7.1 光纤放大器
7.2 光波分复用技术
7.3 光交换技术
7.4 光孤子通信
7.5 相干光通信技术
7.6 光时分复用技术
7.7 波长变换技术第 7 章 光纤通信新技术返回主目录第 7章 光纤通信新技术光纤通信发展的目标是提高通信能力和通信质量,降低价格,满足社会需要 。 进入 20世纪 90年代以后,光纤通信成为一个发展迅速,技术更新快,新技术不断涌现的领域 。 本章主要介绍一些已经实用化或者有重要应用前景的新技术,如光放大技术,光波分复用技术,光交换技术,光孤子通信,相干光通信,光时分复用技术和波长变换技术等 。
7.1光 纤 放 大光放大器有半导体光放大器和光纤放大器两种类型 。 半导体光放大器的优点是小型化,容易与其他半导体器件集成；
缺点是性能与光偏振方向有关,器件与光纤的耦合损耗大 。
光纤放大器的性能与光偏振方向无关,器件与光纤的耦合损耗很小,因而得到广泛应用 。
光纤放大器实际上是把工作物质制作成光纤形状的固体激光器,所以也称为光纤激光器 。
20世纪 80年代末期,波长为 1.55 μm的掺铒 (Er)光纤放大器 (EDFA,Erbium Doped Fiber Amplifier)研制成功并投入实用,把光纤通信技术水平推向一个新高度,成为光纤通信发展史上一个重要的里程碑 。
7.1.1
图 7.1示出掺铒光纤放大器 (EDFA)的工作原理,说明了光信号为什么会放大的原因 。 从图 7.1(a)可以看到,在掺铒光纤
(EDF)中,铒离子 (Er3+)有三个能级,其中能级 1代表基态,
能量最低；能级 2是亚稳态,处于中间能级；能级 3代表激发态,能量最高 。 当泵浦 (Pump,抽运 )光的光子能量等于能级 3
和能级 1的能量差时,铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到激发态
(1→ 3)。 但是激发态是不稳定的,Er3+很快返回到能级 2。 如果输入的信号光的光子能量等于能级 2和能级 1的能量差,则处于能级 2的 Er3+将跃迁到基态 (2→ 1),产生受激辐射光,因而信号光得到放大 。
图 7.1
(a) 硅光纤中铒离子的能级图； (b) EDFA的吸收和增益频谱
4F
9 / 2
4I
9 / 2
4I
1 1 / 2
4I
1 3 / 2
4I
1 5 / 2
1,4 8? m
泵浦
0,6 5? m
0,8 0? m
0,9 8? m
1,5 3? m
1
2
3
光信号
1,4 8 1,5 0 1,5 2 1,5 4 1,5 6
0
2
4
6
0
2
4
6
8
10
吸收增益波长 /? m
损耗或增益
/
(
d
B
·
m
－
1
)
( b )
( a )
截面
/
(×
1
0
－
25
m
2
)
但是激发态是不稳定的,Er3+很快返回到能级 2。 如果输入的信号光的光子能量等于能级 2和能级 1的能量差,则处于能级
2的 Er3+将跃迁到基态 (2→ 1),产生受激辐射光,因而信号光得到放大 。 由此可见,这种放大是由于泵浦光的能量转换为信号光的结果 。 为提高放大器增益,应提高对泵浦光的吸收,使基态 Er3+尽可能跃迁到激发态,图 7.1(b)示出 EDFA增益和吸收频谱 。
图 7.2(a)示出输出信号光功率和输入泵浦光功率的关系,
由图可见,泵浦光功率转换为信号光功率的效率很高,达到
92.6%。 当泵浦光功率为 60 mW时,吸收效率 ［ (信号输入光功率 -信号输出光功率 )/泵浦光功率 ］ 为 88%。
图 7.2
(a) 输出信号光功率与泵浦光功率的关系； (b) 小信号增益与泵浦光功率的关系
0
0 20 40 60 80
20
40
60
80
转换效率
9 2,6 ％
输入泵浦光功率 / m W
输出信号光功率
/
m
W
0
20
0
10
30
40
5 10 15 20
增益系数
6,3 d B / m W
输入泵浦光功率 / m W
增益
/
d
B
( a ) ( b )
7.1.2
图 7.3(a)为光纤放大器构成原理图,图 7.3(b)为实用光纤放大器构成方框图 。 掺铒光纤 (EDF)和高功率泵浦光源是关键器件,把泵浦光与信号光耦合在一起的波分复用器和置于两端防止光反射的光隔离器也是不可缺少的 。
设计高增益掺铒光纤 (EDF)是实现光纤放大器的技术关键,
EDF的增益取决于 Er 3+的浓度,光纤长度和直径以及泵浦光功率等多种因素,通常由实验获得最佳增益 。 对泵浦光源的基本要求是大功率和长寿命 。 波长为 1480 μm的 InGaAsP多量子阱 (MQW)激光器,输出光功率高达 100 mW,泵浦光转换为信号光效率在 6 dB/mW以上 。
图 7.3
(a) 光纤放大器构成原理图； (b) 实用光纤放大器外形图及其构成方框图输入信号光隔离器波分复用器泵浦掺铒光纤光隔离器输出信号
( a )
监视和告警电路泵浦监视和控制电路泵浦 LD
P D 探测器 泵浦 LD
输入隔离器 输入 W D M
输出耦合器 输出隔离器 输出 W D M
掺铒光纤热 沉光输入
＋ 5 V
0 V
－ 5 V
电源监视激光器驱动输入光输出
( b )
波长为 980 nm的泵浦光转换效率更高,达 10 dB/mW，
而且噪声较低,是未来发展的方向 。 对波分复用器的基本要求是插入损耗小,熔拉双锥光纤耦合器型和干涉滤波型波分复用器最适用 。 光隔离器的作用是防止光反射,保证系统稳定工作和减小噪声,对它的基本要求是插入损耗小,反射损耗大 。
图 7.4是 EDFA商品的特性曲线,图中显示出增益,噪声指数和输出信号光功率与输入信号光功率的关系 。 在泵浦光功率一定的条件下,当输入信号光功率较小时,放大器增益不随输入信号光功率而变化,基本上保持不变 。 当信号光功率增加到一定值 (一般为 -20 dBm) 后,增益开始随信号光功率的增加而下降,因此出现输出信号光功率达到饱和的现 。
图 7.4 掺铒光纤放大器增益,噪声指数和输出光功率与输入光功率的关系曲线
－ 1 0,0
－ 40
－ 5,0
0,0
5,0
1 0,0
1 5,0
2 0,0
2 5,0
3 0,0
3 5,0
－ 35 － 30 － 25 － 20 － 15 － 10 － 5 0
I
I
I
I
I I I
噪声 指数 / d B
输出 光功率 / d B m
增益 / d B
输入 光功率 / d B m
增益
/
d
B
表 7.1列出国外几家公司 EDFA商品的技术参数 。
表 7.1掺铒光纤放大器技术参数
7.1.3掺铒光纤放大器的优点和应用
EDFA有许多优点,并已得到广泛应用 。
EDFA
(1)工作波长正好落在光纤通信最佳波段 (1500～ 1600 nm)；
其主体是一段光纤 (EDF),与传输光纤的耦合损耗很小,可达
0.1 dB。
(2) 增益高,约为 30～ 40 dB; 饱和输出光功率大,约为
10～ 15 dBm; 增益特性与光偏振状态无关 。
(3) 噪声指数小,一般为 4～ 7 dB; 用于多信道传输时,隔离度大,无串扰,适用于波分复用系统 。
(4) 频带宽,在 1550 nm窗口,频带宽度为 20～ 40 nm,可进行多信道传输,有利于增加传输容量 。
如果加上 1310 nm掺镨光纤放大器 (PDFA),频带可以增加一倍 。 所以,波分复用 +光纤放大器,被认为是充分利用光纤带宽增加传输容量最有效的方法 。
1550 nm EDFA在各种光纤通信系统中得到广泛应用,并取得了良好效果 。 已经介绍过的副载波 CATV系统,WDM或
OFDM系统,相干光系统以及光孤子通信系统,都应用了
EDFA,并大幅度增加了传输距离 。 EDFA的应用,归纳起来可以分为三种形式,如图 7.5所示 。
图 7.5
(a) 中继放大器； (b) 前置放大器和后置放大器
LD PD
中继放大器
( a )
LD PD
后置放大器
( b )
前置放大器光纤
7.2
随着人类社会信息时代的到来,对通信的需求呈现加速增长的趋势 。 发展迅速的各种新型业务 (特别是高速数据和视频业务 )对通信网的带宽 (或容量 )提出了更高的要求 。 为了适应通信网传输容量的不断增长和满足网络交互性,灵活性的要求,产生了各种复用技术 。
在光纤通信系统中除了大家熟知的时分复用 (TDM)技术外,
还出现了其他的复用技术,例如光时分复用 (OTDM),光波分复用 (WDM),光频分复用 (OFDM)以及副载波复用 (SCM)技术 。
本节主要讲述 WDM技术 。
7.2.1
1,WDM的概念光波分复用 (WDM,Wavelength Division Multiplexing)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,
简称光波分复用技术 。
图 7.6 中心波长在 1.3μm和 1.55μm的硅光纤低损耗传输窗口
(插图表示 1.55μm传输窗口的多信道复用 )
8 0 0
0
1,0
2,0
3,0
4,0
1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0 1 8 0 0
载波频率信道间隔
1 ~ 1 0 G H z
波长 / n m
衰减
/
(
d
B
·
k
m
－
1
)
…
光纤的带宽很宽 。 如图 7.6所示,在光纤的两个低损耗传输窗口,波长为 1.31 μm(1.25～ 1.35μm)的窗口,相应的带宽
(|Δf |=|-Δλc/λ2|,λ和 Δλ分别为中心波长和相应的波段宽度,c
为真空中光速 )为 17 700 GHz； 波长为 1.55 μm(1.50～ 1.60 μm)
的窗口,相应的带宽为 12 500 GHz。 两个窗口合在一起,总带宽超过 30 THz。 如果信道频率间隔为 10 GHz,在理想情况下,一根光纤可以容纳 3000个信道 。
由于目前一些光器件与技术还不十分成熟,因此要实现光信道十分密集的光频分复用 (OFDM)还较为困难 。 在这种情况下,人们把在同一窗口中信道间隔较小的波分复用称为密集波分复用 (DWDM,Dense Wavelength Division Multiplexing)。
目前该系统是在 1550 nm波长区段内,同时用 8,16或更多个波长在一对光纤上 (也可采用单光纤 )构成的光通信系统,
其中各个波长之间的间隔为 1.6 nm,0.8 nm或更低,约对应于
200 GHz#,100 GHz或更窄的带宽 。 WDM,DWDM和 OFDM
在本质上没有多大区别 。 以往技术人员习惯采用 WDM 和
DWDM来区分是 1310/1550 nm 简单复用还是在 1550 nm波长区段内密集复用,但目前在电信界应用时,都采用 DWDM技术 。
由于 1310/1550 nm的复用超出了 EDFA的增益范围,只在一些专门场合应用,所以经常用 WDM这个更广义的名称来代替
DWDM。
WDM技术对网络升级,发展宽带业务 (如 CATV,HDTV
和 IP over WDM等 ),充分挖掘光纤带宽潜力,实现超高速光纤通信等具有十分重要意义,尤其是 WDM加上 EDFA更是对现代信息网络具有强大的吸引力 。 目前,,掺铒光纤放大器
(EDFA)+密集波分复用 (WDM)+非零色散光纤 (NZDSF,即
G.655光纤 )+光子集成 (PIC)”正成为国际上长途高速光纤通信线路的主要技术方向 。
如果一个区域内所有的光纤传输链路都升级为 WDM传输,
我们就可以在这些 WDM链路的交叉 (结点 )处设置以波长为单位对光信号进行交叉连接的光交叉连接设备 (OXC),或进行光上下路的光分插复用器 (OADM),则在原来由光纤链路组成的物理层上面就会形成一个新的光层 。
在这个光层中,相邻光纤链路中的波长通道可以连接起来,形成一个跨越多个 OXC和 OADM的光通路,完成端到端的信息传送,并且这种光通路可以根据需要灵活,动态地建立和释放,这就是目前引人注目的,新一代的 WDM全光网络 。
2,WDM
光波分复用器和解复用器是 WDM技术中的关键部件,将不同波长的信号结合在一起经一根光纤输出的器件称为复用器 (也叫合波器 )。 反之,经同一传输光纤送来的多波长信号分解为各个波长分别输出的器件称为解复用器 (也叫分波器 )。
从原理上讲,这种器件是互易的 (双向可逆 ),即只要将解复用器的输出端和输入端反过来使用,就是复用器 。 因此复用器和解复用器是相同的 (除非有特殊的要求 )。
WDM
(1) 双纤单向传输 。 单向 WDM传输是指所有光通路同时在一根光纤上沿同一方向传送 。 如图 7.7所示,在发送端将载有各种信息的,具有不同波长的已调光信号 λ1,λ2,…,λn通过光复用器组合在一起,并在一根光纤中单向传输 。 由于各信号是通过不同光波长携带的,因而彼此之间不会混淆 。 在接收端通过光解复用器将不同波长的信号分开,完成多路光信号传输的任务 。
反方向通过另一根光纤传输的原理与此相同 。
(2) 单纤双向传输 。 双向 WDM传输是指光通路在一根光纤上同时向两个不同的方向传输 。 如图 7.8所示,所用波长相互分开,以实现双向全双工的通信 。
图 7.7 双纤单向 WDM传输光发射机
光发射机复用器 光纤放大器 解复用器光接收机光接收机
1
n
1
n
1
…?
n
1
n
光接收机
光接收机解复用器 光纤放大器 复用器光发射机光发射机
1′
n ′
1
…?
n
1
n
1′
n ′
图 7.8 单纤双向 WDM传输光发射机
光发射机光接收机光接收机
1
n
1
n
1
…?
n
1
n
光接收机
光接收机复用/ 解复用器光纤放大器光发射机光发射机
1 ′
n ′
n ＋ 1
…?
2 n
1 ′
n ′
复用/ 解复用器
n ＋ 1
2 n
双向 WDM系统在设计和应用时必须要考虑几个关键的系统因素,如为了抑制多通道干扰 (MPI),必须注意到光反射的影响,双向通路之间的隔离,串扰的类型和数值,两个方向传输的功率电平值和相互间的依赖性,光监控信道 (OSC)传输和自动功率关断等问题,同时要使用双向光纤放大器 。 所以双向 WDM系统的开发和应用相对说来要求较高,但与单向
WDM系统相比,双向 WDM系统可以减少使用光纤和线路放大器的数量 。
另外,通过在中间设置光分插复用器 (OADM)或光交叉连接器 (OXC),可使各波长光信号进行合流与分流,实现波长的上下路 (Add/Drop)和路由分配,这样就可以根据光纤通信线路和光网的业务量分布情况,合理地安排插入或分出信号 。
3.
光波分复用器是波分复用系统的重要组成部分,为了确保波分复用系统的性能,对波分复用器的基本要求是：插入损耗小,隔离度大,带内平坦,带外插入损耗变化陡峭,温度稳定性好,复用通路数多,尺寸小等 。
(1) 插入损耗 。 插入损耗是指由于增加光波分复用器 /解复用器而产生的附加损耗,定义为该无源器件的输入和输出端口之间的光功率之比,即
α=10 lg
0
1
P
P
其中 P0为发送进输入端口的光功率； P0为从输出端口接收到的光功率。
(2) 串扰抑制度 。 串扰是指其他信道的信号耦合进某一信道,并使该信道传输质量下降的影响程度,有时也可用隔离度来表示这一程度 。 对于解复用器
)(lg10 dBppC
i
ij
ij
其中 Pi是波长为 λi的光信号的输入光功率,Pij是波长为 λi
的光信号串入到波长为 λj信道的光功率 。
(3) 回波损耗 。 回波损耗是指从无源器件的输入端口返回的光功率与输入光功率的比,即
RL=-10 (7.3)
其中 Pj为发送进输入端口的光功率,Pr为从同一个输入端口接收到的返回光功率 。
)(lg dBpp
i
ij
(4) 反射系数 。 反射系数是指在 WDM器件的给定端口的反射光功率 Pr与入射光功率 Pj之比,即
R=10 (7.4)
(5) 工作波长范围 。 工作波长范围是指 WDM器件能够按照规定的性能要求工作的波长范围 (λmin到 λmax)。
(6) 信道宽度 。 信道宽度是指各光源之间为避免串扰应具有的波长间隔 。
(7) 偏振相关损耗 。 偏振相关损耗 (PDL,Polarization
dependent Loss)是指由于偏振态的变化所造成的插入损耗的最大变化值 。
)(lg dBpp
i
ij
7.2.2WDM
实际的 WDM系统主要由五部分组成：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,如图 7.9所示光发射机位于 WDM系统的发送端 。 在发送端首先将来自终端设备 (如 SDH端机 )输出的光信号,利用光转发器 (OTU)把符合 ITUT G.957建议的非特定波长的光信号转换成符合 ITUT
G.692建议的具有稳定的特定波长的光信号 。 OTU对输入端的信号波长没有特殊要求,可以兼容任意厂家的 SDH信号,其输出端满足 G.692的光接口,即标准的光波长和满足长距离传输要求的光源； 利用合波器合成多路光信号； 通过光功率放大器 (BA,Booster Amplifier)放大输出多路光信号 。
图 7.9 实际 WDM系统的基本结构光转发器 1
光合波器光转发器 n
BA
1
n
1
n
光纤光监控信道接收/ 发送
LA
光纤接收 1
光分波器接收 n
PA
1
n
1
n
光监控信道发送器
s
s? s?
s
光监控信道接收器
网络管理系统光中继放大 光接收机光发射机经过一定距离传输后,要用掺铒光纤放大器 (EDFA)对光信号进行中继放大 。 在应用时可根据具体情况,将 EDFA用作
,线放 (LA,Line Amplifier)”#,“功放 (BA)”和,前放 (PA：
Preamplifier)”。 在 WDM系统中,对 EDFA必须采用增益平坦技术,使得 EDFA对不同波长的光信号具有接近相同的放大增益 。 与此同时,还要考虑到不同数量的光信道同时工作的各种情况,保证光信道的增益竞争不影响传输性能 。
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,分波器从主信道光信号中分出特定波长的光信号 。
接收机不但要满足一般接收机对光信号灵敏度,过载功率等参数的要求,还要能承受有一定光噪声的信号,要有足够的电带宽 。
光监控信道 (OSC,Optical Supervisory Channel)的主要功能是监控系统内各信道的传输情况,在发送端,插入本结点产生的波长为 λs(1510 nm)的光监控信号,与主信道的光信号合波输出；在接收端,将接收到的光信号分离,输出 λs(1510
nm)波长的光监控信号和业务信道光信号 。 帧同步字节,公务字节和网管所用的开销字节等都是通过光监控信道来传送的 。
网络管理系统通过光监控信道物理层传送开销字节到其他结点或接收来自其他结点的开销字节对 WDM系统进行管理,
实现配置管理,故障管理,性能管理和安全管理等功能,并与上层管理系统 (如 TMN)相连 。
目前国际上已商用的系统有 4× 2.5 Gb/s(10 Gb/s),8× 2.5
Gb/s(20 Gb/s),16× 2.5 Gb/s(40 Gb/s),40× 2.5 Gb/s(100 Gb/s),
32× 10 Gb/s(320 Gb/s),40× 10 Gb/s(400 Gb/s)。
实验室已实现了 82× 40 Gb/s(3.28 Tb/s)的速率,传输距离达 3× 100 km=300 km。 OFC2000(Optical Fiber Communication
Conference)
① Bell Labs,82路 × 40 Gb/s=3.28 Tb/s在 3× 100 km=300
km的 True Wave(商标 )光纤 (即 G.655光纤 )上,利用 C和 L两个波
② 日本 NEC,160× 20 Gb/s=3.2 Tb/s,利用归零信号沿色散平坦光纤,经过增益宽度为 64 nm的光纤放大器,传输距离达 1500 km;
③ 日本富士通 (Fujitsu),128路 × 10.66 Gb/s,C和 L
波带注,C波带为 1525～ 1565 nm,L波带为 1570～ 1620 nm。,
用分布喇曼放大 (DRA,Distributed Raman Amplification),传输距离达 6× 140 km=840 km;
④ 日本 NTT,30路 × 42.7 Gb/s,利用归零信号,经过增益宽度为 50 nm的光纤放大器,传输距离达 3× 125 km 376 km;
⑤ 美国 Lucent Tech,100路 × 10 Gb/s=1 Tb/s,各路波长的间隔缩小到 25 GHz,利用 L波带,沿 NZDF光纤 (G.655光纤 )传输
400 km;
⑥ 美国 Mciworldcom和加拿大 Nortel,100路 × 10 Gb/s=1
Tb/s,沿 NZDF光纤在 C和 L波带传输 4段,约 200 km;
⑦ 美国 Qtera 和 Qwest,两个波带 4路 × 10 Gb/s和 2路 × 10
Gb/s沿 NZDF光纤传输 23× 105 km=2415 km,这个试验虽然
WDM路数不多,但在陆地光缆中却是最长距离 。
7.2.3WDM技术的主要特点
1,充分利用光纤的巨大带宽资源光纤具有巨大的带宽资源 (低损耗波段 ),WDM技术使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍甚至几百倍,
从而增加光纤的传输容量,降低成本,具有很大的应用价值和经济价值 。
2.
由于 WDM技术使用的各波长的信道相互独立,因而可以传输特性和速率完全不同的信号,完成各种电信业务信号的综合传输,如 PDH信号和 SDH信号,数字信号和模拟信号,多种业务 (音频,视频,数据等 )的混合传输等 。
3.
采用 WDM技术可使 N个波长复用起来在单根光纤中传输,
也可实现单根光纤双向传输,在长途大容量传输时可以节约大量光纤 。 另外,对已建成的光纤通信系统扩容方便,只要原系统的功率余量较大,就可进一步增容而不必对原系统作大的改动 。
4.
随着传输速率的不断提高,许多光电器件的响应速度已明显不足,使用 WDM技术可降低对一些器件在性能上的极高要求,同时又可实现大容量传输 。
5,高度的组网灵活性,经济性和可靠性
WDM技术有很多应用形式,如长途干线网,广播分配网,多路多址局域网 。 可以利用 WDM技术选择路由,实现网络交换和故障恢复,从而实现未来的透明,灵活,经济且具有高度生存性的光网络 。
7.2.4光滤波器与光波分复用器在前面介绍耦合器时,已经简单地介绍了波分复用器
(WDM)。 在这一部分我们将介绍各种各样的波长选择技术,
即光滤波技术 。 光滤波器在 WDM系统中是一种重要元器件,
与波分复用有着密切关系,常常用来构成各种各样的波分复用器和解复用器 。
图 7.10为光滤波器的三种应用：单纯的滤波应用 (图
7.10(a)),波分复用 /解复用器中应用 (图 7.10(b))和波长路由器中应用 (图 7.10(c))。 波分复用器和解复用器主要用在 WDM终端和波长路由器以及波长分插复用器 (Wavelength Add/Drop
Multiplexer,WADM)中 。
波长路由器是波长选路网络 (Wavelength Routing Network)
中的关键部件,其功能可由图 7.10(c)的例子说明,它有两个输入端口和两个输出端口,每路输入都载有一组 λ1#,λ2#,λ3和
λ4 WDM信号 。
如果用 λij来标记第 i输入链路上的波长 λj,则路由器的输入端口 1上的波长记为 λ11,λ12,λ13,λ14,输入端口 2上的波长记为 λ21,λ22,λ23,λ24。 在输入端口 1上的波长中,如果 λ12和
λ13 由输出端口 1输出,则 λ11和 λ14由输出端口 2输出；在输入端口 2上的波长中,如果 λ22和 λ23由输出端口 2输出,则 λ21和 λ24
由输出端口 1输出,这样,我们就称路由器交换了波长 λ1和 λ4。
图 7.10
(a) 单纯的滤波应用； (b) 波分复用器中应用； (c) 波长路由器中应用光滤波器
1,? 2,? 3,? 4
2,? 3,? 4
1
( a )
波分复用器
( b )
1
2
3
4
1,? 2,? 3,? 4
波长路由器
1,? 2,? 3,? 4
2,? 3,? 4
( c )
1 1 1 1
2 2 2
1,? 2,? 3,? 42 1 1 2
1,? 2,? 3,? 41 2 2 12
在本例中,波长路由器只有两个输入端口和两个输出端口,每一路上只有 4个波长,但是在一般情况下,输入和输出的端口数是 N(≥2),并且每一端口的波长数是 W(≥2)(参看图 7.33)。
如果一个波长路由器的路由方式不随时间变化,就称为静态路由器；路由方式随时间变化,则称之为动态路由器 。
静态路由器可以用波分复用器来构成,如图 7.11所示 。
波长分插复用器可以看成是波长路由器的简化形式,它只有一个输入端口和一个输出端口,再加上一个用于分插波长的本地端口 。
图 7.11 由波分复用器构成静态路由器
1
2
3
4
1
,?
2
,?
3
,?
4
1 1 1 1
1
,?
2
,?
3
,?
4
2 2 2 2
1
,?
2
,?
3
,?
4
2 1 1 2
1
,?
2
,?
3
,?
4
1 2 2 1
解复用器 复用器
(1) 一个好的光滤波器应有较低的插入损耗,并且损耗应该与输入光的偏振态无关 。 在大多数系统中,光的偏振态随机变化,如果滤波器的插入损耗与光的偏振有关 (PDL:
Polarization dependent Loss),则输出光功率将极其不稳定 。
(2) 一个滤波器的通带应该对温度的变化不敏感 。 温度系数是指温度每变化 1℃ 的波长漂移 。 一个 WDM系统要求在整个工作温度范围 (大约 100 ℃ )内,波长漂移应该远小于相邻信道的波长间隔 。
(3) 在一个 WDM系统中,随着级联的滤波器越来越多,
系统的通带就变得越来越窄 。 为了确保在级联的末端还有一个相当宽的通带,单个滤波器的通带传输特性应该是平直的,
以便能够容纳激光器波长的微小变化 。 单个滤波器的通带的平直程度常用 1 dB带宽来衡量,如图 7.12所示 。
图 7.12 光滤波器的 1 dB带宽
－ 40
0,9 9 6 0,9 9 8 1 1,0 0 2 1,0 0 4
－ 30
－ 20
－ 10
0
通带 边缘
20 - dB
带宽串扰 能量
3 - dB
带宽
1 - dB
带宽相邻信道1 d B3 d B
0
/?
滤波器的幅度传输特性
/
d
B
下面将介绍一些波长选择技术及其在 WDM系统中的应用 。
1.
光栅 (Grating)广泛地用来将光分离为不同波长的单色光 。
在 WDM系统中,光栅主要用在解复用器中,以分离出各个波长 。 图 7.13是光栅的两个例子,图 7.13(a)是透射光栅,图
7.13(b)是反射光栅 。
我们以透射光栅为例来说明光栅的基本原理 。 如图 7.14所示,设两个相邻缝隙间的距离即栅距为 a,光源离光栅平面足够远 (相对于 a而言 ),入射角为 θi,衍射角为 θd,通过两相邻缝隙对应光线的光程差由 ( )决定,而
CDAB?
图 7.13光栅
(a) 透射光栅； (b) 反射光栅光栅平面 影像平面
2
1
d 1
d 2
i
1
＋?
2
光栅平面影像平面
2
1
d 1
d 2
i
1
＋?
2
( a ) ( b )
7.14
i
d
a
D
C
B
A
光栅平面去影像平面来自光源
)s i n( s i n diaCDAB
光栅方程为
a(sinθi- sinθd)=mλ
其中 m为整数,当 a和 θi一定时,不同的 θd对应不同的波长 λ,也就是说,像面上的不同点对应不同的波长,于是可用作 WDM中的解复用器 。
2.
布喇格光栅 (Bragg Grating)广泛用于光纤通信之中 。 一般情况下,传输媒质的周期性微扰可以看作是布喇格光栅；
这种微扰通常引起媒质折射率周期性的变化 。
半导体激光器使用布喇格光波导作分布反馈可以获得单频输出 (如 DFB激光器 )；在光纤中,写入布喇格光栅后可以用于光滤波器,光分插复用器和色散补偿器 。
设两列波沿着同一方向传播,其传播常数分别为 β0和 β1，
2
21
其中 Λ为光栅周期,则一个波的能量可以耦合到另一个波中去 。
在反射型滤波器中,我们假设传播常数为 β0的光波从左向右传播,如果满足条件：
22)(
000
则这个光波的能量可以耦合到沿它的反方向传播的具有相同波长的反射光中去 。 设 β0=2πneff/λ0,其中 λ0为输入光的波长,
neff为波导或光纤的有效折射率 。 也就是说,如果 λ0=2neffΛ,光波将发生反射,这个波长 λ0就称作布喇格波长 。 随着入射光波的波长偏离布喇格波长,其反射率就会降低,如图 7.15(a)所示 。
如果具有几个波长的光同时传输到光纤布喇格光栅上,则只有波长等于布喇格波长的光才反射,而其它的光全部透射 。
图 7.15(a)中的功率反射谱是针对折射率均匀周期性变化的光栅而言的,为了消除不需要的旁瓣,新研制成功了一种称为变迹光栅 (Apodized Grating)的光栅,它与渐变折射率光纤有点类似,其折射率沿光栅纤芯到边沿逐渐减小,变迹光栅的功率反射谱如图 7.15(b)所示 。 注意变迹光栅旁瓣的减少是以主瓣加宽为代价的 。
图 7.15
(a) 均匀折射率情形； (b) 变迹折射率情形
0 2 4－ 2－ 4
－ 40
－ 30
－ 20
－ 10
0
( a )
( b )
△? / △
△? / △
0 2 4－ 2－ 4
－ 40
－ 30
－ 20
－ 10
0
反射功率谱
/
d
B
反射功率谱
/
d
B
3,光纤光栅光纤光栅 (Fiber Grating)是一种非常有吸引力的全光纤器件,
其用途非常广泛,可用作光滤波器,光分插复用器和色散补偿器 。 对于全光纤器件,其主要优点有：插入损耗低,易于与光纤耦合,对偏振不敏感,温度系数低,封装简单,成本也较低 。
利用某种特殊光纤的光敏特性,就可在光纤中写入光栅 。
在传统光纤的 SiO2中掺入少量锗 (Ge)后就具有了光敏特性,再由紫外 (UV)光照射,就可引起光纤纤芯的折射率变化 。 若用两束相干的紫外光照射掺杂后的光纤纤芯,则照射光束的强度将沿着光纤长度方向周期性地变化,强度高的地方纤芯折射率增加,强度低的地方纤芯折射率几乎无任何变化,这样就在光纤中写入了光栅 。
形成光栅所要求的折射率变化是极低的,大约为 10-4。 也可以使用位相版 (phase mask)来写入光栅 。 位相版是一种光衍射元件,当用光束照射它时,它将光束分离成各个不同的衍射级,这些衍射级相互干涉就可将光栅写入光纤 。
光纤光栅可以分为短周期 (short period)光纤光栅和长周期 (long period)光纤光栅 。 短周期光纤光栅也称光纤布喇格光栅,其周期可以和光波长相比较,典型值大约 0.5 μm；长周期光纤光栅的周期比光波长大得多,从几百微米到几毫米不等 。
光纤布喇格光栅 (FBG,Fiber Bragg Grating)是一种反射型光纤光栅,光栅使正向传输模 (单模光纤中即为基模 )同反向传输模之间发生耦合,光栅的波矢应等于传输模波矢的 2倍,也就是说,光栅的周期应等于传输光波在光纤内部的波长的一半,
这种光纤光栅只对在布喇格波长及其附近很窄的波长范围内的光发生反射,而不影响其它波长的光通过 。
光纤布喇格光栅的特点是损耗低 (0.1 dB左右 ),波长准确度高 (可达 ± 0.05 nm),邻近信道串扰抑制较高 (可达 40 dB)以及通带顶部平坦 。 由于光纤长度随温度变化稍微有些变化,光纤布喇格光栅的温度系数的典型值为 1.25× 10-2nm/℃ 。 这太高了 !
但这可以通过采用负热膨胀系数的材料封装来改善,改善过的光栅的温度系数大约为 0.07× 10-2 nm/ ℃,这意味着在整个工作温度范围 (100 ℃ )内,中心波长的漂移可以小到 0.07 nm。
在 WDM系统中,光纤布喇格光栅可用作滤波器,光分插复用器和色散补偿器 (Dispersion Compensator)。 图 7.16(a)是一个简单的光分器,由一个三端口光环行器和一个光纤布喇格光栅构成,由光栅反射回来的波长 λ2从环行器的端口 3取出,余下的波长继续前行 。 在上面简单的光分器的基础上加上一个耦合器,
就可以实现光的分插功能,如图 7.16(b)所示 。
图 7.16
(a) 简单光分； (b) 光分插
1
2
3
4
2
3
光纤布喇格光栅
1
3
4
1 2
1
3
4
( a )
1
2
3
4
2
3
光纤布喇格光栅
1
3
4
1 2
( b )
耦合器
2
2
2
长周期光纤光栅的工作原理与光纤布喇格光栅稍微有些不同 。 在光纤布喇格光栅中,纤芯中正向传输模的能量耦合到反向传输模上；而在长周期光纤光栅中,纤芯中正向传输模的能量耦合到包层里的正向传输模上,包层模沿着光纤传输时极容易消逝掉,因此相应波长位置的光波被衰减,出现一些损耗峰 。 设纤芯中模的传输常数 (假定为单模光纤 )为 β，
p阶包层模的传输常数为 βpc,相位匹配条件为
|β-βpc |=
2
其中 Λ为光栅周期 。 一般情况下,两个正向传输模的传输常数相差很小,为了发生耦合,通常要求 Λ是一个相当大值,一般为几百微米以上 (光纤布喇格光栅大约为 0.5μm)。
设纤芯和 p阶包层模的有效折射率分别为 neff和 npeff,由公式 β=2πneff/λ可得：当满足 λ=Λ(neff-npeff)时,λ为光波长,
纤芯模的能量便耦合到包层模上去 。 因此,如果我们知道了传输光的波长和纤芯,包层模的有效折射率,就可以设计合适 Λ值的长周期光栅来满足各种需要 。 长周期光纤光栅的制作方法与光纤布喇格光栅相同 。 图 7.17是长周期光纤光栅的传输谱,特别适合用作带阻滤波器,主要用于掺铒光纤放大器 (EDFA,Erbium Doped Fiber Amplifier)中作滤波器,
使 EDFA增益平坦化 。
图 7.17 长周期光纤光栅的透射谱
1,5 3
－ 6
－ 5
－ 4
－ 3
－ 2
－ 1
0
1,5 4 1,5 5 1,5 6 1,5 7 1,5 8
波长? /? m
透射谱
/
d
B
4,法布里 -
法布里 -珀罗 (FP,Fabry Perot)滤波器是由两块平行放置的高反射率的镜面形成的腔构成的,如图 7.18所示 。 这种滤波器也叫 F P干涉仪,输入光垂直到达第一个镜面,从第二个镜面出来的光就是输出 。 这个器件传统上用作干涉仪,现在也用在 WDM系统中作滤波器 。
F-Ｐ滤波器的功率传递函数 TFP(f)与光的频率 f有关：
TFP(f)=
2
2
)]2s in (
1
2
[1
)
1
1(
f
R
R
R
A
图 7.18 FP滤波器输入 信号
F - P 滤波 器反射若用自由空间波长 λ表示,则
TFP(λ)=
2
2
)]
2
s in (
1
2
[1
)
1
1(
nl
R
R
R
A
这里 A表示每个镜面的吸收损耗,R为每个镜面的反射率
(假设两个镜相同 ),光在腔内单程传播的时延为 τ,腔内介质的折射率为 n,腔长为 l,因此 τ=nl/c,c为真空中光速 。
A=0及 R=0.75,0.9和 0.99时 FP滤波器的功率传递函数如图 7.19所示 。 反射率 R越大,相邻信道的隔离就越好 。
图 7.19 FP 滤波器的功率传递函数
－ 40
－ 30
－ 20
－ 10
0
－ 1,5 － 1 － 0,5 0 0,5 1 1,5
R ＝ 0,9 9
R ＝ 0,9 0
R ＝ 0,7 5
f / F S R
功率传递函数
/
d
B
率传递函数 TFP(f)是频率 f的周期函数,当 f满足 fτ=k/2,k为正整数时,传递函数 TFP(f)的值处在波峰 (通带 )上 。 FP滤波器的两个紧邻的通带之间的光谱范围称作自由光谱范围 (FSR,Free
Spectral Range),用 FWHM表示传递函数的半高宽,比值
FSR/FWHM称作 FP滤波器的精细度 (F,Finesse),则
R
RF
F-P滤波器选择不同的波长时一般有两种方法：一种是改变腔的长度；另一种是改变腔内介质的折射率 。 改变腔长有机械移镜和用压电材料 (PZT)两种办法 。
5.
薄膜谐振腔滤波器 (Thin Film Resonant Cavity Filter)也是一个 F-P干涉仪,只不过其反射镜是采用多层介质薄膜而已,
常称为多层介质薄膜滤波器 (Multilayer Dielectric Thin Film
Filter)。 这种滤波器用作带通滤波器,只允许特定波长的光通过而让其它所有波长的光反射,腔的长度决定要通过的波长 。
薄膜谐振多腔滤波器 (Thin Film Resonant Multicavity Filter)
的结构如图 7.20所示,由反射介质薄膜隔开的两个或多个腔构成 。 改成多腔后与单腔相比,通带顶部更加平坦,边缘更为尖锐,如图 7.21所示 。 这种滤波器多个级联后,就可以做成波分复用器,如图 7.22 所示 。 由于这种滤波器通带顶部平坦,
边缘尖锐,温度变化时性能稳定,插入损耗低,对光的偏振不敏感,所以在系统应用中是非常有吸引力的,如今已经广泛用在商业系统中 。
图 7.20 三腔介质薄膜谐振腔滤波器腔 3
腔 2
腔 1
反射介质玻璃衬底图 7.21 单腔,双腔,三腔介质薄膜滤波器的传输谱
0,9 9 6
－ 40
－ 30
－ 20
0
－ 10
0,9 9 8 1 1,0 0 2 1,0 0 4
3 腔
2 腔
1 腔
0
/?
滤波器的传输谱
/
d
B
图 7.22 基于多层介质薄膜滤波器的波分复用 /解复用器透镜透镜透镜透镜透镜透镜透镜透镜透镜窄带滤波器光纤
1
3
5
7
1
,?
2
,…?
8
光纤
2
4
8
6
玻璃衬底光纤
6,马赫 -
马赫 -曾德尔干涉仪 (MZI,Mach Zehnder Interferometer)使用两条不同长度的干涉路径来决定不同的波长输出 。 MZI通常以集成光波导的形式出现,即用两个 3 dB定向耦合器来连接两条不同长度的光通路,如图 7.23(a)所示,衬底通常采用硅 (Si)，
波导区采用二氧化硅 (SiO2)。 一个 MZI可用图 7.23(b)表示 。
MZI可用来作滤波器和波分复用器 。 虽然多层介质薄膜滤波器在窄带滤波方面性能较好,但在宽带滤波方面 MZI非常有用,例如用来分开 1.31 μm和 1.55 μm两个波长的光信号 。 当然,
通过级联几个 MZI也可以做成窄带滤波器,如图 7.23(c)所示,
但是这将导致损耗大大增加 。
图 7.23 马赫 -曾德尔干涉仪 (MZI) (a) 结构图； (b) 方框图； (c) 四级 MZI
输入 1
输入 2
路程差,? L
输出 1
输出 2
( a )
M Z I
(? L )
输入 1
输入 2
输出 1
输出 2
( b )
M Z I
(? L )
M Z I
(2? L )
M Z I
(3? L )
M Z I
(4? L )
输入 1
输入 2
输出 1
输出 2
( c )
MZI可用来作滤波器和波分复用器 。 虽然多层介质薄膜滤波器在窄带滤波方面性能较好,但在宽带滤波方面 MZI非常有用,例如用来分开 1.31μm和 1.55μm两个波长的光信号 。 当然,
通过级联几个 MZI也可以做成窄带滤波器,如图 7.23(c)所示,
但是这将导致损耗大大增加 。 从原理上讲,级联几个 MZI后性能较好,但是在实际工作中存在波长随温度和时间的变化而漂移的现象,串扰性能远不如理想情况,级联后的窄带 MZI
的通带不平坦,相反地,多层介质多腔薄膜滤波器的通带和阻带都比较平坦 。
现在简单分析 MZI的工作原理 。 考虑 MZI作为一个解复用器的情况 。 这时只有一个输入,假设从输入端口 1输入,经过第一个定向耦合器后,功率平均分配到两臂上,但是在两臂上的信号有了 π/2的相差,下臂上的信号比上臂滞后 π/2。
如果下臂与上臂的长度差为 ΔL,则下臂信号的相位进一步滞后 βΔL,β为光在 MZI介质中的传输常数 。 在第二个定向耦合器的输出 1处,来自下臂的信号又比来自上臂的信号延迟了
π/2,因此,在输出 1处,两信号总的相位差为 +βΔL
+ 。 同理,在输出 2处,两信号总的相位差为 +βΔ L-
=βΔL。 在输入 1的所有波长中,满足 βΔL=kπ(k为奇数 )条件的波长,由输出 1输出；满足 βΔL=kπ(k为偶数 )条件的波长由输出
2输出 。 而 β=,n为介质折射率,λ为光波长,通过适当设计就可以实现波的解复用 。 如果两臂长度差为 ΔL,只是输入 1
输入,则单个 MZI的功率传递函数为
2
2
2
2
2
2
T11(f)
T12(f) =
2sin
2 L
2cos
2 L
f 为光频率 。
如果将 MZI级联就构成多级马赫 -曾德尔干涉仪 (Multistage
Mach Zehnder Interferometer)。 图 7.23(c)示出 4级马赫 -曾德尔干涉仪,其中每个 MZI以及级联后整个 4级 MZI的传递函数曲线如图 7.24所示 。
(前 4个为每单个 MZI的传递函数,最后一个为级联后 4级 MZI的传递函数 )
图 7.24 MZI的传递函数第一 级第二 级第三 级第四 级所有 级的级 联
0
/?
前面讨论了 MZI用作 1× 2解复用器情况,由于 MZI是一种互易器件,因此也可用作 2× 1 复用器 。
7.
阵列波导光栅 (AWG,Arrayed Waveguide Grating)是 MZI的推广和一般形式 。 如图 7.25 所示,它由两个多端口耦合器和连接它们的阵列波导构成 。 AWG n× 1波分复用器和
1× n波分解复用器 。 与多级 MZI相比,AWG损耗低,通带平坦,容易集成在一块衬底上 。 AWG也可用作静态波长路由器,
如图 7.26所示 。
图 7.25 阵列波导光栅 (AWG)
输出耦合器输入耦合器输出波导阵列波导输入波导图 7.26 基于 AWG的静态波长路由器
A W G
1
,?
2
,?
3
,?
4
1 1 1 1
1
,?
2
,?
3
,?
4
2 2 2 2
1
,?
2
,?
3
,?
4
3 3 3 3
1
,?
2
,?
3
,?
4
4 4 4 4
1
,?
2
,?
3
,?
4
1 2 3 4
1
,?
2
,?
3
,?
4
4 1 2 3
1
,?
2
,?
3
,?
4
3 4 1 2
1
,?
2
,?
3
,?
4
2 3 4 1
下面我们简单地分析一下 AWG的工作原理 。 设 AWG的输入端口数和输出端口数均为 n,输入耦合器为 n× m形式,输出耦合器为 m× n形式,输入和输出耦合器之间由 m个波导连接,
每相邻波导的长度差均为 ΔL。 MZI是 AWG n=m=2情形下的特例 。 输入耦合器将某个输入端口的输入信号分成 m部分,
它们之间的相对相位由从输入波导到阵列波导在输入耦合器中传输的距离来决定,输入波导 i和阵列波导 k之间的距离用
dinik表示,阵列波导 k的长度比阵列波导 (k-1)的长度长 ΔL,同样,阵列波导 k和输出波导 j之间的距离用 doutkj表示 。 因此,
光信号从输入波导 i到输出波导 j,经历了 i与 j之间 m条不同通路后的相对相位为
mkdnLkndn inkjiniki j k,...,2,1)(2 121
其中 n1为输入和输出耦合器的折射率,n2为阵列波导的折射率,λ为光信号的波长 。 在输入波导 i的光信号的波长中,满足 Φijk为 2π的整数倍的波长将在输出波导 j输出 。 于是,通过适当设计,可以做成 1× n波分解复用器和 n× 1波分复用器 。
如果设计输入耦合器和输出耦合满足
dinik=dini+kδini
和
doutkj=doutj+kδoutj
在输入波导 i 输 入 的 那 些 波 长 中 若 满 足,n1δin
i+n2ΔL+n1δoutj=pλ,p为整数,则波长为 λ的光将在输出波导 j输出 。
8,声光可调谐滤波器声光可调谐滤波器 (AOTF,Acousto Optic Tunable Filter)
是一种多用途器件,是目前已知的惟一能够同时选择多个波长的可调谐滤波器,并且可用来构造波长路由器 。 AOTF的基本原理是声与光的相互作用,图 7.27是 AOTF的集成光波导形式 。
一个简化的 AOTF如图 7.28所示,波导材料是一种双折射物质,仅能支持最低阶 TE模和 TM模 。 假设输入光完全是 TE模,
一个只能选择 TM模的偏振器放在波导的输出端 。 如果在被选择的波长附近的一个窄谱范围内的光能量转换为 TM模式,而其余光能量仍保持 TE模式,这样就可以制成一个波长选择性滤波器 。
图 7.27 集成光波导 AOTF
输入 1
输入 2
输出 1
输出 2
TE ＋ TM TE
TM
TM TE TE ＋ TM
输入偏振器声传感器声波输出偏振器图 7.28 简化的 AOTF
偏振器声传感器 声波输入 输出
TMTE
一个简化的 AOTF如图 7.28所示,波导材料是一种双折射物质,仅能支持最低阶 TE模和 TM模 。 假设输入光完全是 TE
模,一个只能选择 TM模的偏振器放在波导的输出端 。 如果在被选择的波长附近的一个窄谱范围内的光能量转换为 TM模式,
而其余光能量仍保持 TE模式,这样就可以制成一个波长选择性滤波器 。
这种滤波器的实现可以通过沿着光波的传播方向或逆着光波的传播方向发射一列声波来完成 。 声波传播引起媒质的密度周期性变化,其变化周期等于声波波长,这相当于形成了一个布喇格光栅 。 设 TE 和 TM模的折射率分别为 nTE和
nTM,当满足布喇格条件
1
TETM nn
时,光波从一种模式耦合到另一种模式,其中 Λ为声波波长,
λ为光波长 。 满足布喇格条件在波长 λ附近的窄谱范围内的光将从 TE模转换为 TM模,如果这种器件的输入光只是 TE模,
输出只选择 TM模,那么就可以作为一个窄带滤波器使用 。
如果记 nTE-nTM=Δn,则布喇格条件可写为
λ=Λ· Δ n (7.17)
在 LiNbO3晶体中,Δn=0.07。 若适当选择声波波长 Λ,则经过模式转换又位于 AOTF通带内的波长能够被选择 。 例如,为了选择 1.55 μm波长,若 Δn=0.07,则声波波长大约为 22 μm，
在 LiNbO3晶体中声速大约为 3.75 km/s,对应的声波频率为 3.75
km/s÷ 22 μm≈170 MHz。 由于产生该声波的射频频率容易调谐,
所以这种滤波器也很容易调谐 。 图 7.28的 AOTF与偏振有关,因为这里假设输入光完全是 TE模 。 图 7.27是一种与偏振无关的
AOTF,其实现方式和与偏振无关的隔离器相类似,将输入光信号分解为 TE和 TM两个分量,分别通过 AOTF后再在输出端组合在一起 。
布喇格条件决定要选择的波长,而这种滤波器的通带宽度则由声光相互作用的长度决定,声光相互作用的长度越长,
通带就越窄 。 AOTF的功率传递函
T(λ)= (7.18)
其中 Δλ=λ-λ0,λ0 为 满 足 布 喇 格 条 件 的 光 波 波 长,
ε=λ20/(l·Δn)为滤波器通带宽度的一种量度,l为器件长度 (准确说是声光相互作用的长度 ),滤波器的半高宽 FWHM=0.8ε,如图 7.29所示 。 这说明器件越长 (声光相互作用长度越长 ),滤波器的通带就越窄；然而调谐速度与器件长度成反比,因为调谐速度主要由声波通过器件的时间决定 。
/21
)/2(1
2
[s in 22
图 7.29 AOTF的功率传递函数
－ 4 － 2 0 2 4
－ 40
－ 30
－ 20
－ 10
0
△? /?
功率传递函数
/
d
B
与偏振无关的 AOTF可用作 2× 2波长路由器,满足布喇格条件的波长被交换,如图 7.30(a)所示,这里波长 λ1满足布喇格条件 。 如果同时发射几个声波,就有几个光波长同时满足布喇格条件,那么在单个器件上就可同时完成几个波长的交换,如图 7.30(b)所示,这里交换的波长是 λ1和 λ4。 前面所指的都是静态波长路由器,也可以通过改变声波的频率作为动态波长路由器,适当地级联 2× 2路由器可以构成多输入多输出路由器 。 如今,AOTF还没有完全实用化的原因主要有两个：
一是存在较大串扰,二是通带相对较宽 。
图 7.30基于 AOTF
(a) 交换波长 λ1; (b) 同时交换波长 λ1和 λ4
A O T F
1
,?
2
1 1
1
,?
2
2 2
1
,?
2
2 1
1
,?
2
1 2
RF
1
( a )
A O T F
RF
1
,R F
4
1
,?
2
,?
3
,?
4
1 1 1 1
1
,?
2
,?
3
,?
4
2 2 2 2
1
,?
2
,?
3
,?
4
2 1 1 2
1
,?
2
,?
3
,?
4
1 2 2 1
( b )
7.3光 交 换 技目前的商用光纤通信系统,单信道传输速率已超过 10 Gb/s，
实验 WDM系统的传输速率已超过 3.28 Tb/s。 但是,由于大量新业务的出现和国际互联网的发展,今后通信网络还可能变得拥挤 。 原因是在现有通信网络中,高速光纤通信系统仅仅充当点对点的传输手段,网络中重要的交换功能还是采用电子交换技术 。 传统电子交换机的端口速率只有几 Mb/s到几百
Mb/s,不仅限制了光纤通信网络速率的提高,而且要求在众多的接口进行频繁的复用 /解复用,光 /电和电 /光转换,因而增加了设备复杂性和成本,降低了系统的可靠性 。
虽然采用异步转移模式 (ATM)可提供 155 Mb/s或更高的速率,能缓解这种矛盾,但电子线路的极限速率约为 20 Gb/s。
要彻底解决高速光纤通信网存在的矛盾,只有实现全光通信,
而光交换是全光通信的关键技术 。
光交换主要有三种方式,空分光交换,时分光交换和波分光交换。
7.3.1
空分光交换的功能是使光信号的传输通路在空间上发生改变 。 空分光交换的核心器件是光开关 。 光开关有电光型,
声光型和磁光型等多种类型,其中电光型光开关具有开关速度快,串扰小和结构紧凑等优点,有很好的应用前景 。
典型光开关是用钛扩散在铌酸锂 (Ti,LiNbO3)晶片上形成两条相距很近的光波导构成的,并通过对电压的控制改变输出通路 。 图 7.31(a)是由 4个 1× 2光开关器件组成的 2× 2光交换模块 。 1× 2 光开关器件就是 Ti,LiNbO3定向耦合器型光开关,
只是少用了一个输入端而已 。
这种 2× 2光交换模块是最基本的光交换单元,它有两个输入端和两个输出端,通过电压控制,可以实现平行连接和交叉连接,如图 7.31(b)所示 。
图 7.31(c)是由 16个 1× 2光开关器件或 4个 2× 2光交换单元组成的 4× 4光交换单元 。
图 7.31
(a) 2× 2光交换单元； (b) 平行连接和交叉连接； (c) 4× 4光交换单元
1 × 2 光交换器件平行 联接交叉 联接
( a )
( b )
定向耦合器光波导光信号输出光信号输入
( c )
7.3.2时分光交换时分光交换是以时分复用为基础,用时隙互换原理实现交换功能的 。
时分复用是把时间划分成帧,每帧划分成 N个时隙,并分配给 N路信号,再把 N路信号复接到一条光纤上 。 在接收端用分接器恢复各路原始信号,如图 7.32(a)所示 。
所谓时隙互换,就是把时分复用帧中各个时隙的信号互换位置 。 如图 7.32(b),首先使时分复用信号经过分接器,在同一时间内,分接器每条出线上依次传输某一个时隙的信号；然后使这些信号分别经过不同的光延迟器件,获得不同的延迟时间；
最后用复接器把这些信号重新组合起来 。 图 7.32(c)示出时分光交换的空分等效 。
图 7.32
(a) 时分复用原理； (b) 时隙互换原理； (c) 等效的空分交换
1
复接器
2
N
…
分接器
1 2 N
1
2
…
N
1 2 3 4
分接器时隙帧
( a )
1
延迟
1
延迟
22
延迟
33
延迟
4 4
( b )
复接器输入 输出
4 1 3 2
1
2
3
4
1
2
3
4
( c )
7.3.3
波分光交换 (或交叉连接 )是以波分复用原理为基础,采用波长选择或波长变换的方法实现交换功能的 。 图 7.33(a)和 (b)分别示出波长选择法交换和波长变换法交换的原理框图 。
设波分交换机的输入和输出都与 N条光纤相连接,这 N条光纤可能组成一根光缆 。 每条光纤承载 W个波长的光信号 。
从每条光纤输入的光信号首先通过分波器 (解复用器 )WDMX分为 W个波长不同的信号 。 所有 N路输入的波长为 λi(i=1,2,…,W)的信号都送到 λi空分交换器,在那里进行同一波长 N路 (空分 )信号的交叉连接,到底如何交叉连接,将由控制器决定 。
图 7.33
(a) 波长选择法交换； (b) 波长变换法交换
1
空分交换
2
空分交换
3
空分交换
…
W
空分交换
1
,?
2
…?
W
1
2
…
N N
…
2
1
W D M X W M U X
分波 器 合波 器
( a )
1
,?
2
…?
W
1
,?
2
…?
W
1
,?
2
…?
W
1
,?
2
…?
W
1
,?
2
…?
W
1
2
W
NW × NW
空分交换
1
2
W
1
2
W
1
2
W
1
2
W
1
2
W
1
2
W
1
2
W
1
2
…
N
1
2
…
N
W D M X W M U X
波长 变换器
( b )
然后,以 W个空分交换器输出的不同波长的信号再通过合波器 (复用器 )WMUX复接到输出光纤上 。 这种交换机当前已经成熟,可应用于采用波长选路的全光网络中 。 但由于每个空分交换器可能提供的连接数为 N× N,故整个交换机可能提供的连接数为 N2W,比下面介绍的波长变换法少 。
波长变换法与波长选择法的主要区别是用同一个 NW× NW
空分交换器处理 NW路信号的交叉连接,在空分交换器的输出必须加上波长变换器,然后进行波分复接 。 这样,可能提供的连接数为 N2W2,即内部阻塞概率较小 。
波长变换器将在 7.7节介绍 。
7.4光 孤 子 通光孤子 (Soliton)是经光纤长距离传输后,其幅度和宽度都不变的超短光脉冲 (ps数量级 )。
光孤子的形成是光纤的群速度色散和非线性效应相互平衡的结果 。 利用光孤子作为载体的通信方式称为光孤子通信 。
光孤子通信的传输距离可达上万公里,甚至几万公里,目前还处于试验阶段 。
我们知道,光纤通信的传输距离和传输速率受到光纤损耗和色散的限制 。 光纤放大器投入应用后,克服了损耗的限制,
增加了传输距离 。 此时,光纤传输系统,尤其是传输速率在
Gb/s以上的系统,光纤色散引起的脉冲展宽,对传输速率的限制,成为提高系统性能的主要障碍 。
为了增加传输距离,在光纤线路上,每隔一定的距离,
可设置一个光纤放大器,以周期地补充光功率的损耗 。 但是多个光纤放大器产生的噪声累积又妨碍了传输距离的增加,因而要求提高传输信号的光功率,这样便产生非线性效应 。 非线性效应对光纤通信有害也有利,事实表明,克服其害还不如利用其利 。
光纤非线性效应和色散单独起作用时,在光纤中传输的光信号都要产生脉冲展宽,对传输速率的提高是有害的 。 但是如果适当选择相关参数,使两种效应相互平衡,就可以保持脉冲宽度不变,因而形成光孤子 。
7.4.1光孤子的形成在讨论光纤传输理论时,假设了光纤折射率 n和入射光强
(光功率 )无关,始终保持不变 。 这种假设在低功率条件下是正确的,获得了与实验良好一致的结果 。 然而,在高功率条件下,折射率 n随光强而变化,这种特性称为非线性效应 。 在强光作用下,光纤折射率 n可以表示为
n=n0+ |E|2 (7.19)
式中,E为电场,n0为 E=0时的光纤折射率,约为 1.45。 这种光纤折射率 n随光强 |E|2而变化特性,称为克尔 (Kerr)效应,
2n
=10-22(m/V)2,称为克尔系数 。 虽然光纤中电场较大,
为 106(V/m),但总的折射率变化 Δn=n-n0= |E|2还是很小 (10-10)。
即使如此,这种变化对光纤传输特性的影响还是很大的 。
设波长为 λ,光强为 |E|2的光脉冲在长度为 L的光纤中传输,则光强感应的折射率变化 Δn(t)= E(t)|2,由此引起的相位变化为
Δφ(t)= (7.20)
这种使脉冲不同部位产生不同相移的特性,称为自相位调制
(SPM)。
2n
2n
2n
)(2)( tnLLtncw
)]([2)()( tntLt ttw
如图 7.34 所示,在脉冲上升部分,|E|2增加,>0，
得到 Δω<0,频率下移；在脉冲顶部,|E|2不变,=0,得到 Δω=0,频率不变；在脉冲下降部分,|E|2减小,Δnt<0，
得到 Δω>0,频率上移 。 频移使脉冲频率改变分布,其前部 (头 )
频率降低,后部 (尾 )频率升高 。 这种情况称脉冲已被线性调频,
或称啁啾 (Chirp)。
设光纤无损耗,在光纤中传输的已调波为线性偏振模式,
其场可以表示为
E(r,z,t)=R(r)U(z,t)exp［ -i(ω0t-β0z)］
式中,R(r)为径向本征函数,U(z,t)为脉冲的调制包络函数,
ω0为光载波频率,β0为调制频率 ω=ω0时的传输常数 。
t
t
)(?
t
n
t
n
图 7.34 脉冲的光强频率调制
－ 15 － 10 － 5 0 5 10
－ 15 － 10 － 5 0 5 10
－ 25
0
25
0,0
0,5
1,0
时间 / p s
时间 / p s
频率
/
c
m
－
1
光强式中,P为光功率,Aeff为光纤有效截面积 。 由此可见,
β不仅是折射率的函数,而且是光功率的函数 。 在 β0和 P=0附近,把 β展开成级数,得到
β(ω,P)=β0+β′0(ω-ω0)+ ″0(ω-ω0)2+β2P (7.24)
式中,β′0=,Vg为群速度,即脉冲包络线的运动速度 。 β″0=２ βω2ω=ω0,比例于一阶色散,描述群速度与频率的关系 。 β2= 。 令 β2P=
称为非线性长度,表示非线性效应对光脉冲传输特性的影响 。
21
g
ww vw
1|
0
e f f
e f f
p cAnw
A
p /|/
2
0
NLL
1
式 (7.24)虽然略去高次项,但仍较完整地描述了光脉冲在光纤中传输的特性,式中右边第三项和第四项最为重要,这两项正好体现了光纤色散和非线性效应的影响 。 如果 β″0<0,同时 β2P>0,适当选择相关参数,使两项绝对值相等,光纤色散和非线性效应便相互抵消,因而输入脉冲宽度保持不变,形成稳定的光孤子 。
现在我们回顾一下光纤色散 。 波长为 λ的光纤色散系数
C(λ)的定义为
02
2)()(?
c
dw
d
d
d
d
dC
式中,τ=dβ ／ dω=1/Vg 为群延时,Vg 为 群 速 度 ；
ω=2πf=2πc/λ为光载波频率,c为光速； β″0=d2β/dω2,比例于一阶色散 。
式 (7.25)描述的单模光纤色散特性如图 7.35所示,图中 λD
为零色散波长 。 在 λ<λD时,C(λ)<0,β″0>0,称为光纤正常色散区； 在 λ>λD时,C(λ)>0,β″0<0,称为光纤反常色散区 。
图 7.36示出光脉冲在反常色散光纤中传输时,由于非线性效应产生的啁啾被压缩或展宽。对反常色散光纤,群速度与光载波频率成正比，在脉冲中载频高的部分传播得快,而载频低的部分则传播得慢。
图 7.35 单模光纤的色散特性
－ 20
－ 10
0
10
20
1,1 1,2 1,4 1,5 1,6 1,7
－ 20
－ 10
0
10
20
色散位移光纤普通光纤
0
/
(
p
s
2
·
k
m
－
1
)
″
C
(
)
/
(
p
s
·
(
n
m
·
k
m
)
－
1
)
(? m)
图 7.36 脉冲在反常色散光纤中传输因啁啾效应可被压缩或展宽正啁啾 ( 红头紫尾 )
负啁啾 ( 紫头红尾 )
后沿
( 尾 )
前沿
( 头 ) 反常色散
( 红慢紫快 )
反常色散
( 红慢紫快 )
压缩展宽
( a )
( b )
对正常色散光纤,结论正相反 。 因此,具有正啁啾的光脉冲通过反常色散光纤时,脉冲前部 (头 )频率低,传播得慢,
而后部 (尾 )频率高,传播得快 。
这种脉冲形象地被称为,红头紫尾,光脉冲 。 在传播过程中,,紫,尾逐渐接近,红,头,因而脉冲被压缩,如图
7.36( a) 。 相反,具有负啁啾的光脉冲通过反常色散光纤时,前部 (头 )传播得快,后部 (尾 )传播得慢,,紫,头和,红,
尾逐渐分离,结果脉冲被展宽,如图 7.36(b)所示 。 由此可见,
适当选择相关参数,可以使光脉冲宽度保持不变 。
7.4.2光孤子通信系统的构成和性能图 7.37(a)示出光孤子通信系统构成方框图 。 光孤子源产生一系列脉冲宽度很窄的光脉冲,即光孤子流,作为信息的载体进入光调制器,使信息对光孤子流进行调制 。 被调制的光孤子流经掺铒光纤放大器和光隔离器后,进入光纤进行传输 。 为克服光纤损耗引起的光孤子减弱,在光纤线路上周期地插入 EDFA,向光孤子注入能量,以补偿因光纤传输而引起的能量消耗,确保光孤子稳定传输 。 在接收端,通过光检测器和解调装置,恢复光孤子所承载的信息 。
图 7.37
(a) 光孤子通信系统构成方框图； (b) 循环光纤间接光孤子实验系统图孤子源 调制脉冲源
E D F A
隔离器探测光纤传输系统
E D F A E D F A E D F A
( a )
E D F A
光纤
E D F A
光纤
E D F A
光纤
→
光隔离器调制器→
锁模激光器
E D F A
光隔离器
1 d B
耦合器微波频谱分析仪
( b )
2 5 k m 2 5 k m 2 5 k m
光孤子源是光孤子通信系统的关键 。 要求光孤子源提供的脉冲宽度为 ps数量级,并有规定的形状和峰值 。 光孤子源有很多种类,主要有掺铒光纤孤子激光器,锁模半导体激光器等目前,光孤子通信系统已经有许多实验结果 。 例如,
对光纤线路直接实验系统,在传输速率为 10 Gb/s时,传输距离达到 1000 km；在传输速率为 20 Gb/s时,传输距离达到 350 km。 对循环光纤间接实验系统 (参看图 7.37(b)),传输速率为 2.4 Gb/s,传输距离达 12 000 km；改进实验系统,
传输速率为 10 Gb/s,传输距离达 106 km。
事实上,对于单信道光纤通信系统来说,光孤子通信系统的性能并不比在零色散波长工作的常规 (非光孤子 )系统更好 。 循环光纤间接实验结果表明,零色散波长常规系统的传输速率为 2.4 Gb/s时,传输距离可达 21 000 km,而为 5 Gb/s时可达 14 300 km。 然而,零色散波长系统只能实现单信道传输,
而光孤子系统则可用于 WDM系统,使传输速率大幅度增加,
因而具有
7.5
目前已经投入使用的光纤通信系统,都是采用光强调制 -
直接检测 (IM DD)方式 。
这种方式的优点是调制和解调简单,容易实现,因而成本较低 。 但是这种方式没有利用光载波的频率和相位信息,
限制了系统性能的进一步提高 。
相干光通信,像传统的无线电和微波通信一样,在发射端对光载波进行幅度,频率或相位调制；在接收端,则采用零差检测或外差检测,这种检测技术称为相干检测 。 和 IMD
方式相比,相干检测可以把接收灵敏度提高 20 dB,相当于在相同发射功率下,若光纤损耗为 0.2 dB/km,则传输距离增加
100 km。
同时,采用相干检测,可以更充分利用光纤带宽 。 我们已经看到,在光频分复用 (OFDM)中,信道频率间隔可以达到 10
GHz以下,因而大幅度增加了传输容量 。
所谓相干光,就是两个激光器产生的光场具有空间叠加,
相互干涉性质的激光 。 实现相干光通信,关键是要有频率稳定,
相位和偏振方向可以控制的窄线谱激光器 。
7.5.1相干检测原理图 7.38示出相干检测原理方框图,光接收机接收的信号光和本地振荡器产生的本振光经混频器作用后,光场发生干涉 。
由光检测器输出的光电流经处理后,以基带信号的形式输出 。
HE11模,接收机接收的信号光其光场可以写成
ES=ASexp［ -i(ωSt+φS)］ (7.26)
式中,AS,ωS和 φS分别为光载波的幅度,频率和相位 。
同样,本振光的光场可以写成
EL=ALexp［ -i(ωLt+φL)］ (7.27)
图 7.38 相干检测原理方框图光检测器电信号处理基带信号本地光振荡器混频器信号光
S
L
式中,AL,ωL和 φL分别为本振光的幅度,频率和相位 。
保持信号光的偏振方向不变,控制本振光的偏振方向,使之与信号光的偏振方向相同 。 本振光的中心角频率 ωL应满足
ωL=ωS-ωIF或 ωL=ωS+ωIF (7.28)
式中,ωIF是中频信号的频率 。 这时光检测器输出的光功率 P
与光强 |ES+Ｅ L|2成比例,即
P=K|ES+EL|2 (7.29)
式中,K为常数 。 由式 (7.26)～式 (7.29),根据模式理论和电磁理论计算的结果,输出光功率近似为
P(t)≈PS+PL+2 PLcos［ ωIFt+(φS-φL)］ (7.30)
式中,PS=KA2S,PL=KA2L,ωIF=ωS-ωL。 显然,式 (7.30)右边最后一项是中频信号功率分量,它实际上是叠加在 PS和 PL之上的一种缓慢起伏的变化,如图 7.39 所示 。 由此可见,中频信号功率分量带有信号光的幅度,频率或相位信息,在发射端,无论采取什么调制方式,都可以从中频功率分量反映出来 。 所以,相干光接收方式是适用于所有调制方式的通信体制 。
相干检测有零差检测和外差检测两种方式 。
Lspp
图 7.39 干涉后的瞬时光功率变化
(?
L
－?
S
)
P
L
＋ P
S
t
P
1.
选择 ωL=ωS,即 ωIF=0,这种情况称为零差检测 。 这时,
滤去直流分量,中频信号产生的光电流为
I(t)= cos (φS-φL) (7.31)
式中,ρ为光检测器的响应度 。 通常 PL>>PS,同时考虑到本振光相位锁定在信号光相位上,即 φL=φS,这样便得到零差检测的信号光电流为
IP=2ρ (7.32)
LS PP?2
LS PP?2
零差检测信号平均光功率与直接检测信号平均光功率之比为
4ρ2〈 PS〉 PL/(ρ2〈 PS〉 2)=4PL/〈 PS〉 。
由于 PLPS,零差检测接收光功率可以放大几个数量级 。
虽然噪声也增加了,但是灵敏度仍然可以大幅度提高 。 零差检测技术非常复杂,因为相位变化非常灵敏,必须控制相位,
使 φS-φL保持不变,同时要求 ωL和 ωS相等 。
2.
选择 ωL≠ωS,即 ωIF=ωS-ωL>0,这种情况称为外差检测 。 通常选择 fIF(=ωIF/2π)在微波范围 (例如 1GHz)。 这时中频信号产生的光电流为
Iac(t)= cos［ ωIFt+(φS-φL)］
LS PtP )(2?
与零差检测相似,外差检测接收光功率放大了,从而提高了灵敏度 。 外差检测信噪比的改善比零差检测低 3dB,但是接收机设计相对简单,因为不需要相位锁定 。
7.5.2调制和解调如前所述,相干检测技术主要优点是可以对光载波实施幅度,频率或相位调制 。 对于模拟信号,有三种调制方式,即幅度调制 (AM),频率调制 (FM)和相位调制 (PM)。 对于数字信号,
也有三种调制方式,即幅移键控 (ASK),频移键控 (FSK)和相移键控 (PSK)。 图 7.40 示出 ASK,PSK和 FSK调制方式的比较,
下面分别介绍这三种调制方式 。
1,幅移键控 (ASK)
基带数字信号只控制光载波的幅度变化,称为幅移键控
(ASK)。 ASK的光场表达式图 7.40 ASK,PSK和 FSK调制方式比较
1 0 01 1
0( a )
( b )
( c )
( d )
电二 进制信 号
A S K
P S K
F S K
ES(t)=AS(t)cos［ ωSt+φS］ (7.34)
式中,AS,ωS和 φS分别为光场的幅度,中心角频率和相位 。 在
ASK中,φS保持不变,只对幅度进行调制 。 对于二进制数字信号调制,在大多数情况下,,0” 码传输时,使 AS=0,,1”
码传输时,使 AS=1。
ASK相干通信系统必须采用外调制器来实现,这样只有输出光信号的幅度随基带信号而变化,而相位保持不变 。 如果采用直接光强调制,幅度变化将引起相位变化 。 外调制器通常用钛扩散的铌酸锂 (Ti,LiNbO3)波导制成的马赫 -曾德尔
(MZ)干涉型调制器,如图 3.37所示 。 这种调制器在消光比大于 20时,调制带宽可达 20 GHz。
1,幅移键控 (ASK)
基带数字信号只控制光载波的幅度变化,称为幅移键控
(ASK)。 ASK的光场表达式为
ES(t)=AS(t)cos［ ωSt+φS］ (7.34)
式中,AS,ωS和 φS分别为光场的幅度,中心角频率和相位 。
在 ASK中,φS保持不变,只对幅度进行调制 。 对于二进制数字信号调制,在大多数情况下,,0” 码传输时,使 AS=0，
,1”码传输时,使 AS=1。
ASK相干通信系统必须采用外调制器来实现,这样只有输出光信号的幅度随基带信号而变化,而相位保持不变 。
如果采用直接光强调制,幅度变化将引起相位变化 。 外调制器通常用钛扩散的铌酸锂 (Ti,LiNbO3)波导制成的马赫 -曾德尔 (MZ)干涉型调制器,如图 3.37所示 。 这种调制器在消光比大于 20时,调制带宽可达 20 GHz。
2,相移键控 (PSK)
基带信号只控制光载波的相位变化,称为相移键控 (PSK)。
PSK的光场表达式为
ES(t)=AScos［ ωSt+φ(t)］ (7.35)
在 PSK中,AS保持不变,只对相位进行调制 。 传输,0”码和传输,1”码时,分别用两个不同相位 (通常相差 180° )表示 。
如果传输,0”时,光载波相位不变,传输,1”码时,相位改变 180°,这种情况称为差分相移键控 (DPSK)。
和 ASK使用的 MZ干涉型调制器相比,设计 PSK使用的相位调制器要简单得多 。 这种调制器只要选择适当的脉冲电压,
就可以使相位改变 δφ=π。 但是在接收端光波相位必须非常稳定,因此对发射和本振激光器的谱宽要求非常苛刻 。
3,频移键控 (FSK)
基带数字信号只控制光载波的频率,称为频移键控 (FSK)。
FSK的光场表达式为
ES(t)=AScos［ (ωS± Δω)t+φS］ (7.36） 在
FSK中,AS保持不变,只对频率进行调制 。 传输,0”码和传输,1”码时,分别用频率 f0(=ω0/2π)和 f1(=ω1/2π)表示 。 对于二进制数字信号,
用 (ωS-Δω) 和 (ωS+Δω)分 别 表 示,0” 码和,1” 码 。
2Δf(=2Δω/2π)称为码频间距 。 在式 (7.36)中,［ (ωS± Δω)t+φS］
和 ［ ωSt+(φS± Δωt)］ 是等效的,因此 FSK可以认为一种 PSK，
虽然技术上有所不同 。
相干检测的解调方式有两种,同步解调和异步解调 。
用零差检测时,光信号直接被解调为基带信号,要求本振光的频率和信号光的频率完全相同,本振光的相位要锁定在信号光的相位上,因而要采用同步解调 。 同步解调虽然在概念上很简单,但是技术上却很复杂 。
用外差检测时,不要求本振光和信号光的频率相同,也不要求相位匹配,可以采用同步解调,也可以采用异步解调 。
同步解调要求恢复中频 ωIF(微波频率 ),因而要求一种电锁相环路 。 异步解调简化了接收机设计,技术上容易实现 。
图 7.41和图 7.42分别示出外差同步解调和外差异步解调的接收机方框图 。 两种解调方式的差别在于接收机的噪声对信号质量的影响 。 异步解调要求的信噪比 (SNR)比同步解调高,
但异步解调接收机设计简单,对信号光源和本振光源的谱线要求适中,因而在相干通信系统设计中起着主要作用 。
图 7.41 外差同步解调接收机方框图光检测器带通基带信号本振光信号光
S
L
低通载波恢复图 7.42 外差异步解调接收机方框图光检测器带通基带信号本振光信号光
S
L
低通包络检波
7.5.3
相干光通信系统光接收机的性能可以用信噪比 (SNR)定量描述 。 系统总平均噪声功率 (均方噪声电流 )为
BRkTBIdIeiii
L
Tsn
4)(2222
式中,和 分别为散粒噪声功率和热噪声功率,
e为电子电荷,Id为光检测器暗电流,B为等效噪声带宽,
kT为热能量,RL为光检测器负载电阻,I为光电流,由式
(7.31)或式 (7.32)确定 。
外差检测的信噪比
2Ti2ni
2
2
2
2
)(2
2
TdL
Ls
n
ac
IBIpe
pp
I
I
S N R
大多数相干光接收机的噪声由本振光功率 PL引入的散粒噪声所支配,与信号光功率的大小无关,因此,式 (7.38)中 Id和
〈 i2T〉 项可以略去,由此得到
SNR= (7.39)
光检测器的响应度 ρ=ηe/hf,η为光检测器量子效率,e和 hf分别为电子电荷和光子能量；等效噪声带宽 B=fb/2,fb为传输速率；
平均信号光功率 〈 PS〉 可以用每比特时间内的光子数 NP表示为
eB
PS?
〈 Ps〉 =NPhffb
把上述关系代入式 (7.39)得到
SNR =2ηNP (7.41)
零差检测的平均信号光功率是外差检测的 2倍,所以零差检测的信噪比
SNR =4ηNP (7.42)
2.
误码率 (BER)可以由信噪比 (SNR)确定 。 以 ASK零差检测为例,设判决信号为
Ia= (Ip+ic)
2
1
式中,Ip=2ρ(PsPL)1/2为信号光电流,ic为高斯随机噪声 。 设
,0”码和,1”码时,IP分别取 I0和 I1,在理想情况下,误码率
BER = (7.44)
式中,Q=(I1-I0)/(,N0和 N1分别为,0”码和,1”
码的等效噪声功率 。 设 N0=N1,I0=0，
Q=
把式 (7.45)和式 (7.42)代入式 (7.44),得到
)2(21 Qe rfc
01 NN?
21
1
1 )(
2
1
2
S N R
N
I?
21)
2(2
1 PNe r fcB E R
在,0”码和,1”码概率相等条件下,对于 ASK,NP=,
P为长比特流情况下,每比特平均光子数 。
BER和极限灵敏度 。
3.
为确定接收灵敏度,利用式 (7.40)和式 (7.45)得到
〈 Ps〉 = (4.47)
式中利用了 ρ=ηe/hf。 最小平均接收光功率
〈 Ps〉 min= =
h fBQP S 22
2
hfBQ 24
PN2
例如光波长为 1.55 μm的 ASK外差检测,设 η=1,B=1GHz。
hf=hc/λ,h为普朗克常数,c为光速,λ为光波长 。 当 BER=10-9
时,Q≈6,由式 (7.48)计算得到 〈 Ps〉 min=10nW,或 Pr=-50
dBm。
在相干检测中,通常用每比特光子数 NP表示灵敏度 。 在相同假设条件下,由式 (7.48)得到 〈 Ps〉 min=72 hf由此得到每比特光子数 NP=72或 =36。
表 7.2和图 7.43示出不同调制方式相干检测接收机误码率和量子极限灵敏度 。
PN
图 7.43 不同调制方式外差接收机量子极限误码率
10
－ 12
10
－ 9
10
－ 6
10
－ 3
10
0
1 5 10 50 1 0 0
F S K
P S K
D
P
S
K
A S K
零差 P S K
光子 数 / 比特误码率由表可见,一个理想的直接检测光接收机,在 BER=10-9
时,要求每比特 10个光子 ( =10),该值几乎接近最好的相干接收机 ——PSK 零差检测接收机的 P,而比所有的其他相干接收机都好 。 然而,实际上因为热噪声,暗电流和其他许多因素的影响,绝不会达到这个数值,≈1000。
然而在相干接收的情况下,表中的数值很容易实现,这是因为借助增加本振光功率,使散粒噪声占支配地位的结果 。
图 7.44 是 4 Gb/s外差光波系统实验原理图,表 7.3 列出外差异步解调光波系统实验结果与量子极限比较 。
PN
PN
图 7.4 44 Gb/s外差光波系统实验原理图调幅或调相
3 d B
耦合器外调制器
A S K 或 D P S K
数据输入光纤光隔离器
D B R 或
D F B
激光器频率锁定光平衡接收机低通滤波数据输出
F S K
数据输入
D B R 或 D F B 激光器偏振控制光隔离器可变延迟线
7.5.4
(1) 灵敏度提高了 10～ 20 dB,线路功率损耗可以增加到
50 dB。 如果使用损耗为 0.2 dB/km光纤,无中继传输距离可达
250 km。
由于相干光系统通常受光纤损耗限制,周期地使用光纤放大器,可以增加传输距离 。 实验表明,当每隔 80 km加入一个掺铒光纤放大器,25 个 EDFA可以使 2.5 Gb/s系统的传输距离增加到 2200 km以上,非常适合干线网使用 。
(2) 由于相干光系统出色的信道选择性和灵敏度,和光频分复用相结合,可以实现大容量传输,非常适合于 CATV
分配网使用 。
(1) 必须使用频率稳定度和频谱纯度都很高的激光器作为信号光源和本振光源 。 在相干光系统中,中频一般选择为 2× 10 8 ～ 2× 10 9 Hz,1550 nm的光载频约为
2× 1014Hz,中频是光载频的 10-6～ 10-5倍,因此要求光源频率稳定度优于 10-8。
一般激光器达不到要求,必须研究稳频技术,如以分子标准频率作基准,稳定度可达 10-12。 信号光源和本振光源频谱纯度必须很高,例如中频选择 100 MHz,频谱纯度应为几
kHz,一般激光器满足不了这个要求 。 必须采用频谱压缩措施,提高频谱纯度,目前优质 DFB LD频谱宽度可达几 kHz。
(2) 匹配技术 。 相干光系统要求信号光和本振光混频时满足严格的匹配条件,才能获得高混频效率,这种匹配包括空间匹配,波前匹配和偏振方向匹配 。
7.6光时分复用技术提高速率和增大容量是光纤通信的目标 。 电子器件的极限速率大约在 20 Gb/s左右,现在通过电时分复用 (TDM)已经达到这个极限速率 。 若想要继续提高速率,就必须在光域中想办法 。 一般有两种途径：波分复用 (WDM)和光时分复用 (OTDM)。
如今 WDM技术研究非常热,有的技术已经成熟并实用化；而
OTDM技术还处于实验研究阶段,许多关键技术还有待解决 。
OTDM是在光域上进行时间分割复用,一般有两种复用方式：比特间插 (Bit interleaved)和信元间插 (Cell interleaved),
比特间插是目前广泛被使用的方式,信元间插也称为光分组
(Optical Packet)复用 。 图 7.45是 OTDM系统框图 。
图 7.45 光时分复用系统框图
M o d 1
M o d 2
…
M o d n
…
…
合路器光分路器
T
( n － 1) T
超短脉冲发生器帧同步时钟
E / O M U X
接收机误码检测光带通滤波器全光开关
D E M U X
光波时钟产生时钟提取电路
E D F A
延时线阵列待传数据输入系统光源是超短光脉冲光源,由光分路器分成 N束,各支路电信号分别被调制到各束超短光脉冲上,然后通过光延迟线阵列,使各支路光脉冲精确地按预定要求在时间上错开,再由合路器将这些支路光脉冲复接在一起,于是便完成了在光时域上的间插复用 。 接收端的光解复用器是一个光控高速开关,
在时域上将各支路光信号分开 。
要实现 OTDM，
(1)
(2)
(3)
(4)
(5) 全光解复用技术 。
对这些技术,国内外正在进行大量理论和实验研究,有些技术有一些成熟方案,有些技术还存在着相当大的困难 。
并且 OTDM要在光上进行信号处理,时钟恢复,分组头识别和路序选出,都需要全光逻辑和存储器件,这些器件至今还不成熟,所以 OTDM离实用化还有一定距离 。
7.7
波长变换 (WC,Wavelength Conversion)是将信息从承载它的一个波长上转到另一个波长上 。 在 WDM光网络中使用波长首先,信息可以通过 WDM网络中不适宜使用的波长进入
WDM网络 。 例如在现阶段光纤通信中大量使用 1310 nm窗口的 LED或 FPLD光源,这些波长或光源均不适合 WDM系统,
因此在 WDM系统的输入和输出处,都要在这些波长与 1550
nm附近的波长之间进行转换 。
其次,在网络内部,可以提高链路上现有波长的利用率 。
引入波长变换技术,可以实现波长的再利用,有效地进行波长路由选择,降低网络阻塞率,从而提高 WDM网络的灵活性和可扩充性 。
最后,如果不同网络由不同的组织管理,并且这些网络没有协调一致的波长分配,那么在网络之间就可以使用波长变换器 。 波长变换的基本方法有两种：光 /电 /光方法和全光方法 。
1,光 /电 /
将光信号经光 /电转换变成电信号,电信号再调制所需波长的激光器,从而实现波长变换 。 这是目前惟一成熟的波长变换技术,其优点有,输入动态范围大,不需要光滤波器,对输入光的偏振不敏感,并且对信号具有再生能力 。 其缺点是失去了全光网络的透明性 。
2.
全光波长变换技术主要有基于半导体光放大器 (SOA:
Semiconductor Optical Amplifier) 中的交叉增益调制 (XGM:
Cross Ｇ ain Modulation)和交叉相位调制 (XPM,Cross Phase
Modulation)以及基于半导体光放大器或光纤中的四波混频
(FWM,Four Wave Mixing)和不同频率产生 (DFG,Difference
Frequency Generation)。 这些技术现阶段均不成熟,还处于研究探索之中 。 对波长变换技术的要求有,对比特率和信号格式应具有透明性；较宽的变换范围,既能向长波长变换又能向短波长变换； 适当的输入光功率 (不大于 0 dBm)；变换速率快；对偏振不敏感,低啁啾输出,高信噪比,高消光比；实现简单等 。
7.2 光波分复用技术
7.3 光交换技术
7.4 光孤子通信
7.5 相干光通信技术
7.6 光时分复用技术
7.7 波长变换技术第 7 章 光纤通信新技术返回主目录第 7章 光纤通信新技术光纤通信发展的目标是提高通信能力和通信质量,降低价格,满足社会需要 。 进入 20世纪 90年代以后,光纤通信成为一个发展迅速,技术更新快,新技术不断涌现的领域 。 本章主要介绍一些已经实用化或者有重要应用前景的新技术,如光放大技术,光波分复用技术,光交换技术,光孤子通信,相干光通信,光时分复用技术和波长变换技术等 。
7.1光 纤 放 大光放大器有半导体光放大器和光纤放大器两种类型 。 半导体光放大器的优点是小型化,容易与其他半导体器件集成；
缺点是性能与光偏振方向有关,器件与光纤的耦合损耗大 。
光纤放大器的性能与光偏振方向无关,器件与光纤的耦合损耗很小,因而得到广泛应用 。
光纤放大器实际上是把工作物质制作成光纤形状的固体激光器,所以也称为光纤激光器 。
20世纪 80年代末期,波长为 1.55 μm的掺铒 (Er)光纤放大器 (EDFA,Erbium Doped Fiber Amplifier)研制成功并投入实用,把光纤通信技术水平推向一个新高度,成为光纤通信发展史上一个重要的里程碑 。
7.1.1
图 7.1示出掺铒光纤放大器 (EDFA)的工作原理,说明了光信号为什么会放大的原因 。 从图 7.1(a)可以看到,在掺铒光纤
(EDF)中,铒离子 (Er3+)有三个能级,其中能级 1代表基态,
能量最低；能级 2是亚稳态,处于中间能级；能级 3代表激发态,能量最高 。 当泵浦 (Pump,抽运 )光的光子能量等于能级 3
和能级 1的能量差时,铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到激发态
(1→ 3)。 但是激发态是不稳定的,Er3+很快返回到能级 2。 如果输入的信号光的光子能量等于能级 2和能级 1的能量差,则处于能级 2的 Er3+将跃迁到基态 (2→ 1),产生受激辐射光,因而信号光得到放大 。
图 7.1
(a) 硅光纤中铒离子的能级图； (b) EDFA的吸收和增益频谱
4F
9 / 2
4I
9 / 2
4I
1 1 / 2
4I
1 3 / 2
4I
1 5 / 2
1,4 8? m
泵浦
0,6 5? m
0,8 0? m
0,9 8? m
1,5 3? m
1
2
3
光信号
1,4 8 1,5 0 1,5 2 1,5 4 1,5 6
0
2
4
6
0
2
4
6
8
10
吸收增益波长 /? m
损耗或增益
/
(
d
B
·
m
－
1
)
( b )
( a )
截面
/
(×
1
0
－
25
m
2
)
但是激发态是不稳定的,Er3+很快返回到能级 2。 如果输入的信号光的光子能量等于能级 2和能级 1的能量差,则处于能级
2的 Er3+将跃迁到基态 (2→ 1),产生受激辐射光,因而信号光得到放大 。 由此可见,这种放大是由于泵浦光的能量转换为信号光的结果 。 为提高放大器增益,应提高对泵浦光的吸收,使基态 Er3+尽可能跃迁到激发态,图 7.1(b)示出 EDFA增益和吸收频谱 。
图 7.2(a)示出输出信号光功率和输入泵浦光功率的关系,
由图可见,泵浦光功率转换为信号光功率的效率很高,达到
92.6%。 当泵浦光功率为 60 mW时,吸收效率 ［ (信号输入光功率 -信号输出光功率 )/泵浦光功率 ］ 为 88%。
图 7.2
(a) 输出信号光功率与泵浦光功率的关系； (b) 小信号增益与泵浦光功率的关系
0
0 20 40 60 80
20
40
60
80
转换效率
9 2,6 ％
输入泵浦光功率 / m W
输出信号光功率
/
m
W
0
20
0
10
30
40
5 10 15 20
增益系数
6,3 d B / m W
输入泵浦光功率 / m W
增益
/
d
B
( a ) ( b )
7.1.2
图 7.3(a)为光纤放大器构成原理图,图 7.3(b)为实用光纤放大器构成方框图 。 掺铒光纤 (EDF)和高功率泵浦光源是关键器件,把泵浦光与信号光耦合在一起的波分复用器和置于两端防止光反射的光隔离器也是不可缺少的 。
设计高增益掺铒光纤 (EDF)是实现光纤放大器的技术关键,
EDF的增益取决于 Er 3+的浓度,光纤长度和直径以及泵浦光功率等多种因素,通常由实验获得最佳增益 。 对泵浦光源的基本要求是大功率和长寿命 。 波长为 1480 μm的 InGaAsP多量子阱 (MQW)激光器,输出光功率高达 100 mW,泵浦光转换为信号光效率在 6 dB/mW以上 。
图 7.3
(a) 光纤放大器构成原理图； (b) 实用光纤放大器外形图及其构成方框图输入信号光隔离器波分复用器泵浦掺铒光纤光隔离器输出信号
( a )
监视和告警电路泵浦监视和控制电路泵浦 LD
P D 探测器 泵浦 LD
输入隔离器 输入 W D M
输出耦合器 输出隔离器 输出 W D M
掺铒光纤热 沉光输入
＋ 5 V
0 V
－ 5 V
电源监视激光器驱动输入光输出
( b )
波长为 980 nm的泵浦光转换效率更高,达 10 dB/mW，
而且噪声较低,是未来发展的方向 。 对波分复用器的基本要求是插入损耗小,熔拉双锥光纤耦合器型和干涉滤波型波分复用器最适用 。 光隔离器的作用是防止光反射,保证系统稳定工作和减小噪声,对它的基本要求是插入损耗小,反射损耗大 。
图 7.4是 EDFA商品的特性曲线,图中显示出增益,噪声指数和输出信号光功率与输入信号光功率的关系 。 在泵浦光功率一定的条件下,当输入信号光功率较小时,放大器增益不随输入信号光功率而变化,基本上保持不变 。 当信号光功率增加到一定值 (一般为 -20 dBm) 后,增益开始随信号光功率的增加而下降,因此出现输出信号光功率达到饱和的现 。
图 7.4 掺铒光纤放大器增益,噪声指数和输出光功率与输入光功率的关系曲线
－ 1 0,0
－ 40
－ 5,0
0,0
5,0
1 0,0
1 5,0
2 0,0
2 5,0
3 0,0
3 5,0
－ 35 － 30 － 25 － 20 － 15 － 10 － 5 0
I
I
I
I
I I I
噪声 指数 / d B
输出 光功率 / d B m
增益 / d B
输入 光功率 / d B m
增益
/
d
B
表 7.1列出国外几家公司 EDFA商品的技术参数 。
表 7.1掺铒光纤放大器技术参数
7.1.3掺铒光纤放大器的优点和应用
EDFA有许多优点,并已得到广泛应用 。
EDFA
(1)工作波长正好落在光纤通信最佳波段 (1500～ 1600 nm)；
其主体是一段光纤 (EDF),与传输光纤的耦合损耗很小,可达
0.1 dB。
(2) 增益高,约为 30～ 40 dB; 饱和输出光功率大,约为
10～ 15 dBm; 增益特性与光偏振状态无关 。
(3) 噪声指数小,一般为 4～ 7 dB; 用于多信道传输时,隔离度大,无串扰,适用于波分复用系统 。
(4) 频带宽,在 1550 nm窗口,频带宽度为 20～ 40 nm,可进行多信道传输,有利于增加传输容量 。
如果加上 1310 nm掺镨光纤放大器 (PDFA),频带可以增加一倍 。 所以,波分复用 +光纤放大器,被认为是充分利用光纤带宽增加传输容量最有效的方法 。
1550 nm EDFA在各种光纤通信系统中得到广泛应用,并取得了良好效果 。 已经介绍过的副载波 CATV系统,WDM或
OFDM系统,相干光系统以及光孤子通信系统,都应用了
EDFA,并大幅度增加了传输距离 。 EDFA的应用,归纳起来可以分为三种形式,如图 7.5所示 。
图 7.5
(a) 中继放大器； (b) 前置放大器和后置放大器
LD PD
中继放大器
( a )
LD PD
后置放大器
( b )
前置放大器光纤
7.2
随着人类社会信息时代的到来,对通信的需求呈现加速增长的趋势 。 发展迅速的各种新型业务 (特别是高速数据和视频业务 )对通信网的带宽 (或容量 )提出了更高的要求 。 为了适应通信网传输容量的不断增长和满足网络交互性,灵活性的要求,产生了各种复用技术 。
在光纤通信系统中除了大家熟知的时分复用 (TDM)技术外,
还出现了其他的复用技术,例如光时分复用 (OTDM),光波分复用 (WDM),光频分复用 (OFDM)以及副载波复用 (SCM)技术 。
本节主要讲述 WDM技术 。
7.2.1
1,WDM的概念光波分复用 (WDM,Wavelength Division Multiplexing)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,
简称光波分复用技术 。
图 7.6 中心波长在 1.3μm和 1.55μm的硅光纤低损耗传输窗口
(插图表示 1.55μm传输窗口的多信道复用 )
8 0 0
0
1,0
2,0
3,0
4,0
1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0 1 8 0 0
载波频率信道间隔
1 ~ 1 0 G H z
波长 / n m
衰减
/
(
d
B
·
k
m
－
1
)
…
光纤的带宽很宽 。 如图 7.6所示,在光纤的两个低损耗传输窗口,波长为 1.31 μm(1.25～ 1.35μm)的窗口,相应的带宽
(|Δf |=|-Δλc/λ2|,λ和 Δλ分别为中心波长和相应的波段宽度,c
为真空中光速 )为 17 700 GHz； 波长为 1.55 μm(1.50～ 1.60 μm)
的窗口,相应的带宽为 12 500 GHz。 两个窗口合在一起,总带宽超过 30 THz。 如果信道频率间隔为 10 GHz,在理想情况下,一根光纤可以容纳 3000个信道 。
由于目前一些光器件与技术还不十分成熟,因此要实现光信道十分密集的光频分复用 (OFDM)还较为困难 。 在这种情况下,人们把在同一窗口中信道间隔较小的波分复用称为密集波分复用 (DWDM,Dense Wavelength Division Multiplexing)。
目前该系统是在 1550 nm波长区段内,同时用 8,16或更多个波长在一对光纤上 (也可采用单光纤 )构成的光通信系统,
其中各个波长之间的间隔为 1.6 nm,0.8 nm或更低,约对应于
200 GHz#,100 GHz或更窄的带宽 。 WDM,DWDM和 OFDM
在本质上没有多大区别 。 以往技术人员习惯采用 WDM 和
DWDM来区分是 1310/1550 nm 简单复用还是在 1550 nm波长区段内密集复用,但目前在电信界应用时,都采用 DWDM技术 。
由于 1310/1550 nm的复用超出了 EDFA的增益范围,只在一些专门场合应用,所以经常用 WDM这个更广义的名称来代替
DWDM。
WDM技术对网络升级,发展宽带业务 (如 CATV,HDTV
和 IP over WDM等 ),充分挖掘光纤带宽潜力,实现超高速光纤通信等具有十分重要意义,尤其是 WDM加上 EDFA更是对现代信息网络具有强大的吸引力 。 目前,,掺铒光纤放大器
(EDFA)+密集波分复用 (WDM)+非零色散光纤 (NZDSF,即
G.655光纤 )+光子集成 (PIC)”正成为国际上长途高速光纤通信线路的主要技术方向 。
如果一个区域内所有的光纤传输链路都升级为 WDM传输,
我们就可以在这些 WDM链路的交叉 (结点 )处设置以波长为单位对光信号进行交叉连接的光交叉连接设备 (OXC),或进行光上下路的光分插复用器 (OADM),则在原来由光纤链路组成的物理层上面就会形成一个新的光层 。
在这个光层中,相邻光纤链路中的波长通道可以连接起来,形成一个跨越多个 OXC和 OADM的光通路,完成端到端的信息传送,并且这种光通路可以根据需要灵活,动态地建立和释放,这就是目前引人注目的,新一代的 WDM全光网络 。
2,WDM
光波分复用器和解复用器是 WDM技术中的关键部件,将不同波长的信号结合在一起经一根光纤输出的器件称为复用器 (也叫合波器 )。 反之,经同一传输光纤送来的多波长信号分解为各个波长分别输出的器件称为解复用器 (也叫分波器 )。
从原理上讲,这种器件是互易的 (双向可逆 ),即只要将解复用器的输出端和输入端反过来使用,就是复用器 。 因此复用器和解复用器是相同的 (除非有特殊的要求 )。
WDM
(1) 双纤单向传输 。 单向 WDM传输是指所有光通路同时在一根光纤上沿同一方向传送 。 如图 7.7所示,在发送端将载有各种信息的,具有不同波长的已调光信号 λ1,λ2,…,λn通过光复用器组合在一起,并在一根光纤中单向传输 。 由于各信号是通过不同光波长携带的,因而彼此之间不会混淆 。 在接收端通过光解复用器将不同波长的信号分开,完成多路光信号传输的任务 。
反方向通过另一根光纤传输的原理与此相同 。
(2) 单纤双向传输 。 双向 WDM传输是指光通路在一根光纤上同时向两个不同的方向传输 。 如图 7.8所示,所用波长相互分开,以实现双向全双工的通信 。
图 7.7 双纤单向 WDM传输光发射机
光发射机复用器 光纤放大器 解复用器光接收机光接收机
1
n
1
n
1
…?
n
1
n
光接收机
光接收机解复用器 光纤放大器 复用器光发射机光发射机
1′
n ′
1
…?
n
1
n
1′
n ′
图 7.8 单纤双向 WDM传输光发射机
光发射机光接收机光接收机
1
n
1
n
1
…?
n
1
n
光接收机
光接收机复用/ 解复用器光纤放大器光发射机光发射机
1 ′
n ′
n ＋ 1
…?
2 n
1 ′
n ′
复用/ 解复用器
n ＋ 1
2 n
双向 WDM系统在设计和应用时必须要考虑几个关键的系统因素,如为了抑制多通道干扰 (MPI),必须注意到光反射的影响,双向通路之间的隔离,串扰的类型和数值,两个方向传输的功率电平值和相互间的依赖性,光监控信道 (OSC)传输和自动功率关断等问题,同时要使用双向光纤放大器 。 所以双向 WDM系统的开发和应用相对说来要求较高,但与单向
WDM系统相比,双向 WDM系统可以减少使用光纤和线路放大器的数量 。
另外,通过在中间设置光分插复用器 (OADM)或光交叉连接器 (OXC),可使各波长光信号进行合流与分流,实现波长的上下路 (Add/Drop)和路由分配,这样就可以根据光纤通信线路和光网的业务量分布情况,合理地安排插入或分出信号 。
3.
光波分复用器是波分复用系统的重要组成部分,为了确保波分复用系统的性能,对波分复用器的基本要求是：插入损耗小,隔离度大,带内平坦,带外插入损耗变化陡峭,温度稳定性好,复用通路数多,尺寸小等 。
(1) 插入损耗 。 插入损耗是指由于增加光波分复用器 /解复用器而产生的附加损耗,定义为该无源器件的输入和输出端口之间的光功率之比,即
α=10 lg
0
1
P
P
其中 P0为发送进输入端口的光功率； P0为从输出端口接收到的光功率。
(2) 串扰抑制度 。 串扰是指其他信道的信号耦合进某一信道,并使该信道传输质量下降的影响程度,有时也可用隔离度来表示这一程度 。 对于解复用器
)(lg10 dBppC
i
ij
ij
其中 Pi是波长为 λi的光信号的输入光功率,Pij是波长为 λi
的光信号串入到波长为 λj信道的光功率 。
(3) 回波损耗 。 回波损耗是指从无源器件的输入端口返回的光功率与输入光功率的比,即
RL=-10 (7.3)
其中 Pj为发送进输入端口的光功率,Pr为从同一个输入端口接收到的返回光功率 。
)(lg dBpp
i
ij
(4) 反射系数 。 反射系数是指在 WDM器件的给定端口的反射光功率 Pr与入射光功率 Pj之比,即
R=10 (7.4)
(5) 工作波长范围 。 工作波长范围是指 WDM器件能够按照规定的性能要求工作的波长范围 (λmin到 λmax)。
(6) 信道宽度 。 信道宽度是指各光源之间为避免串扰应具有的波长间隔 。
(7) 偏振相关损耗 。 偏振相关损耗 (PDL,Polarization
dependent Loss)是指由于偏振态的变化所造成的插入损耗的最大变化值 。
)(lg dBpp
i
ij
7.2.2WDM
实际的 WDM系统主要由五部分组成：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,如图 7.9所示光发射机位于 WDM系统的发送端 。 在发送端首先将来自终端设备 (如 SDH端机 )输出的光信号,利用光转发器 (OTU)把符合 ITUT G.957建议的非特定波长的光信号转换成符合 ITUT
G.692建议的具有稳定的特定波长的光信号 。 OTU对输入端的信号波长没有特殊要求,可以兼容任意厂家的 SDH信号,其输出端满足 G.692的光接口,即标准的光波长和满足长距离传输要求的光源； 利用合波器合成多路光信号； 通过光功率放大器 (BA,Booster Amplifier)放大输出多路光信号 。
图 7.9 实际 WDM系统的基本结构光转发器 1
光合波器光转发器 n
BA
1
n
1
n
光纤光监控信道接收/ 发送
LA
光纤接收 1
光分波器接收 n
PA
1
n
1
n
光监控信道发送器
s
s? s?
s
光监控信道接收器
网络管理系统光中继放大 光接收机光发射机经过一定距离传输后,要用掺铒光纤放大器 (EDFA)对光信号进行中继放大 。 在应用时可根据具体情况,将 EDFA用作
,线放 (LA,Line Amplifier)”#,“功放 (BA)”和,前放 (PA：
Preamplifier)”。 在 WDM系统中,对 EDFA必须采用增益平坦技术,使得 EDFA对不同波长的光信号具有接近相同的放大增益 。 与此同时,还要考虑到不同数量的光信道同时工作的各种情况,保证光信道的增益竞争不影响传输性能 。
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,分波器从主信道光信号中分出特定波长的光信号 。
接收机不但要满足一般接收机对光信号灵敏度,过载功率等参数的要求,还要能承受有一定光噪声的信号,要有足够的电带宽 。
光监控信道 (OSC,Optical Supervisory Channel)的主要功能是监控系统内各信道的传输情况,在发送端,插入本结点产生的波长为 λs(1510 nm)的光监控信号,与主信道的光信号合波输出；在接收端,将接收到的光信号分离,输出 λs(1510
nm)波长的光监控信号和业务信道光信号 。 帧同步字节,公务字节和网管所用的开销字节等都是通过光监控信道来传送的 。
网络管理系统通过光监控信道物理层传送开销字节到其他结点或接收来自其他结点的开销字节对 WDM系统进行管理,
实现配置管理,故障管理,性能管理和安全管理等功能,并与上层管理系统 (如 TMN)相连 。
目前国际上已商用的系统有 4× 2.5 Gb/s(10 Gb/s),8× 2.5
Gb/s(20 Gb/s),16× 2.5 Gb/s(40 Gb/s),40× 2.5 Gb/s(100 Gb/s),
32× 10 Gb/s(320 Gb/s),40× 10 Gb/s(400 Gb/s)。
实验室已实现了 82× 40 Gb/s(3.28 Tb/s)的速率,传输距离达 3× 100 km=300 km。 OFC2000(Optical Fiber Communication
Conference)
① Bell Labs,82路 × 40 Gb/s=3.28 Tb/s在 3× 100 km=300
km的 True Wave(商标 )光纤 (即 G.655光纤 )上,利用 C和 L两个波
② 日本 NEC,160× 20 Gb/s=3.2 Tb/s,利用归零信号沿色散平坦光纤,经过增益宽度为 64 nm的光纤放大器,传输距离达 1500 km;
③ 日本富士通 (Fujitsu),128路 × 10.66 Gb/s,C和 L
波带注,C波带为 1525～ 1565 nm,L波带为 1570～ 1620 nm。,
用分布喇曼放大 (DRA,Distributed Raman Amplification),传输距离达 6× 140 km=840 km;
④ 日本 NTT,30路 × 42.7 Gb/s,利用归零信号,经过增益宽度为 50 nm的光纤放大器,传输距离达 3× 125 km 376 km;
⑤ 美国 Lucent Tech,100路 × 10 Gb/s=1 Tb/s,各路波长的间隔缩小到 25 GHz,利用 L波带,沿 NZDF光纤 (G.655光纤 )传输
400 km;
⑥ 美国 Mciworldcom和加拿大 Nortel,100路 × 10 Gb/s=1
Tb/s,沿 NZDF光纤在 C和 L波带传输 4段,约 200 km;
⑦ 美国 Qtera 和 Qwest,两个波带 4路 × 10 Gb/s和 2路 × 10
Gb/s沿 NZDF光纤传输 23× 105 km=2415 km,这个试验虽然
WDM路数不多,但在陆地光缆中却是最长距离 。
7.2.3WDM技术的主要特点
1,充分利用光纤的巨大带宽资源光纤具有巨大的带宽资源 (低损耗波段 ),WDM技术使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍甚至几百倍,
从而增加光纤的传输容量,降低成本,具有很大的应用价值和经济价值 。
2.
由于 WDM技术使用的各波长的信道相互独立,因而可以传输特性和速率完全不同的信号,完成各种电信业务信号的综合传输,如 PDH信号和 SDH信号,数字信号和模拟信号,多种业务 (音频,视频,数据等 )的混合传输等 。
3.
采用 WDM技术可使 N个波长复用起来在单根光纤中传输,
也可实现单根光纤双向传输,在长途大容量传输时可以节约大量光纤 。 另外,对已建成的光纤通信系统扩容方便,只要原系统的功率余量较大,就可进一步增容而不必对原系统作大的改动 。
4.
随着传输速率的不断提高,许多光电器件的响应速度已明显不足,使用 WDM技术可降低对一些器件在性能上的极高要求,同时又可实现大容量传输 。
5,高度的组网灵活性,经济性和可靠性
WDM技术有很多应用形式,如长途干线网,广播分配网,多路多址局域网 。 可以利用 WDM技术选择路由,实现网络交换和故障恢复,从而实现未来的透明,灵活,经济且具有高度生存性的光网络 。
7.2.4光滤波器与光波分复用器在前面介绍耦合器时,已经简单地介绍了波分复用器
(WDM)。 在这一部分我们将介绍各种各样的波长选择技术,
即光滤波技术 。 光滤波器在 WDM系统中是一种重要元器件,
与波分复用有着密切关系,常常用来构成各种各样的波分复用器和解复用器 。
图 7.10为光滤波器的三种应用：单纯的滤波应用 (图
7.10(a)),波分复用 /解复用器中应用 (图 7.10(b))和波长路由器中应用 (图 7.10(c))。 波分复用器和解复用器主要用在 WDM终端和波长路由器以及波长分插复用器 (Wavelength Add/Drop
Multiplexer,WADM)中 。
波长路由器是波长选路网络 (Wavelength Routing Network)
中的关键部件,其功能可由图 7.10(c)的例子说明,它有两个输入端口和两个输出端口,每路输入都载有一组 λ1#,λ2#,λ3和
λ4 WDM信号 。
如果用 λij来标记第 i输入链路上的波长 λj,则路由器的输入端口 1上的波长记为 λ11,λ12,λ13,λ14,输入端口 2上的波长记为 λ21,λ22,λ23,λ24。 在输入端口 1上的波长中,如果 λ12和
λ13 由输出端口 1输出,则 λ11和 λ14由输出端口 2输出；在输入端口 2上的波长中,如果 λ22和 λ23由输出端口 2输出,则 λ21和 λ24
由输出端口 1输出,这样,我们就称路由器交换了波长 λ1和 λ4。
图 7.10
(a) 单纯的滤波应用； (b) 波分复用器中应用； (c) 波长路由器中应用光滤波器
1,? 2,? 3,? 4
2,? 3,? 4
1
( a )
波分复用器
( b )
1
2
3
4
1,? 2,? 3,? 4
波长路由器
1,? 2,? 3,? 4
2,? 3,? 4
( c )
1 1 1 1
2 2 2
1,? 2,? 3,? 42 1 1 2
1,? 2,? 3,? 41 2 2 12
在本例中,波长路由器只有两个输入端口和两个输出端口,每一路上只有 4个波长,但是在一般情况下,输入和输出的端口数是 N(≥2),并且每一端口的波长数是 W(≥2)(参看图 7.33)。
如果一个波长路由器的路由方式不随时间变化,就称为静态路由器；路由方式随时间变化,则称之为动态路由器 。
静态路由器可以用波分复用器来构成,如图 7.11所示 。
波长分插复用器可以看成是波长路由器的简化形式,它只有一个输入端口和一个输出端口,再加上一个用于分插波长的本地端口 。
图 7.11 由波分复用器构成静态路由器
1
2
3
4
1
,?
2
,?
3
,?
4
1 1 1 1
1
,?
2
,?
3
,?
4
2 2 2 2
1
,?
2
,?
3
,?
4
2 1 1 2
1
,?
2
,?
3
,?
4
1 2 2 1
解复用器 复用器
(1) 一个好的光滤波器应有较低的插入损耗,并且损耗应该与输入光的偏振态无关 。 在大多数系统中,光的偏振态随机变化,如果滤波器的插入损耗与光的偏振有关 (PDL:
Polarization dependent Loss),则输出光功率将极其不稳定 。
(2) 一个滤波器的通带应该对温度的变化不敏感 。 温度系数是指温度每变化 1℃ 的波长漂移 。 一个 WDM系统要求在整个工作温度范围 (大约 100 ℃ )内,波长漂移应该远小于相邻信道的波长间隔 。
(3) 在一个 WDM系统中,随着级联的滤波器越来越多,
系统的通带就变得越来越窄 。 为了确保在级联的末端还有一个相当宽的通带,单个滤波器的通带传输特性应该是平直的,
以便能够容纳激光器波长的微小变化 。 单个滤波器的通带的平直程度常用 1 dB带宽来衡量,如图 7.12所示 。
图 7.12 光滤波器的 1 dB带宽
－ 40
0,9 9 6 0,9 9 8 1 1,0 0 2 1,0 0 4
－ 30
－ 20
－ 10
0
通带 边缘
20 - dB
带宽串扰 能量
3 - dB
带宽
1 - dB
带宽相邻信道1 d B3 d B
0
/?
滤波器的幅度传输特性
/
d
B
下面将介绍一些波长选择技术及其在 WDM系统中的应用 。
1.
光栅 (Grating)广泛地用来将光分离为不同波长的单色光 。
在 WDM系统中,光栅主要用在解复用器中,以分离出各个波长 。 图 7.13是光栅的两个例子,图 7.13(a)是透射光栅,图
7.13(b)是反射光栅 。
我们以透射光栅为例来说明光栅的基本原理 。 如图 7.14所示,设两个相邻缝隙间的距离即栅距为 a,光源离光栅平面足够远 (相对于 a而言 ),入射角为 θi,衍射角为 θd,通过两相邻缝隙对应光线的光程差由 ( )决定,而
CDAB?
图 7.13光栅
(a) 透射光栅； (b) 反射光栅光栅平面 影像平面
2
1
d 1
d 2
i
1
＋?
2
光栅平面影像平面
2
1
d 1
d 2
i
1
＋?
2
( a ) ( b )
7.14
i
d
a
D
C
B
A
光栅平面去影像平面来自光源
)s i n( s i n diaCDAB
光栅方程为
a(sinθi- sinθd)=mλ
其中 m为整数,当 a和 θi一定时,不同的 θd对应不同的波长 λ,也就是说,像面上的不同点对应不同的波长,于是可用作 WDM中的解复用器 。
2.
布喇格光栅 (Bragg Grating)广泛用于光纤通信之中 。 一般情况下,传输媒质的周期性微扰可以看作是布喇格光栅；
这种微扰通常引起媒质折射率周期性的变化 。
半导体激光器使用布喇格光波导作分布反馈可以获得单频输出 (如 DFB激光器 )；在光纤中,写入布喇格光栅后可以用于光滤波器,光分插复用器和色散补偿器 。
设两列波沿着同一方向传播,其传播常数分别为 β0和 β1，
2
21
其中 Λ为光栅周期,则一个波的能量可以耦合到另一个波中去 。
在反射型滤波器中,我们假设传播常数为 β0的光波从左向右传播,如果满足条件：
22)(
000
则这个光波的能量可以耦合到沿它的反方向传播的具有相同波长的反射光中去 。 设 β0=2πneff/λ0,其中 λ0为输入光的波长,
neff为波导或光纤的有效折射率 。 也就是说,如果 λ0=2neffΛ,光波将发生反射,这个波长 λ0就称作布喇格波长 。 随着入射光波的波长偏离布喇格波长,其反射率就会降低,如图 7.15(a)所示 。
如果具有几个波长的光同时传输到光纤布喇格光栅上,则只有波长等于布喇格波长的光才反射,而其它的光全部透射 。
图 7.15(a)中的功率反射谱是针对折射率均匀周期性变化的光栅而言的,为了消除不需要的旁瓣,新研制成功了一种称为变迹光栅 (Apodized Grating)的光栅,它与渐变折射率光纤有点类似,其折射率沿光栅纤芯到边沿逐渐减小,变迹光栅的功率反射谱如图 7.15(b)所示 。 注意变迹光栅旁瓣的减少是以主瓣加宽为代价的 。
图 7.15
(a) 均匀折射率情形； (b) 变迹折射率情形
0 2 4－ 2－ 4
－ 40
－ 30
－ 20
－ 10
0
( a )
( b )
△? / △
△? / △
0 2 4－ 2－ 4
－ 40
－ 30
－ 20
－ 10
0
反射功率谱
/
d
B
反射功率谱
/
d
B
3,光纤光栅光纤光栅 (Fiber Grating)是一种非常有吸引力的全光纤器件,
其用途非常广泛,可用作光滤波器,光分插复用器和色散补偿器 。 对于全光纤器件,其主要优点有：插入损耗低,易于与光纤耦合,对偏振不敏感,温度系数低,封装简单,成本也较低 。
利用某种特殊光纤的光敏特性,就可在光纤中写入光栅 。
在传统光纤的 SiO2中掺入少量锗 (Ge)后就具有了光敏特性,再由紫外 (UV)光照射,就可引起光纤纤芯的折射率变化 。 若用两束相干的紫外光照射掺杂后的光纤纤芯,则照射光束的强度将沿着光纤长度方向周期性地变化,强度高的地方纤芯折射率增加,强度低的地方纤芯折射率几乎无任何变化,这样就在光纤中写入了光栅 。
形成光栅所要求的折射率变化是极低的,大约为 10-4。 也可以使用位相版 (phase mask)来写入光栅 。 位相版是一种光衍射元件,当用光束照射它时,它将光束分离成各个不同的衍射级,这些衍射级相互干涉就可将光栅写入光纤 。
光纤光栅可以分为短周期 (short period)光纤光栅和长周期 (long period)光纤光栅 。 短周期光纤光栅也称光纤布喇格光栅,其周期可以和光波长相比较,典型值大约 0.5 μm；长周期光纤光栅的周期比光波长大得多,从几百微米到几毫米不等 。
光纤布喇格光栅 (FBG,Fiber Bragg Grating)是一种反射型光纤光栅,光栅使正向传输模 (单模光纤中即为基模 )同反向传输模之间发生耦合,光栅的波矢应等于传输模波矢的 2倍,也就是说,光栅的周期应等于传输光波在光纤内部的波长的一半,
这种光纤光栅只对在布喇格波长及其附近很窄的波长范围内的光发生反射,而不影响其它波长的光通过 。
光纤布喇格光栅的特点是损耗低 (0.1 dB左右 ),波长准确度高 (可达 ± 0.05 nm),邻近信道串扰抑制较高 (可达 40 dB)以及通带顶部平坦 。 由于光纤长度随温度变化稍微有些变化,光纤布喇格光栅的温度系数的典型值为 1.25× 10-2nm/℃ 。 这太高了 !
但这可以通过采用负热膨胀系数的材料封装来改善,改善过的光栅的温度系数大约为 0.07× 10-2 nm/ ℃,这意味着在整个工作温度范围 (100 ℃ )内,中心波长的漂移可以小到 0.07 nm。
在 WDM系统中,光纤布喇格光栅可用作滤波器,光分插复用器和色散补偿器 (Dispersion Compensator)。 图 7.16(a)是一个简单的光分器,由一个三端口光环行器和一个光纤布喇格光栅构成,由光栅反射回来的波长 λ2从环行器的端口 3取出,余下的波长继续前行 。 在上面简单的光分器的基础上加上一个耦合器,
就可以实现光的分插功能,如图 7.16(b)所示 。
图 7.16
(a) 简单光分； (b) 光分插
1
2
3
4
2
3
光纤布喇格光栅
1
3
4
1 2
1
3
4
( a )
1
2
3
4
2
3
光纤布喇格光栅
1
3
4
1 2
( b )
耦合器
2
2
2
长周期光纤光栅的工作原理与光纤布喇格光栅稍微有些不同 。 在光纤布喇格光栅中,纤芯中正向传输模的能量耦合到反向传输模上；而在长周期光纤光栅中,纤芯中正向传输模的能量耦合到包层里的正向传输模上,包层模沿着光纤传输时极容易消逝掉,因此相应波长位置的光波被衰减,出现一些损耗峰 。 设纤芯中模的传输常数 (假定为单模光纤 )为 β，
p阶包层模的传输常数为 βpc,相位匹配条件为
|β-βpc |=
2
其中 Λ为光栅周期 。 一般情况下,两个正向传输模的传输常数相差很小,为了发生耦合,通常要求 Λ是一个相当大值,一般为几百微米以上 (光纤布喇格光栅大约为 0.5μm)。
设纤芯和 p阶包层模的有效折射率分别为 neff和 npeff,由公式 β=2πneff/λ可得：当满足 λ=Λ(neff-npeff)时,λ为光波长,
纤芯模的能量便耦合到包层模上去 。 因此,如果我们知道了传输光的波长和纤芯,包层模的有效折射率,就可以设计合适 Λ值的长周期光栅来满足各种需要 。 长周期光纤光栅的制作方法与光纤布喇格光栅相同 。 图 7.17是长周期光纤光栅的传输谱,特别适合用作带阻滤波器,主要用于掺铒光纤放大器 (EDFA,Erbium Doped Fiber Amplifier)中作滤波器,
使 EDFA增益平坦化 。
图 7.17 长周期光纤光栅的透射谱
1,5 3
－ 6
－ 5
－ 4
－ 3
－ 2
－ 1
0
1,5 4 1,5 5 1,5 6 1,5 7 1,5 8
波长? /? m
透射谱
/
d
B
4,法布里 -
法布里 -珀罗 (FP,Fabry Perot)滤波器是由两块平行放置的高反射率的镜面形成的腔构成的,如图 7.18所示 。 这种滤波器也叫 F P干涉仪,输入光垂直到达第一个镜面,从第二个镜面出来的光就是输出 。 这个器件传统上用作干涉仪,现在也用在 WDM系统中作滤波器 。
F-Ｐ滤波器的功率传递函数 TFP(f)与光的频率 f有关：
TFP(f)=
2
2
)]2s in (
1
2
[1
)
1
1(
f
R
R
R
A
图 7.18 FP滤波器输入 信号
F - P 滤波 器反射若用自由空间波长 λ表示,则
TFP(λ)=
2
2
)]
2
s in (
1
2
[1
)
1
1(
nl
R
R
R
A
这里 A表示每个镜面的吸收损耗,R为每个镜面的反射率
(假设两个镜相同 ),光在腔内单程传播的时延为 τ,腔内介质的折射率为 n,腔长为 l,因此 τ=nl/c,c为真空中光速 。
A=0及 R=0.75,0.9和 0.99时 FP滤波器的功率传递函数如图 7.19所示 。 反射率 R越大,相邻信道的隔离就越好 。
图 7.19 FP 滤波器的功率传递函数
－ 40
－ 30
－ 20
－ 10
0
－ 1,5 － 1 － 0,5 0 0,5 1 1,5
R ＝ 0,9 9
R ＝ 0,9 0
R ＝ 0,7 5
f / F S R
功率传递函数
/
d
B
率传递函数 TFP(f)是频率 f的周期函数,当 f满足 fτ=k/2,k为正整数时,传递函数 TFP(f)的值处在波峰 (通带 )上 。 FP滤波器的两个紧邻的通带之间的光谱范围称作自由光谱范围 (FSR,Free
Spectral Range),用 FWHM表示传递函数的半高宽,比值
FSR/FWHM称作 FP滤波器的精细度 (F,Finesse),则
R
RF
F-P滤波器选择不同的波长时一般有两种方法：一种是改变腔的长度；另一种是改变腔内介质的折射率 。 改变腔长有机械移镜和用压电材料 (PZT)两种办法 。
5.
薄膜谐振腔滤波器 (Thin Film Resonant Cavity Filter)也是一个 F-P干涉仪,只不过其反射镜是采用多层介质薄膜而已,
常称为多层介质薄膜滤波器 (Multilayer Dielectric Thin Film
Filter)。 这种滤波器用作带通滤波器,只允许特定波长的光通过而让其它所有波长的光反射,腔的长度决定要通过的波长 。
薄膜谐振多腔滤波器 (Thin Film Resonant Multicavity Filter)
的结构如图 7.20所示,由反射介质薄膜隔开的两个或多个腔构成 。 改成多腔后与单腔相比,通带顶部更加平坦,边缘更为尖锐,如图 7.21所示 。 这种滤波器多个级联后,就可以做成波分复用器,如图 7.22 所示 。 由于这种滤波器通带顶部平坦,
边缘尖锐,温度变化时性能稳定,插入损耗低,对光的偏振不敏感,所以在系统应用中是非常有吸引力的,如今已经广泛用在商业系统中 。
图 7.20 三腔介质薄膜谐振腔滤波器腔 3
腔 2
腔 1
反射介质玻璃衬底图 7.21 单腔,双腔,三腔介质薄膜滤波器的传输谱
0,9 9 6
－ 40
－ 30
－ 20
0
－ 10
0,9 9 8 1 1,0 0 2 1,0 0 4
3 腔
2 腔
1 腔
0
/?
滤波器的传输谱
/
d
B
图 7.22 基于多层介质薄膜滤波器的波分复用 /解复用器透镜透镜透镜透镜透镜透镜透镜透镜透镜窄带滤波器光纤
1
3
5
7
1
,?
2
,…?
8
光纤
2
4
8
6
玻璃衬底光纤
6,马赫 -
马赫 -曾德尔干涉仪 (MZI,Mach Zehnder Interferometer)使用两条不同长度的干涉路径来决定不同的波长输出 。 MZI通常以集成光波导的形式出现,即用两个 3 dB定向耦合器来连接两条不同长度的光通路,如图 7.23(a)所示,衬底通常采用硅 (Si)，
波导区采用二氧化硅 (SiO2)。 一个 MZI可用图 7.23(b)表示 。
MZI可用来作滤波器和波分复用器 。 虽然多层介质薄膜滤波器在窄带滤波方面性能较好,但在宽带滤波方面 MZI非常有用,例如用来分开 1.31 μm和 1.55 μm两个波长的光信号 。 当然,
通过级联几个 MZI也可以做成窄带滤波器,如图 7.23(c)所示,
但是这将导致损耗大大增加 。
图 7.23 马赫 -曾德尔干涉仪 (MZI) (a) 结构图； (b) 方框图； (c) 四级 MZI
输入 1
输入 2
路程差,? L
输出 1
输出 2
( a )
M Z I
(? L )
输入 1
输入 2
输出 1
输出 2
( b )
M Z I
(? L )
M Z I
(2? L )
M Z I
(3? L )
M Z I
(4? L )
输入 1
输入 2
输出 1
输出 2
( c )
MZI可用来作滤波器和波分复用器 。 虽然多层介质薄膜滤波器在窄带滤波方面性能较好,但在宽带滤波方面 MZI非常有用,例如用来分开 1.31μm和 1.55μm两个波长的光信号 。 当然,
通过级联几个 MZI也可以做成窄带滤波器,如图 7.23(c)所示,
但是这将导致损耗大大增加 。 从原理上讲,级联几个 MZI后性能较好,但是在实际工作中存在波长随温度和时间的变化而漂移的现象,串扰性能远不如理想情况,级联后的窄带 MZI
的通带不平坦,相反地,多层介质多腔薄膜滤波器的通带和阻带都比较平坦 。
现在简单分析 MZI的工作原理 。 考虑 MZI作为一个解复用器的情况 。 这时只有一个输入,假设从输入端口 1输入,经过第一个定向耦合器后,功率平均分配到两臂上,但是在两臂上的信号有了 π/2的相差,下臂上的信号比上臂滞后 π/2。
如果下臂与上臂的长度差为 ΔL,则下臂信号的相位进一步滞后 βΔL,β为光在 MZI介质中的传输常数 。 在第二个定向耦合器的输出 1处,来自下臂的信号又比来自上臂的信号延迟了
π/2,因此,在输出 1处,两信号总的相位差为 +βΔL
+ 。 同理,在输出 2处,两信号总的相位差为 +βΔ L-
=βΔL。 在输入 1的所有波长中,满足 βΔL=kπ(k为奇数 )条件的波长,由输出 1输出；满足 βΔL=kπ(k为偶数 )条件的波长由输出
2输出 。 而 β=,n为介质折射率,λ为光波长,通过适当设计就可以实现波的解复用 。 如果两臂长度差为 ΔL,只是输入 1
输入,则单个 MZI的功率传递函数为
2
2
2
2
2
2
T11(f)
T12(f) =
2sin
2 L
2cos
2 L
f 为光频率 。
如果将 MZI级联就构成多级马赫 -曾德尔干涉仪 (Multistage
Mach Zehnder Interferometer)。 图 7.23(c)示出 4级马赫 -曾德尔干涉仪,其中每个 MZI以及级联后整个 4级 MZI的传递函数曲线如图 7.24所示 。
(前 4个为每单个 MZI的传递函数,最后一个为级联后 4级 MZI的传递函数 )
图 7.24 MZI的传递函数第一 级第二 级第三 级第四 级所有 级的级 联
0
/?
前面讨论了 MZI用作 1× 2解复用器情况,由于 MZI是一种互易器件,因此也可用作 2× 1 复用器 。
7.
阵列波导光栅 (AWG,Arrayed Waveguide Grating)是 MZI的推广和一般形式 。 如图 7.25 所示,它由两个多端口耦合器和连接它们的阵列波导构成 。 AWG n× 1波分复用器和
1× n波分解复用器 。 与多级 MZI相比,AWG损耗低,通带平坦,容易集成在一块衬底上 。 AWG也可用作静态波长路由器,
如图 7.26所示 。
图 7.25 阵列波导光栅 (AWG)
输出耦合器输入耦合器输出波导阵列波导输入波导图 7.26 基于 AWG的静态波长路由器
A W G
1
,?
2
,?
3
,?
4
1 1 1 1
1
,?
2
,?
3
,?
4
2 2 2 2
1
,?
2
,?
3
,?
4
3 3 3 3
1
,?
2
,?
3
,?
4
4 4 4 4
1
,?
2
,?
3
,?
4
1 2 3 4
1
,?
2
,?
3
,?
4
4 1 2 3
1
,?
2
,?
3
,?
4
3 4 1 2
1
,?
2
,?
3
,?
4
2 3 4 1
下面我们简单地分析一下 AWG的工作原理 。 设 AWG的输入端口数和输出端口数均为 n,输入耦合器为 n× m形式,输出耦合器为 m× n形式,输入和输出耦合器之间由 m个波导连接,
每相邻波导的长度差均为 ΔL。 MZI是 AWG n=m=2情形下的特例 。 输入耦合器将某个输入端口的输入信号分成 m部分,
它们之间的相对相位由从输入波导到阵列波导在输入耦合器中传输的距离来决定,输入波导 i和阵列波导 k之间的距离用
dinik表示,阵列波导 k的长度比阵列波导 (k-1)的长度长 ΔL,同样,阵列波导 k和输出波导 j之间的距离用 doutkj表示 。 因此,
光信号从输入波导 i到输出波导 j,经历了 i与 j之间 m条不同通路后的相对相位为
mkdnLkndn inkjiniki j k,...,2,1)(2 121
其中 n1为输入和输出耦合器的折射率,n2为阵列波导的折射率,λ为光信号的波长 。 在输入波导 i的光信号的波长中,满足 Φijk为 2π的整数倍的波长将在输出波导 j输出 。 于是,通过适当设计,可以做成 1× n波分解复用器和 n× 1波分复用器 。
如果设计输入耦合器和输出耦合满足
dinik=dini+kδini
和
doutkj=doutj+kδoutj
在输入波导 i 输 入 的 那 些 波 长 中 若 满 足,n1δin
i+n2ΔL+n1δoutj=pλ,p为整数,则波长为 λ的光将在输出波导 j输出 。
8,声光可调谐滤波器声光可调谐滤波器 (AOTF,Acousto Optic Tunable Filter)
是一种多用途器件,是目前已知的惟一能够同时选择多个波长的可调谐滤波器,并且可用来构造波长路由器 。 AOTF的基本原理是声与光的相互作用,图 7.27是 AOTF的集成光波导形式 。
一个简化的 AOTF如图 7.28所示,波导材料是一种双折射物质,仅能支持最低阶 TE模和 TM模 。 假设输入光完全是 TE模,
一个只能选择 TM模的偏振器放在波导的输出端 。 如果在被选择的波长附近的一个窄谱范围内的光能量转换为 TM模式,而其余光能量仍保持 TE模式,这样就可以制成一个波长选择性滤波器 。
图 7.27 集成光波导 AOTF
输入 1
输入 2
输出 1
输出 2
TE ＋ TM TE
TM
TM TE TE ＋ TM
输入偏振器声传感器声波输出偏振器图 7.28 简化的 AOTF
偏振器声传感器 声波输入 输出
TMTE
一个简化的 AOTF如图 7.28所示,波导材料是一种双折射物质,仅能支持最低阶 TE模和 TM模 。 假设输入光完全是 TE
模,一个只能选择 TM模的偏振器放在波导的输出端 。 如果在被选择的波长附近的一个窄谱范围内的光能量转换为 TM模式,
而其余光能量仍保持 TE模式,这样就可以制成一个波长选择性滤波器 。
这种滤波器的实现可以通过沿着光波的传播方向或逆着光波的传播方向发射一列声波来完成 。 声波传播引起媒质的密度周期性变化,其变化周期等于声波波长,这相当于形成了一个布喇格光栅 。 设 TE 和 TM模的折射率分别为 nTE和
nTM,当满足布喇格条件
1
TETM nn
时,光波从一种模式耦合到另一种模式,其中 Λ为声波波长,
λ为光波长 。 满足布喇格条件在波长 λ附近的窄谱范围内的光将从 TE模转换为 TM模,如果这种器件的输入光只是 TE模,
输出只选择 TM模,那么就可以作为一个窄带滤波器使用 。
如果记 nTE-nTM=Δn,则布喇格条件可写为
λ=Λ· Δ n (7.17)
在 LiNbO3晶体中,Δn=0.07。 若适当选择声波波长 Λ,则经过模式转换又位于 AOTF通带内的波长能够被选择 。 例如,为了选择 1.55 μm波长,若 Δn=0.07,则声波波长大约为 22 μm，
在 LiNbO3晶体中声速大约为 3.75 km/s,对应的声波频率为 3.75
km/s÷ 22 μm≈170 MHz。 由于产生该声波的射频频率容易调谐,
所以这种滤波器也很容易调谐 。 图 7.28的 AOTF与偏振有关,因为这里假设输入光完全是 TE模 。 图 7.27是一种与偏振无关的
AOTF,其实现方式和与偏振无关的隔离器相类似,将输入光信号分解为 TE和 TM两个分量,分别通过 AOTF后再在输出端组合在一起 。
布喇格条件决定要选择的波长,而这种滤波器的通带宽度则由声光相互作用的长度决定,声光相互作用的长度越长,
通带就越窄 。 AOTF的功率传递函
T(λ)= (7.18)
其中 Δλ=λ-λ0,λ0 为 满 足 布 喇 格 条 件 的 光 波 波 长,
ε=λ20/(l·Δn)为滤波器通带宽度的一种量度,l为器件长度 (准确说是声光相互作用的长度 ),滤波器的半高宽 FWHM=0.8ε,如图 7.29所示 。 这说明器件越长 (声光相互作用长度越长 ),滤波器的通带就越窄；然而调谐速度与器件长度成反比,因为调谐速度主要由声波通过器件的时间决定 。
/21
)/2(1
2
[s in 22
图 7.29 AOTF的功率传递函数
－ 4 － 2 0 2 4
－ 40
－ 30
－ 20
－ 10
0
△? /?
功率传递函数
/
d
B
与偏振无关的 AOTF可用作 2× 2波长路由器,满足布喇格条件的波长被交换,如图 7.30(a)所示,这里波长 λ1满足布喇格条件 。 如果同时发射几个声波,就有几个光波长同时满足布喇格条件,那么在单个器件上就可同时完成几个波长的交换,如图 7.30(b)所示,这里交换的波长是 λ1和 λ4。 前面所指的都是静态波长路由器,也可以通过改变声波的频率作为动态波长路由器,适当地级联 2× 2路由器可以构成多输入多输出路由器 。 如今,AOTF还没有完全实用化的原因主要有两个：
一是存在较大串扰,二是通带相对较宽 。
图 7.30基于 AOTF
(a) 交换波长 λ1; (b) 同时交换波长 λ1和 λ4
A O T F
1
,?
2
1 1
1
,?
2
2 2
1
,?
2
2 1
1
,?
2
1 2
RF
1
( a )
A O T F
RF
1
,R F
4
1
,?
2
,?
3
,?
4
1 1 1 1
1
,?
2
,?
3
,?
4
2 2 2 2
1
,?
2
,?
3
,?
4
2 1 1 2
1
,?
2
,?
3
,?
4
1 2 2 1
( b )
7.3光 交 换 技目前的商用光纤通信系统,单信道传输速率已超过 10 Gb/s，
实验 WDM系统的传输速率已超过 3.28 Tb/s。 但是,由于大量新业务的出现和国际互联网的发展,今后通信网络还可能变得拥挤 。 原因是在现有通信网络中,高速光纤通信系统仅仅充当点对点的传输手段,网络中重要的交换功能还是采用电子交换技术 。 传统电子交换机的端口速率只有几 Mb/s到几百
Mb/s,不仅限制了光纤通信网络速率的提高,而且要求在众多的接口进行频繁的复用 /解复用,光 /电和电 /光转换,因而增加了设备复杂性和成本,降低了系统的可靠性 。
虽然采用异步转移模式 (ATM)可提供 155 Mb/s或更高的速率,能缓解这种矛盾,但电子线路的极限速率约为 20 Gb/s。
要彻底解决高速光纤通信网存在的矛盾,只有实现全光通信,
而光交换是全光通信的关键技术 。
光交换主要有三种方式,空分光交换,时分光交换和波分光交换。
7.3.1
空分光交换的功能是使光信号的传输通路在空间上发生改变 。 空分光交换的核心器件是光开关 。 光开关有电光型,
声光型和磁光型等多种类型,其中电光型光开关具有开关速度快,串扰小和结构紧凑等优点,有很好的应用前景 。
典型光开关是用钛扩散在铌酸锂 (Ti,LiNbO3)晶片上形成两条相距很近的光波导构成的,并通过对电压的控制改变输出通路 。 图 7.31(a)是由 4个 1× 2光开关器件组成的 2× 2光交换模块 。 1× 2 光开关器件就是 Ti,LiNbO3定向耦合器型光开关,
只是少用了一个输入端而已 。
这种 2× 2光交换模块是最基本的光交换单元,它有两个输入端和两个输出端,通过电压控制,可以实现平行连接和交叉连接,如图 7.31(b)所示 。
图 7.31(c)是由 16个 1× 2光开关器件或 4个 2× 2光交换单元组成的 4× 4光交换单元 。
图 7.31
(a) 2× 2光交换单元； (b) 平行连接和交叉连接； (c) 4× 4光交换单元
1 × 2 光交换器件平行 联接交叉 联接
( a )
( b )
定向耦合器光波导光信号输出光信号输入
( c )
7.3.2时分光交换时分光交换是以时分复用为基础,用时隙互换原理实现交换功能的 。
时分复用是把时间划分成帧,每帧划分成 N个时隙,并分配给 N路信号,再把 N路信号复接到一条光纤上 。 在接收端用分接器恢复各路原始信号,如图 7.32(a)所示 。
所谓时隙互换,就是把时分复用帧中各个时隙的信号互换位置 。 如图 7.32(b),首先使时分复用信号经过分接器,在同一时间内,分接器每条出线上依次传输某一个时隙的信号；然后使这些信号分别经过不同的光延迟器件,获得不同的延迟时间；
最后用复接器把这些信号重新组合起来 。 图 7.32(c)示出时分光交换的空分等效 。
图 7.32
(a) 时分复用原理； (b) 时隙互换原理； (c) 等效的空分交换
1
复接器
2
N
…
分接器
1 2 N
1
2
…
N
1 2 3 4
分接器时隙帧
( a )
1
延迟
1
延迟
22
延迟
33
延迟
4 4
( b )
复接器输入 输出
4 1 3 2
1
2
3
4
1
2
3
4
( c )
7.3.3
波分光交换 (或交叉连接 )是以波分复用原理为基础,采用波长选择或波长变换的方法实现交换功能的 。 图 7.33(a)和 (b)分别示出波长选择法交换和波长变换法交换的原理框图 。
设波分交换机的输入和输出都与 N条光纤相连接,这 N条光纤可能组成一根光缆 。 每条光纤承载 W个波长的光信号 。
从每条光纤输入的光信号首先通过分波器 (解复用器 )WDMX分为 W个波长不同的信号 。 所有 N路输入的波长为 λi(i=1,2,…,W)的信号都送到 λi空分交换器,在那里进行同一波长 N路 (空分 )信号的交叉连接,到底如何交叉连接,将由控制器决定 。
图 7.33
(a) 波长选择法交换； (b) 波长变换法交换
1
空分交换
2
空分交换
3
空分交换
…
W
空分交换
1
,?
2
…?
W
1
2
…
N N
…
2
1
W D M X W M U X
分波 器 合波 器
( a )
1
,?
2
…?
W
1
,?
2
…?
W
1
,?
2
…?
W
1
,?
2
…?
W
1
,?
2
…?
W
1
2
W
NW × NW
空分交换
1
2
W
1
2
W
1
2
W
1
2
W
1
2
W
1
2
W
1
2
W
1
2
…
N
1
2
…
N
W D M X W M U X
波长 变换器
( b )
然后,以 W个空分交换器输出的不同波长的信号再通过合波器 (复用器 )WMUX复接到输出光纤上 。 这种交换机当前已经成熟,可应用于采用波长选路的全光网络中 。 但由于每个空分交换器可能提供的连接数为 N× N,故整个交换机可能提供的连接数为 N2W,比下面介绍的波长变换法少 。
波长变换法与波长选择法的主要区别是用同一个 NW× NW
空分交换器处理 NW路信号的交叉连接,在空分交换器的输出必须加上波长变换器,然后进行波分复接 。 这样,可能提供的连接数为 N2W2,即内部阻塞概率较小 。
波长变换器将在 7.7节介绍 。
7.4光 孤 子 通光孤子 (Soliton)是经光纤长距离传输后,其幅度和宽度都不变的超短光脉冲 (ps数量级 )。
光孤子的形成是光纤的群速度色散和非线性效应相互平衡的结果 。 利用光孤子作为载体的通信方式称为光孤子通信 。
光孤子通信的传输距离可达上万公里,甚至几万公里,目前还处于试验阶段 。
我们知道,光纤通信的传输距离和传输速率受到光纤损耗和色散的限制 。 光纤放大器投入应用后,克服了损耗的限制,
增加了传输距离 。 此时,光纤传输系统,尤其是传输速率在
Gb/s以上的系统,光纤色散引起的脉冲展宽,对传输速率的限制,成为提高系统性能的主要障碍 。
为了增加传输距离,在光纤线路上,每隔一定的距离,
可设置一个光纤放大器,以周期地补充光功率的损耗 。 但是多个光纤放大器产生的噪声累积又妨碍了传输距离的增加,因而要求提高传输信号的光功率,这样便产生非线性效应 。 非线性效应对光纤通信有害也有利,事实表明,克服其害还不如利用其利 。
光纤非线性效应和色散单独起作用时,在光纤中传输的光信号都要产生脉冲展宽,对传输速率的提高是有害的 。 但是如果适当选择相关参数,使两种效应相互平衡,就可以保持脉冲宽度不变,因而形成光孤子 。
7.4.1光孤子的形成在讨论光纤传输理论时,假设了光纤折射率 n和入射光强
(光功率 )无关,始终保持不变 。 这种假设在低功率条件下是正确的,获得了与实验良好一致的结果 。 然而,在高功率条件下,折射率 n随光强而变化,这种特性称为非线性效应 。 在强光作用下,光纤折射率 n可以表示为
n=n0+ |E|2 (7.19)
式中,E为电场,n0为 E=0时的光纤折射率,约为 1.45。 这种光纤折射率 n随光强 |E|2而变化特性,称为克尔 (Kerr)效应,
2n
=10-22(m/V)2,称为克尔系数 。 虽然光纤中电场较大,
为 106(V/m),但总的折射率变化 Δn=n-n0= |E|2还是很小 (10-10)。
即使如此,这种变化对光纤传输特性的影响还是很大的 。
设波长为 λ,光强为 |E|2的光脉冲在长度为 L的光纤中传输,则光强感应的折射率变化 Δn(t)= E(t)|2,由此引起的相位变化为
Δφ(t)= (7.20)
这种使脉冲不同部位产生不同相移的特性,称为自相位调制
(SPM)。
2n
2n
2n
)(2)( tnLLtncw
)]([2)()( tntLt ttw
如图 7.34 所示,在脉冲上升部分,|E|2增加,>0，
得到 Δω<0,频率下移；在脉冲顶部,|E|2不变,=0,得到 Δω=0,频率不变；在脉冲下降部分,|E|2减小,Δnt<0，
得到 Δω>0,频率上移 。 频移使脉冲频率改变分布,其前部 (头 )
频率降低,后部 (尾 )频率升高 。 这种情况称脉冲已被线性调频,
或称啁啾 (Chirp)。
设光纤无损耗,在光纤中传输的已调波为线性偏振模式,
其场可以表示为
E(r,z,t)=R(r)U(z,t)exp［ -i(ω0t-β0z)］
式中,R(r)为径向本征函数,U(z,t)为脉冲的调制包络函数,
ω0为光载波频率,β0为调制频率 ω=ω0时的传输常数 。
t
t
)(?
t
n
t
n
图 7.34 脉冲的光强频率调制
－ 15 － 10 － 5 0 5 10
－ 15 － 10 － 5 0 5 10
－ 25
0
25
0,0
0,5
1,0
时间 / p s
时间 / p s
频率
/
c
m
－
1
光强式中,P为光功率,Aeff为光纤有效截面积 。 由此可见,
β不仅是折射率的函数,而且是光功率的函数 。 在 β0和 P=0附近,把 β展开成级数,得到
β(ω,P)=β0+β′0(ω-ω0)+ ″0(ω-ω0)2+β2P (7.24)
式中,β′0=,Vg为群速度,即脉冲包络线的运动速度 。 β″0=２ βω2ω=ω0,比例于一阶色散,描述群速度与频率的关系 。 β2= 。 令 β2P=
称为非线性长度,表示非线性效应对光脉冲传输特性的影响 。
21
g
ww vw
1|
0
e f f
e f f
p cAnw
A
p /|/
2
0
NLL
1
式 (7.24)虽然略去高次项,但仍较完整地描述了光脉冲在光纤中传输的特性,式中右边第三项和第四项最为重要,这两项正好体现了光纤色散和非线性效应的影响 。 如果 β″0<0,同时 β2P>0,适当选择相关参数,使两项绝对值相等,光纤色散和非线性效应便相互抵消,因而输入脉冲宽度保持不变,形成稳定的光孤子 。
现在我们回顾一下光纤色散 。 波长为 λ的光纤色散系数
C(λ)的定义为
02
2)()(?
c
dw
d
d
d
d
dC
式中,τ=dβ ／ dω=1/Vg 为群延时,Vg 为 群 速 度 ；
ω=2πf=2πc/λ为光载波频率,c为光速； β″0=d2β/dω2,比例于一阶色散 。
式 (7.25)描述的单模光纤色散特性如图 7.35所示,图中 λD
为零色散波长 。 在 λ<λD时,C(λ)<0,β″0>0,称为光纤正常色散区； 在 λ>λD时,C(λ)>0,β″0<0,称为光纤反常色散区 。
图 7.36示出光脉冲在反常色散光纤中传输时,由于非线性效应产生的啁啾被压缩或展宽。对反常色散光纤,群速度与光载波频率成正比，在脉冲中载频高的部分传播得快,而载频低的部分则传播得慢。
图 7.35 单模光纤的色散特性
－ 20
－ 10
0
10
20
1,1 1,2 1,4 1,5 1,6 1,7
－ 20
－ 10
0
10
20
色散位移光纤普通光纤
0
/
(
p
s
2
·
k
m
－
1
)
″
C
(
)
/
(
p
s
·
(
n
m
·
k
m
)
－
1
)
(? m)
图 7.36 脉冲在反常色散光纤中传输因啁啾效应可被压缩或展宽正啁啾 ( 红头紫尾 )
负啁啾 ( 紫头红尾 )
后沿
( 尾 )
前沿
( 头 ) 反常色散
( 红慢紫快 )
反常色散
( 红慢紫快 )
压缩展宽
( a )
( b )
对正常色散光纤,结论正相反 。 因此,具有正啁啾的光脉冲通过反常色散光纤时,脉冲前部 (头 )频率低,传播得慢,
而后部 (尾 )频率高,传播得快 。
这种脉冲形象地被称为,红头紫尾,光脉冲 。 在传播过程中,,紫,尾逐渐接近,红,头,因而脉冲被压缩,如图
7.36( a) 。 相反,具有负啁啾的光脉冲通过反常色散光纤时,前部 (头 )传播得快,后部 (尾 )传播得慢,,紫,头和,红,
尾逐渐分离,结果脉冲被展宽,如图 7.36(b)所示 。 由此可见,
适当选择相关参数,可以使光脉冲宽度保持不变 。
7.4.2光孤子通信系统的构成和性能图 7.37(a)示出光孤子通信系统构成方框图 。 光孤子源产生一系列脉冲宽度很窄的光脉冲,即光孤子流,作为信息的载体进入光调制器,使信息对光孤子流进行调制 。 被调制的光孤子流经掺铒光纤放大器和光隔离器后,进入光纤进行传输 。 为克服光纤损耗引起的光孤子减弱,在光纤线路上周期地插入 EDFA,向光孤子注入能量,以补偿因光纤传输而引起的能量消耗,确保光孤子稳定传输 。 在接收端,通过光检测器和解调装置,恢复光孤子所承载的信息 。
图 7.37
(a) 光孤子通信系统构成方框图； (b) 循环光纤间接光孤子实验系统图孤子源 调制脉冲源
E D F A
隔离器探测光纤传输系统
E D F A E D F A E D F A
( a )
E D F A
光纤
E D F A
光纤
E D F A
光纤
→
光隔离器调制器→
锁模激光器
E D F A
光隔离器
1 d B
耦合器微波频谱分析仪
( b )
2 5 k m 2 5 k m 2 5 k m
光孤子源是光孤子通信系统的关键 。 要求光孤子源提供的脉冲宽度为 ps数量级,并有规定的形状和峰值 。 光孤子源有很多种类,主要有掺铒光纤孤子激光器,锁模半导体激光器等目前,光孤子通信系统已经有许多实验结果 。 例如,
对光纤线路直接实验系统,在传输速率为 10 Gb/s时,传输距离达到 1000 km；在传输速率为 20 Gb/s时,传输距离达到 350 km。 对循环光纤间接实验系统 (参看图 7.37(b)),传输速率为 2.4 Gb/s,传输距离达 12 000 km；改进实验系统,
传输速率为 10 Gb/s,传输距离达 106 km。
事实上,对于单信道光纤通信系统来说,光孤子通信系统的性能并不比在零色散波长工作的常规 (非光孤子 )系统更好 。 循环光纤间接实验结果表明,零色散波长常规系统的传输速率为 2.4 Gb/s时,传输距离可达 21 000 km,而为 5 Gb/s时可达 14 300 km。 然而,零色散波长系统只能实现单信道传输,
而光孤子系统则可用于 WDM系统,使传输速率大幅度增加,
因而具有
7.5
目前已经投入使用的光纤通信系统,都是采用光强调制 -
直接检测 (IM DD)方式 。
这种方式的优点是调制和解调简单,容易实现,因而成本较低 。 但是这种方式没有利用光载波的频率和相位信息,
限制了系统性能的进一步提高 。
相干光通信,像传统的无线电和微波通信一样,在发射端对光载波进行幅度,频率或相位调制；在接收端,则采用零差检测或外差检测,这种检测技术称为相干检测 。 和 IMD
方式相比,相干检测可以把接收灵敏度提高 20 dB,相当于在相同发射功率下,若光纤损耗为 0.2 dB/km,则传输距离增加
100 km。
同时,采用相干检测,可以更充分利用光纤带宽 。 我们已经看到,在光频分复用 (OFDM)中,信道频率间隔可以达到 10
GHz以下,因而大幅度增加了传输容量 。
所谓相干光,就是两个激光器产生的光场具有空间叠加,
相互干涉性质的激光 。 实现相干光通信,关键是要有频率稳定,
相位和偏振方向可以控制的窄线谱激光器 。
7.5.1相干检测原理图 7.38示出相干检测原理方框图,光接收机接收的信号光和本地振荡器产生的本振光经混频器作用后,光场发生干涉 。
由光检测器输出的光电流经处理后,以基带信号的形式输出 。
HE11模,接收机接收的信号光其光场可以写成
ES=ASexp［ -i(ωSt+φS)］ (7.26)
式中,AS,ωS和 φS分别为光载波的幅度,频率和相位 。
同样,本振光的光场可以写成
EL=ALexp［ -i(ωLt+φL)］ (7.27)
图 7.38 相干检测原理方框图光检测器电信号处理基带信号本地光振荡器混频器信号光
S
L
式中,AL,ωL和 φL分别为本振光的幅度,频率和相位 。
保持信号光的偏振方向不变,控制本振光的偏振方向,使之与信号光的偏振方向相同 。 本振光的中心角频率 ωL应满足
ωL=ωS-ωIF或 ωL=ωS+ωIF (7.28)
式中,ωIF是中频信号的频率 。 这时光检测器输出的光功率 P
与光强 |ES+Ｅ L|2成比例,即
P=K|ES+EL|2 (7.29)
式中,K为常数 。 由式 (7.26)～式 (7.29),根据模式理论和电磁理论计算的结果,输出光功率近似为
P(t)≈PS+PL+2 PLcos［ ωIFt+(φS-φL)］ (7.30)
式中,PS=KA2S,PL=KA2L,ωIF=ωS-ωL。 显然,式 (7.30)右边最后一项是中频信号功率分量,它实际上是叠加在 PS和 PL之上的一种缓慢起伏的变化,如图 7.39 所示 。 由此可见,中频信号功率分量带有信号光的幅度,频率或相位信息,在发射端,无论采取什么调制方式,都可以从中频功率分量反映出来 。 所以,相干光接收方式是适用于所有调制方式的通信体制 。
相干检测有零差检测和外差检测两种方式 。
Lspp
图 7.39 干涉后的瞬时光功率变化
(?
L
－?
S
)
P
L
＋ P
S
t
P
1.
选择 ωL=ωS,即 ωIF=0,这种情况称为零差检测 。 这时,
滤去直流分量,中频信号产生的光电流为
I(t)= cos (φS-φL) (7.31)
式中,ρ为光检测器的响应度 。 通常 PL>>PS,同时考虑到本振光相位锁定在信号光相位上,即 φL=φS,这样便得到零差检测的信号光电流为
IP=2ρ (7.32)
LS PP?2
LS PP?2
零差检测信号平均光功率与直接检测信号平均光功率之比为
4ρ2〈 PS〉 PL/(ρ2〈 PS〉 2)=4PL/〈 PS〉 。
由于 PLPS,零差检测接收光功率可以放大几个数量级 。
虽然噪声也增加了,但是灵敏度仍然可以大幅度提高 。 零差检测技术非常复杂,因为相位变化非常灵敏,必须控制相位,
使 φS-φL保持不变,同时要求 ωL和 ωS相等 。
2.
选择 ωL≠ωS,即 ωIF=ωS-ωL>0,这种情况称为外差检测 。 通常选择 fIF(=ωIF/2π)在微波范围 (例如 1GHz)。 这时中频信号产生的光电流为
Iac(t)= cos［ ωIFt+(φS-φL)］
LS PtP )(2?
与零差检测相似,外差检测接收光功率放大了,从而提高了灵敏度 。 外差检测信噪比的改善比零差检测低 3dB,但是接收机设计相对简单,因为不需要相位锁定 。
7.5.2调制和解调如前所述,相干检测技术主要优点是可以对光载波实施幅度,频率或相位调制 。 对于模拟信号,有三种调制方式,即幅度调制 (AM),频率调制 (FM)和相位调制 (PM)。 对于数字信号,
也有三种调制方式,即幅移键控 (ASK),频移键控 (FSK)和相移键控 (PSK)。 图 7.40 示出 ASK,PSK和 FSK调制方式的比较,
下面分别介绍这三种调制方式 。
1,幅移键控 (ASK)
基带数字信号只控制光载波的幅度变化,称为幅移键控
(ASK)。 ASK的光场表达式图 7.40 ASK,PSK和 FSK调制方式比较
1 0 01 1
0( a )
( b )
( c )
( d )
电二 进制信 号
A S K
P S K
F S K
ES(t)=AS(t)cos［ ωSt+φS］ (7.34)
式中,AS,ωS和 φS分别为光场的幅度,中心角频率和相位 。 在
ASK中,φS保持不变,只对幅度进行调制 。 对于二进制数字信号调制,在大多数情况下,,0” 码传输时,使 AS=0,,1”
码传输时,使 AS=1。
ASK相干通信系统必须采用外调制器来实现,这样只有输出光信号的幅度随基带信号而变化,而相位保持不变 。 如果采用直接光强调制,幅度变化将引起相位变化 。 外调制器通常用钛扩散的铌酸锂 (Ti,LiNbO3)波导制成的马赫 -曾德尔
(MZ)干涉型调制器,如图 3.37所示 。 这种调制器在消光比大于 20时,调制带宽可达 20 GHz。
1,幅移键控 (ASK)
基带数字信号只控制光载波的幅度变化,称为幅移键控
(ASK)。 ASK的光场表达式为
ES(t)=AS(t)cos［ ωSt+φS］ (7.34)
式中,AS,ωS和 φS分别为光场的幅度,中心角频率和相位 。
在 ASK中,φS保持不变,只对幅度进行调制 。 对于二进制数字信号调制,在大多数情况下,,0” 码传输时,使 AS=0，
,1”码传输时,使 AS=1。
ASK相干通信系统必须采用外调制器来实现,这样只有输出光信号的幅度随基带信号而变化,而相位保持不变 。
如果采用直接光强调制,幅度变化将引起相位变化 。 外调制器通常用钛扩散的铌酸锂 (Ti,LiNbO3)波导制成的马赫 -曾德尔 (MZ)干涉型调制器,如图 3.37所示 。 这种调制器在消光比大于 20时,调制带宽可达 20 GHz。
2,相移键控 (PSK)
基带信号只控制光载波的相位变化,称为相移键控 (PSK)。
PSK的光场表达式为
ES(t)=AScos［ ωSt+φ(t)］ (7.35)
在 PSK中,AS保持不变,只对相位进行调制 。 传输,0”码和传输,1”码时,分别用两个不同相位 (通常相差 180° )表示 。
如果传输,0”时,光载波相位不变,传输,1”码时,相位改变 180°,这种情况称为差分相移键控 (DPSK)。
和 ASK使用的 MZ干涉型调制器相比,设计 PSK使用的相位调制器要简单得多 。 这种调制器只要选择适当的脉冲电压,
就可以使相位改变 δφ=π。 但是在接收端光波相位必须非常稳定,因此对发射和本振激光器的谱宽要求非常苛刻 。
3,频移键控 (FSK)
基带数字信号只控制光载波的频率,称为频移键控 (FSK)。
FSK的光场表达式为
ES(t)=AScos［ (ωS± Δω)t+φS］ (7.36） 在
FSK中,AS保持不变,只对频率进行调制 。 传输,0”码和传输,1”码时,分别用频率 f0(=ω0/2π)和 f1(=ω1/2π)表示 。 对于二进制数字信号,
用 (ωS-Δω) 和 (ωS+Δω)分 别 表 示,0” 码和,1” 码 。
2Δf(=2Δω/2π)称为码频间距 。 在式 (7.36)中,［ (ωS± Δω)t+φS］
和 ［ ωSt+(φS± Δωt)］ 是等效的,因此 FSK可以认为一种 PSK，
虽然技术上有所不同 。
相干检测的解调方式有两种,同步解调和异步解调 。
用零差检测时,光信号直接被解调为基带信号,要求本振光的频率和信号光的频率完全相同,本振光的相位要锁定在信号光的相位上,因而要采用同步解调 。 同步解调虽然在概念上很简单,但是技术上却很复杂 。
用外差检测时,不要求本振光和信号光的频率相同,也不要求相位匹配,可以采用同步解调,也可以采用异步解调 。
同步解调要求恢复中频 ωIF(微波频率 ),因而要求一种电锁相环路 。 异步解调简化了接收机设计,技术上容易实现 。
图 7.41和图 7.42分别示出外差同步解调和外差异步解调的接收机方框图 。 两种解调方式的差别在于接收机的噪声对信号质量的影响 。 异步解调要求的信噪比 (SNR)比同步解调高,
但异步解调接收机设计简单,对信号光源和本振光源的谱线要求适中,因而在相干通信系统设计中起着主要作用 。
图 7.41 外差同步解调接收机方框图光检测器带通基带信号本振光信号光
S
L
低通载波恢复图 7.42 外差异步解调接收机方框图光检测器带通基带信号本振光信号光
S
L
低通包络检波
7.5.3
相干光通信系统光接收机的性能可以用信噪比 (SNR)定量描述 。 系统总平均噪声功率 (均方噪声电流 )为
BRkTBIdIeiii
L
Tsn
4)(2222
式中,和 分别为散粒噪声功率和热噪声功率,
e为电子电荷,Id为光检测器暗电流,B为等效噪声带宽,
kT为热能量,RL为光检测器负载电阻,I为光电流,由式
(7.31)或式 (7.32)确定 。
外差检测的信噪比
2Ti2ni
2
2
2
2
)(2
2
TdL
Ls
n
ac
IBIpe
pp
I
I
S N R
大多数相干光接收机的噪声由本振光功率 PL引入的散粒噪声所支配,与信号光功率的大小无关,因此,式 (7.38)中 Id和
〈 i2T〉 项可以略去,由此得到
SNR= (7.39)
光检测器的响应度 ρ=ηe/hf,η为光检测器量子效率,e和 hf分别为电子电荷和光子能量；等效噪声带宽 B=fb/2,fb为传输速率；
平均信号光功率 〈 PS〉 可以用每比特时间内的光子数 NP表示为
eB
PS?
〈 Ps〉 =NPhffb
把上述关系代入式 (7.39)得到
SNR =2ηNP (7.41)
零差检测的平均信号光功率是外差检测的 2倍,所以零差检测的信噪比
SNR =4ηNP (7.42)
2.
误码率 (BER)可以由信噪比 (SNR)确定 。 以 ASK零差检测为例,设判决信号为
Ia= (Ip+ic)
2
1
式中,Ip=2ρ(PsPL)1/2为信号光电流,ic为高斯随机噪声 。 设
,0”码和,1”码时,IP分别取 I0和 I1,在理想情况下,误码率
BER = (7.44)
式中,Q=(I1-I0)/(,N0和 N1分别为,0”码和,1”
码的等效噪声功率 。 设 N0=N1,I0=0，
Q=
把式 (7.45)和式 (7.42)代入式 (7.44),得到
)2(21 Qe rfc
01 NN?
21
1
1 )(
2
1
2
S N R
N
I?
21)
2(2
1 PNe r fcB E R
在,0”码和,1”码概率相等条件下,对于 ASK,NP=,
P为长比特流情况下,每比特平均光子数 。
BER和极限灵敏度 。
3.
为确定接收灵敏度,利用式 (7.40)和式 (7.45)得到
〈 Ps〉 = (4.47)
式中利用了 ρ=ηe/hf。 最小平均接收光功率
〈 Ps〉 min= =
h fBQP S 22
2
hfBQ 24
PN2
例如光波长为 1.55 μm的 ASK外差检测,设 η=1,B=1GHz。
hf=hc/λ,h为普朗克常数,c为光速,λ为光波长 。 当 BER=10-9
时,Q≈6,由式 (7.48)计算得到 〈 Ps〉 min=10nW,或 Pr=-50
dBm。
在相干检测中,通常用每比特光子数 NP表示灵敏度 。 在相同假设条件下,由式 (7.48)得到 〈 Ps〉 min=72 hf由此得到每比特光子数 NP=72或 =36。
表 7.2和图 7.43示出不同调制方式相干检测接收机误码率和量子极限灵敏度 。
PN
图 7.43 不同调制方式外差接收机量子极限误码率
10
－ 12
10
－ 9
10
－ 6
10
－ 3
10
0
1 5 10 50 1 0 0
F S K
P S K
D
P
S
K
A S K
零差 P S K
光子 数 / 比特误码率由表可见,一个理想的直接检测光接收机,在 BER=10-9
时,要求每比特 10个光子 ( =10),该值几乎接近最好的相干接收机 ——PSK 零差检测接收机的 P,而比所有的其他相干接收机都好 。 然而,实际上因为热噪声,暗电流和其他许多因素的影响,绝不会达到这个数值,≈1000。
然而在相干接收的情况下,表中的数值很容易实现,这是因为借助增加本振光功率,使散粒噪声占支配地位的结果 。
图 7.44 是 4 Gb/s外差光波系统实验原理图,表 7.3 列出外差异步解调光波系统实验结果与量子极限比较 。
PN
PN
图 7.4 44 Gb/s外差光波系统实验原理图调幅或调相
3 d B
耦合器外调制器
A S K 或 D P S K
数据输入光纤光隔离器
D B R 或
D F B
激光器频率锁定光平衡接收机低通滤波数据输出
F S K
数据输入
D B R 或 D F B 激光器偏振控制光隔离器可变延迟线
7.5.4
(1) 灵敏度提高了 10～ 20 dB,线路功率损耗可以增加到
50 dB。 如果使用损耗为 0.2 dB/km光纤,无中继传输距离可达
250 km。
由于相干光系统通常受光纤损耗限制,周期地使用光纤放大器,可以增加传输距离 。 实验表明,当每隔 80 km加入一个掺铒光纤放大器,25 个 EDFA可以使 2.5 Gb/s系统的传输距离增加到 2200 km以上,非常适合干线网使用 。
(2) 由于相干光系统出色的信道选择性和灵敏度,和光频分复用相结合,可以实现大容量传输,非常适合于 CATV
分配网使用 。
(1) 必须使用频率稳定度和频谱纯度都很高的激光器作为信号光源和本振光源 。 在相干光系统中,中频一般选择为 2× 10 8 ～ 2× 10 9 Hz,1550 nm的光载频约为
2× 1014Hz,中频是光载频的 10-6～ 10-5倍,因此要求光源频率稳定度优于 10-8。
一般激光器达不到要求,必须研究稳频技术,如以分子标准频率作基准,稳定度可达 10-12。 信号光源和本振光源频谱纯度必须很高,例如中频选择 100 MHz,频谱纯度应为几
kHz,一般激光器满足不了这个要求 。 必须采用频谱压缩措施,提高频谱纯度,目前优质 DFB LD频谱宽度可达几 kHz。
(2) 匹配技术 。 相干光系统要求信号光和本振光混频时满足严格的匹配条件,才能获得高混频效率,这种匹配包括空间匹配,波前匹配和偏振方向匹配 。
7.6光时分复用技术提高速率和增大容量是光纤通信的目标 。 电子器件的极限速率大约在 20 Gb/s左右,现在通过电时分复用 (TDM)已经达到这个极限速率 。 若想要继续提高速率,就必须在光域中想办法 。 一般有两种途径：波分复用 (WDM)和光时分复用 (OTDM)。
如今 WDM技术研究非常热,有的技术已经成熟并实用化；而
OTDM技术还处于实验研究阶段,许多关键技术还有待解决 。
OTDM是在光域上进行时间分割复用,一般有两种复用方式：比特间插 (Bit interleaved)和信元间插 (Cell interleaved),
比特间插是目前广泛被使用的方式,信元间插也称为光分组
(Optical Packet)复用 。 图 7.45是 OTDM系统框图 。
图 7.45 光时分复用系统框图
M o d 1
M o d 2
…
M o d n
…
…
合路器光分路器
T
( n － 1) T
超短脉冲发生器帧同步时钟
E / O M U X
接收机误码检测光带通滤波器全光开关
D E M U X
光波时钟产生时钟提取电路
E D F A
延时线阵列待传数据输入系统光源是超短光脉冲光源,由光分路器分成 N束,各支路电信号分别被调制到各束超短光脉冲上,然后通过光延迟线阵列,使各支路光脉冲精确地按预定要求在时间上错开,再由合路器将这些支路光脉冲复接在一起,于是便完成了在光时域上的间插复用 。 接收端的光解复用器是一个光控高速开关,
在时域上将各支路光信号分开 。
要实现 OTDM，
(1)
(2)
(3)
(4)
(5) 全光解复用技术 。
对这些技术,国内外正在进行大量理论和实验研究,有些技术有一些成熟方案,有些技术还存在着相当大的困难 。
并且 OTDM要在光上进行信号处理,时钟恢复,分组头识别和路序选出,都需要全光逻辑和存储器件,这些器件至今还不成熟,所以 OTDM离实用化还有一定距离 。
7.7
波长变换 (WC,Wavelength Conversion)是将信息从承载它的一个波长上转到另一个波长上 。 在 WDM光网络中使用波长首先,信息可以通过 WDM网络中不适宜使用的波长进入
WDM网络 。 例如在现阶段光纤通信中大量使用 1310 nm窗口的 LED或 FPLD光源,这些波长或光源均不适合 WDM系统,
因此在 WDM系统的输入和输出处,都要在这些波长与 1550
nm附近的波长之间进行转换 。
其次,在网络内部,可以提高链路上现有波长的利用率 。
引入波长变换技术,可以实现波长的再利用,有效地进行波长路由选择,降低网络阻塞率,从而提高 WDM网络的灵活性和可扩充性 。
最后,如果不同网络由不同的组织管理,并且这些网络没有协调一致的波长分配,那么在网络之间就可以使用波长变换器 。 波长变换的基本方法有两种：光 /电 /光方法和全光方法 。
1,光 /电 /
将光信号经光 /电转换变成电信号,电信号再调制所需波长的激光器,从而实现波长变换 。 这是目前惟一成熟的波长变换技术,其优点有,输入动态范围大,不需要光滤波器,对输入光的偏振不敏感,并且对信号具有再生能力 。 其缺点是失去了全光网络的透明性 。
2.
全光波长变换技术主要有基于半导体光放大器 (SOA:
Semiconductor Optical Amplifier) 中的交叉增益调制 (XGM:
Cross Ｇ ain Modulation)和交叉相位调制 (XPM,Cross Phase
Modulation)以及基于半导体光放大器或光纤中的四波混频
(FWM,Four Wave Mixing)和不同频率产生 (DFG,Difference
Frequency Generation)。 这些技术现阶段均不成熟,还处于研究探索之中 。 对波长变换技术的要求有,对比特率和信号格式应具有透明性；较宽的变换范围,既能向长波长变换又能向短波长变换； 适当的输入光功率 (不大于 0 dBm)；变换速率快；对偏振不敏感,低啁啾输出,高信噪比,高消光比；实现简单等 。
