半导体放大器 (Semiconductor
Optical Amplifier,SOA)具有高电平驱动时透光,
低电平驱动时吸光的特性,它们的驱动时钟相位相差 180°,放大器的作用一是对分路损耗进行补偿,二是在互补的两路时钟驱动下轮流透光,
从而将光脉冲流分组 (每组的比特数取决于驱动时钟高电平的宽度 ),使一组通过延迟线,另一组则不通过延迟线；延迟线的作用是将比特组延迟一定的时间 。
图
8.
7
分组交错复用原理图一种实用的方法是采用与门堆,首先将输入的高速串行的复用数据流变换为低速的并行数据流,然后再进行处理 。
8.3 密集波分复用技术光波分复用 ( Wavelength Division
Multiplexing,WDM)技术是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术 。 其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来 (复用 )，
并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输,
在接收端又将组合波长的光信号分开 (解复用 )，
并作进一步处理,恢复出原信号后送入不同的终端,因此将此项技术称为光波长分割复用技术,
简称光波分复用技术 。
波分复用技术有以下主要特点 。
(1) 可以充分利用光纤的巨大带宽潜力,使一根光纤上的传输容量比单波长传输增加几十至上万倍 。
(2) N个波长复用以后在一根光纤中传输,在大容量长途传输时可以节约大量的光纤 。
(3) 波分复用通道对传输信号是完全透明的，即对传输码率、数据格式及调制方式均具有透明性，可同时提供多种协议的
(4) 可扩展性好。
(5) 降低器件的超高速要求。
8.3.1 WDM
WDM系统从不同的角度可以分为不同的类型,常见的分类方法有：从传输方向分,可以分为双纤单向波分复用系统和单纤双向波分复用系统；从光接口类型分,
可以分为集成式波分复用系统和开放式波分复用系统 。
1.
单向 DWM是指所有光路同时在一根光纤上沿同一方向传送,如图 8.10所示 。
图 8.10 双纤单向传输示意图
2.
同一光波分复用器既可作合波器,又可作分波器,具有方向的可逆性,因此,
可以在同一根光纤上实现双向传输 。
3.
考虑到各波长之间的影响最小和更多厂家的设备能互通工作,WDM使用的激光器发出的光的中心波长,波长间隔,中心频率偏移等均有严格的规定,必需符合
ITU-T G.692建议 。
4.
开放式系统就是在波分复用器前加入波 长 转 换 器 ( Optical Transition Unit，
OTU),将 SDH非规范的波长转换为标准波长,如图 8.13所示 。
图 8.13 开放式 WDM系统
8.3.2 WDM系统基本结构与工作原理一般来说,WDM系统主要由以下五部分组成：光发射机,光中继放大,光接收机,光监控信道和网络管理系统 。
光发射机是 WDM 系统的核心,除了对
WDM系统中发射激光器的中心波长有特殊的要求外,还需要根据 WDM系统的不同应用 (主要是传输光纤的类型和无电中继传输的距离 )来选择具有一定色度色散容限的发射机 。
经过长距离光纤传输后 (80～ 120km)，
需要对光信号进行光中继放大。
在接收端,光前置放大器 (PA)放大经传输而衰减的主信道光信号后,利用分波器从主信道光信号中分出特定波长的光信号送往各终端设备 。
8.4 密集波分复用系统的非线性串扰衰耗是指光纤中传输的光信号随着传输距离的增长而逐渐减小的特性。克服的办法主要有：采用高输出功率的激光器，
采用高灵敏度的接收器，采用光放大器等。
正色散区：红光 (波长较长的光 )传得较慢 。
负色散区：蓝光 (波长较短的光 )传得较慢 。
8.4.1
受 激 喇 曼 散 射 ( Stimulated Raman
Scattering,SRS)可以看作是介质中分子振动对入射光的调制,对入射光产生散射作用 。
L长的光纤输出端因 SRS而损耗 50%
的输入功率时,这个输入功率称为阈值功率 。 喇曼散射的阈值泵浦功率 PR可以表示为 ［ 7］,
式中,Aeff为纤芯有效面积 。
式中,s0为单模光纤的模场半径； gR喇曼放大系数； Leff为光纤的有效互作用长度,
简称有效长度 。
式中,L为光纤的长度； α为光纤的衰减系数 。 光纤越长,Leff也越长 。
8.4.2 受激布里渊散射串扰受激布里渊散射 (Stimulated Brillouin
Scattering,SBS)与受激喇曼散射在物理过程上十分相似,入射频率为 ωp的泵浦光将一部分能量转移给频率为 ωs的斯托克斯波,并发出频率为 Ω的声波 。
Ω=ωp-ωs
受激布里渊散射产生的斯托克斯波传播方向与泵浦波相反 。
光纤中受激布里渊散射的阈值功率可以近似表示为：
式中,Aeff为光纤纤芯有效面积,Leff为光纤的有效长度,分别如式 (8-2)和式 (8-3)所示； gB为布里渊放大系数 。 在实际应用中为了简化式 (8-4),G.650建议又给出了经验
8.4.3 自相位调制和交叉相位调制这一极化过程由极化强度矢量 P(r,t)
与电场强度矢量 E(r,t)的关系来描述。
P=ε0χE
式中,ε0是自由空间的介电常数； χ是介质的极化率 。
在强电场作用下，介质呈现非线性，
此时 P随电场 E发生非线性变化，这种非线性函数可以围绕 E＝ 0展开成泰勒级数：
P=ε0χE+2dE2+4χ(3)E3+…
式中,d为二阶非线性系数； χ(3)为三阶非线性系数 。
当光脉冲在光纤中传播时其相位改变为：
式中,k0=2π/λ； L为光纤的长度 。
是相位变化的线性部分,而由于光场自身引起的附加相位变化,
这种效应称之为自相位调制 ( Self-Phase
Modulation,SPM)。
这种相位的变化引起信号频率的瞬时变化 (频移 )为：
频移方向与 d|E|2/dt的符号有关 。
当两个或多个不同波长的光波在光纤中同时传输时,某特定信道的相移不仅取决于该信道自己场强的变化,也取决于其它相邻信道场强的变化,这种现象称之为交叉相位调制 (Cross Phase Modulation，
CPM或 XPM)。 第 j个信道的非线性相移为：
8.4.4
四波混频 (Four Wave Mixing,FWM)
是指两个以上不同波长的光信号在光纤的非线性影响下,除了原始的波长信号外还会产生许多额外的混合成分 (或叫边带 )。
四波混频边带的出现会导致信号功率的大量耗散 。
四波混频的门限功率最低,在 0dBm
左右,必须足够重视 。
本章将介绍光时分复用,波分复用,
光频分复用,光码分复用和光副载波复用等常用的几种光复用技术 。
8.1 光复用技术的基本概念
8.2 光时分复用技术
8.3 密集波分复用技术
8.4 密集波分复用系统的非线性串扰
8.1 光复用技术的基本概念复用技术是为了提高通信线路的利用率,而采用的在同一传输线路上同时传输多路不同信号而互不干扰的技术 。
另一种复用技术称为,统计复用,。
它全称叫做,统 计 时 分 多 路 复用,(Statistical Time Division Multiplexing，
STDM),或称,异步时分多路复用,。
光纤通信经过 30多年的发展,单信道实 用 化 系 统 的 传 输 速 率 从 1976年的
45Mbit/s发展到了 10Gbit/s,线路的利用率得到了很大提高 (但与光纤巨大的带宽潜力相比这点带宽还微不足道 )。
光波分复用 (WDM)技术是在一芯光纤中同时传输多波长光信号的一项技术。其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端将组合波长的光信号分开，并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端。
为了进一步提高光纤带宽利用率,相邻两光载波的间隔将越来越小,一般认为：
当相邻光载波的间隔小到 0.1nm(10GHz)以下时,此时的复用称为光频分复用 。
光时分复用 (OTDM)技术指利用高速光开关把多路光信号在时域里复用到一路上的技术 。
光副载波复用 (OSCM)技术是将基带信号首先调制到 GHz的副载波上,再把副载波调制到 THz的光载波上 。
光 码 分 复 用 ( OCDM) 技术是
CDM(Code Division Multiplexing)技术和光纤通信技术相结合的产物,在这种复用技术中,每个信道不是占用一个给定的波长,频率或者时隙,而是以一个特有的编码脉冲序列方式来传送其比特信息 。
光波分复用,光时分复用,光副载波复用和光码分复用都是正在使用和研究的光纤复用技术,这些技术的使用能增加线路容量,提高线路利用率 。
8.2 光时分复用技术光时分复用 (OTDM)的原理与电时分复用相同,只不过电时分复用是在电域中完成,而光时分复用是在光域中进行,即将高速的光支路数据流 (例如 10Gbit/s,甚至 40Gbit/s)直接复用进光域,产生极高比特率的合成光数据流 。
8.2.1 比特交错光时分复用比特交错光时分复用时,首先由锁模激光器产生窄脉冲周期序列,然后将窄脉冲周期序列分路为 n路,每路窄脉冲周期序列分别被一路支路数据流 (电信号 )外调制,对已调制过的第 i支路光数据流 (i=1,2,… n)脉冲通过适当长度的硅光纤延时 i× τ( 光在硅光纤中传播速度约为
2× 108m/s,1km的光纤提供约 5μs的时延 ),这样,
不同支路光脉冲流延迟时间不同,在时间上复用不会重叠,便于数据流的复接 。
8.2.2 分组交错光时分复用分组交错光时分复用和比特交错光时分复用一样,首先由锁模激光器产生窄脉冲周期序列,然后将窄脉冲周期序列分路为 n路,每路窄脉冲周期序列分别被一路支路数据流 (电信号 )外调制 。
实现压缩的原理框图如图 8.7(b)所示 。 图中的 3dB耦合器起分路和合路作用,它将输入的窄光脉冲分为两路,或将处理完后的两路光脉冲合并为一路；两个半导体放大器 (Semiconductor
Optical Amplifier,SOA)具有高电平驱动时透光,
低电平驱动时吸光的特性,它们的驱动时钟相位相差 180°,放大器的作用一是对分路损耗进行补偿,二是在互补的两路时钟驱动下轮流透光,
从而将光脉冲流分组 (每组的比特数取决于驱动时钟高电平的宽度 ),使一组通过延迟线,另一组则不通过延迟线；延迟线的作用是将比特组延迟一定的时间 。
图
8.
7
分组交错复用原理图一种实用的方法是采用与门堆,首先将输入的高速串行的复用数据流变换为低速的并行数据流,然后再进行处理 。
8.3 密集波分复用技术光波分复用 ( Wavelength Division
Multiplexing,WDM)技术是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术 。 其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来 (复用 )，
并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输,
在接收端又将组合波长的光信号分开 (解复用 )，
并作进一步处理,恢复出原信号后送入不同的终端,因此将此项技术称为光波长分割复用技术,
简称光波分复用技术 。
波分复用技术有以下主要特点 。
(1) 可以充分利用光纤的巨大带宽潜力,使一根光纤上的传输容量比单波长传输增加几十至上万倍 。
(2) N个波长复用以后在一根光纤中传输,在大容量长途传输时可以节约大量的光纤 。
(3) 波分复用通道对传输信号是完全透明的，即对传输码率、数据格式及调制方式均具有透明性，可同时提供多种协议的
(4) 可扩展性好。
(5) 降低器件的超高速要求。
8.3.1 WDM
WDM系统从不同的角度可以分为不同的类型,常见的分类方法有：从传输方向分,可以分为双纤单向波分复用系统和单纤双向波分复用系统；从光接口类型分,
可以分为集成式波分复用系统和开放式波分复用系统 。
1.
单向 DWM是指所有光路同时在一根光纤上沿同一方向传送,如图 8.10所示 。
图 8.10 双纤单向传输示意图
2.
同一光波分复用器既可作合波器,又可作分波器,具有方向的可逆性,因此,
可以在同一根光纤上实现双向传输 。
3.
考虑到各波长之间的影响最小和更多厂家的设备能互通工作,WDM使用的激光器发出的光的中心波长,波长间隔,中心频率偏移等均有严格的规定,必需符合
ITU-T G.692建议 。
4.
开放式系统就是在波分复用器前加入波 长 转 换 器 ( Optical Transition Unit，
OTU),将 SDH非规范的波长转换为标准波长,如图 8.13所示 。
图 8.13 开放式 WDM系统
8.3.2 WDM系统基本结构与工作原理一般来说,WDM系统主要由以下五部分组成：光发射机,光中继放大,光接收机,光监控信道和网络管理系统 。
光发射机是 WDM 系统的核心,除了对
WDM系统中发射激光器的中心波长有特殊的要求外,还需要根据 WDM系统的不同应用 (主要是传输光纤的类型和无电中继传输的距离 )来选择具有一定色度色散容限的发射机 。
经过长距离光纤传输后 (80～ 120km)，
需要对光信号进行光中继放大。
在接收端,光前置放大器 (PA)放大经传输而衰减的主信道光信号后,利用分波器从主信道光信号中分出特定波长的光信号送往各终端设备 。
8.4 密集波分复用系统的非线性串扰衰耗是指光纤中传输的光信号随着传输距离的增长而逐渐减小的特性。克服的办法主要有：采用高输出功率的激光器，
采用高灵敏度的接收器，采用光放大器等。
正色散区：红光 (波长较长的光 )传得较慢 。
负色散区：蓝光 (波长较短的光 )传得较慢 。
8.4.1
受 激 喇 曼 散 射 ( Stimulated Raman
Scattering,SRS)可以看作是介质中分子振动对入射光的调制,对入射光产生散射作用 。
L长的光纤输出端因 SRS而损耗 50%
的输入功率时,这个输入功率称为阈值功率 。 喇曼散射的阈值泵浦功率 PR可以表示为 ［ 7］,
式中,Aeff为纤芯有效面积 。
式中,s0为单模光纤的模场半径； gR喇曼放大系数； Leff为光纤的有效互作用长度,
简称有效长度 。
式中,L为光纤的长度； α为光纤的衰减系数 。 光纤越长,Leff也越长 。
8.4.2 受激布里渊散射串扰受激布里渊散射 (Stimulated Brillouin
Scattering,SBS)与受激喇曼散射在物理过程上十分相似,入射频率为 ωp的泵浦光将一部分能量转移给频率为 ωs的斯托克斯波,并发出频率为 Ω的声波 。
Ω=ωp-ωs
受激布里渊散射产生的斯托克斯波传播方向与泵浦波相反 。
光纤中受激布里渊散射的阈值功率可以近似表示为：
式中,Aeff为光纤纤芯有效面积,Leff为光纤的有效长度,分别如式 (8-2)和式 (8-3)所示； gB为布里渊放大系数 。 在实际应用中为了简化式 (8-4),G.650建议又给出了经验
8.4.3 自相位调制和交叉相位调制这一极化过程由极化强度矢量 P(r,t)
与电场强度矢量 E(r,t)的关系来描述。
P=ε0χE
式中,ε0是自由空间的介电常数； χ是介质的极化率 。
在强电场作用下，介质呈现非线性，
此时 P随电场 E发生非线性变化，这种非线性函数可以围绕 E＝ 0展开成泰勒级数：
P=ε0χE+2dE2+4χ(3)E3+…
式中,d为二阶非线性系数； χ(3)为三阶非线性系数 。
当光脉冲在光纤中传播时其相位改变为：
式中,k0=2π/λ； L为光纤的长度 。
是相位变化的线性部分,而由于光场自身引起的附加相位变化,
这种效应称之为自相位调制 ( Self-Phase
Modulation,SPM)。
这种相位的变化引起信号频率的瞬时变化 (频移 )为：
频移方向与 d|E|2/dt的符号有关 。
当两个或多个不同波长的光波在光纤中同时传输时,某特定信道的相移不仅取决于该信道自己场强的变化,也取决于其它相邻信道场强的变化,这种现象称之为交叉相位调制 (Cross Phase Modulation，
CPM或 XPM)。 第 j个信道的非线性相移为：
8.4.4
四波混频 (Four Wave Mixing,FWM)
是指两个以上不同波长的光信号在光纤的非线性影响下,除了原始的波长信号外还会产生许多额外的混合成分 (或叫边带 )。
四波混频边带的出现会导致信号功率的大量耗散 。
四波混频的门限功率最低,在 0dBm
左右,必须足够重视 。
