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1、光纤通信原理第光纤通信原理第1010章章10.1 相干光通信相干光通信相相干干光光通通信信系系统统可可以以把把光光频频段段划划分分为为许许多多频频道道，从从而而使使光光频频段段得得到到充充分分利利用用，即多信道光纤通信。即多信道光纤通信。与与强强度度调调制制直直接接检检测测系系统统不不同同，相相干干光光纤纤通通信信系系统统在在光光接接收收机机中中增增加加了了外外差差或或零零差差接接收收所所需需的的本本地地振振荡荡光光源源，该该光光源源输输出出的的光光波波与与接接收收到到的的已已调调光光波波在在满满足足波波前前匹匹配配和和偏偏振振匹匹配配的的条条件件下下，进进行行光光电电混混频。频。图图10.1
2、 相干光通信系统的结构示意图相干光通信系统的结构示意图如如图图10.1所所示示，光光源源发发出出频频率率为为fs的的光光脉脉冲冲，通通过过调调制制器器将将已已经经变变成成电电信信号号的的信信号号源源调调制制到到光光脉脉冲冲包包络络上上，通通过过长长距距离离线线路路传传输输后后，到到达达接接收收端端，接接收收端端采采用用外外差差技技术术，首首先先通通过过耦耦合合器器将将光光信信号号和和本本振振光光源源信信号号同同时时送送到到光光电电检检测测器器接接收收，本本振振光光源源频频率率为为fs+fIF，信信号号光光和和本本振振光光在在满满足足波波前前匹匹配配和和偏偏振振匹匹配配的的条条件件下下混混频频，
3、得得到到频频率率为为fIF的的中中频频信信号号，该该信信号号经经过过放放大大后后送送到到解解调调器器解解调调，最最终终到到达达接接收收电电路路完完成成通通信过程。信过程。相相干干光光通通信信系系统统灵灵敏敏度度的的提提高高主主要要是是因因为为它它采采用用了了本本地地振振荡荡得得到到了了一一定定的的增增益益，根根据据无无线线电电知知识识中中外外差差接接收收技技术术知知识识可可以以得到光电检测器的电流得到光电检测器的电流15：式式中中：为为光光电电检检测测量量子子效效率率，h为为普普朗朗克克常常量量，e为为电电子子电电量量，f为为光光频频率率，Ps为为信信号号光光功功率率，PL为为本本振振光光功功
4、率率，m为为调调制制系系数数，(t-g)为为群群延延时时，s、L和和s、L分分别为信号光和本振光的角频率和相位。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相干光通信关键技术1.光源技术光源技术相相干干光光纤纤通通信信系系统统中中对对信信号号光光源源和和本本振振光光源源的的要要求求比比较较高高，它它要要求求光光谱谱线线窄窄、频率稳定度高。频率稳定度高。2.调制技术调制技术一一般般相相干干光光通通信信的的光光调调制制有有半半导导体体激激光光器器直直接接调调制制和和光光波波导导型型外外调调制制两两种种。半半导导体体激激光光器器直直接接调调制制技技术术一一般般是是采采用用具具有
5、有动动态态单单纵纵模模特特性性的的DFB激激光光器器来来进进行行直直接接调调制制，采采用用该该技技术术在在调调制制过过程程中中可可以以使使光光谱谱保保持持良良好好的的窄窄谱谱特特性性，同同时时频频率率也也较较稳稳定。定。3.接收技术接收技术相相干干光光通通信信的的接接收收技技术术包包括括两两部部分分，一一部部分分是是光光的的接接收收技技术术，另另一一部部分分是是中中频频之后的各种制式的解调技术。之后的各种制式的解调技术。(1)平衡接收法平衡接收法在在FSK制制式式中中，由由于于半半导导体体激激光光器器在在调调制制过过程程中中，难难免免带带有有额额外外的的幅幅度度调调制制噪噪声，利用平衡接收方法
6、可以减少调幅噪声。声，利用平衡接收方法可以减少调幅噪声。(2)相位分集接收法相位分集接收法除除了了调调幅幅噪噪声声外外，如如果果本本振振光光相相位位和和信信号号光光相相位位有有相相对对起起伏伏，就就将将产产生生相相位位噪噪声，严重影响接收效果。声，严重影响接收效果。(3)偏振控制技术偏振控制技术前前面面已已经经指指出出：相相干干光光通通信信系系统统接接收收端端必必须须要要求求信信号号光光和和本本振振光光的的偏偏振振同同偏偏，才能取得良好的混频效果，提高接收质量。才能取得良好的混频效果，提高接收质量。10.2 光孤子通信技术光孤子通信技术10.2.1 光孤子通信技术的基本原理光孤子通信技术的基本
7、原理1.非线性薛定谔方程及解法非线性薛定谔方程及解法根根据据光光学学知知识识，光光脉脉冲冲可可以以用用下下列列式式子表示：子表示：E(z,t)=A(z,t)expj(0t-0z)其其中中：A(z，t)是是脉脉冲冲包包络络，对对于于常常用用的的直直接接检检波波光光通通信信系系统统我我们们主主要要关关心心光光脉脉冲冲的的包络情况。包络情况。在在考考虑虑色色散散作作用用下下，并并引引入入光光纤纤非非线线性性效效应应中中自自相相位位调调制制作作用用时时，光光脉脉冲冲包包络络的传输方程可写为下式的传输方程可写为下式7：式式中中：A(z,t)为为脉脉冲冲包包络络，1=1/g，2为为群群速速度度色色散散系系
8、数数，3为为高高阶阶色色散散系系数数，是代表自相位调制效应的非线性系数。是代表自相位调制效应的非线性系数。2.常见的光孤子源常见的光孤子源作作为为理理想想情情况况下下的的光光通通信信，孤孤子子脉脉冲冲应应该该具具有有很很好好的的确确定定的的形形状状、宽宽度度、功功率率和和能能量量，为为了了解解决决这这样样的的问问题题，已已提提出出了了几种解决方案。几种解决方案。(1)自锁模掺铒光孤子激光器自锁模掺铒光孤子激光器自自锁锁模模掺掺铒铒光光孤孤子子激激光光器器原原理理图图如如图图10.3所示。所示。图图10.3 自锁模掺铒光孤子激光器自锁模掺铒光孤子激光器(2)法布里法布里珀罗光纤孤子激光器珀罗光纤
9、孤子激光器(3)DFB激光器激光器/外调制孤子源外调制孤子源目前最简单也用得比较多的孤子源是目前最简单也用得比较多的孤子源是如图如图10.5所示的所示的DFB激光器激光器/外调制激光器。外调制激光器。图图10.5 DFB激光器激光器/外调制孤子源外调制孤子源(4)DFB激光器激光器/集成调制孤子源集成调制孤子源理理想想情情况况下下，孤孤子子脉脉冲冲源源应应该该是是集集成成在在单单个个芯芯片片上上的的，参参考考文文献献19报报道道说说，用用单单个个半半导导体体器器件件集集成成的的多多量量子子阱阱DFB激激光光器器/调调制制器器，已已经经得得到到脉脉冲冲重重复复频频率率为为20GHz、脉宽为脉宽为
10、7ps的变换限制孤子脉冲。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技术的新进展光光孤孤子子通通信信从从理理论论的的提提出出到到20世世纪纪80年年代代在在实实验验中中发发现现孤孤子子，并并提提出出将将光光孤孤子子作作为为一一种种信信息息载载体体用用于于高高速速光光纤纤通通信信已已有有几几十十年年的的过过程程了了，经经过过广广大大科科研研工工作作者者的的不不懈懈努努力力，光光孤孤子子通通信信系系统统取取得得了了许许多多新新的进展。的进展。1.理论研究进展理论研究进展首先，在理论方法方面，基于标准非线性首先，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
11、想孤子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，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了光时
12、分复用、波分复用系统中光孤子相互作用的机制和规律。的机制和规律。其次，在光孤子通信系统分析设计模其次，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。了系统结构的基本模式。2.色散管理孤子色散管理孤子经经过过十十余余年年对对孤孤子子脉脉冲冲传传输输研研究究，探探索索了了各各种种实实验验系系统统方方案案和和系系统
13、统设设计计方方法法，解解决决了了许许多多关关键键技技术术，脉脉冲冲在在光光纤纤中中传传输输时时所所产产生生的的色色散散、损损耗耗和和非非线线性性是是公公认认的的三三大大影影响响孤孤子子脉脉冲冲传传输输的的因因素素，掺掺铒铒光光纤纤放放大大器器(EDFA)问问世世后后，损损耗耗问问题题已已经经得得到到很好的解决，很好的解决，但是随着孤子脉冲源脉宽的越来越窄，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光孤子通信系统的色散补偿大体
14、有两类技术：一类是弱色散和局部色散补偿；另一术：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。类是周期性全局强色散补偿。3.光孤子通信实用化研究进程光孤子通信实用化研究进程欧欧共共体体各各国国协协同同组组建建了了多多项项孤孤子子发发展展项项目目，欧欧洲洲各各相相关关光光通通信信公公司司、研研究究所所和和大大学学基基本本上上都都参参加加了了其其项项目目研研究究，表表10.2给出了其中三个项目的基本情况。给出了其中三个项目的基本情况。10.3 全光通信网全光通信网10.3.1 全光网概述全光网概述全全 光光 网网 络络(All-Optical Networks，AON)技技术术是是指指
15、光光信信息息流流在在网网络络中中的的传传输输及及交换时始终以光的形式存在。交换时始终以光的形式存在。它它具具备备更更强强的的可可管管理理性性、灵灵活活性性、透透明明性性与与传传统统通通信信网网和和现现行行的的光光通通信信系系统统相相比，它具有以下多种优点：比，它具有以下多种优点：可提供更大的带宽，因为全光网对可提供更大的带宽，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；地利用光纤的传输容量；具有传输透明性，因为采用的光路具有传输透明性，因为采用的光路交换以波长来选择路由，因此对传输码率、交换以波长来选择路由，因此对传输码率、数据格式
16、以及调制方式具有透明性，即对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信号形式无限制，允许采用不同的速率和协议；协议；具有更高的处理速度和更低的误码具有更高的处理速度和更低的误码率；率；具有良好的兼容性，不仅可以与现具有良好的兼容性，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；的宽带综合业务数字网以及网络的升级；具备良好的扩展性能，网络可同时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；不会影响原
17、来网络结构和原有各节点设备；具备可重构性，可以根据通信容量具备可重构性，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；复、建立、拆除光波长的连接；由于采用了较多无源光器件，省去由于采用了较多无源光器件，省去了庞大的光了庞大的光/电电/光转换的设备及工作，可光转换的设备及工作，可大幅提升网络整体的交换速度，提高可靠大幅提升网络整体的交换速度，提高可靠性。性。10.3.2 全光网关键技术全光网关键技术1.光交叉连接设备光交叉连接设备OXC光光交交换换/光光路路由由属属于于全全光光网网络络中中关关键键光光节节点点技技术术，主主要要
18、完完成成光光节节点点处处任任意意光光纤纤端端口口之之间间的的光光信信号号交交换换及及选选路路，它它所所完完成成的最关健工作就是波长变换。的最关健工作就是波长变换。(1)空分交换空分交换OXC技术技术采采用用空空分分光光交交换换的的OXC结结构构如如图图10.8所所示示7，它它由由输输入入输输出出光光纤纤、星星形形耦耦合合器器(Star Coupler，SC)、可可调调光光滤滤波波器器、空空间间开开关关矩矩阵阵(Space Switching Matrix，SSM)等模块组成。等模块组成。图图10.8 不含波长变换器不含波长变换器OXC(2)分送耦合交换分送耦合交换OXC结构结构分分送送耦耦合合
19、交交换换OXC的的基基本本单单元元是是星星形形耦耦合合器器和和光光开开关关，图图10.10所所示示为为分分送送耦耦合合交交换换OXC的的结结构构示示意意图图，图图中中的的波波长长变变换换器器具具有有波波长长选选择择功功能能，也也可可以以起起到到滤滤波波的的功能。功能。图图10.10 耦耦合合交交换换OXC结结构构(3)波长交换波长交换OXC结构结构波波长长交交换换OXC结结构构如如图图10.11所所示示。这这种种交交换换结结构构方方案案的的交交换换机机制制主主要要是是在在频频域域进进行行的的，交交换换通通过过波波长长来来完完成成。该该结结构构具具有有严严格格的的无无阻阻塞塞特特性性，如如果果在
20、在设设计计星星形形耦耦合合器器(SC)数数量量的的时时候候，留留够够足足够够的的冗冗余余。该该结结构构还还具具有有波波长长和和链链路路模模块块性性，便便于于网网络的升级扩容。络的升级扩容。图图10.11 基于波长交换基于波长交换OXC结构结构2.波长变换技术波长变换技术全全光光网网在在干干线线网网的的交交叉叉点点引引入入光光交交叉叉连连接接和和波波长长变变换换器器，从从而而形形成成端端到到端端的的虚虚波波长长通通道道，只只要要各各段段链链路路分分别别存存在在未未被被占占用用的的空空闲闲波波长长，就就可可以以通通过过波波长长变变换换建建立立通信路由，大大提高了波长利用率。通信路由，大大提高了波长
21、利用率。(1)光光/电电/光波长变换技术光波长变换技术采采用用该该技技术术进进行行波波长长变变换换，先先用用光光电电检检测测器器接接收收该该光光信信号号，将将光光信信号号变变成成电电信信号号，然然后后将将信信号号调调制制到到所所需需波波长长的的激激光光器器发发射射出出去去，实实现现电电/光光(E/O)转转换换，从从而而实实现波长变换。现波长变换。(2)全光波长变换技术全光波长变换技术全全光光波波长长变变换换技技术术不不需需要要经经过过光光/电电处处理理，而而是是直直接接在在光光域域内内将将某某一一波波长长的的光光信号直接转换到另外的一个波长上。信号直接转换到另外的一个波长上。SOA技技术术实实
22、现现波波长长变变换换主主要要有有以以下下几几种原理：种原理：基基于于光光混混频频原原理理的的波波长长变变换换器器主主要要包括差频和四波混频。包括差频和四波混频。基于光调制原理的波长变换器。基于光调制原理的波长变换器。SOA交交叉叉增增益益调调制制波波长长变变换换器器结结构构 简简 单单、与与 偏偏 振振 无无 关关、转转 换换 速速 率率 快快(40Gbit/s左左右右)，缺缺点点首首先先是是输输出出的的信信号号与与输输入入信信号号的的极极性性正正好好相相反反，向向短短波波长长方方向向变变换换容容易易获获得得较较高高的的消消光光比比，信信号号向向长长波波长长方方向向变变换换时时消消光光比比明明显显下下降降，一一般般只只有有8dB左右。左右。采采用用SOA交交叉叉相相位位调调制制波波长长变变换换器器可可以以克克服服交交叉叉增增益益调调制制波波长长转转换换中中消消光光比降低的缺点。比降低的缺点。结束结束