第11章 光纤通信新技术

第11章光纤通信新技术湖南文理学院电气工程系本章主要内容色散补偿技术相干光通信系统光交换技术光孤子通信自由空间光通信10.1色散补偿技术11.1.2预啁啾技术11.1.3色散均衡器1.啁啾光纤光栅2.F-P腔色散均衡器11.1.4光相位共轭色散补偿11.1.5色散支持传输11.2相干光通信系统相干光通信: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干检测。和IMD方式相比，相干检测可以把接收灵敏度提高20dB，相当于在相同发射功率下，若光纤损耗为0.2dB/km，则传输距离增加100km。•相干检测原理频率为的接收光信号与频率为的本振光混合后，选出其差频信号进行中频放大，解调出基带信号。IFsLsL光检测器电信号处理基带信号本地光振荡器混频器信号光SL图7.38相干检测原理方框图单模光纤的传输模式是基模HE11模，接收机接收的信号光其光场可以写成ES=ASexp［-i(ωSt+φS)］式中,AS、ωS和φS分别为光载波的幅度、频率和相位。同样，本振光的光场可以写成EL=ALexp［-i(ωLt+φL)］AL、ωL和φL分别为本振光的幅度、频率和相位。保持信号光的偏振方向不变，控制本振光的偏振方向，使之与信号光的偏振方向相同。本振光的中心角频率ωL应满足ωL=ωS-ωIF或ωL=ωS+ωIF式中，ωIF是中频信号的频率。这时光检测器输出的光功率P与光强|ES+ＥL|2成比例，即P=K|ES+EL|2式中，K为常数。由式(7.26)～式(7.29)，根据模式理论和电磁理论计算的结果，输出光功率近似为P(t)≈PS+PL+2PLcos［ωIFt+(φS-φL)］式中,PS=KA2S,PL=KA2L,ωIF=ωS-ωL。Lspp省去了2ωIF项,因它超出了光检测器的响应.右边最后一项是中频信号功率分量，它带有信号光的幅度、频率或相位信息，在发射端，无论采取什么调制方式，都可以从中频功率分量反映出来。所以，相干光接收方式是适用于所有调制方式的通信体制。光电流正比于入射光功率通常PLPS,因此不随信号变化,外差信号电流通常在微波范围.相干检测有零差检测和外差检测两种方式：0()[2()]sLsLIFsLitPPPPPCOStLP()2()sLIFsLitPPCOSt1.选择ωL=ωS，即ωIF=0，这种情况称为零差检测。这时，滤去直流分量，中频信号产生的光电流为I(t)=cos(φS-φL)(7.31)考虑到本振光相位锁定在信号光相位上，即φL=φS，这样便得到零差检测的信号光电流为IP=(7.32)正比于,因PLPS，故零差检测光电流可以放大几个数量级,因此使灵敏度可以大幅度提高。但是零差检测技术非常复杂，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ωSLSPP2LSPP2LPLP2.选择ωL≠ωS，即ωIF=ωS-ωL0，这种情况称为外差检测。通常选择fIF(=ωIF/2π)在微波范围(例如1GHz)。这时中频信号产生的光电流为与零差检测相似，外差检测接收光功率放大了，从而提高了灵敏度。外差检测信噪比的改善比零差检测低3dB，但是接收机设计相对简单，因为不需要相位锁定。Iac(t)=cos［ωIFt+(φS-φL)］LSPtP)(2相干光通信中采用的调制方法有3种：幅移键控ASK（AmplitudeShiftKey）、频移键控FSK（FrequencyShiftKey）和相移键控PSK（PhaseShiftKey）。1、幅移键控（ASK）光载波的频率和相位为常数，用数字信号去调制光载波的幅度，称为幅移键控ASK。ASK相干通信系统必须采用外调制器来实现，这样只有输出光信号的幅度随基带信号而变化，而相位保持不变。如果采用直接光强调制，幅度变化将引起相位变化。2、频移键控（FSK）光载波的相位和幅度为常数，用数字信号去调制光载波的频率，称为频移键控FSK。对应二进制调制信号，传输“0”码和传输“1”码时，分别用不同的频率表示。3、相移键控（PSK）光载波的幅度和频率为常数，用数字信号去调制光载波的相位，称为相移键控PSK。传输“0”码和传输“1”码时，分别用两个不同相位（通常相差π）表示。利用量子阱半导体相位外调制器或LiNbO3相位调制器实现PSK调制这种调制器只要选择适当的脉冲电压，就可以使相位改变π。但是在接收端光波相位必须非常稳定，因此对发射和本振激光器的谱宽要求非常苛刻。调制与解调数字调制的三种基本形式把中频信号解调成基带信号有两种方法：同步解调与异步解调。将中频信号再次与原载波信号相乘并通过低通滤波器滤去高频信号分量，则可恢复出原来的基带信号，此方法称为同步调制。异步解调即包络检波法。图7.41外差同步解调接收机方框图光检测器带通基带信号本振光信号光SL低通载波恢复图7.42外差异步解调接收机方框图光检测器带通基带信号本振光信号光SL低通包络检波•相干光系统的优点关键技术(1)灵敏度提高了10～20dB，线路功率损耗可以增加到50dB。如果使用损耗为0.2dB/km光纤，无中继传输距离可达250km由于相干光系统通常受光纤损耗限制，周期地使用光纤放大器，可以增加传输距离。实验表明，当每隔80km加入一个掺铒光纤放大器，25个EDFA可以使2.5Gb/s系统的传输距离增加到2200km以上，非常适合干线网使用。(2)由于相干光系统出色的信道选择性和灵敏度，和光频分复用相结合，可以实现大容量传输，非常适合于CATV分配网使用。(1)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。在相干光系统中，中频一般选择为2×108～2×109Hz，1550nm的光载频约为2×1014Hz，中频是光载频的10-6～10-5倍，因此要求光源频率稳定度优于10-8。(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。11.3光交换技术11.3.1空分光交换核心器件：光开关。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。典型光开关是用钛扩散在铌酸锂(Ti:LiNbO3)晶片上形成两条相距很近的光波导构成的，并通过对电压的控制改变输出通路。11.3.2时分光交换时分光交换是以时分复用为基础，用时隙互换原理实现交换功能的。时分复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.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。1复接器2N…分接器12N12…N1234分接器时隙帧(a)1延迟1延迟22延迟33延迟44(b)复接器输入输出413212341234(c)图7.32(a)时分复用原理；(b)时隙互换原理；(c)等效的空分交换11.3.3波分光交换波长选择法交换波长变换法交换1空分交换2空分交换3空分交换…W空分交换1,2…W12…NN…21WDMXWMUX分波器合波器(a)1,2…W1,2…W1,2…W1,2…W1,2…W12WNW×NW空分交换12W12W12W12W12W12W12W12…N12…NWDMXWMUX波长变换器(b)11.4光孤子通信概念光孤子：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速度色散和非线性效应相互平衡的结果。光孤子通信：利用光孤子作为载体的通信方式称为光孤子通信。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。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，提高传输信号的光功率，这样便产生非线性效应。光纤非线性效应和色散单独起作用时，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。光孤子的形成在高功率条件下，折射率n随光强而变化，这种特性称为非线性效应。在强光作用下，光纤折射率n可以表示为n=n0+|E|2式中，E为电场，n0为E=0时的光纤折射率，约为1.45。这种光纤折射率n随光强|E|2而变化特性，称为克尔(Kerr)效应，2n=10-22(m/V)2，称为克尔系数。由光强感应的折射率变化Δn(t)=E(t)|2，由此引起的相位变化为Δφ(t)=2n2n)(2)(tnLLtncw这种使脉冲不同部位产生不同相移的特性，称为自相位调制(SPM)。)]([2)()(tntLtttw在脉冲上升部分，|E|2增加，0，得到Δω0，频率下移；在脉冲顶部，|E|2不变，=0，得到Δω=0，频率不变；在脉冲下降部分，|E|2减小，Δnt0，得到Δω0，频率上移。频移使脉冲频率改变分布，其前部(头)频率降低，后部(尾)频率升高。即非线性效应的结果使脉冲变窄（在反常色散区），刚好与单独因群色散引起的脉冲展宽效应相反。一定条件下，可使两者相互抵消，使光脉冲不变，形成一阶孤子。tt)(tn时间时间光强频率00脉冲的光强频率调制正啁啾(红头紫尾)负啁啾(紫头红尾)后沿(尾)前沿(头)反常色散(红慢紫快)反常色散(红慢紫快)压缩展宽(a)(b)图7.36脉冲在反常色散光纤中传输因啁啾效应可被压缩或展宽由于SPM是光强函数，只有注入的光脉冲功率超过阈值时，才能产生压缩而形成光孤子。一阶光孤子的阈值功率为：为石英光纤的非线性系数，为纤芯有效面积，D为光纤色散系数，为脉冲宽度。为高阶孤子时，N=1，2，3……..•光孤子通信系统的组成：光孤子源、传输光纤、孤子能量补偿放大器与孤子脉冲检测接收单元组成。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。312220.776eoffDAPcn2023.210/nmweoffA21PNP孤子源调制脉冲源EDFA隔离器探测光纤传输系统EDFAEDFAEDFA(a)EDFA光纤EDFA光纤EDFA光纤→光隔离器调制器→锁模激光器EDFA光隔离器1dB耦合器微波频谱分析仪(b)25km25km25km光孤子源产生一系列脉冲宽度很窄的光脉冲，即光孤子流，作为信息的载体进入光调制器，使信息对光孤子流进行调制。被调制的光孤子流经掺铒光纤放大器和光隔离器后，进入光纤进行传输。为克服光纤损耗引起的光孤子减弱，在光纤线路上周期地插入EDFA，向光孤子注入能量，以补偿因光纤传输而引起的能量消耗，确保光孤子稳定传输。在接收端，通过光检测器和解调装置，恢复光孤子所承载的信息。