1、第八章 光纤通信的新技术,8.1 光孤子通信8.2 相干光通信8.3 全光通信,8.1 光孤子通信,1. 光孤子的定义 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。即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。,返回,下一
2、页,8.1 光孤子通信,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，故人们又把孤立波称为孤立子，简称孤子。 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
3、而把通信引向非线性光纤孤子传输系统这一新领域。,返回,下一页,上一页,8.1 光孤子通信,2. 光孤子传输原理 光脉冲在光纤中传播，当光强密度足够大时会引起光脉冲变窄，脉冲宽度不到1个Ps，这是非线性光学中的一种现象，称为光孤子现象。若使用光孤子进行通信，可使光纤的带宽增加10100倍，使通信距离与速度大幅度地提高。 对于常规的线性光纤通信系统而言，限制其传输容量和距离的主要因素是光纤的损耗和色散。随着光纤制作工艺的提高，光纤的损耗已接近理论极限，因此光纤色散成为实现超大容量光纤通信亟待解决的问题。光纤的色散，使得光脉冲中不同波长的光传播速度不一致，结果导致光脉冲展宽，限制了传输容量和传输距离
4、。由光纤的非线性所产生的光孤子可抵消光纤色散的作用，因此，利用光孤子进行通信可以很好地解决这个问题。,返回,下一页,上一页,8.1 光孤子通信,光纤的群速度色散和光纤的非线性，二者共同作用使得孤子在光纤中能够稳定存在。当工作波长大于1.3m时，光纤呈现负的群速度色散，即脉冲中的高频分量传播速度快，低频分量传播速度慢。在强输入光场的作用下，光纤中会产生较强的非线性克尔效益，即光纤的折射率与光场强度成正比，进而使得脉冲相位正比于光场强度，即自相位调制，这造成脉冲前沿频率低，后沿频率高，因此脉冲后沿比脉冲前沿运动得快，引起脉冲压缩效益。当这种压缩效应与色散单独作用引起的脉冲展宽效应平衡时，即产生了束
5、缚光脉冲-光孤子，它可以传播得很远而不改变形状与速度。,返回,下一页,上一页,8.1 光孤子通信,3. 光孤子传输系统的组成 （1）光孤子传输系统的组成 光孤子传输系统是由激光器（孤子源）、光调制器、光放大器、光检测器、判决器（或解调器）和光纤等组成的一体化通信系统。 孤子激光器产生的是光孤子脉冲。光孤子通信系统中所用的孤子源，一般并非严格意义上的孤子激光器，只是一种类似孤子的超短光脉冲源，它产生满足基本光孤子能量、频谱等要求的超短脉冲，这种超短光脉冲在光纤中传输时自动压缩、整形而形成光孤子。较理想的孤子源是增益开关分布反馈半导体激光器，该激光器依靠大电流的注入形成窄脉冲，结构简单，且重复频率
6、可调，但产生的光脉冲啁啾噪声大，所以在入纤前要进行消啁啾处理。,返回,下一页,上一页,8.1 光孤子通信,（2）损耗及其补偿 光孤子传输系统中，光纤的损耗不可避免地消耗孤子能量，当能量不满足孤子形成的条件时，脉冲丧失孤子特性而展宽，因此需要进行补偿。这种补偿可利用掺饵光纤放大器进行。只要通过掺饵光纤放大器给孤子补充能量，孤子即自动整形。利用孤子的这一特性可进行全光中继，不再需要像常规光纤通信系统那样在中继站进行光-电-光的转换，实现了全光传输。,返回,下一页,上一页,8.1 光孤子通信,掺饵光纤放大器是一种理想的能量补偿手段，它的成功应用极大地促进了光孤子传输研究的进展。每3050km加一个掺
7、饵光纤放大器，是一种集总式能量补偿方式。在这样的系统中，如果放大器的间距远小于孤子的特征长度，则能形成所谓“导引中心孤子”（或称为路径平均孤子），它可以超常距离稳定传输，即使光纤的色散有抖动，这种孤子也是稳定的。在放大器的间距与孤子的特征长度可比拟时，如果使进入光纤的脉冲峰值功率大于基态孤子所要求的峰值功率，则所形成的孤子也能长距离稳定传输，这种技术通常被称为预加重技术，也称为动态光孤子通信。光孤子在使用集总掺饵光纤放大器的系统中能稳定传输的特性是光孤子通信能实用的一个关键。光孤子也很容易实现波分复用（即利用不同波长的光孤子在同一光纤中传输）和偏振复用（即利用不同偏振方向的光孤子在同一光纤中传
8、输），可进一步提高传输质量。,返回,下一页,上一页,8.1 光孤子通信,（3）戈登-豪斯效应及其抑制 采用光放大器不可避免地带来自发辐射噪声，这是一种热噪声，与孤子相互作用后造成孤子中心频率的随机抖动、进而引起孤子到达接收端时间的抖动，即戈登-豪斯效应，这一现象是限制孤子传输系统的容量、放大器间隔等系统指标的重要因素。在放大器后加一个带通滤波器可以较好地抑制戈登-豪斯效应。 （4）孤子的峰值功率与光纤色散的关系 孤子的峰值功率与光纤色散的平方成反比，因此长距离光孤子通信系统的传输媒质采用色散位移单模光纤，该光纤将色散零点从1.3m移到1.55m处，既满足1.55m处低色散要求，又利用了光纤在1
9、.55m附近的低损耗特性。,返回,下一页,上一页,8.1 光孤子通信,4. 光孤子通信的实用化 光孤子通信被认为是第五代光纤通信系统。近年来美、日、英等国相继进行了光孤子通信实验。美国的贝尔实验室先后进行了传输距离为4000km、6000km、15000km的光孤子传输实验，验证了光孤子跨洋通信的可能性，并且完成了32Gb/s、90km无误码光孤子数据传输实验。日本的NTT公司在完成了5Gb/s、400km和10Gb/s、300km光孤子传输实验的基础上，又完成了20Gb/s、200km和10Gb/s、1000km直通传输实验。 尽管光孤子通信要真正实用化尚需解决一系列具体问题，但相信在不久的
10、将来这一技术一定会被推广和应用。,返回,下一页,上一页,8.1 光孤子通信,5. 光孤子通信的优越性及特点 容量大-传输码率一般可达20Gb/s，最高可达100Gb/s以上； 误码率低和抗干扰能力强-基阶光孤子在传输过程中保持不变及孤子的绝热特性,决定了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； 可以不用中继站-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，从而免去了光电转换、重新整形放大、检查误码、电光转换、再重新发送等复杂过程。,返回,上一页,8.2 相干光通信,目前实用化的光纤通信系统都是采用光强度调制/直接检测(IM-DD)方
11、式，其原理简单，成本低，但不能充分发挥光纤通信的优越性，存在频带利用率低、接收机灵敏度差、中继距离短等缺点。为了充分利用光纤通信的带宽，将无线电数字通信中的相干通信方式应用于光纤通信。于是，相干光通信便产生了。 1. 相干光通信的定义 相干光通信就是采用相干检测方式进行光通信的一种传输形式。相干检测方式包括外差检测或零差检测两类。相干检测方式可显著提高接收灵敏度和选择性。 自20世纪80年代起，由于LD的频谱纯度及稳定性有了长足的进展，相干光纤通信的研究及实验得到了迅速发展。,返回,下一页,8.2 相干光通信,2. 对相干光通信系统的要求 （1）光信号与本振光有相等的频率(零差)或两者差一个中
12、频(外差)，从而对光源提出了非常高的要求，即高的频率稳定性、窄的线宽及频率可调谐。因此，光源通常采用外腔半导体激光器或DFB-LD。 （2）必须保持信号与本振光有相同的偏振方向。 3. 相干光通信的结构及其工作原理 相干光通信，就像传统的无线电和微波通信一样，在发送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进行解调。其系统结构如图8-1所示。,返回,下一页,上一页,返回,图8-1 相干光纤通信原理框图,图8-1 相干光纤通信原理框图,8.2 相干光通信,在发送端，采用外光调制方式将信号以调幅、调相或调频的方式调制到光载波上，送入光纤中传输。当光信号到达接收端时。 在
13、接收端，信号与本振光由1:1的光纤定向耦合器合路后进入光检测器混频，输出的中颇信号电流就包含了与光信号的强度、频率或相位有关的信息，经进一步解调后还原出传输的信息。如果中颇为零，光检测器的输出就是基带信号。 系统中的偏振控制器用来保持信号与本振光之间的偏振态匹配。由于本振光功率较大，因此光检测器一般采用动态范围大、线性好、性能稳定、噪声低的PINPET作前端。同时，为了使本振光更好地跟踪光信号的频率和相位，使用自动频率控制(AFC)和相位跟踪环(PLL)是必要的。,返回,下一页,上一页,8.2 相干光通信,4. 相干光通信的优点 相干光通信充分利用了相干通信方式具有的混频增益、出色的信道选择性
14、及可调性等特点。与IM-DD系统相比，具有以下独特的优点。 （1）灵敏度高、中继距离长 相干光通信的一个最主要的优点是相干检测，它能改善接收机的灵敏度。在相干光通信系统中，经相干混合后的输出光电流的大小与光信号功率和本振光功率的乘积成正比；由于本振光功率远大于光信号功率，从而使接收机的灵敏度大大提高，甚至可以达到检测器的点噪声极限，并因此增加了光信号的传输距离。,返回,下一页,上一页,8.2 相干光通信,（2）选择性好、通信容量大 相干光通信的另一个主要优点是可以提高接收机的选择性，从而可充分利用光纤的低损耗光谱区(1.25 1.6m)，提高光纤通信系统的信息容量。如利用相干光通信可实现信道间
15、隔小于1 10 GHz的密集频分复用，充分利用了光纤的传输带宽，可实现超高容量的信息传输。 （3）可以使用电子学的均衡技术来补偿光纤中光脉冲的色散效应 如将外差检测相干光通信中的中频滤波器的传输函数,正好与光纤的传输函数相反，即可降低光纤色散对系统的影响。,返回,下一页,上一页,8.2 相干光通信,（4）具有多种调制方式 在直接检测系统中，只能使用强度调制方式对光波进行调制。而在相干光通信中，除了可以对光波进行幅度调制外，还可以进行频率调制或相位调制，如ASK、FSK、PSK、DPSK、CPFSK等，具有多种调制方式。 相干光通信以其独特的优点，在光纤通信中得到了广泛的应用，不仅在点对点系统中
16、继续向着更高速更长距离的方向发展，特别是在海底通信上有着巨大的市场潜力。而且，利用相干检测的调谐选择性，将大大提高光纤网络的功能和灵活性，在本地网和多用户接入网中有着广泛的应用前景。相干光通信技术与光波分复用、副载波复用、光放大技术的密切结合与互相渗透，将使光纤通信在技术上发生根本变化。,返回,上一页,8.3 全光通信,通信网物理层的发展经历了三个阶段。第一代通信网采用铜线(缆)把用户节点连接在一起，铜线是窄带线路，节点设备全由电子元器件构成，因此信息传输与处理的容量和速率均有限；第二代通信网中用光纤代替铜线，实现了宽带低误码的传输。目前的通信网就属于第二代网络，已经难以满足日益增长的信息需求
17、；第三代通信网将是全光通信网，不但节点之间的通信是由沿光纤的高速光通道进行的，而且节点中的交换过程将由全光交叉连接(OXC)或光分插复用(OADM)设备来完成。由于光交换时光信号不需光电或电光转换，直接在光域对信号进行处理，不受光电器件速率和带宽的限制，实现高速大容量的节点。这种节点对比特速率及调制格式完全透明，大大提高了网络的开放性、共享性、灵活性与兼容性，简化了节点管理提高了带宽的利用，代表了通信网的发展方向。,返回,下一页,8.3 全光通信,1. 全光通信的定义 全光通信是通过对普通光纤系统中存在着较多的电子转换设备进行改进，使用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术（即数据从源节
18、点到目的节点的传输过程都在光域内进行，而各网络节点的交换则采用全光网络交换技术）的一种光纤通信。 2. 全光通信的特点 全光通信与传统的通信网络及现有的光纤通信系统相比，具有其独具的特点：,返回,下一页,上一页,8.3 全光通信,（1）全光通信是历史发展的必然。 （2）降低成本。 （3）解决了“电子瓶颈”间题 （4）极大地提高了光纤的传输容量和节点的吞吐量，适应未来通信网高速宽带的要求 （5）OXC和OADM对信号的速率和格式透明 （6）以波长路由为基础，可实现网络的动态重构和故障的自动恢复，构成具有高度灵活性和生存性的光传送网。,返回,下一页,上一页,8.3 全光通信,3. 全光通信网基本构
19、成 全光通信网由全光内部部分和通用网络控制部分组成。内部全光网是透明的，能容纳多种业务格式，网络节点可以通过选择合适的波长进行透明的发送或从别的节点处接收。通过对波长路由的光交叉设备进行适当配置，透明光传输可以扩展到更大的距离。外部控制部分可实现网络的重构，使得波长和容量在整个网络内动态分配以满足通信量、业务和性能需求的变化，并提供一个生存性好、容错能力强的网络。,返回,下一页,上一页,8.3 全光通信,4. 全光通信的实现技术 实现透明的、具有高度生存性的全光通信网是宽带通信网未来发展目标，而要实现这样的目标需要有先进的技术来支撑。 （1）光层开销处理技术 光层开销处理技术是用信道开销等额外
20、比特数据，从外面包裹光信道客户信号的一种数字包封技术。它在光层具有管理光信道的OAM（操作、管理、维护）信息的能力和执行光信道性能检测的能力，该技术同时为光网络提供所有SONET/SDH网所具有的强大管理功能和高可靠性保证。,返回,下一页,上一页,8.3 全光通信,（2）光监控技术 在全光通信系统中，必须对光放大器等器件进行监视和管理。一般技术采用额外波长监视技术，即在系统中再分插一个额外的信道传送监控信息。而光监控技术采用1510nm波长，并且对此监控信道提供ECC的保护路由，当光缆出现故障时，可继续通过数据通信网（DCN）传输监控信息。 （3）信息再生技术 信息在光纤通道中传输时，如果光纤
21、损耗大和色散严重，将会导致通信质量变差，损耗导致光信号的幅度随传输距离按指数规律衰减；色散会导致光脉冲发生展宽，发生码间干扰，使系统的误码率增大，严重影响了通信质量。因此，必须采取措施对光信号进行再生。,返回,下一页,上一页,8.3 全光通信,目前，对光信号的再生都是利用光电中继器，即光信号首先由光电二极管转变为电信号，经电路整形放大后，再重新驱动一个光源，从而实现光信号的再生。这种光电中继器具有装置复杂、体积大、耗能多的缺点。 全光信息再生技术，即在光纤链路上每隔几个放大器的距离接入一个光调制器和滤波器，从链路传输的光信号中提取同步时钟信号输入到光调制器中，对光信号进行周期性同步调制，使光脉
22、冲变窄、频谱展宽、频率漂移和系统噪声降低，光脉冲位置得到校准和重新定时。全光信息再生技术不仅能从根本上消除色散等不利因素的影响，而且克服了光电中继器的缺点，成为全光信息处理的基础技术之一。,返回,下一页,上一页,8.3 全光通信,（4）动态路由和波长分配技术 给定一个网络的物理拓扑和一套需要在网络上建立的端到端光信道，而为每一个带宽请求决定路由和分配波长以建立光信道的问题也就是波长选路由和波长分配问题（RWA）。目前较成熟的技术有最短路径法、最少负荷法和交替固定选路法等。 根据节点是否提供波长转换功能，光通路可以分为波长通道（WP）和虚波长通道（VWP）。WP可看作VMP的特例，当整个光路都采
23、用同一波长时就称其为波长通道，反之是虚波长通道。在波长通道网络中，由于给信号分配的波长通道是端到端的，每个通路与一个固定的波长关联，因而在动态路由和分配波长时，一般必须获得整个网络的状态，因此其控制系统通常采用集中控制方式，即在掌握了整个网络所有波长复用段的占用情况后，才可能为新呼叫选一条合适的路由。,返回,下一页,上一页,8.3 全光通信,（5）光时分多址（OTDMA）技术 该技术是在同一光载波波长上，把时间分割成周期性的帧，每一个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，使每个光网络单元（ONU）在每帧内只按指定的时隙发送信号，然后利用全光时分复用方法
24、在光功率分配器中合成一路光时分脉冲信号，再经全光放大器放大后送入光纤中传输。在交换局，利用全光时分分解复用。为了实现准确，可靠的光时分多址通信，避免各ONU向上游发送的码流在光功率分配器合路时可能发生碰撞，光交换局必须测定它与各ONU的距离，并在下行信号中规定光网络单元（ONU）的严格发送定时。,返回,下一页,上一页,8.3 全光通信,（6）光突发数据交换技术 该技术是针对目前光信号处理技术尚未足够成熟而提出的，在这种技术中有两种光分组技术：包含路由信息的控制分组技术和承载业务的数据分组技术。控制分组技术中的控制信息要通过路由器的电子处理，而数据分组技术不需光电/电光转换和电子路由器的转发，直
25、接在端到端的透明传输信道中传输。 （7）光波分多址（WDMA）技术 该技术是将多个不同波长且互不交叠的光载波分配给不同的光网络单元（ONU），用以实现上行信号的传输，即各ONU根据所分配的光载波对发送的信息脉冲进行调制，从而产生多路不同波长的光脉冲，然后利用波分复用方法经过合波器形成一路光脉冲信号来共享传输光纤并送入到光交换局。,返回,下一页,上一页,8.3 全光通信,（8）光转发技术 在光纤通信系统中，对光信号的波长、色散和功率等都有严格的要求，为了满足ITU-T标准规范，必须采用光-电-光的光转发技术对输入的信号光进行规范，同时采用外调制技术克服长途传输系统中色散的影响。光纤传输系统所用的
26、光转发模块主要有直接调制的光转发模块和外调制的光转发模块两种。外调制的光转发模块包括电吸收（EA）调制和LiNbO3调制等。在光纤传输系统中，选用哪种光发模块要根据实际传输距离和光纤的色散情况而定。在全光通信系统中，可以采用多种调制类型的光转发模块，色散容限有1800/4000/7200/12800ps/nm等诸多选择，满足不同的传输距离的需求。,返回,下一页,上一页,8.3 全光通信,（9）副载波多址（SCMA）技术 该技术的基本原理是将多路基带控制信号调制到不同频率的射频（超短波到微波频率）波上，然后将多路射频信号复用后再去调制一个光载波。在ONU端进行二次解调，首先利用光检测器从光信号中
27、得到多路射频信号，并从中选出该单元需要接收的控制信号，再用电子学的方法从射频波中恢复出基带控制信号。在控制信道上使用SCMA接入，不仅可降低网络成本，还可解决控制信道的竞争。,返回,下一页,上一页,8.3 全光通信,返回,下一页,上一页,（10）空分光交换技术 该技术的基本原理是将光交换元件组成门阵列开关，并适当控制门阵列开关，即可在任一路输入光纤和任一输出光纤之间构成通路。因其交换元件的不同可分为机械型、光电转换型、复合波导型、全反射型和激光二极管门开关等，如耦合波导型交换元件铌酸钾，它是一种电光材料，具有折射率随外界电场的变化而发生变化的光学特性。以铌酸钾为基片，在基片上进行钛扩散，以形成
28、折射率逐渐增加的光波导，即光通路，再焊上电极后即可将它作为光交换元件使用。当将两条很接近的波导进行适当的复合，通过这两条波导的光束将发生能量交换。能量交换的强弱随复合系数。平行波导的长度和两波导之间的相位差变化，只要所选取的参数适当，光束就在波导上完全交错，如果在电极上施加一定的电压，可改变折射率及相位差。由此可见，通过控制电极上的电压，可以得到平行和交叉两种交换状态。,8.3 全光通信,返回,下一页,上一页,（11）时分光交换技术 该技术的原理与现行的电子程控交换中的时分交换系统完全相同，因此它能与采用全光时分多路复用方法的光传输系统匹配。在这种技术下，可以时分复用各个光器件，能够减少硬件设
29、备，构成大容量的光交换机。该技术组成的通信技术网由时分型交换模块和空分型交换模块构成。它所采用的空分交换模块与上述的空分光交换功能块完全相同，而在时分光交换模块中则需要有光存储器（如光纤延迟存储器、双稳态激光二极管存储器）、光选通器（如定向复合型阵列开关）以进行相应的交换。,8.3 全光通信,返回,下一页,上一页,（12）光放大技术 为了克服光纤传输中的损耗，每传输一段距离，都要对信号进行电的“再生”。随着传输码率的提高，“再生”的难度也随之提高，成了信号传输容量扩大的“瓶颈”。于是一种新型的光放大技术就出现了，例如掺铒光纤放大器的实用化实现了直接光放大，节省了大量的再生中继器，使得传输中的光
30、纤损耗不再成为主要问题，同时使传输链路“透明化”，简化了系统，成几倍或几十倍地扩大了传输容量，促进了真正意义上的密集波分复用技术的飞速发展，是光纤通讯领域上的一次革命。,8.3 全光通信,返回,上一页,（13）无源光网技术（PON） 无源光网技术多用于接入网部分。它以点对多点方式为光线路终端（OLT）和光网络单元（ONU）之间提供光传输媒质，而这又必须使用多址接入技术。目前使用中的有时分多址接入（TDMA）、波分复用（WDM）、副载波多址接入（SCMA）3种方式。PON中使用的无源光器件有光纤光缆、光连接器、光分路器、波分复用器和光衰减器等。拓扑结构可采用总线形、星形、树形等多种结构。 由于IP及多媒体业务的急速增长,极大地推动了长距离传送网中对带宽的需求，全光网是满足这种斋求的最有效途径。因此，全光网技术是目前通信网领域最热门的课题，目前已建立了多个试验网，如北美的MONET、NTON、WEST，欧洲的PHOTON、METON等。,
