光纤通信系统第六章解析课件

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1、上章的作业上章的作业 P280：4.4，4.5，4.7，4.9上章的作业1 第六章第六章 波分复用技术波分复用技术一、一、WDM系统的概况系统的概况二、二、WDM复用器件复用器件1、角色散型（光删型）、角色散型（光删型）2、干涉型、干涉型3、单模光纤耦合器型、单模光纤耦合器型三、非线性光学效应的影响三、非线性光学效应的影响四、色散补偿技术四、色散补偿技术 第六章 波分复用技术一、WDM系统的概况2 一、一、WDM系统的概况系统的概况1、波分复用频带、波分复用频带1）WDM，CWDM,DWDM和OFDM（波长间隔不同)2）WDM的复用频带(1530-1560)nm region called C

2、-band,(1570-1610)nm region called L-band,(1480-1520)nm region called S-band20nm 一、WDM系统的概况1、波分复用频带20nm3DWDM系统的标准波长系统的标准波长最大频率偏移最大频率偏移8,16通路WDM系统的最大中心频率偏移为+/-20GHz(约为0.16nm)，该值也为寿命终了值。DWDM系统的标准波长最大频率偏移42、波分复用系统构成原理 1 2 N波波分分复复用用器器 1 2 N波波分分解解复复用用器器光功率光功率放大器放大器光线路光线路放大器放大器光线路光线路放大器放大器光前置光前置放大器放大器 1 2

3、3 4 5 6 N光光谱谱光光谱谱波长波长波长波长单信道单信道WDM信号信号2、波分复用系统构成原理12N波分复用器12N波53、DWDM系统实际组成1）主信道主信道：完成多波长的信道复用和传输功能。包括有源的：完成多波长的信道复用和传输功能。包括有源的激光发射和接收部分、无源合波和分波部分、光纤传输和光放激光发射和接收部分、无源合波和分波部分、光纤传输和光放大部分。大部分。2）监控信道监控信道(OSC)：OSC对使用光线路放大器的对使用光线路放大器的 系统是必须系统是必须的，完成网管、公务电话及其它信息的传输功能。的，完成网管、公务电话及其它信息的传输功能。使用一个单独的波长进行传输，其波长

4、为使用一个单独的波长进行传输，其波长为1510nm。在一个站都具有在一个站都具有3R功能。功能。(定时、再生、整形定时、再生、整形)3）网管系统网管系统：完成对整个：完成对整个DWDM系统的管理。系统的管理。3、DWDM系统实际组成1）主信道：完成多波长的信道复用和传6DWDM系统的组成系统的组成监控信号不经过光放大器DWDM系统的组成监控信号不经过光放大器7 在发送端，通过插入本节点产生的波长为（在发送端，通过插入本节点产生的波长为（1510nm）的）的光监控（光监控（OSC）信号，来完成帧同步字节、公务字节和网管）信号，来完成帧同步字节、公务字节和网管所用的开销字节的传递。网络管理系统通过

5、光监控信道物理所用的开销字节的传递。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节点或接收来自其他节点的开销字节层传送开销字节到其他节点或接收来自其他节点的开销字节对对DWDM系统进行管理，实现配置管理、故障管理、性能管系统进行管理，实现配置管理、故障管理、性能管理、安全管理等功能，并与上层管理系统相连。为防止某段理、安全管理等功能，并与上层管理系统相连。为防止某段光纤中光监控信道双向都断路光纤中光监控信道双向都断路,网元管理系统无法获取网元的网元管理系统无法获取网元的监控信息监控信息,DWDM系统必须具有监控通路的保护功能。系统必须具有监控通路的保护功能。在发送端，通过插入本节点产生的

6、波长为（15108 光监控通路光监控通路(OSC)的的要求要求 (a)监控通路不限制光放大器的泵浦波长；监控通路不限制光放大器的泵浦波长；(b)监控通路不应限制两线路放大器之间的距离；监控通路不应限制两线路放大器之间的距离；(c)监控通路不能限制未来在监控通路不能限制未来在 1310 nm 波长的业务；波长的业务；(d)线路放大器失效时监控通路仍然可用；线路放大器失效时监控通路仍然可用；(e)OSC传传输输应应该该是是分分段段的的且且具具有有3R功功能能和和双双向向传传输输功功能能。在在每每个个光光放放大大器器中中继继站站上上，信信息息能能被被正正确确的的接接收收下下来来，而而且且还还可附加上

7、新的监控信号；可附加上新的监控信号；(f)考虑在两根光纤上传输的双向系统，考虑在两根光纤上传输的双向系统，OSC 在双方向传输。在双方向传输。以防一旦一根光纤被切断后，监控信息仍然能被线路终端接收以防一旦一根光纤被切断后，监控信息仍然能被线路终端接收到。到。光监控通路(OSC)的要求9 监控通路的接口参数监控通路的接口参数 监控波长监控波长 151010 nm 监控速率监控速率 2Mb/s 信号码型信号码型 CMI 信号发送功率信号发送功率 (0-7dBm)光源类型光源类型 光谱特性光谱特性 MLM LD *最小接收灵敏度最小接收灵敏度-48dBm 监控通路的接口参数 监控波长 151010

8、nm 监10 根据光发送端是否采用OTU（光波长转换器）来看，DWDM系统可分为集成式DWDM系统和开放式DWDM系统。集成式系统不需配置波长转换器，其所承载的SDH终端具有满足G.692的光接口：标准的光波长、满足长距离传输的光源。开放式系统就是在波分复用器前加入OTU，将SDH非规范的波长转换为标准波长。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，OTU输出端是满足G.692的光接口：标准的光波长、满足长距离传输的光源。开放式和集成式系统结构开放式和集成式系统结构开放式DWDM系统光波长转换器 根据光发送端是否采用OTU（光波长转换器）来看，D11集成式DWDM系统

9、集成式DWDM系统122.5 Gb/s有有/无中继放大器系统在无中继放大器系统在G.652光缆上的光缆上的色度色散容限值和目标传送距离色度色散容限值和目标传送距离应用代码 L V U nV3-y.2nL5-y.2 nV5-y.2 nL8-y.2最大色散容纳值(ps/nm)160024003200720080001200012800目标传送距离(km)80120 160360400600640L代表长距离;V代表很长距离;U代表超长距离 一个数字段的距离2.5 Gb/s有/无中继放大器系统在G.652光缆上的应用13nWx-y.z的含义n是最大波长数目;W是代表中继距离的字母，可为L、V或U,L

10、代表长距离，V代表很长距离，U代表超长距离；x是该应用代码允许的最大中继间隔的数目；y是该波长信号的最大比特率（STM（同步传送模块等级）等级）z是光纤类型，如：2代表G.652光纤 3代表G.653光纤 5代表G.655光纤nWx-y.z的含义n是最大波长数目;14 可以充分利用光纤的巨大带宽资源WDM技术的主要特点，使一根光纤的大容量长途传输时可以大。另外，对于早期安装的芯数不多的光缆，芯数较少，利用波分复用不必对原有系统作较大的改动即可比较方便地进行扩容。由于同一光纤中传输的信号波长彼此独立，因而可以传输特性完全不同的信号，完成各种电信业务信号的综合和分离，包括数字信号和模拟信号，以及P

11、DH信号和SDH信号的综合与分离。波分复用通道对数据格式是透明的，即与信号速率及电调制方式无关一个WDM系统可以承载多种格式的“业务”信号，ATM、IP或者将来有可能出现的信号。WDM系统完成的是透明传输，对于“业务”层信号来说WDM的每个波长就像“虚拟”的光纤一样。在网络扩充和发展中，是理想的扩容手段，也是引入宽带新业务（例如CATV、HDTV和B-ISDN等）的方便手段，增加附加波长即可引入任意想要的新业务或新容量。利用WDM技术选路来实现网络交换和恢复，从而可能实现未来透明的、具有高度生存性的光网络。交换和恢复，从而可能实现未来透明的、具有高度生存性的光网络。15WDM技术的主要特点技术

12、的主要特点 传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍，节约成本。对各信道传输的信号的速率，格式，具有透明性，有利于数字信号和模拟信号的兼容。节省光纤和光中继器，便于对已建成系统的扩容。可提供波长选路，使建立透明的，具有高度生存性的WDW全光通信网成为可能。WDM技术的主要特点 传输容量比单波长传输增加几倍至几十161、角色散型（光删型）、角色散型（光删型）2、干涉型、干涉型3、单模光纤耦合器型、单模光纤耦合器型二、二、WDM复用器件复用器件无源器件1、角色散型（光删型）二、WDM复用器件无源器件17对波分复用器件的主要要求对波分复用器件的主要要求2）带内平坦，带外插入损耗变化陡峭;3）温度稳定性好

13、，工作稳定、可靠；4）复用通路数多，尺寸小等。目前，WDM复用系统中常用的复用、解复用器主要有角色散型(光栅型)、干涉型、光纤方向耦合器型、光滤波器型。1）插入损耗小，隔离度大;对波分复用器件的主要要求1）插入损耗小，隔离度大;181、角色散型、角色散型角色散本领:角色散本领是相距为单位波长的光波散开角度，其表达式为 D=/色分辨本领:色散本领只反映不同波长的谱线中心分离的程度，它不能说明两条谱线是否重叠，色分辨本领可以反映器件分辨波长很接近的谱线的能力。光学元件的色分辨本领定义为 R=/min 式中，min是瑞利判据所规定的角色散元件能够分辨的两谱线的最小波长差。1、角色散型角色散本领:角色

14、散本领是相距为单位波长的光波散开19a)用传统的透镜耦合 b)用自聚焦透镜耦合 c)体光栅型解复用器 结构结构a)用传统的透镜耦合 b)用自聚焦透镜耦合 c)体20光栅型d为光栅常数,k是光栅的衍射级数,N是光栅的槽数。可见,要得到性能好的光栅，总槽数N应尽量多，光栅常数d应尽量小，并尽量选用高的衍射级数。特点:并行器件并行器件，它可以同时分开多路不同波长的信号，使各路的插损都差不多。角色散本领色分辨本领 光栅是指具有周期性透射或反射结构的器件。当不同频率的光照射到光栅上时，由于衍射效应，其透射或反射光将以不同的空间角度传播。利用光栅的衍射现象，就可将不同频率的光在空间进行分波或合波光栅型d为

15、光栅常数,k是光栅的衍射级数,N是光栅的槽数。21光纤通信系统第六章解析课件22 自聚焦透镜（自聚焦透镜（1/4节距的自聚焦棒）折射率分布：折射率分布：近轴光线轨迹：近轴光线轨迹：自聚焦透镜（1/4节距的自聚焦棒）折射率分布：23 从自聚焦透镜端面上某一点入射的光线，经过1/4节距的自聚焦透镜后，斜率相等，即变为平行光，也就是说，1/4节距的自聚焦透镜具有准直作用。为节距为节距 从自聚焦透镜端面上某一点入射的光线，经过1/4节距242、干涉型、干涉型（1）干涉膜滤波器型）干涉膜滤波器型q 多层介质薄模多层介质薄模q 自聚焦透镜自聚焦透镜构成构成:自聚焦透镜自聚焦透镜自聚焦透镜自聚焦透镜自聚焦透

16、镜自聚焦透镜通带宽度约通带宽度约13nm，隔离度，隔离度25dB，回波损耗，回波损耗55dB，插入损耗，插入损耗4dB。2、干涉型 多层介质薄模构成:自聚焦透镜自聚焦透镜自聚焦透镜25 薄膜滤波器是将多层介质膜置于薄膜滤波器是将多层介质膜置于2个个1/4节距的自节距的自聚焦透镜之间，利用多层介质膜的干涉效应，制成聚焦透镜之间，利用多层介质膜的干涉效应，制成对某一波长透明的带通滤波（对某一波长透明的带通滤波（BWDM），当复用的），当复用的波长旁轴入射时，只有一个波长透射，其它波长则波长旁轴入射时，只有一个波长透射，其它波长则反射。数个这样的复用器连在一起，就可构成密集反射。数个这样的复用器连在

17、一起，就可构成密集波分复用器。这种产品的一般性能为：通带宽度约波分复用器。这种产品的一般性能为：通带宽度约13nm，隔离度，隔离度25dB，回波损耗，回波损耗55dB，插入损耗，插入损耗4dB。薄膜滤波器是将多层介质膜置于2个1/4节距的自聚焦透26光纤通信系统第六章解析课件27多层介质薄膜多层介质薄膜相位差：相位差：透射波长透射波长：m是整数。是整数。多层介质薄膜相位差：透射波长：m是整数。28薄膜透射性质薄膜透射性质1薄膜透射性质129光纤通信系统第六章解析课件30安装在自聚焦轴上的波分复用器件安装在自聚焦轴上的波分复用器件采用光垂直入射到采用光垂直入射到干涉膜上干涉膜上,消除偏消除偏振敏

18、感性振敏感性安装在自聚焦轴上的波分复用器件采用光垂直入射到干涉膜上,消除31特 点:干涉膜滤光片型解复用器具有插损小、隔离度高、工作稳定等优点;通带特性好,边沿陡峭,顶部有较大的平顶,对波长漂移的容差较大;但它是一种串行器件，当复用路数较多时，各路的插损差异较大。（16）以下特 点:干涉膜滤光片型解复用器具有插32干涉膜型解复用器特性示例干涉膜型解复用器特性示例干涉膜型解复用器特性示例33（2）Mach-Zahnder滤波器型滤波器型（2）Mach-Zahnder滤波器型34光纤通信系统第六章解析课件352 X 2 M-Z复用器3db分路器3db合路器LL+L 包括三部分：对输入信号进行分路的

19、初始3db耦合器；中心部分是长度相差L的两根波导，用来在两臂产生与长度有关的相移；最后是在输出端将信号复合的3db耦合器，这样安排的作用是通过分裂光束以及在一条引进一个相移，重组的信号将在一个输出端产生相加干涉，而在另一个输出端产生相消性干涉，信号最后只会在一个端口出现。12122 X 2 M-Z复用器3db分路器3db合路器LL+L 36基于基于M-Z滤波器的四波分复用器滤波器的四波分复用器基于M-Z滤波器的四波分复用器37 集成光器件，可作为波长路由器；集成光器件，可作为波长路由器；集成光器件，可作为波长路由器；集成光器件，可作为波长路由器；对温度较为敏感对温度较为敏感对温度较为敏感对温度

20、较为敏感 邻近信道隔离度较差邻近信道隔离度较差邻近信道隔离度较差邻近信道隔离度较差.（3）阵列波导光栅）阵列波导光栅Arrayed Waveguide Grating常数 它是2 X 2 M-Z复用器的推广，有N个输入端口和N个输出端口的平板波导以及由传播常数为的N个无耦合的波导连接的两个有相同平面的星型耦合器。在中心区域相邻波导的长度差为常数值L，形成了一个M-Z类型的光栅。集成光器件，可作为波长路由器；（3）阵列波导光栅常数 它是38阵列波导光栅的滤波特性阵列波导光栅的滤波特性阵列波导光栅的滤波特性393、单模光纤耦合器型单模光纤耦合器型用途：多路复用，双路解复用用途：多路复用，双路解复用

21、 2 X 23、单模光纤耦合器型 2 X 240光纤通信系统第六章解析课件41n用于复用波长数目较多的场合用于复用波长数目较多的场合 1 2 3 4 1 3 2 4 =100GHz=50GHz波长信道交织器波长信道交织器(Interleaver)用于复用波长数目较多的场合1 2 3 4 1 42三、非线性光学效应的影响三、非线性光学效应的影响光纤通信主要受三阶非线性光学效应影响 非线性折射率调制：自相位调制(SPM)交叉相位调制(XPM)四波混频(FWM)受激光散射：受激喇曼散射(SRS)受激布里渊散射(SBS)1.三阶非光学效应的分类三、非线性光学效应的影响光纤通信主要受三阶非线性光学效应影

22、响432.受激光散射的物理机理受激光散射的物理机理2.受激光散射的物理机理44光纤通信系统第六章解析课件453.受激喇曼散射对受激喇曼散射对WDM系统的影响系统的影响3.受激喇曼散射对WDM系统的影响46与光信号的传输方向一致与光信号的传输方向一致47光纤通信系统第六章解析课件48两个信道都是两个信道都是“1”码时，这种现象最严重码时，这种现象最严重两个信道都是“1”码时，这种现象最严重49光纤通信系统第六章解析课件504、折射率的非线性调制、折射率的非线性调制 石英光纤的折射率被光强调制石英光纤的折射率被光强调制 n2 是是 三阶非线性极化系数三阶非线性极化系数 有关的量，称为非线有关的量，

23、称为非线性折射率系数，其值为性折射率系数，其值为2.2-3.4 x 10-20 m2/W1）自相位调制（）自相位调制（SPM）光纤有效横截面积光纤有效横截面积,标准非色散位移单模光纤标准非色散位移单模光纤:80um2；色散位移光纤色散位移光纤为为um2;色散补偿光纤色散补偿光纤 为为20um24、折射率的非线性调制 石英光纤的折射率被光强调制 n51 导致频率啁啾导致频率啁啾 SPM产生的频率啁啾在一定条件下可以与群速度色散相产生的频率啁啾在一定条件下可以与群速度色散相抵消，可以补偿群速度色散抵消，可以补偿群速度色散光孤子通信。光孤子通信。2）交叉相位调制对）交叉相位调制对WDM系统造成影响系

24、统造成影响光纤的正色散区域 导致频率啁啾光纤的正色散区域523）四波混频）四波混频(FWM)四光子混频，产生新的频率成分引起WDM复用信道间的串扰需要满足相位匹配条件，而色散是打破相位匹配条件的因素G.653色散位移光纤不适合WDM，非零色散位移光纤应运而生。3）四波混频(FWM)四光子混频，产生新的频率成分53四波混频对四波混频对WDM系统的影响系统的影响四波混频对WDM系统的影响54四、色散补偿技术四、色散补偿技术1、群速度色散 对G652光纤，在1.55um为正色散(D为正)，越短，vg越大，时延越小.（高频部分传播速度快，低频部分传播速度慢）2、常用的色散补偿方法 1）色散补偿光纤 2

25、）啁啾光纤光栅 3)色散管理技术：预补偿，后补偿。负色散光纤结构负色散光纤结构四、色散补偿技术1、群速度色散负色散光纤结构55基于基模LP01模色散补偿光纤折射率的分布 采用较小的光纤芯径和适当的折射率设计得到较大的光纤波导色散，从而使得该光纤在1.55m处呈现较大的负色散。负色散光纤的色散值可达到-300 ps/nm.km补偿光纤品质因数可达 -300ps/nm/dB 基于基模LP01模色散补偿光纤折射率的分布 采用较小的光纤芯56 经DCF补偿前 经DCF补偿后 经DCF补偿前 57光纤通信新技术一、相干光通信二、光孤子通信技术三、全光通信网光纤通信新技术一、相干光通信58一、相干光通信相

26、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，从而使光频段得到充分利用，即多信道光纤通信。从而使光频段得到充分利用，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，进行光波混频。进行光波混频。一、相干光通信 相干光通信系统可以把光频段划分为许多频道，59 相干光通信系统的结

27、构示意图相干光通信系统的结构示意图（一）、相干光通信系统的结构（一）、相干光通信系统的结构 相干光通信系统的结构示意图（一）、相干光通信系统的结构60如图所示，光源发出频率为fs的光脉冲，通过调制器将已经变成电信号的信号源调制到光脉冲包络上，通过长距离线路传输后，到达接收端，接收端采用外差技术，首先通过耦合器将光信号和本振光源信号同时送到光电检测器接收，本振光源频率为fs+fIF，信号光和本振光在满足相位匹配和偏振匹配的条件下混频，得到频率为fIF的中频信号，该信号经过放大后送到解调器解调，最终到达接收电路完成通信过程。如图所示，光源发出频率为fs的光脉冲，通过调制器将已经变成61相干光通信系

28、统灵敏度的提高主要是因为它采用了本地振荡得到了一定的增益，根据无线电知识中外差接收技术知识可以得到光电检测器的电流15：式中：为光电检测量子效率，h为普朗克常量，e为电子电量，f为光频率，Ps为信号光功率，PL为本振光功率，m为调制系数，(t-g)为群延时，s、L和s、L分别为信号光和本振光的角频率和相位。相干光通信系统灵敏度的提高主要是因为它采用了本地振荡得到了6262（二）二）、相干光通信关键技术相干光通信关键技术1.光源技术相干光纤通信系统中对信号光源和本振光源的要求比较高，它要求光谱线窄、频率稳定度高。（二）、相干光通信关键技术632.调制技术一般相干光通信的光调制有半导体激光器直接调

29、制和光波导型外调制两种。半导体激光器直接调制技术一般是采用具有动态单纵模特性的DFB激光器来进行直接调制，采用该技术在调制过程中可以使光谱保持良好的窄谱特性，同时频率也较稳定。2.调制技术643.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之后后的的各各种种制式的解调技术制式的解调技术 (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声，利利用用平平衡接收方法可以减少调幅噪声衡

30、接收方法可以减少调幅噪声。3.接收技术65(2)相位分集接收法 除了调幅噪声外，如果本振光相位和信号光相位有相对起伏，就将产生相位噪声，严重影响接收效果。(3)偏振控制技术 前面已经指出：相干光通信系统接收端必须要求信号光和本振光的偏振同偏，才能取得良好的混频效果，提高接收质量。(2)相位分集接收法66二、光孤子通信技术二、光孤子通信技术6767什么是光孤子孤子（Soliton）又称孤立波，是一种特殊形式的超短脉冲，或者说是一种在传播过程中形状、幅度和速度都维持不变的脉冲状行波。有人把孤子定义为：孤子与其他同类孤立波相遇后，能维持其幅度、形状和速度不变。孤子这个名词首先是在物理的流体力学中提出

31、来的。1834年，美国科学家约翰斯科特罗素观察到这样一个现象：在一条窄河道中，迅速拉一条船前进，在船突然停下时，在船头形成的一个孤立的水波迅速离开船头，以每小时1415km的速度前进，而波的形状不变，前进了23km才消失。他称这个波为孤立波。其后，1895年，卡维特等人对此进行了进一步研究，人们对孤子有了更清楚的认识，并先后发现了声孤子、电孤子和光孤子等现象。从物理学的观点来看，孤子是物质非线性效应的一种特殊产物。从数学上看，它是某些非线性偏微分方程的一类稳定的、能量有限的不弥散解。即是说，它能始终保持其波形和速度不变。孤立波在互相碰撞后，仍能保持各自的形状和速度不变，好像粒子一样，故人们又把

32、孤立波由于孤子具有这种特殊性质，因而它在等离子物理学、高能电磁学、流体力学和非线性光学中得到广泛的应用。1973年，孤立波的观点开始引入到光纤传输中。在频移时，由于折射率的非线性变化与群色散效应相平衡，光脉冲会形成一种基本孤子，在反常色散区稳定传输。由此，逐渐产生了新的电磁理论光孤子理论，从而把通信引向非线性光纤孤子传输系统这一新领域。光孤子（soliton）就是这种能在光纤中传播的长时间保持形态、幅度和速度不变的光脉冲。利用光孤子特性可以实现超长距离、超大容量的光通信。什么是光孤子孤子（Soliton）又称孤立波，是一种68光孤子通信光纤通信中，限制传输距离和传输容量的主要原因是“损耗”和“

33、色散”。“损耗”使光信号在传输时能量不断减弱；而“色散”则是使光脉冲在传输中逐渐展宽。所谓光脉冲，其实是一系列不同频率的光波振荡组成的电磁波的集合。光纤的色散使得不同频率的光波以不同的速度传播，这样，同时出发的光脉冲，由于频率不同，传输速度就不同，到达终点的时间也就不同，这便形成脉冲展宽，使得信号畸变失真。现在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。光纤的色散是使光信号的脉冲展宽，而光纤中还有一种非线性的特性，这种特性会使光信号的脉冲产生压缩效应。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

34、。在光纤中这种变化使光脉冲后沿的频率变高传播速度变快；而前沿的频率变低、传播速度变慢。这就造成脉冲后沿比前沿运动快，从而使脉冲受到压缩变窄。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。光孤子通信光纤通信中，限制传输距离和传输容量的主要原69光孤子通信是一种全光非线性通信方案，其基本原理是光纤折射率的非线性（自相位调制）效应导致对光脉冲的压缩可以与群速色散引起的光脉冲展宽相平衡，在一定条件（光纤的反常色散区及脉冲光功率密度足够大）下，光孤子能够长距离不变形地在光纤中传输。它完全摆脱了光纤色

35、散对传输速率和通信容量的限制，其传输容量比当今最好的通信系统高出12个数量级，中继距离可达几百km它被认为是下一代最有发展前途的传输方式之一。从光孤子传输理论分析，光孤子是理想的光脉冲，因为它很窄，其脉冲宽度在皮秒级（ps，即s）。这样，就可使邻近光脉冲间隔很小而不至于发生脉冲重叠，产生干扰。利用光孤子进行通信，其传输容量极大，可以说是几乎没有限制。传输速率将可能高达每秒兆比特。如此高速将意味着世界上最大的图书馆美国国会图书馆的全部藏书，只需要100秒就可以全部传送完毕。由此可见，光孤子通信的能力何等巨大。光孤子通信是一种全光非线性通信方案，其基本原理是光纤折射率的70主要技术内容 近年来，光

36、孤子通信取得了突破性进展。光纤放大器的应用对孤子放大和传输非常有利，它使孤子通信的梦想推进到实际开发阶段。光孤子在光纤中的传输过程需要解决如下问题：光纤损耗对光孤子传输的影响，光孤子之间的相互作用，高阶色散效应对光孤子传输的影响以及单模光纤中的双折射现象等。由此需要涉及到的技术主要有：适合光孤子传输的光纤技术。研究光孤子通信系统的一项重要任务就是评价光孤子沿光纤传输的演化情况。研究特定光纤参数条件下光孤子传输的有效距离，由此确定能量补充的中继距离，这样的研究不但为光孤子通信系统的设计提供数据，而且通常导致新型光纤的产生。光孤子源技术。光孤子源是实现超高速光孤子通信的关键。根据理论分析，只有当输

37、出的光脉冲为严格的双曲正割形，且振幅满足一定条件时，光孤子才能在光纤中稳定地传输，目前，研究和开发的光孤子源种类繁多，有拉曼孤子激光器、参量孤子激光器、掺饵光纤孤子激光器、增益开关半导体孤子激光器和锁模半导体孤子激光器等。现在的光孤子通信试验系统大多采用体积小、重复频率高的增益开关DFB半导体激光器或锁模半导体激光器作光孤子源。它们的输出光脉冲是高斯形的，且功率较小，但经光纤放大器放大后，可获得足以形成光孤子传输的峰值功率。理论和验均已证明光孤子传输对波形要求并不严格。高斯光脉冲在色散光纤中传输时，由于非线性自相位调制与色散效应共同作用，光脉冲中心部分可逐渐演化为双曲正割形 主要技术内容 近年

38、来71光孤子放大技术。全光孤子放大器对光信号可以直接放大，避免了目前光通信系统中光/电、电/光的转换模式。它既可作为光端机的前置放大器，又可作为全光中继器，是光孤子通信系统极为重要的器件。实际上，光孤子在光纤的传播过程中，不可避免地存在着损耗。不过光纤的损耗只降低孤子的脉冲幅度，并不改变孤子的形状，因此，补偿这些损耗成为光孤子传输的关键技术之一。目前有两种补偿孤子能量的方法，一种是采用分布式的光放大器的方法，即使用受激拉曼散解放大器或分布的掺铒光纤放大器；另一种是集总的光放大器法，即采用掺铒光纤放大器或半导体激光放大器。利用受激拉曼散射效应的光放大器是一种典型的分布式光放大器。其优点是光纤自身

39、成为放大介质，然而石英光纤中的受激拉曼散射增益系数相当小，这意味着需要高功率的激光器作为光纤中产生受激拉曼散射的泵浦源，此外，这种放大器还存在着一定的噪声。集总放大方法是通过掺铒光纤放大器实现的，其稳定性已得到理论和试验的证明，成为当前孤子通信的主要放大方法。光放大被认为是全光孤子通信的核心问题。光孤子开关技术。在设计全光开关时，采用光孤子脉冲作输入信号可使整个设计达到优化，光孤子开关的最大特点是开关速度快（达10-2s量级），开关转换率高（达100%），开关过程中光孤子的形状不发生改变，选择性能好。光孤子放大技术。全光孤子放大器对光信号可以直接放大，避免了目72发展前景全光式光孤子通信，是新

40、一代超长距离、超高码速的光纤通信系统，更被公认为是光纤通信中最有发展前途、最具开拓性的前沿课题。光孤子通信和线性光纤通信比较有一系列显著的优点：一、传输容量比最好的线性通信系统大1个2个数量级；二、可以进行全光中继。由于孤子脉冲的特殊性质使中继过程简化为一个绝热放大过程，大大简化了中继设备高效、简便、经济。光孤子通信和线性光纤通信比，无论在技术上还是在经济都具有明显的优势，光孤子通信在高保真度、长距离传输方面，优于光强度调制/直接检测方式和相干光通信。正因为光孤子通信技术的这些优点和潜在发展前景，国际国内这几年都在大力研究开发这一技术。迄今为止的研究已为实现超高速、超长距离无中继光孤子通信系统

41、奠定了理论的、技术的和物质的基础：一.孤子脉冲的不变性决定了无需中继；二.光纤放大器，特别是用激光二极管泵浦的掺铒光纤放大器补偿了损耗；三.光孤子碰撞分离后的稳定性为设计波分复用提供了方便；四.采用预加重技术，且用色散位移光纤传输，掺铒光纤集总信号放大，这样便在低增益的情况下减弱了ASE的影响，扩大了中继距离；发展前景全光式光孤子通信，是新一代超长距离、超高码速73五.导频滤波器有效地减小了超长距离内噪声引起的孤子时间抖动；六.本征值通信的新概念使孤子通信从只利用基本孤子拓宽到利用高阶孤子，从而可增加每个脉冲所载的信息量。光孤子通信的这一系列进展使目前的孤子通信统实验已达到传输速率1020Gb

42、it/s，传输距离1300020000公里的水平。光孤子技术未来的前景是：在传输速度方面采用超长距离的高速通信，时域和频域的超短脉冲控制技术以及超短脉冲的产生和应用技术使现行速率1020Gbit/s提高到 100Gbit/s以上；在增大传输距离方面采用重定时，整形，再生技术和减少ASE，光学滤波使传输距离提高到100000公里以上；在高性能EDFA方面是获得低噪声高输出EDFA。当然实际的光孤子通信仍然存在许多技术的难题，但目前已取得的突破性进展使我们相信，光孤子通信在超长距离、高速、大容量的全光通信中，尤其在海底光通信系统中,有着光明的发展前景。五.导频滤波器有效地减小了超长距离内噪声引起的

43、孤子时间抖动；74三、全光通信网（一）全光网概述全 光 网 络(All-Optical Networks，AON)技术是指光信息流在网络中的复用传输及交换时始终以光的形式存在。它具备更强的可管理性、灵活性、透明性与传统通信网和现行的光通信系统相比，它具有以下多种优点：三、全光通信网（一）全光网概述75 可提供更大的带宽，因为全光网对信号的交换都在光域内进行，可最大限度地利用光纤的传输容量；具有传输透明性，因为采用的光路交换以波长来选择路由，因此对传输码率、数据格式以及调制方式具有透明性，即对信号形式无限制，允许采用不同的速率和协议；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，76

44、具有更高的处理速度和更低的误码率；具有良好的兼容性，不仅可以与现有的通信网络兼容，而且还可以支持未来的宽带综合业务数字网以及网络的升级；具备良好的扩展性能，网络可同时扩展用户、容量和种类，新节点的加入并不会影响原来网络结构和原有各节点设备；具有更高的处理速度和更低的误码率；77 具备可重构性，可以根据通信容量的需求，动态地改变网络结构，可进行恢复、建立、拆除光波长的连接；由于采用了较多无源光器件，省去了庞大的光/电/光转换的设备及工作，可大幅提升网络整体的交换速度，提高可靠性。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78（二）、全光网关键技术1.光交叉连接设备光交叉连接设备OX

45、C光交换/光路由属于全光网络中关键光节点技术，主要完成光节点处任意光纤端口之间的光信号交换及选路，它所完成的最关健工作就是波长变换。（二）、全光网关键技术79(1)空分交换OXC技术采用空分光交换的OXC结构如图10.8所示7，它由输入输出光纤、星形耦合器(Star Coupler，SC)、可调光滤波器、空间开关矩阵(Space Switching Matrix，SSM)等模块组成。(1)空分交换OXC技术80光纤通信系统第六章解析课件81(2)分送耦合交换OXC结构分送耦合交换OXC的基本单元是星形耦合器和光开关，图10.10所示为分送耦合交换OXC的结构示意图，图中的波长变换器具有波长选择

46、功能，也可以起到滤波的功能。(2)分送耦合交换OXC结构82图图10.10 耦合交换耦合交换OXC结构结构星型耦合器图10.10 耦合交换OXC结构星型耦合器83(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模块性，便于网络的升

47、级扩容。路模块性，便于网络的升级扩容。(3)波长交换OXC结构84图图10.11 基于波长交换基于波长交换OXC结构结构图10.11 基于波长交换OXC结构852.波长变换技术波长变换技术全光网在干线网的交叉点引入光交叉连接和波长变换器，从而形成端到端的虚波长通道，只要各段链路分别存在未被占用的空闲波长，就可以通过波长变换建立通信路由，大大提高了波长利用率。2.波长变换技术86(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

48、需需波波长长的的激激光光器器发发射射出出去去，实实现电现电/光光(E/O)转换，从而实现波长变换。转换，从而实现波长变换。(1)光/电/光波长变换技术87(2)全光波长变换技术全光波长变换技术全光波长变换技术不需要经过光/电处理，而是直接在光域内将某一波长的光信号直接转换到另外的一个波长上。SOA技术实现波长变换主要有以下几种原理：基于光混频原理的波长变换器主要包括差频和四波混频。基于光调制原理的波长变换器。(2)全光波长变换技术88SOA交叉增益调制波长变换器结构简单、与偏振无关、转换速率快(40Gbit/s左右)，缺点首先是输出的信号与输入信号的极性正好相反，向短波长方向变换容易获得较高的消光比，信号向长波长方向变换时消光比明显下降，一般只有8dB左右。采用SOA交叉相位调制波长变换器可以克服交叉增益调制波长转换中消光比降低的缺点。SOA交叉增益调制波长变换器结构简单、与偏振无关、转换89