第十章 光纤通信新技术
10.1 相干光通信
10.2 光孤子通信技术
10.3 全光通信网
10.1 相干光通信相干光通信系统可以把光频段划分为许多频道,从而使光频段得到充分利用,
即多信道光纤通信 。
与强度调制 — 直接检测系统不同,相干光纤通信系统在光接收机中增加了外差或零差接收所需的本地振荡光源,该光源输出的光波与接收到的已调光波在满足波前匹配和偏振匹配的条件下,进行光电混频 。
图 10.1 相干光通信系统的结构示意图如图 10.1所示,光源发出频率为 fs的光脉冲,通过调制器将已经变成电信号的信号源调制到光脉冲包络上,通过长距离线路传输后,到达接收端,接收端采用外差技术,首先通过耦合器将光信号和本振光源信号同时送到光电检测器接收,本振光源频率为 fs+fIF,信号光和本振光在满足波前匹配和偏振匹配的条件下混频,得到频率为 fIF的中频信号,该信号经过放大后送到解调器解调,最终到达接收电路完成通信过程 。
相干光通信系统灵敏度的提高主要是因为它采用了本地振荡得到了一定的增益,
根据无线电知识中外差接收技术知识可以得到光电检测器的电流 ［ 15］
式中,η为光电检测量子效率,h为普朗克常量,e为电子电量,f为光频率,Ps
为信号光功率,PL为本振光功率,m为调制系数,(t-τg)为群延时,ωs,ωL和 φs,φL
分别为信号光和本振光的角频率和相位 。
10.1.2 相干光通信关键技术
1.
相干光纤通信系统中对信号光源和本振光源的要求比较高,它要求光谱线窄,
频率稳定度高 。
2.
一般相干光通信的光调制有半导体激光器直接调制和光波导型外调制两种 。 半导体激光器直接调制技术一般是采用具有动态单纵模特性的 DFB激光器来进行直接调制,采用该技术在调制过程中可以使光谱保持良好的窄谱特性,同时频率也较稳定 。
3.
相干光通信的接收技术包括两部分,
一部分是光的接收技术,另一部分是中频之后的各种制式的解调技术 。
(1)
在 FSK制式中,由于半导体激光器在调制过程中,难免带有额外的幅度调制噪声,利用平衡接收方法可以减少调幅噪声 。
(2)
除了调幅噪声外,如果本振光相位和信号光相位有相对起伏,就将产生相位噪声,严重影响接收效果 。
(3)
前面已经指出：相干光通信系统接收端必须要求信号光和本振光的偏振同偏,
才能取得良好的混频效果,提高接收质量 。
10.2 光孤子通信技术
10.2.1 光孤子通信技术的基本原理
1.
根据光学知识,光脉冲可以用下列式
E(z,t)=A(z,t)exp［ j(ω0t-β0z)］
其中,A(z,t)是脉冲包络,对于常用的直接检波光通信系统我们主要关心光脉冲的包络情况 。
在考虑色散作用下,并引入光纤非线性效应中自相位调制作用时,光脉冲包络的传输方程可写为下式 ［ 7］
式中,A(z,t)为脉冲包络,β1=1/νg,β2
为群速度色散系数,β3为高阶色散系数,γ
是代表自相位调制效应的非线性系数 。
2.
作为理想情况下的光通信,孤子脉冲应该具有很好的确定的形状,宽度,功率和能量,为了解决这样的问题,已提出了几种解决方案 。
(1)
自锁模掺铒光孤子激光器原理图如图
10.3所示 。
图 10.3 自锁模掺铒光孤子激光器
(2) 法布里 —
(3) DFB激光器 /
目前最简单也用得比较多的孤子源是如图 10.5所示的 DFB激光器 /外调制激光器。
图 10.5 DFB激光器 /外调制孤子源
(4) DFB激光器 /
理想情况下,孤子脉冲源应该是集成在单个芯片上的,参考文献 ［ 19］ 报道说,
用单个半导体器件 — 集成的多量子阱 DFB
激光器 /调制器,已经得到脉冲重复频率为
20GHz,脉宽为 7ps的变换限制孤子脉冲 。
10.2.2光孤子通信技术的新进展光孤子通信从理论的提出到 20世纪 80
年代在实验中发现孤子,并提出将光孤子作为一种信息载体用于高速光纤通信已有几十年的过程了,经过广大科研工作者的不懈努力,光孤子通信系统取得了许多新的进展 。
1,
首先，在理论方法方面，基于标准非线性薛定谔方程和逆散射理论，深入研究了理想孤子解的基本结构和特征；基于光孤子通信系统的实际结构和扰动非线性薛定谔方程，建立了研究光孤子传输特性的各种扰动理论方法，深入研究了光孤子的动力学过程、动态演化特性、稳定性及稳定传输的条件和能力；基于光孤子的粒子性，
建立了分析孤子相互作用的各种理论方法，揭示了光时分复用、波分复用系统中光孤子相互作用的机制和规律。
其次，在光孤子通信系统分析设计模型方面，基于不同系统结构、运行条件和性能要求，研究了光孤子传输方案和理论模型，建立了平均孤子或导引中心孤子模型及动态孤子和绝热孤子传输方案，确立了系统结构的基本模式。
2.
经过十余年对孤子脉冲传输研究,探索了各种实验系统方案和系统设计方法,
解决了许多关键技术,脉冲在光纤中传输时所产生的色散,损耗和非线性是公认的三大影响孤子脉冲传输的因素,掺铒光纤放大器 (EDFA)问世后,损耗问题已经得到很好的解决,
但是随着孤子脉冲源脉宽的越来越窄，
色散作用越来越影响孤子的传输，于是对色散进行补偿成为一个紧要的技术，现在光孤子通信系统的色散补偿大体有两类技术：一类是弱色散和局部色散补偿；另一类是周期性全局强色散补偿。
3.
欧共体各国协同组建了多项孤子发展项目,欧洲各相关光通信公司,研究所和大学基本上都参加了其项目研究,表 10.2
给出了其中三个项目的基本情况 。
10.3 全光通信网
10.3.1
全光网络 ( All-Optical Networks，
AON)技术是指光信息流在网络中的传输及交换时始终以光的形式存在 。
它具备更强的可管理性,灵活性,透明性与传统通信网和现行的光通信系统相比,它具有以下多种优点：
① 可提供更大的带宽，因为全光网对信号的交换都在光域内进行，可最大限度地利用光纤的传输容量；
② 具有传输透明性，因为采用的光路交换以波长来选择路由，因此对传输码率、
数据格式以及调制方式具有透明性，即对信号形式无限制，允许采用不同的速率和协议；
③ 具有更高的处理速度和更低的误码率；
④ 具有良好的兼容性，不仅可以与现有的通信网络兼容，而且还可以支持未来的宽带综合业务数字网以及网络的升级；
⑤ 具备良好的扩展性能，网络可同时扩展用户、容量和种类，新节点的加入并不会影响原来网络结构和原有各节点设备；
⑥ 具备可重构性，可以根据通信容量的需求，动态地改变网络结构，可进行恢复、建立、拆除光波长的连接；
⑦ 由于采用了较多无源光器件，省去了庞大的光 /电 /光转换的设备及工作，可大幅提升网络整体的交换速度，提高可靠性。
10.3.2
1,光交叉连接设备 OXC
光交换 /光路由属于全光网络中关键光节点技术,主要完成光节点处任意光纤端口之间的光信号交换及选路,它所完成的最关健工作就是波长变换 。
(1) 空分交换 OXC
采用空分光交换的 OXC结构如图 10.8
所示 ［ 7］,它由输入输出光纤,星形耦合器 (Star Coupler,SC),可调光滤波器,空间开关矩阵 (Space Switching Matrix,SSM)
等模块组成 。
图 10.8 不含波长变换器 OXC
(2) 分送耦合交换 OXC
分送耦合交换 OXC的基本单元是星形耦合器和光开关,图 10.10所示为分送耦合交换 OXC的结构示意图,图中的波长变换器具有波长选择功能,也可以起到滤波的功能 。
图
10.
10
耦合交换OXC
结构
(3) 波长交换 OXC
波长交换 OXC结构如图 10.11所示 。
这种交换结构方案的交换机制主要是在频域进行的,交换通过波长来完成 。 该结构具有严格的无阻塞特性,如果在设计星形耦合器 (SC)数量的时候,留够足够的冗余 。
该结构还具有波长和链路模块性,便于网络的升级扩容 。
图 10.11 基于波长交换 OXC结构
2.
全光网在干线网的交叉点引入光交叉连接和波长变换器,从而形成端到端的 "虚波长 "通道,只要各段链路分别存在未被占用的空闲波长,就可以通过波长变换建立通信路由,大大提高了波长利用率 。
(1) 光 /电 /
采用该技术进行波长变换,先用光电检测器接收该光信号,将光信号变成电信号,然后将信号调制到所需波长的激光器发射出去,实现电 /光 (E/O)转换,从而实现波长变换 。
(2)
全光波长变换技术不需要经过光 /电处理,而是直接在光域内将某一波长的光信号直接转换到另外的一个波长上 。
SOA技术实现波长变换主要有以下几
① 基于光混频原理的波长变换器主要包括差频和四波混频 。
② 基于光调制原理的波长变换器 。
SOA—— 交叉增益调制波长变换器结构简单,与偏振无关,转换速率快
(40Gbit/s左右 ),缺点首先是输出的信号与输入信号的极性正好相反,向短波长方向变换容易获得较高的消光比,信号向长波长方向变换时消光比明显下降,一般只有
8dB左右 。
采用 SOA—— 交叉相位调制波长变换器可以克服交叉增益调制波长转换中消光比降低的缺点 。
10.1 相干光通信
10.2 光孤子通信技术
10.3 全光通信网
10.1 相干光通信相干光通信系统可以把光频段划分为许多频道,从而使光频段得到充分利用,
即多信道光纤通信 。
与强度调制 — 直接检测系统不同,相干光纤通信系统在光接收机中增加了外差或零差接收所需的本地振荡光源,该光源输出的光波与接收到的已调光波在满足波前匹配和偏振匹配的条件下,进行光电混频 。
图 10.1 相干光通信系统的结构示意图如图 10.1所示,光源发出频率为 fs的光脉冲,通过调制器将已经变成电信号的信号源调制到光脉冲包络上,通过长距离线路传输后,到达接收端,接收端采用外差技术,首先通过耦合器将光信号和本振光源信号同时送到光电检测器接收,本振光源频率为 fs+fIF,信号光和本振光在满足波前匹配和偏振匹配的条件下混频,得到频率为 fIF的中频信号,该信号经过放大后送到解调器解调,最终到达接收电路完成通信过程 。
相干光通信系统灵敏度的提高主要是因为它采用了本地振荡得到了一定的增益,
根据无线电知识中外差接收技术知识可以得到光电检测器的电流 ［ 15］
式中,η为光电检测量子效率,h为普朗克常量,e为电子电量,f为光频率,Ps
为信号光功率,PL为本振光功率,m为调制系数,(t-τg)为群延时,ωs,ωL和 φs,φL
分别为信号光和本振光的角频率和相位 。
10.1.2 相干光通信关键技术
1.
相干光纤通信系统中对信号光源和本振光源的要求比较高,它要求光谱线窄,
频率稳定度高 。
2.
一般相干光通信的光调制有半导体激光器直接调制和光波导型外调制两种 。 半导体激光器直接调制技术一般是采用具有动态单纵模特性的 DFB激光器来进行直接调制,采用该技术在调制过程中可以使光谱保持良好的窄谱特性,同时频率也较稳定 。
3.
相干光通信的接收技术包括两部分,
一部分是光的接收技术,另一部分是中频之后的各种制式的解调技术 。
(1)
在 FSK制式中,由于半导体激光器在调制过程中,难免带有额外的幅度调制噪声,利用平衡接收方法可以减少调幅噪声 。
(2)
除了调幅噪声外,如果本振光相位和信号光相位有相对起伏,就将产生相位噪声,严重影响接收效果 。
(3)
前面已经指出：相干光通信系统接收端必须要求信号光和本振光的偏振同偏,
才能取得良好的混频效果,提高接收质量 。
10.2 光孤子通信技术
10.2.1 光孤子通信技术的基本原理
1.
根据光学知识,光脉冲可以用下列式
E(z,t)=A(z,t)exp［ j(ω0t-β0z)］
其中,A(z,t)是脉冲包络,对于常用的直接检波光通信系统我们主要关心光脉冲的包络情况 。
在考虑色散作用下,并引入光纤非线性效应中自相位调制作用时,光脉冲包络的传输方程可写为下式 ［ 7］
式中,A(z,t)为脉冲包络,β1=1/νg,β2
为群速度色散系数,β3为高阶色散系数,γ
是代表自相位调制效应的非线性系数 。
2.
作为理想情况下的光通信,孤子脉冲应该具有很好的确定的形状,宽度,功率和能量,为了解决这样的问题,已提出了几种解决方案 。
(1)
自锁模掺铒光孤子激光器原理图如图
10.3所示 。
图 10.3 自锁模掺铒光孤子激光器
(2) 法布里 —
(3) DFB激光器 /
目前最简单也用得比较多的孤子源是如图 10.5所示的 DFB激光器 /外调制激光器。
图 10.5 DFB激光器 /外调制孤子源
(4) DFB激光器 /
理想情况下,孤子脉冲源应该是集成在单个芯片上的,参考文献 ［ 19］ 报道说,
用单个半导体器件 — 集成的多量子阱 DFB
激光器 /调制器,已经得到脉冲重复频率为
20GHz,脉宽为 7ps的变换限制孤子脉冲 。
10.2.2光孤子通信技术的新进展光孤子通信从理论的提出到 20世纪 80
年代在实验中发现孤子,并提出将光孤子作为一种信息载体用于高速光纤通信已有几十年的过程了,经过广大科研工作者的不懈努力,光孤子通信系统取得了许多新的进展 。
1,
首先，在理论方法方面，基于标准非线性薛定谔方程和逆散射理论，深入研究了理想孤子解的基本结构和特征；基于光孤子通信系统的实际结构和扰动非线性薛定谔方程，建立了研究光孤子传输特性的各种扰动理论方法，深入研究了光孤子的动力学过程、动态演化特性、稳定性及稳定传输的条件和能力；基于光孤子的粒子性，
建立了分析孤子相互作用的各种理论方法，揭示了光时分复用、波分复用系统中光孤子相互作用的机制和规律。
其次，在光孤子通信系统分析设计模型方面，基于不同系统结构、运行条件和性能要求，研究了光孤子传输方案和理论模型，建立了平均孤子或导引中心孤子模型及动态孤子和绝热孤子传输方案，确立了系统结构的基本模式。
2.
经过十余年对孤子脉冲传输研究,探索了各种实验系统方案和系统设计方法,
解决了许多关键技术,脉冲在光纤中传输时所产生的色散,损耗和非线性是公认的三大影响孤子脉冲传输的因素,掺铒光纤放大器 (EDFA)问世后,损耗问题已经得到很好的解决,
但是随着孤子脉冲源脉宽的越来越窄，
色散作用越来越影响孤子的传输，于是对色散进行补偿成为一个紧要的技术，现在光孤子通信系统的色散补偿大体有两类技术：一类是弱色散和局部色散补偿；另一类是周期性全局强色散补偿。
3.
欧共体各国协同组建了多项孤子发展项目,欧洲各相关光通信公司,研究所和大学基本上都参加了其项目研究,表 10.2
给出了其中三个项目的基本情况 。
10.3 全光通信网
10.3.1
全光网络 ( All-Optical Networks，
AON)技术是指光信息流在网络中的传输及交换时始终以光的形式存在 。
它具备更强的可管理性,灵活性,透明性与传统通信网和现行的光通信系统相比,它具有以下多种优点：
① 可提供更大的带宽，因为全光网对信号的交换都在光域内进行，可最大限度地利用光纤的传输容量；
② 具有传输透明性，因为采用的光路交换以波长来选择路由，因此对传输码率、
数据格式以及调制方式具有透明性，即对信号形式无限制，允许采用不同的速率和协议；
③ 具有更高的处理速度和更低的误码率；
④ 具有良好的兼容性，不仅可以与现有的通信网络兼容，而且还可以支持未来的宽带综合业务数字网以及网络的升级；
⑤ 具备良好的扩展性能，网络可同时扩展用户、容量和种类，新节点的加入并不会影响原来网络结构和原有各节点设备；
⑥ 具备可重构性，可以根据通信容量的需求，动态地改变网络结构，可进行恢复、建立、拆除光波长的连接；
⑦ 由于采用了较多无源光器件，省去了庞大的光 /电 /光转换的设备及工作，可大幅提升网络整体的交换速度，提高可靠性。
10.3.2
1,光交叉连接设备 OXC
光交换 /光路由属于全光网络中关键光节点技术,主要完成光节点处任意光纤端口之间的光信号交换及选路,它所完成的最关健工作就是波长变换 。
(1) 空分交换 OXC
采用空分光交换的 OXC结构如图 10.8
所示 ［ 7］,它由输入输出光纤,星形耦合器 (Star Coupler,SC),可调光滤波器,空间开关矩阵 (Space Switching Matrix,SSM)
等模块组成 。
图 10.8 不含波长变换器 OXC
(2) 分送耦合交换 OXC
分送耦合交换 OXC的基本单元是星形耦合器和光开关,图 10.10所示为分送耦合交换 OXC的结构示意图,图中的波长变换器具有波长选择功能,也可以起到滤波的功能 。
图
10.
10
耦合交换OXC
结构
(3) 波长交换 OXC
波长交换 OXC结构如图 10.11所示 。
这种交换结构方案的交换机制主要是在频域进行的,交换通过波长来完成 。 该结构具有严格的无阻塞特性,如果在设计星形耦合器 (SC)数量的时候,留够足够的冗余 。
该结构还具有波长和链路模块性,便于网络的升级扩容 。
图 10.11 基于波长交换 OXC结构
2.
全光网在干线网的交叉点引入光交叉连接和波长变换器,从而形成端到端的 "虚波长 "通道,只要各段链路分别存在未被占用的空闲波长,就可以通过波长变换建立通信路由,大大提高了波长利用率 。
(1) 光 /电 /
采用该技术进行波长变换,先用光电检测器接收该光信号,将光信号变成电信号,然后将信号调制到所需波长的激光器发射出去,实现电 /光 (E/O)转换,从而实现波长变换 。
(2)
全光波长变换技术不需要经过光 /电处理,而是直接在光域内将某一波长的光信号直接转换到另外的一个波长上 。
SOA技术实现波长变换主要有以下几
① 基于光混频原理的波长变换器主要包括差频和四波混频 。
② 基于光调制原理的波长变换器 。
SOA—— 交叉增益调制波长变换器结构简单,与偏振无关,转换速率快
(40Gbit/s左右 ),缺点首先是输出的信号与输入信号的极性正好相反,向短波长方向变换容易获得较高的消光比,信号向长波长方向变换时消光比明显下降,一般只有
8dB左右 。
采用 SOA—— 交叉相位调制波长变换器可以克服交叉增益调制波长转换中消光比降低的缺点 。
