光纤通信光纤通信新技术缩减版概要.pptx

1第第 7 7 章章 光纤通信新技术光纤通信新技术 为了充分的发挥光纤高带宽的潜力，提高通信质量和降低通信成本，在光纤通信领域里出现许多新的技术。本章介绍如下一些已经实用或有发展前景的技术：光光放放大大技技术术，光光波波分分复复用用技技术术，光光交交换换技技术术，光光孤孤子子通通信信，相相干干光光通通信信，光光时时分分复复用用技技术术和波长变换技术波长变换技术等。27.1 光纤放大器光纤放大器7.2 光波分复用技术光波分复用技术7.3 光交换技术光交换技术7.4 光孤子通信光孤子通信7.5 相干光通信技术相干光通信技术7.6 光时分复用技术光时分复用技术7.7 波长变换技术波长变换技术37.1 光放大器基础光纤的损耗和色散限制了通信距离。时间色散脉冲展宽衰减新频率损耗非线性输出信号输入信号时间频率47.1 光放大器基础为了满足长距离通信的需要，必须在光纤传输线路上每隔一定距离加入一个光放器以补偿光信号的衰减和对畸变信号进行整形，然后继续向终端传送。光放大器分类：半导体光发大器优点：体积小、便于集成。缺点：性能与光的偏振方向有关、与光纤耦合损耗大。光纤放大器优点：性能与光的偏振方向无关、与光纤耦合损耗小。57.1 7.1 光纤放大器光纤放大器 光放大器有两种类型：半导体光放大器半导体光放大器半导体光放大器半导体光放大器 将半导体激光器两端的反射镜去掉，就能对通过它的光进行放大，这就构成了半导体光放大器半导体光放大器。半导体光放大器半导体光放大器光纤放大器光纤放大器6 半导体光放大器的优点是：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。半导体光放大器的缺点是：半导体光放大器的缺点是：性能与光偏振方向有关，器件与光纤的耦合损耗大。光光纤纤放放大大器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。7 光纤放大器也是以激光原理为基础.激光器：端镜、谐振腔。光在谐振腔里振荡并产生激光（放大的光）。光纤放大器：是没有端镜和谐振腔的，被放大的光仅仅通过放大器一次，通过把工作发光物质制作成光纤形状所以称为光纤激光器光纤激光器。严格的讲，光纤放大器光纤放大器与光纤激光器光纤激光器不同。光纤放大器光纤放大器87.1.2 光放大器的种类优点：掺铒与掺镨光纤放大器具有增益高、噪声低、频带宽、输出功率高等优点，具有广泛的应用前景。掺杂光纤放大器利用掺杂离子在泵浦光作用下形成粒子数反转分布，当有入射光信号通过时实现对入射光信号的放大作用。97.1.2 光放大器的种类掺杂光纤放大器的特性主要由掺杂元素决定：掺铒(Er)光纤放大器(EDFA)：工作波长1550 nm掺镨(Pr)光纤放大器(PDFA)：1300 nm掺铥(Tm)光纤放大器(TDFA)：1400 nm10为什么要用掺铒光纤放大器：工作频带正处于光纤损耗最低处(1525-1565nm)；频带宽，可对多路信号同时放大（波分复用）；对数据率/格式透明，系统升级成本低；增益高(40dB)、输出功率大(30dBm)、噪声低(45dB)；全光纤结构，与光纤系统兼容；增益与信号偏振态无关，故稳定性好；所需的泵浦功率低(数十毫瓦)。7.1.2 掺铒光纤放大器11掺铒光纤放大器给光纤通信领域带来的革命：EDFA解决了系统容量提高的最大的限制光损耗。补偿了光纤本身的损耗，使长距离传输成为可能。大大增加了功率预算的冗余，系统中引入各种新型光器件成为可能。支持了最有效的增加光通信容量的方式WDM。推动了全光网络的研究开发热潮。7.1.2 掺铒光纤放大器12 7.1.2 7.1.2 7.1.2 7.1.2 掺铒光纤放大器工作原理掺铒光纤放大器工作原理掺铒光纤放大器工作原理掺铒光纤放大器工作原理 图7.1示出掺掺铒铒光光纤纤放放大大器器(EDFA)的工作原理，说明了光信号放大的原因。从图7.1(a)可以看到，在掺掺铒铒光光纤纤(EDF)中，铒离子(Er3+)有三个能级：能级1代表基态基态，能量最低 能级2是亚稳态亚稳态，处于中间能级 能级3代表激发态激发态，能量最高13 图图 7.1掺铒光纤放大器的工作原理掺铒光纤放大器的工作原理 (a)硅光纤中铒离子的能级图；硅光纤中铒离子的能级图；(b)EDFA的吸收和增益频谱的吸收和增益频谱 为提高放大器增益，应提高对泵浦光的吸收，使基基态态Er3+尽可能跃迁到激发态激发态，图7.1(b)示出EDFA增益和吸收频谱。14 当泵泵浦浦(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基态态跃迁到激激发发态态(13)。但是激发态激发态是不稳定的，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(21)，产生受激辐射光受激辐射光，因而信号光得到放大。由此可见，这这种种放放大大是是由由于于泵泵浦浦光光的的能能量量转转换换为为信号光的结果信号光的结果。15 7.1.2 7.1.2 掺铒光纤放大器的构成和特性掺铒光纤放大器的构成和特性 下图为光纤放大器构成原理图输入信号输入信号光隔离器光隔离器波分复用器波分复用器泵浦泵浦掺铒光纤掺铒光纤光隔离器光隔离器输出信号输出信号16 掺掺掺掺铒铒铒铒光光光光纤纤纤纤(EDF)(EDF)和高高高高功功功功率率率率泵泵泵泵浦浦浦浦光光光光源源源源是关键器件，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。设设计计高高增增益益掺掺铒铒光光纤纤(EDF)是是实实现现光光纤纤放放大大器器的的技技术术关关键键，EDF的增益取决于Er3+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。对对泵泵浦浦光光源源的的基基本本要要求求是是大大功功率率和和长长寿寿命命。波长为1.480m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。17 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。图图7.4 掺铒光纤放大器增益、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噪声指数和输出光功率与输入光功率的关系曲线10.0405.00.05.010.015.020.025.030.035.035302520151050IIIIIII噪声指数噪声指数/dB输出光功率输出光功率/dBm增益增益/dB输入光功率输入光功率/dBm增益增益/dB187.1.3 7.1.3 掺掺铒铒光光纤纤放放大大器器的的优优点点和和应应用用 EDFA的主要优点有：的主要优点有：工工作作波波长长正正好好落落在在光光纤纤通通信信最最佳佳波波段段(15001600 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。增增益益高高，约为3040 dB;饱和输出光功率大，约为1015 dBm；增益特性与光偏振状态无关。噪噪声声指指数数小小，一般为47 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。频频带带宽宽，在1550 nm窗口，频带宽度为2040 nm，可进行多信道传输，有利于增加传输容量。19 图图7.5(a)光纤放大器的应用形式光纤放大器的应用形式中继放大器中继放大器中继放大器中继放大器LDPD中继放大器中继放大器EDFA的应用，归纳起来可以分为三种形式，如图7.5所示。中中中中继继继继放放放放大大大大器器器器（LALA：Line Line AmplifierAmplifier）：在光纤线路上每隔一定的距离设置一个光纤放大器，以延长干线网的传输距离。前置放大器（前置放大器（前置放大器（前置放大器（PAPA：Preamplifier)Preamplifier)：置于光接收机的前面，放大非常微弱的光信号，以改善接收灵敏度。作为前置放大器，对噪声要求非常苛刻。后置放大器（后置放大器（后置放大器（后置放大器（BABABooster Amplifier)Booster Amplifier)：置于光发射机的后面，以提高发射机功率。对后置放大器噪声要求不高，而饱和输出光功率是主要参数。20图图7.5(b)光纤放大器的应用形式光纤放大器的应用形式前置放大器前置放大器前置放大器前置放大器和和后置放大器后置放大器后置放大器后置放大器 LDPD后置放大器后置放大器前置放大器前置放大器光纤光纤21 在光纤通信系统中除了大家熟知的时时分分复复用用(TDM)技术外，还出现了其他的复用技术：（1）光时分复用光时分复用(OTDM)（2）光波分复用）光波分复用(WDM)（3）光频分复用）光频分复用(OFDM)（4）副载波复用）副载波复用(SCM)7.2 7.2 光波分复用技术光波分复用技术22 7.2.1 光波分复用原理光波分复用原理 1.WDM的概念的概念 光光波波分分复复用用(WDM)的的基基本本原原理理是是：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光波长分割复用，简称光波分复用技术光波分复用技术。光光波波分分复复用用(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在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术。23 光纤的带宽有多宽？光纤的带宽有多宽？在硅光纤存在两个低损耗传输窗口：在硅光纤存在两个低损耗传输窗口：l 波长为1.31m(1.251.35m)的窗口，相应的带宽(|f|=|-c/|f|=|-c/2 2|,和分别为中心波长和相应的波段宽度，c为真空中光速)为17700 GHz；l 波长为1.55m(1.501.60 m)的窗口，相应的带宽为12500 GHz。两个窗口合在一起，总带宽超过30THz。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。24 由于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光频频分分复复用用(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密集集波波分分复复用用(DWDM：Dense Wavelength Division Multiplexing)。WDM每条光纤传输24个波长，初期2个波长CWDM粗波分复用，每条光纤传输48个波长DWDM密集波分复用，支持8个以上，最新的系统支持上百个波长25 WDM系统的基本构成主要有以下两种形式：系统的基本构成主要有以下两种形式：l 双纤单向传输双纤单向传输l 单纤双向传输单纤双向传输 (1)双纤单向传输双纤单向传输 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。26 (2)单单纤纤双双向向传传输输。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。图图7.8 单纤双向单纤双向WDM传输传输27 7.2.2 WDM系统的基本结构系统的基本结构 实实际际的的WDM系系统统主主要要由由五五部部分分组组成成：光光发发射射机机、光光中中继继放放大大、光接收机光接收机、光监控信道光监控信道和网络管理系统网络管理系统，如下图所示。28 7.2.3 WDM技术的主要特点技术的主要特点 1.充分利用光纤的巨大带宽资源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.同时传输多种不同类型的信号同时传输多种不同类型的信号 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。29 3.节省线路投资节省线路投资 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.降低器件的超高速要求降低器件的超高速要求 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。30 5.高度的组网灵活性、高度的组网灵活性、经济性和可靠性经济性和可靠性 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。317.3 7.3 光交换技术光交换技术 目前的商用光纤通信系统，单信道传输速率已超过10Gb/s，实验WDM系统的传输速率已超过3.28Tb/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点对对点点的传输手段，网络中重要的交换功能还是采用电子交换电子交换技术。32光交换技术定义光交换技术是用光纤来进行网络数据、信号传输的网络交换传输技术。电交换由于电子的本征特性制约了它在交换部分的处理能力和交换速度。许多研究机构致力于研究和开发光交换/光路由技术，试图在光子层面上完成网络交换工作，消除电子瓶颈的影响。33光交换技术前景当全光交换系统成为现实，就足够可以满足飞速增长的带宽和处理速度需求，同时能减少多达75%的网络成本，具有诱人的市场前景。34电交换对信号不透明电交换对信号不透明使用电的交换设备时，必须知道：传输的是什么类型的信号（模拟还是数字）如果是数字信号还必须知道速率是多少 因为我们的电路参数是根据具体的应用频率进行优化过的，应用于100Mbit/s的电路就不能应用于200Mbit/s。35 虽然采用异异步步转转移移模模式式(ATM)(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，只有实现全全光光通通信信，而光光交交换换是全光通信的关键技术。36直接进行交换可克服电交换的缺点 1）采用全光交换技术后，就不必关心要交换的数据是什么类型，速率是多少；2）便于系统的升级3）便于增加新的业务类型（新的数据类型）。37全光交换的工作方式全光交换的工作方式光交换光交换主要有三种方式：主要有三种方式：空分光交换 时分光交换 波分光交换38 空分光交换的功功能能是：使光信号的传输通路在空间上发生改变。空分光交换的核核心心器器件件是光光开开关关。光开关有多种类型:电光型电光型 声光型声光型 磁光型磁光型 其中电电光光型型光光开开关关具有开关速度快、串扰小和结构紧凑等优点，有很好的应用前景。7.3.1 7.3.1 空分光交换空分光交换39 图7.31空分光交换(a)22光交换单元；(b)平行连接和交叉连接；(c)44光交换单元 40 7.3.2 时分光交换时分光交换 时时分分光光交交换换是以时时分分复复用用为基础，用时时隙隙互互换换原原理理实现交换功能的。时时分分复复用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。1复复接接器器2N分分接接器器12N12N时隙时隙帧帧(a)图图7.32(a)时分光交换时分复用原理时分光交换时分复用原理41 所谓时时隙隙互互换换，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。1234分接器1延迟1延迟22延迟33延迟44(b)复接器输入输出4132图图7.32(b)时分光交换时隙互换原理时分光交换时隙互换原理42 7.3.3 波分光交换波分光交换 波波分分光光交交换换(或或交交叉叉连连接接)是以波波分分复复用用原原理理为基础，采用波波长长选选择择或波波长长变变换换的方法实现交换功能的。图7.33(a)和(b)分别示出波波波波长长长长选选选选择择择择法法法法交交交交换换换换和波长变换法交换波长变换法交换波长变换法交换波长变换法交换的原理框图。43 图图7.33(a)波分交换的原理框图：波长选择法交换波分交换的原理框图：波长选择法交换l l1空分交换空分交换l l2空分交换空分交换l l3空分交换空分交换l lW空分交换空分交换l l1,l l2l lW12NN21WDMXWMUX分波器分波器合波器合波器(a)l l1,l l2l lWl l1,l l2l lWl l1,l l2l lWl l1,l l2l lWl l1,l l2l lW44l l1l l2l lWNWNW空分交换空分交换l l1l l2l lWl l1l l2l lWl l1l l2l lWl l1l l2l lWl l1l l2l lWl l1l l2l lWl l1l l2l lW12N12NWDMXWMUX波长变换器波长变换器(b)图图7.33(b)波分交换的原理框图：波长变换法交换波分交换的原理框图：波长变换法交换 457.4 光孤子通信光孤子通信 光孤子是非线性介质中传输的一种特殊的波包。孤子的发现可以追溯到1834年，英国科学家、造船工程师罗素（J.S.Russell）在运河上偶然地观察到船舶在河流中航行时，水面上凸起一光滑而轮廓分明的孤立波峰，保持形状不变地以恒定速度传播。后来人们在实验室的水槽中模拟运河的条件，重现了这种现象。46 光光孤孤子子(Soliton)(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群速速度度色色散散和非非线线性性效效应应相互平衡的结果。利用光孤子作为载体的通信方式称为光光孤孤子子通通信信。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，光纤通信的传传输输距距离离和传传输输速速率率受到光纤损损耗耗和色色散散的限制。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，光光纤纤色色散散引起的脉冲展宽，对传输速率的限制，成为提高系统性能的主要障碍。成为提高系统性能的主要障碍。47 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，这样便产生非非线线性性效效应应。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。48 光纤非非线线性性效效应应和色色散散单独起作用时，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。497.5 相干光通信技术相干光通信技术 目前已经投入使用的光纤通信系统，都是采用光光强调制强调制-直接解调直接解调(IM-DD)方式。这种方式的优优点点是：调制和解调简单，容易实现，因而成本较低。但但是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限制了系统性能的进一步提高。相相干干光光通通信信，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相干干解解调调。相干解调有零零差差检检测测和外外差差检检测测两种方式。50 7.5.2 调制和解调调制和解调 如前所述，相相干干检检测测技技术术主要优优点点是：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，即幅幅度度调调制制(AM)、频率调制、频率调制(FM)和相位调制相位调制(PM)。对于数字信号，也有三种调制方式，即幅幅移移键键控控(ASK)、频频移移键键控控(FSK)和相相移移键键控控(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。51图图 7.40 ASK、PSK和和FSK调制方式比较调制方式比较 527.6 光时分复用技术光时分复用技术 提提高高速速率率和和增增大大容容量量是是光光纤纤通通信信的的目目标标。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。若要继续提高速率一般有两种途径：波分复用波分复用(WDM)光时分复用光时分复用(OTDM)53 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是是在在光光域域上上进进行行时时间间分分割割复复用用，一一般般有有两两种种复用方式：复用方式：比特间插比特间插(Bit-interleaved)信元间插信元间插(Cell-interleaved)比特间插是目前广泛被使用的方式，信信元元间间插插也称为光光分组分组(Optical Packet)复用复用。54 要实现要实现OTDM，需要解决的关键技术有：需要解决的关键技术有：超短光脉冲光源；超短光脉冲的长距离传输和色散抑制技术；帧同步及路序确定技术；光时钟提取技术；全光解复用技术。55 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要在光上进行信信号号处处理理时时钟钟恢恢复复、分分组组头头识识别别和路路序序选选出出，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。567.7 波长变换技术波长变换技术 波波长长变变换换 (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光网络中使用波长变换技术的原因有：信信息息可可以以通通过过WDM网网络络中中不不适适宜宜使使用用的的波波长长进进入入WDM网络。网络。例如在现阶段光纤通信中大量使用1310 nm窗口的LED或F-P LD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。57 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。优点有：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 对信号具有再生能力 缺点是：缺点是：失去了全光网络的透明性 1.光光/电电/光方法光方法58 全光波长变换技术全光波长变换技术主要有：基于半半导导体体光光放放大大器器(SOA:Semiconductor Optical Amplifier)中的：交叉增益调制(XGM:Crossain Modulation)交叉相位调制(XPM:CrossPhase Modulation)差分相位调制(DPM:DifferentialPhase Modulation)基于半半导导体体光光放放大大器器或光光纤纤中中的的四四波波混混频频(FWM:Four Wave Mixing)和不不同同频频率率产产生生(DFG:Difference Frequency Generation)。2.全光方法全光方法59 对波长变换技术的要求有：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