《光纤通信》第七章讲课提纲Word文档格式.docx

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泵浦光与信号光沿同一方向注入光纤。

（2）反向泵浦结构：

泵浦光与信号光沿不同方向注入光纤。

（3）双向泵浦结构：

泵浦光从两个方向注入光纤。

7、EDFA特性参数：

（1）增益特性：

输出功率分贝值-输入功率分贝值。

EDFA的泵浦功率小时，输出光功率增加很快；

随着泵浦功率增大，放大器增益出现饱和，即泵浦功率增加很多，而增益基本保持不变。

（2）带宽特性：

放大波长区域为1530~1560nm，约30nm。

（3）噪声特性：

可用噪声系数（F）来度量，噪声系数定义为EDFA的输入信噪比与输出信噪比的比值。

8、EDFA主要优点：

（1）工作波长与光纤最小损耗窗口一致。

（2）增益高，饱和输出光功率为10～15dBm；

增益特性不敏感，与光偏振状态无关。

（3）噪声低，F＝4～7dB;

适用于波分复用系统。

（4）频带宽，频带宽度＝20～40nm，可进行多信道透明传输，有利于增加传输容量。

9、EDFA应用形式：

（1）中继放大器（LA）：

延长干线的传距。

（2）前置放大器（PA）：

光接收机之前，放大微弱的光信号，对噪声要求苛刻。

（3）后置放大器（BA）：

在光发射机后，饱和输出功率是主要参数。

二、光波分复用技术

（一）光波的多信道复用

1、多信道复用技术：

为提高光纤线路的利用率，在同一光纤线路上同时传输多路不同信号而互不干扰的技术。

2、多信道复用种类：

光时分复用（OTDM）、光码分复用（OCDM）、副载波复用（SCM）、空分复用（SDM）、光波分复用（WDM）。

（二）光波分复用的基本原理

1、波分复用WDM

（1）WDM基本概念：

划分光波信道，发送端合波，接收端分波。

在发送端将不同波长的光信号复用起来，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端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。

（2）WDM基本思想：

将工作波长略微不同、各自携带了不同信息的多个光源发出的光信号，一起注入到同一根光纤中进行传输。

2、WDM的分类：

（1）稀疏波分复用CWDM：

波长间隔Δλ＝10～100nm。

（2）密集波分复用DWDM：

波长间隔Δλ＝1～10nm。

（3）光频分复用OFDM（超密集波分复用）：

波长间隔Δλ＜1nm。

国际长途高速光纤通信线路的主要技术方向：

掺铒光纤放大器（EDFA）+密集波分复用（DWDM）+非零色散光纤（NZDSF，即G.655光纤）+光子集成（PIC）”。

3、WDM的两种工作形式

（1）双纤单向传输：

用一对光纤，在每一根光纤中光单向传输。

不同波长的光信号都在单独一根光纤中沿同一方向进行传输的系统结构方式。

（2）单纤双向传输：

只用一根光纤，多个波长的信号可以在两个方向上同时传播。

光通道在一根光纤上实现两个方向信号的同时传输。

4、WDM中间设备

（1）光分插复用器（OADM）：

在光域实现支路信号的分插和复用，可以看成OXC结构的功能简化。

（2）光交叉连接器（OXC）：

一种兼有复用、配线、保护/恢复、监控和网管的多功能OTN传输设备，使各波长光信号进行合波和分波，实现光信息的上／下通道与路由分配。

5、光波分复用器的性能参数

（1）插入损耗：

输入和输出端口之间的光功率之比的分贝值。

插入损耗α（dB）=标称波长信号输入功率（dBm）-标称波长信号输出功率（dBm）

（2）信道隔离度（串扰抑制度）：

Cij（dB）=波长为λi的光信号的输入信号功率Pi（dBm）-λi的光信号串入波长为λj信道输出端的光功率Pij（dBm）。

（3）回波损耗：

RL（dB）=λj信道输入端口的光功率Pj（dBm）-λj信道输入端口返回的光功率Pr（dBm）。

（4）反射系数：

R（dB）=给定端口入射光功率Pj（dBm）-反射光功率Pr（dBm）。

（5）工作波长范围：

WDM器件能够按照规定的性能要求工作的波长范围（λmin到λmax）。

目前波分复用的波长范围：

1530~1565nm。

（6）信道宽度：

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（PDL）：

由于偏振态的变化所造成的插入损耗的最大变化值。

（三）WDM传输系统结构

1、光发送机：

利用光转发器（OTU）将非特定波长的光信号转换成特定波长的光信号；

利用合波器合成一路，经后置功率放大器（BA）输出多通道光信号。

2、光中继放大：

使用EDFA（LA）对多通道光信号中继放大。

3、光接收机：

经前置放大器（PA）放大；

由分波器分出特定波长光信号。

4、光监控信道：

监控系统内各信道的传输情况。

5、网络管理系统：

利用开销字节对WDM系统管理，实现配置管理、故障管理、性能管理、安全管理。

（四）WDM主要特点

1、充分利用光纤的巨大带宽资源。

2、同时传输多种不同类型的信号。

3、节省线路投资。

4、降低器件的超高速要求。

5、高度的组网灵活性、经济性和可靠性。

（五）光滤波器与光波分复用器

1、光滤波器的三种应用：

（1）单纯滤波：

从多个波长复合光中选择指定光波长光输出。

（2）波分复用/解复用器：

具有波长选择性、用来实现多路光信号的合路与分路、WDM系统的关键器件。

（3）波长路由器：

将N个输入端口的W个波长的复合光重新组合在N个输出端口输出，实现波长变换的选择路由功能。

静态波长路由器：

可以用波分复用器来构成，原理是通过输入解复用和重新复用组合输出实现光纤上复合光波长的变换。

波长分插复用器（WADM）：

三端口波长路由器（一个输入端口、一个输出端口、一个用于分插波长的本地端口）。

2、光滤波器的主要要求：

（1）插入损耗较低，且与输入光的偏振态无关。

（2）通带对温度变化不敏感。

（3）单个滤波器通带传输特性平直（常用1dB带宽来衡量），能够容纳激光器波长的微小变化。

3、波分复用器分类：

（1）熔融光纤型波分复用器。

（2）介质薄膜干涉滤波器型波分复用器。

（3）光栅型波分复用器。

（4）阵列波导光栅型波分复用器。

4、波分复用器性能指标

（1）插入损耗（dB）=标称波长信号输入功率（dBm）-标称波长信号输出功率（dBm）

（2）信道隔离度（dB）=i输出端标称波长信号功率（dBm）-j输出端标称波长信号功率（dBm）

（3）通带特性：

波分复用器／解复用器分配给某输出端口的光波波长范围。

5、光栅（Grating）

（1）光栅定义：

利用多缝衍射原理使复合光分解为单色光的光学器件。

当复合光通过光栅后，不同波长单色光的谱线在不同的像面位置出现而形成光谱。

光通过光栅形成光谱是单缝衍射和多缝干涉的共同结果，可用光栅方程描述。

在WDM系统中广泛地用于将复合光分离为不同波长的单色光，如解复用器。

（2）光栅分类：

按所用光是透射还是反射分为透射光栅、反射光栅；

按形状又分为平面光栅和凹面光栅；

此外还有全息光栅、正交光栅、相光栅、炫耀光栅、阶梯光栅等。

6、布拉格光栅（BraggGrating）：

传输媒质周期性微扰形成满足反射光干涉加强条件（布拉格公式2dsinθ=kλ，掠射角θ称为布拉格角）的多缝衍射光栅。

可应用于DFB－LD、光滤波器、光分插复用器和色散补偿器。

反射峰值波长即为布喇格波长λB=2neffΛ。

7、光纤光栅：

一段折射率沿长度呈周期性变化的光纤；

光纤纤芯折射率受到永久的周期性微扰而形成的一种光纤无源器件。

利用光纤材料的光敏性，在纤芯内形成空间相位光栅，实质是一个窄带的（投射或反射）滤光器或反射镜。

（1）光纤布拉格光栅（FBG）：

一小段几毫米的短周期光纤光栅（光栅周期Λ≤1μm），也称反射光栅，基本特性表现为具有选频效应的窄带光学滤波器。

FBG能够把某个方向传输的芯模能量耦合给反方向传输的芯模，形成在谐振波长附近一定带宽的能量反射；

当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。

输入λ1、λ2、λ3、λ4，右边输出滤除λ2，构成带阻滤波器；

左边收集反射λ2，构成窄带的带通滤波器。

（2）长周期光纤光栅（LPG）：

光栅折射率变化周期较长（一般光栅周期Λ为100微米量级），能够实现芯模与同一方向传播的包层模的耦合（将一定波长范围内入射光前向传播纤芯内导模耦合到包层模）并被光纤涂覆层吸收而迅速消耗掉，从而形成一定带宽的能量损耗，且不存在反射，基本特性表现为一个带阻滤波器，带阻宽度一般为十几到几十纳米。

透射谐振光的波长λ＝（n纤芯－n包层）Λ。

8、法布里-珀罗滤波器（F－P干涉仪）：

由两块平行放置的高反射率镜面形成腔体、并利用多光束干涉光波同相相加原理光滤波器。

功率传递函数TFP（f）与是光频率f的周期函数，改变腔的长度或改变腔内介质的折射率就可以选择不同的传输波长。

反射率R越大，相邻信道的隔离就越好。

9、多层介质薄膜滤波器（薄膜谐振腔滤波器）：

一种在玻璃衬底上（或玻璃陶瓷衬底上），采用多层反射介质薄膜组成多个谐振腔实现对某一波长范围的光呈现带通，而对其它波长呈带阻的光滤波器。

通过光波长由腔的长度决定，与单腔相比，通带顶部更加平坦，边缘更为尖锐，可用作窄带带通滤波器，腔的数目越多，响应谱曲线越接近矩形，滤波器性能越好。

多个级联后，可以做成波分复用器。

10、马赫-曾德尔干涉仪（MZI）：

用两个3dB定向耦合器来连接两条不同长度的干涉路径（信号臂L1和参考臂L2的路程差为ΔL），由相位条件决定不同光波长输出的光学装置。

可用于滤波器（单个MZI为宽带滤波器，多级级连MZI为窄带滤波器）和波分复用器。

11、阵列波导光栅（AWG）:

以光集成技术为基础的多波长光信号分路或合路平面波导型器件，是MZI的推广和一般形式。

由输入波导、输出波导、波导阵列光栅及两个平面耦合波导组成。

输入耦合器将同一输入信号分成若干路信号，分别经历不同的相移后又将它们合在一起输出，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，阵列波导长度差所产生的作用和光栅所起的作用相同，通过合理设计AWG的形状、间距、输入输出平面波导的位置、间距，即可实现多波长光信号的分路；

同样可实现对多端口输入的多个波长信号的合路。

可用作n×

1波分复用器和1×

n波分解复用器。

12、声光可调谐滤波器（AOTF）：

根据声光衍射原理制成的一种能够同时选择多个波长的可调谐滤波器；

换能器将RF驱动电信号（一般约为几十兆赫至二百兆赫之间）转换为在晶体内的超声波振动，超声波产生了空间周期性的调制，其作用像衍射光栅，当入射光照射到此光栅后将产生布喇格衍射，其衍射光波长与高频驱动电信号的频率有着一一对应的关系。

只要改变RF驱动信号的频率，即可改变衍射光的波长，进而达到了分光的目的。

可用来构造波长路由器。

三、光交换技术

（一）光交换技术概要

1、光交换技术定义：

不经过任何光/电转换，在光域直接将输入光信号交换到不同的输出端的技术。

2、光交换技术分类：

（1）光路光交换：

已经实用化，可利用OADM、OXC等设备来实现，所涉及的技术有空分交换技术、时分交换技术、波分/频分交换技术、码分交换技术和复合型交换技术。

（2）分组光交换：

对光部件的性能要求更高，国际上现有的分组光交换单元还要由电信号来控制，即所谓的电控光交换。

随着光器件技术的发展，光交换技术的最终发展趋势将是光控光交换。

所涉及的技术主要包括光分组交换技术，光突发交换技术，光标记分组交换技术，光子时隙路由技术等。

（二）空分光交换

1、空分光交换功能：

交换空间域上的光信号，使光信号的传输通路在空间上发生改变。

2、空分光交换核心器件：

空间光开关，将光交换元件组成门阵列开关，可以在多路输入与多路输出的光纤中任意的建立通路。

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。

（三）时分光交换

1、时分复用：

把时间划分成帧，每帧划分成N个时隙，并分配给N路信号，将一个基带信道拟合为高速的光数据流进行传输，在接收端用分接器恢复各路原始信号。

2、时分光交换功能：

以时分复用为基础，用时隙互换原理将时分复用帧中各个时隙的信号互换位置。

3、空分光交换核心器件：

时隙交换器，使用较多的是光纤延时线。

将时分复用的光路信号输入到光分路器中，使得其每条输出通路上都只有某个相同时隙的光信号，然后将这些经过不同光延时线的信号组合起来，经过了不同延时线的信号获得了不同的时间延迟，最后用复接器把这些信号重新组合起来，完成时分交换。

（四）波分光交换（交叉连接）

1、波分光交换功能：

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光交换。

2、波分光交换核心器件：

波分交换机，一般由分波器－空分交换器－合波器组成。

（1）波长选择法交换：

每条光纤输入的光信号通过分波器分为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，进行同一波长N路（空分）信号的交叉连接，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接到输出光纤上。

（2）波长变换法交换：

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。

四、光孤子通信

（一）光孤子通信概要

1、光孤子（Soliton）：

又称孤立波，是一种在传播过程中形状、幅度和速度都维持不变的特殊形式的超短光脉冲（ps数量级）。

2、光孤子通信：

利用光孤子作为载体的通信方式，是一种全光非线性通信方案。

3、光孤子通信特点：

（1）容量大：

传输码率一般可达20Gbps，最高可达100Gbps以上；

（2）误码率低、抗干扰能力强：

光孤子传输的误码率大大低于常规光纤通信，甚至可实现误码率低于10－12的无差错光纤通信；

（3）无需中继站：

只要对光纤损耗进行增益补偿，即可将光信号无畸变地传输极远距离。

（二）光孤子的形成

1、光孤子技术背景

（1）色散使光脉冲逐渐展宽：

光纤通信中，限制传输距离和传输容量的主要原因是“损耗”（使光信号在传输时能量不断减弱）和“色散”（使光脉冲在传输中逐渐展宽，使得信号畸变失真）。

随着光纤制造技术的发展，光纤的损耗已经降低到接近理论极限值的程度，色散问题就成为实现超长距离和超大容量光纤通信的主要问题。

（2）非线性使脉冲受到压缩变窄：

光纤的非线性特性在光的强度变化时使频率发生变化，从而使传播速度变化。

这种变化使光脉冲后沿的频率变高、传播速度变快；

光脉冲前沿的频率变低、传播速度变慢。

造成脉冲后沿比前沿运动快，从而使光脉冲产生压缩变窄。

（3）光孤子形成基本思路：

如果有办法使光脉冲变宽和变窄这两种效应正好互相抵消，光脉冲就会像一个一个孤立的粒子那样形成光孤子，能在光纤传输中保持不变，实现超长距离、超大容量的通信。

2、光孤子形成机理

（1）光纤群速度色散（GVD）：

光脉冲中不同频率的分量以不同的速度进行传播，导致脉冲的分散的现象。

零色散波长λd=1310nm，λ>

λd称为反常色散区，λ<

λd称为正常色散区。

在反常色散区，光脉冲的高频分量较低频分量传输得快，即红快紫慢；

而在正常色散区，情况正好相反。

由于传输情况不同，群速度色散效应不同，最终导致光脉冲的展宽。

群速度（光脉冲包络的速度）Vg=dω/dβ（β为光波波数，ω为载波频率）。

群速度色散GVD=d（1/Vg）/dω=d2k/dω2，单位为[s2/m]

（2）自相位调制（SPM）：

当具有高强度的极窄单色光脉冲入射到光纤中时，信号光强的瞬时变化引起其自身的相位调制的现象。

起源于光纤折射率折射率n与所加电场强度E的二次方成正比改变的非线性效应（克尔效应或二次电光效应）。

在群速度色散反常色散区，脉冲前沿产生的相位变化引起频率降低，脉冲后沿产生的相位变化引起频率升高，于是脉冲前沿比其后沿传播得慢，从而使脉宽变窄。

（3）两种作用在反常色散区的平衡：

群速度色散使光脉冲变宽，自相位调制效应使光脉冲变窄，两者在数量上精确平衡时，恰好可以互相抵消，光脉冲就会保持不变而成为光孤粒子，即光孤子。

（三）光孤子通信系统

1、构成框图

（1）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孤子流，作为光载波信号。

（2）脉冲源：

产生代表传输信息的电脉冲信号，作为调制信号。

（3）光调制器：

对孤子流进行调制，形成已调光孤子流信号。

（4）后置EDFA：

对已调光孤子流信号功率放大。

（5）光隔离器：

保证光孤子沿光路正向传输、阻止反向传输。

（6）光纤传输系统：

周期地插入中继EDFA，向光孤子注入能量，以补偿能量消耗，确保光孤子稳定传输。

（7）光检测器和解调装置：

接收传输的已调光孤子流，恢复光孤子所承载的信息。

2、关键技术：

（1）适合光孤子传输的光纤技术；

（2）光孤子源技术；

（3）光孤子放大技术；

（4）光孤子开关技术。

3、传输性能：

（1）传输速度使现行速率10~20Gbit/s提高到100Gbit/s以上；

（2）增大传输距离使传输距离提高到100000公里以上；

（3）实际的光孤子通信仍存在许多技术的难题，光孤子通信在超长距离、高速、大容量的全光通信中，尤其在WDM通信系统中，有着光明的发展前景。

五、相干光通信技术

（一）相干光通信概要

1、干涉：

两列或两列以上的波在空间中重叠时发生叠加从而形成新波形的现象。

2、相干光：

两束满足相干条件在相遇区域会产生干涉现象的光。

相干条件：

（1）振动方向相同；

（2）振动频率相同；

（3）相位相同或相位差保持恒定。

3、相干调制：

利用要传输的信号来改变光载波的频率、相位和振幅（而不象强度检测那样只是改变光的强度），需要光信号有确定的频率和相位（而不象自然光那样没有确定的频率和相位），即应是相干光。

4、外差检测：

利用一束本机振荡产生的激光与输入的信号光在光混频器中进行混频，得到与信号光的频率、位相和振幅按相同规律变化的中频信号。

5、关键技术：

（1）要有频率稳定、相位和偏振方向可以控制的窄线谱激光器：

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。

（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。

（二）相干检测原理

1、原理方框图

2、主要特点：

中频信号功率分量带有信号光的幅度、频率或相位信息，相干光接收方式适用于所有调制方式的通信体制。

3、两种检测方式：

（1）零差检测：

ωL=ωS，即ωIF=0。

由于PL>

>

PS，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，但灵敏度仍然可以大幅度提高。

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）外差检测：

ωL≠ωS，即ωIF=ωS-ωL>

0。

接收光功率放大了，提高了灵敏度。

外差检测信噪比的改善比零差检测低3dB，接收机设计相对简单，不需要相位锁定。

（三）调制和解调

1、调制方式：

（1）模拟信号三种调制方式：

幅度调制（AM）、频率调制（FM）和相位调制（PM）。

（2）数字信号三种调制方式：

幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。

2、光接收机的性能：

（1）信噪比：

外差检测的信噪比SNR=2ηNP；

零差检测的信噪比SNR=4ηNP（η为光检测器量子效率，NP为每比特时间内的光子数）。

（2）误码率（BER）：

可以由信噪比（SNR）确定，对于具体调制和解制方式可查表。

（3）灵敏度：

在相干检测中，通常用每比特光子数NP表示，对于具体调制和解制方式可查表。

3、相干光系统主要优点：

（1）灵敏度高，中继距离长。

（2）选择性好，通信容量大。

（3）具有多种调制方式，利于灵活的工程应用。

六、光时分复用技术（OTDM）

（一）光时分复用概要

1、发展背景：

（1）在目前的光纤通信系统中，网络的各个节点要经过多次的光-电、电-光变换，电子器件在适应高速、大容量的需求方面存在诸多缺点（如带宽限制、时钟偏移、严重串话、高功耗等），由此产生通信网中的“电子瓶颈”现象。

（2）为满足人们对信息的大量需求，将来的网络必将是采用全光交换和全光路由的全光网络，而光时分复用（OTDM）解决了“电子瓶颈”问题，同时也大大降低了成本，被认为是长远的网络技术，作为将来的全光网络技术方案更具吸引力。

2、基本原理：

将多个高速调制光信号转换为等速率光信号，然后放在光发射器里利用超窄光脉冲进行时域复用，将其调制为更高速率的光信号然后再放到光纤里进行传输。

在同一光载波波长上，把时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的），然后根据一定的时隙分配原则，使每个ONU在每帧内只能按指定的时隙向上行信道发送信号，在满足定时和同步的条件下，光交换网络可以分别在各个时隙中接收到各ONU的信号而不混扰。

（二）光时分复用主要优点

1、可简单地接入极高的线路速率（高达几百Gbit/s）；

2、支路数据可具有任意速率等级，和现在的技术（如SDH）兼容；

3、由于是单波长传输，大大简化了放大器级联管理和色散管理；

4、虽然网络的总速率很高，但在网络节点，电子器件只需以本地的低数据速率工作；

5、OTDM和WDM的结合可支撑未来超高速光通信网的实现。

（三）光时分复用系统

1、三个组成部分：

（1）光发射部分，

（2）传输线路，（3）接收部分。

2、光发射部分：

主要由超窄脉冲光源及光时分复用器组成。

3、接收部分：

主要包括光时钟提取、解复用器及低速率光接收机。

4、传输线路：

主要由光纤链路和EDFA组成。

5、系统框图

（四）光时分复用关键技术：

1、超短光脉冲光源；

2、超短光脉冲的长距离传输和色散抑制技术；

3、帧同步及路序确定技术；

4、光时钟提取技术；

5、全光解复用技术。

七、波长变换技术（WC）

（一）波长变换概要

1、波长变换技术（WC）：

将信息从承载它的一个光波长上转到另一个光波长上的技术。

2、在WDM光网络中使用波长变换技术的原因：

（1）信息可以通过WDM网络中不适宜使用的波长进入WDM网络。

（2）提高链路上现有波长的利用率。

实现波长的再利用，有效