光通信技术第六章.ppt

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1、6.1 光纤放大器光纤放大器6.2 光波分复用技术光波分复用技术6.3 光交换技术光交换技术6.4 光孤子通信光孤子通信6.5 相干光通信技术相干光通信技术6.6 光时分复用技术光时分复用技术6.7 波长变换技术波长变换技术第第 6 章章 光纤通信新技术光纤通信新技术返回主目录 第第 6 章章 光纤通信新技术光纤通信新技术 光光纤纤通通信信发发展展的的目目标标是是提提高高通通信信能能力力和和通通信信质质量量，降降低低价价格格，满满足足社社会会需需要要。进进入入20世世纪纪90年年代代以以后后，光光纤纤通通信信成成为为一一个发展迅速、个发展迅速、技术更新快、新技术不断涌现的领域。技术更新快、新技

2、术不断涌现的领域。本本章章主主要要介介绍绍一一些些已已经经实实用用化化或或者者有有重重要要应应用用前前景景的的新新技技术术，如如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，相干光通信，光时分复用技术和波长变换技术信，相干光通信，光时分复用技术和波长变换技术等。等。6.1 光光 纤纤 放放 大大 器器 光放大器有光放大器有半导体光放大器半导体光放大器和和光纤放大器光纤放大器两种类型。两种类型。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

3、点是：性能与光偏振方向有关，器件与光纤的耦合损耗大。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的性性能能与与光光偏偏振振方方向向无无关关，器器件件与与光光纤纤的的耦耦合损耗很小，合损耗很小，因而得到广泛应用。因而得到广泛应用。光纤放大器的实质是：光纤放大器的实质是：把把工工作作物物质质制制作作成成光光纤纤形形状状的的固固体体激激光光器器，所所以以也也称称为为光光纤激光器。纤激光器。20世世纪纪80年年代代末末期期，波波长长为为1.55 m的的掺掺铒铒(Er)光光纤纤放放大大器器(EDFA：ErbiumDoped Fiber Amplifier)研研制制成成功功并并投投

4、入入实实用用，把把光光纤纤通通信信技技术术水水平平推推向向一一个个新新高高度度，成成为为光光纤纤通通信信发发展展史上一个重要的里程碑。史上一个重要的里程碑。6.1.1 掺铒光纤放大器工作原理掺铒光纤放大器工作原理 图图示示出出掺掺铒铒光光纤纤放放大大器器(EDFA)的的工工作作原原理理，说说明明了了光光信信号号放大的原因。放大的原因。从从图图6.1(a)可可以以看看到到，在在掺掺铒铒光光纤纤(EDF)中中，铒铒离离子子(Er3+)有有三个能级：三个能级：能级能级1代表代表基态基态，能量最低能量最低 能级能级2是是亚稳态亚稳态，处于中间能级，处于中间能级 能级能级3代表代表激发态激发态，能量最高

5、能量最高 当当泵泵浦浦(Pump,抽抽运运)光光的的光光子子能能量量等等于于能能级级3和和能能级级1的的能能量量差差时，铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到激发态时，铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到激发态(13)。但是激发态是不稳定的，但是激发态是不稳定的，Er3+很快返回到能级很快返回到能级2。如如果果输输入入的的信信号号光光的的光光子子能能量量等等于于能能级级2和和能能级级1的的能能量量差差，则则处处于于能能级级2的的Er3+将将跃跃迁迁到到基基态态(21)，产产生生受受激激辐辐射射光光，因因而而信号光得到放大。信号光得到放大。由由此此可可见见，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

6、换换为为信信号号光光的的结结果。果。图图 6.1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 为为提提高高放放大大器器增增益益，应应提提高高对对泵泵浦浦光光的的吸吸收收，使使基基态态Er3+尽尽可能跃迁到可能跃迁到激发态激发态，图，图6.1(b)示出示出EDFA增益增益和和吸收频谱吸收频谱。图图6.3(a)光纤放大器构成原理图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图图(a)监视和监视和告警电路告警电路

7、泵浦监视泵浦监视和控制电路和控制电路泵浦泵浦LDPD探测器探测器泵浦泵浦LD输入隔离器输入隔离器输入输入WDM输出耦合器输出耦合器输出隔离器输出隔离器输出输出WDM掺铒掺铒光纤光纤热热 沉沉光输入光输入5 V0 V5 V电源电源监视监视激光器驱动输入激光器驱动输入光输出光输出图图6.3(b)图图6.3(b)实用光纤放大器外形图及其构成方框图实用光纤放大器外形图及其构成方框图 6.1.3 掺铒光纤放大器的优点和应用掺铒光纤放大器的优点和应用 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)；其其主主体体是是一一段段光光

8、纤纤(EDF)，与与传传输输光光纤纤的的耦耦合合损损耗耗很很小小，可可达达0.1 dB。增增益益高高，约约为为3040 dB;饱饱和和输输出出光光功功率率大大，约约为为1015 dBm；增益特性与光偏振状态无关。增益特性与光偏振状态无关。噪噪声声指指数数小小，一一般般为为47 dB；用用于于多多信信道道传传输输时时，隔离度大，无串扰，适用于波分复用系统。隔离度大，无串扰，适用于波分复用系统。频频带带宽宽，在在1550 nm窗窗口口，频频带带宽宽度度为为2040 nm，可可进行多信道传输，有利于增加传输容量。进行多信道传输，有利于增加传输容量。如如果果加加上上1310 nm掺掺镨镨光光纤纤放放大

9、大器器(PDFA)，频频带带可可以以增增加加一一倍。倍。所所以以“波波分分复复用用+光光纤纤放放大大器器”被被认认为为是是充充分分利利用用光光纤纤带带宽宽增加传输容量最有效的方法。增加传输容量最有效的方法。1550 nm EDFA在在各各种种光光纤纤通通信信系系统统中中得得到到广广泛泛应应用用，并并取取得了良好效果。得了良好效果。副副载载波波CATV系系统统，WDM或或OFDM系系统统，相相干干光光系系统统以以及及光孤子通信系统，都应用了光孤子通信系统，都应用了EDFA，并大幅度增加了传输距离。，并大幅度增加了传输距离。图图6.5(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

10、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，的应用，归纳起来可以分为三种形式，归纳起来可以分为三种形式，如图所示。如图所示。中中中中继继继继放放放放大大大大器器器器 （LA：Line Amplifier）在在光光纤纤线线路路上上每每隔隔一一定定的的距离设置一个光纤放大器，以延长干线网的传输距离）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 （PA：Preamplifier)置于光接收机的前面，放大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，对噪非常微弱的光信号，以改善接收灵敏度。作为前置放大器，对

11、噪声要求非常苛刻。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 （BA：Booster Amplifier)置于光接收机的后面，置于光接收机的后面，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。功率是主要参数。图图6.5(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6.2 光波分复用技术光波分复用技术 随随着着人人类类社社会会信信息息时时代代的的到到来来，对对通

12、通信信的的需需求求呈呈现现加加速速增增长长的趋势。的趋势。发发展展迅迅速速的的各各种种新新型型业业务务(特特别别是是高高速速数数据据和和视视频频业业务务)对对通通信网的带宽信网的带宽(或容量或容量)提出了更高的要求。提出了更高的要求。为为了了适适应应通通信信网网传传输输容容量量的的不不断断增增长长和和满满足足网网络络交交互互性性、灵灵活性的要求，产生了各种复用技术。活性的要求，产生了各种复用技术。在在光光纤纤通通信信系系统统中中除除了了大大家家熟熟知知的的时时分分复复用用(TDM)技技术术外外，还还出出现现了了其其他他的的复复用用技技术术，例例如如光光时时分分复复用用(OTDM)、光光波波分分

13、复复用用(WDM)、光频分复用光频分复用(OFDM)以及以及副载波复用副载波复用(SCM)技术。技术。6.2.1 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：Wavelength Division Multiplexing)技技术术是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。光光波波分分复复用用（WDM）的的基基本本原原理理是是：在在发发送送端端将将不不同同波波长长的的光光信信号号组组合合起起来来(复复用用)，并并耦耦合合到到光光缆缆线线路路上上的的同同一一根根光光纤纤中中进进行行传传输输，在在接接收收

14、端端又又将将组组合合波波长长的的光光信信号号分分开开(解解复复用用)，并并作作进进一一步步处处理理，恢恢复复出出原原信信号号后后送送入入不不同同的的终终端端，因因此此将将此此项项技技术术称为称为光波长分割复用光波长分割复用，简称简称光波分复用技术光波分复用技术。图图6.6 中心波长在中心波长在1.3 m和和1.55 m的硅光纤低损耗传输窗口的硅光纤低损耗传输窗口 (插图表示插图表示1.55 m传输窗口的多信道复用传输窗口的多信道复用)2.WDM系统的基本形式系统的基本形式 光光波波分分复复用用器器和和解解复复用用器器是是WDM技技术术中中的的关关键键部部件件，将将不不同同波波长长的的信信号号结

15、结合合在在一一起起经经一一根根光光纤纤输输出出的的器器件件称称为为复复用用器器(也也叫合波器叫合波器)。反反之之，经经同同一一传传输输光光纤纤送送来来的的多多波波长长信信号号分分解解为为各各个个波波长长分别输出的器件称为分别输出的器件称为解复用器解复用器(也叫分波器也叫分波器)。从从原原理理上上讲讲，这这种种器器件件是是互互易易的的(双双向向可可逆逆)，即即只只要要将将解解复用器的输出端和输入端反过来使用，复用器的输出端和输入端反过来使用，就是复用器。就是复用器。因此复用器和解复用器是相同的因此复用器和解复用器是相同的(除非有特殊的要求除非有特殊的要求)。WDM系系统统的的基基本本构构成成主主

16、要要有有以以下下两两种种形形式式：双双纤纤单单向向传传输输和和单纤双向传输。单纤双向传输。(1)双纤单向传输。双纤单向传输。单单向向WDM传传输输是是指指所所有有光光通通路路同同时时在在一一根根光光纤纤上上沿沿同同一一方方向向传送。传送。如如图图所所示示，在在发发送送端端将将载载有有各各种种信信息息的的、具具有有不不同同波波长长的的已已调调光光信信号号1,2,n通通过过光光复复用用器器组组合合在在一一起起，并并在在一一根根光光纤纤中单向传输。中单向传输。由于各信号是通过不同光波长携带的，因而彼此之间不会混淆。由于各信号是通过不同光波长携带的，因而彼此之间不会混淆。在在接接收收端端通通过过光光解

17、解复复用用器器将将不不同同波波长长的的信信号号分分开开，完完成成多多路路光信号传输的任务。光信号传输的任务。反方向通过另一根光纤传输的原理与此相同。反方向通过另一根光纤传输的原理与此相同。图图6.7 双纤单向双纤单向WDM传输传输 (2)单单纤纤双双向向传传输输。双双向向WDM传传输输是是指指光光通通路路在在一一根根光光纤纤上上同同时时向向两两个个不不同同的的方方向向传传输输。如如图图所所示示，所所用用波波长长相相互互分开，分开，以实现双向全双工的通信。以实现双向全双工的通信。图图6.8 单纤双向单纤双向WDM传输传输 双双向向WDM系系统统在在设设计计和和应应用用时时必必须须要要考考虑虑几几

18、个个关关键键的的系系统因素：统因素：如如为为了了抑抑制制多多通通道道干干扰扰(MPI)，必必须须注注意意到到光光反反射射的的影影响响、双双向向通通路路之之间间的的隔隔离离、串串扰扰的的类类型型和和数数值值、两两个个方方向向传传输输的的功功率率电电平平值值和和相相互互间间的的依依赖赖性性、光光监监控控信信道道(OSC)传传输输和和自自动动功功率率关断等问题，同时要使用双向光纤放大器。关断等问题，同时要使用双向光纤放大器。所所以以双双向向WDM系系统统的的开开发发和和应应用用相相对对说说来来要要求求较较高高，但但与与单单向向WDM系系统统相相比比，双双向向WDM系系统统可可以以减减少少使使用用光光

19、纤纤和和线线路放大器的数量。路放大器的数量。插入损耗小插入损耗小 隔离度大隔离度大 带内平坦，带外插入损耗变化陡峭带内平坦，带外插入损耗变化陡峭 温度稳定性好温度稳定性好 复用通路数多复用通路数多 尺寸小等尺寸小等3.光波分复用器的性能参数光波分复用器的性能参数 光光波波分分复复用用器器是是波波分分复复用用系系统统的的重重要要组组成成部部分分，为为了了确确保保波分复用系统的性能，波分复用系统的性能，对波分复用器的基本要求是：对波分复用器的基本要求是：6.2.2 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、

20、光接收机、光监控信道和网络管理系统大、光接收机、光监控信道和网络管理系统，如下图所示。目目前前国国际际上上已已商商用用的的系系统统有有：42.5 Gb/s(10 Gb/s),82.5 Gb/s(20 Gb/s),162.5 Gb/s(40 Gb/s),402.5 Gb/s(100 Gb/s),3210 Gb/s(320 Gb/s),4010 Gb/s(400 Gb/s)。实实验验室室已已实实现现了了8240 Gb/s(3.28 Tb/s)的的速速率率，传传输输距距离离达达3100 km=300 km。OFC2000(Optical Fiber Communication Conference)

21、提供的情况有：提供的情况有：Bell Labs:82路路40 Gb/s=3.28 Tb/s在在3100 km=300 km的的True Wave(商商标标)光光纤纤(即即光光纤纤)上上，利利用用C和和L两两个个波波带带联联合合传输；传输；日日本本NEC:16020 Gb/s=3.2 Tb/s，利利用用归归零零信信号号沿沿色色散散平平坦坦光光纤纤，经经过过增增益益宽宽度度为为64 nm的的光光纤纤放放大大器器，传传输输距距离离达达1500 km;日日本本富富士士通通(Fujitsu):128路路10.66 Gb/s，经经过过C和和L波波带带注注：C波波带带为为15251565 nm，L波波带带为

22、为15701620 nm。，用用分分布布喇喇曼曼放放大大(DRA:Distributed Raman Amplification),传传输输距距离达离达6140 km=840 km;日日本本NTT：30路路42.7 Gb/s，利利用用归归零零信信号号，经经过过增增益益宽度为宽度为50 nm的光纤放大器，传输距离达的光纤放大器，传输距离达3125 km376 km;美美国国Lucent Tech:100路路10 Gb/s=1 Tb/s，各各路路波波长长的的间间隔缩小到隔缩小到25 GHz,利用利用L波带，沿波带，沿NZDF光纤光纤光纤光纤)传输传输400 km;美美国国Mciworldcom和和

23、加加拿拿大大Nortel:100路路10 Gb/s=1 Tb/s，沿沿NZDF光纤在光纤在C和和L波带传输波带传输4段，段，约约200 km;美美国国Qtera 和和Qwest:两两个个波波带带4路路10 Gb/s和和2路路10 Gb/s沿沿NZDF光光纤纤传传输输23105 km=2415 km,这这个个试试验验虽虽然然WDM路路数数不多，但在陆地光缆中却是最长距离。不多，但在陆地光缆中却是最长距离。6.2.3 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 光光纤纤具具有有巨巨大大的的带带宽宽资资源源(低低损损耗耗波波段段)，WDM技技术术使使

24、一一根根光光纤纤的的传传输输容容量量比比单单波波长长传传输输增增加加几几倍倍至至几几十十倍倍甚甚至至几几百百倍倍，从从而而增增加加光光纤纤的的传传输输容容量量，降降低低成成本本，具具有有很很大大的的应应用用价价值值和和经经济价值。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 由由于于WDM技技术术使使用用的的各各波波长长的的信信道道相相互互独独立立，因因而而可可以以传传输输特特性性和和速速率率完完全全不不同同的的信信号号，完完成成各各种种电电信信业业务务信信号号的的综综合合传传输输，如如PDH信信号号和和SDH信信号号，数数字字信信号号和和模模拟拟信信号号，多多种种业业务务

25、(音频、视频、数据等音频、视频、数据等)的混合传输等。的混合传输等。3.节省线路投资节省线路投资 采采用用WDM技技术术可可使使N个个波波长长复复用用起起来来在在单单根根光光纤纤中中传传输输，也也可可实实现现单单根根光光纤纤双双向向传传输输，在在长长途途大大容容量量传传输输时时可可以以节节约约大大量量光光纤纤。另另外外，对对已已建建成成的的光光纤纤通通信信系系统统扩扩容容方方便便，只只要要原原系系统统的的功功率率余余量量较较大大，就就可可进进一一步步增增容容而而不不必必对对原原系系统统作作大大的的改改动。动。4.降低器件的超高速要求降低器件的超高速要求 随随着着传传输输速速率率的的不不断断提提

26、高高，许许多多光光电电器器件件的的响响应应速速度度已已明明显显不不足足，使使用用WDM技技术术可可降降低低对对一一些些器器件件在在性性能能上上的的极极高高要要求求，同时又可实现大容量传输。同时又可实现大容量传输。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技技术术有有很很多多应应用用形形式式，如如长长途途干干线线网网、广广播播分分配配网网、多多路路多多址址局局域域网网。可可以以利利用用WDM技技术术选选择择路路由由，实实现现网网络络交交换换和和故故障障恢恢复复，从从而而实实现现未未来来的的透透明明、灵灵活活、经经济济且且具有高度生存性的光网络。具有高度生存性的光

27、网络。6.2.4 光滤波器与光波分复用器光滤波器与光波分复用器 在在前前面面介介绍绍耦耦合合器器时时，已已经经简简单单地地介介绍绍了了波波分分复复用用器器(WDM)。在在这这一一部部分分我我们们将将介介绍绍各各种种各各样样的的波波长长选选择择技技术术，即即光光滤波技术滤波技术。光光滤滤波波器器在在WDM系系统统中中是是一一种种重重要要元元器器件件，与与波波分分复复用用有有着着密密切切关关系系，常常常常用用来来构构成成各各种种各各样样的的波波分分复复用用器器和和解解复复用用器器。波分复用器和解复用器主要用在波分复用器和解复用器主要用在:WDM终端终端 波长路由器波长路由器 波波长长分分插插复复用

28、用器器(Wavelength Add/Drop Multiplexer,WADM)图为图为光滤波器的三种应用：光滤波器的三种应用：单纯的滤波应用单纯的滤波应用(图图6.10(a)波分复用波分复用/解复用器中应用解复用器中应用(图图6.10(b)波长路由器中应用波长路由器中应用(图图6.10(c)。l1 光滤波器图图6.10(a)单纯的滤波应用单纯的滤波应用l1,l2,l3,l4l,l,l234 波分复用器l1l2l3l4图图6.10(b)波分复用器中应用波分复用器中应用l1,l2,l3,l4 图图6.10(c)波长路由器中应用波长路由器中应用 波长路由器波长路由器l l1,l l2,l l3,

29、l l4l l1 1,l,l2,l l3,l l411112222l l1,l l2,l l3,l l42112l l1,l l2,l l3,l l41221 波波长长路路由由器器是是波波长长选选路路网网络络(Wavelength Routing Network)中的关键部件，中的关键部件，其功能可由图其功能可由图7.10(c)的例子说明的例子说明 它它有有两两个个输输入入端端口口和和两两个个输输出出端端口口，每每路路输输入入都都载载有有一一组组1,2,3和和4 WDM信号。信号。如如果果用用 来来标标记记第第i输输入入链链路路上上的的波波长长j,则则路路由由器器的的输输入入端端口口1上上的的

30、波波长长记记为为 、,输输入入端端口口2上上的的波波长长记记为为 、。在在输输入入端端口口1上上的的波波长长中中，如如果果 和和 由由输输出出端端口口1输输出出，则则 和和 由由输输出出端端口口2输输出出；在在输输入入端端口口2上上的的波波长长中中，如如果果 和和 由由输输出出端端口口2输输出出，则则 和和 由由输输出出端端口口1输输出出，这这样样，我们就称路由器交换了波长我们就称路由器交换了波长1和和4。在在本本例例中中，波波长长路路由由器器只只有有两两个个输输入入端端口口和和两两个个输输出出端端口口，每每一一路路上上只只有有4个个波波长长，但但是是在在一一般般情情况况下下，输输入入和和输输

31、出出的的端端口口数是数是N(2)，并且每一端口的波长数是，并且每一端口的波长数是W(2)(参看图参看图7.33)。如如果果一一个个波波长长路路由由器器的的路路由由方方式式不不随随时时间间变变化化，就就称称为为静静态态路由器路由器；路由方式随时间变化，则称之为；路由方式随时间变化，则称之为动态路由器动态路由器。静态路由器可以用波分复用器来构成，如下图所示。静态路由器可以用波分复用器来构成，如下图所示。在在WDM系系统统中中，光光纤纤布布喇喇格格光光栅栅可可用用作作滤滤波波器器、光光分分插插复用器复用器和和色散补偿器色散补偿器(Dispersion Compensator)。图图6.16(a)是是

32、一一个个简简单单的的光光分分器器，由由一一个个三三端端口口光光环环行行器器和和一一个个光光纤纤布布喇喇格格光光栅栅构构成成，由由光光栅栅反反射射回回来来的的波波长长2从从环环行行器器的端口的端口3取出，余下的波长继续前行。取出，余下的波长继续前行。在在上上面面简简单单的的光光分分器器的的基基础础上上加加上上一一个个耦耦合合器器，就就可可以以实实现光的分插功能，如图现光的分插功能，如图6.16(b)所示。所示。图图6.16(a)基于光纤光栅结构的光分插复用器基于光纤光栅结构的光分插复用器简单分光；简单分光；l l1l l2l l3l l411 3光纤布喇格光栅光纤布喇格光栅l l1l l3l l

33、4l l l l l l4(a)2l l23l l2图图6.16(b)基于光纤光栅结构的光分插复用器光分插基于光纤光栅结构的光分插复用器光分插l l23l l1l l2l l3l l41(b)光纤布喇格光栅光纤布喇格光栅2l2l1l3l4耦合器耦合器l26.3 光光 交交 换换 技技 术术 目目前前的的商商用用光光纤纤通通信信系系统统，单单信信道道传传输输速速率率已已超超过过10 Gb/s，实验实验WDM系统的传输速率已超过系统的传输速率已超过3.28 Tb/s。但但是是，由由于于大大量量新新业业务务的的出出现现和和国国际际互互联联网网的的发发展展，今今后后通通信信网网络络还还可可能能变变得得

34、拥拥挤挤。原原因因是是在在现现有有通通信信网网络络中中，高高速速光光纤纤通通信信系系统统仅仅仅仅充充当当点点对对点点的的传传输输手手段段，网网络络中中重重要要的的交交换换功功能能还是采用电子交换技术。还是采用电子交换技术。传传统统电电子子交交换换机机的的端端口口速速率率只只有有几几Mb/s到到几几百百Mb/s，不不仅仅限限制制了了光光纤纤通通信信网网络络速速率率的的提提高高，而而且且要要求求在在众众多多的的接接口口进进行行频频繁繁的的复复用用/解解复复用用，光光/电电和和电电/光光转转换换，因因而而增增加加了了设设备备复复杂杂性和成本，降低了系统的可靠性。性和成本，降低了系统的可靠性。光交换光

35、交换主要有三种方式：主要有三种方式：空分光交换空分光交换 时分光交换时分光交换 波分光交换波分光交换 虽虽然然采采用用异异步步转转移移模模式式(ATM)可可提提供供155 Mb/s或或更更高高的的速速率率，能能缓缓解解这这种种矛矛盾盾，但但电电子子线线路路的的极极限限速速率率约约为为20 Gb/s。要要彻彻底底解解决决高高速速光光纤纤通通信信网网存存在在的的矛矛盾盾，只只有有实实现现全全光光通通信信，而光交换是全光通信的关键技术。而光交换是全光通信的关键技术。6.3.1 空分光交换空分光交换 空空分分光光交交换换的的功功能能是是：使使光光信信号号的的传传输输通通路路在在空空间间上上发发生改变。

36、生改变。空空分分光光交交换换的的核核心心器器件件是是光光开开关关。光光开开关关有有电电光光型型、声声光光型型和和磁磁光光型型等等多多种种类类型型，其其中中电电光光型型光光开开关关具具有有开开关关速速度度快、串扰小和结构紧凑等优点，有很好的应用前景。快、串扰小和结构紧凑等优点，有很好的应用前景。典典型型光光开开关关是是用用钛钛扩扩散散在在铌铌酸酸锂锂(Ti:LiNbO3)晶晶片片上上形形成成两两条条相相距距很很近近的的光光波波导导构构成成的的，并并通通过过对对电电压压的的控控制制改改变变输出通路。输出通路。图图6.31(a)是是由由4个个12光光开开关关器器件件组组成成的的22光光交交换换模模块

37、块。12 光光开开关关器器件件就就是是Ti:LiNbO3定定向向耦耦合合器器型型光光开开关关，只只是是少少用了一个输入端而已。用了一个输入端而已。图图6.31空分光交换空分光交换(a)22光交换单元光交换单元12光交换器件光交换器件(a)图图6.31(c)是是由由16个个12光光开开关关器器件件或或4个个22光光交交换换单单元元组组成的成的44光交换单元。光交换单元。图图6.31空分光交换空分光交换(c)44光交换单元光交换单元 定向定向耦合器耦合器光波导光波导光信号输出光信号输出光信号输入光信号输入(c)6.3.2 时分光交换时分光交换 时时分分光光交交换换是是以以时时分分复复用用为为基基础

38、础，用用时时隙隙互互换换原原理理实实现现交交换功能的。换功能的。时时分分复复用用是是把把时时间间划划分分成成帧帧，每每帧帧划划分分成成N个个时时隙隙，并并分分配配给给N路路信信号号，再再把把N路路信信号号复复接接到到一一条条光光纤纤上上。在在接接收收端端用分接器恢复各路原始信号，用分接器恢复各路原始信号，如图如图6.32(a)所示。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6.32(a)时分光交换时分光交换 时分复用原理时分复用原理 所所谓谓时时隙隙互互换换，就就是是把把时时分分复复用用帧帧中中各各个个时时隙隙的的信信号号互互换换位位置置。如如图图6.32(b)，首

39、首先先使使时时分分复复用用信信号号经经过过分分接接器器，在在同同一一时时间间内内，分分接接器器每每条条出出线线上上依依次次传传输输某某一一个个时时隙隙的的信信号号；然然后后使使这这些些信信号号分分别别经经过过不不同同的的光光延延迟迟器器件件，获获得得不不同同的的延延迟迟时时间间；最后用复接器把这些信号重新组合起来。最后用复接器把这些信号重新组合起来。1234分分接接器器1延迟延迟1延迟延迟22延迟延迟33延迟延迟44(b)复复接接器器输入输入输出输出4132图图6.32(b)时分光交换时分光交换 时隙互换原理时隙互换原理 6.3.3 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

40、接接)是是以以波波分分复复用用原原理理为为基基础础，采采用用波长选择或波长变换的方法实现交换功能的。波长选择或波长变换的方法实现交换功能的。图图6.33(a)和和(b)分分别别示示出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和波波波波长长长长变变变变换换换换法法法法交交交交换换换换的原理框图。的原理框图。图图6.33(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,

41、l l2l lWl l1,l l2l lWl l1,l l2l lWl l1,l l2l lWl l1,l l2l lWl 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6.33(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 设设波波分分交交换换机机的的输输入入和和输输出出都都与与N条条光光纤纤相相连连接接，这这N条条光纤可能组成一根光缆。光纤可

42、能组成一根光缆。每每条条光光纤纤承承载载W个个波波长长的的光光信信号号。从从每每条条光光纤纤输输入入的的光光信号首先通过分波器信号首先通过分波器(解复用器解复用器)WDMX分为分为W个波长不同的信号。个波长不同的信号。所所有有N路路输输入入的的波波长长为为i(i=1,2,W)的的信信号号都都送送到到i空空分分交交换换器器，在在那那里里进进行行同同一一波波长长N路路(空空分分)信信号号的的交交叉叉连连接接，到到底如何交叉连接，将由控制器决定。底如何交叉连接，将由控制器决定。然然后后，以以W个个空空分分交交换换器器输输出出的的不不同同波波长长的的信信号号再再通通过过合合波波器器(复复用用器器)WM

43、UX复复接接到到输输出出光光纤纤上上。这这种种交交换换机机当当前前已已经经成成熟熟，可可应应用用于于采采用用波波长长选选路路的的全全光光网网络络中中。但但由由于于每每个个空空分分交交换换器器可可能能提提供供的的连连接接数数为为NN,故故整整个个交交换换机机可可能能提提供供的的连连接接数为数为N2W，比下面介绍的波长变换法少。，比下面介绍的波长变换法少。波波长长变变换换法法与与波波长长选选择择法法的的主主要要区区别别是是用用同同一一个个NWNW空空分分交交换换器器处处理理NW路路信信号号的的交交叉叉连连接接，在在空空分分交交换换器器的的输输出出必必须须加加上上波波长长变变换换器器，然然后后进进行

44、行波波分分复复接接。这这样样，可可能能提提供供的的连接数为连接数为N2W2，即内部阻塞概率较小。，即内部阻塞概率较小。波长变换器将在节介绍。波长变换器将在节介绍。6.4 光光 孤孤 子子 通通 信信 光光孤孤子子(Soliton)是是经经光光纤纤长长距距离离传传输输后后，其其幅幅度度和和宽宽度度都不变的超短光脉冲都不变的超短光脉冲(ps数量级数量级)。光光孤孤子子的的形形成成是是光光纤纤的的群群速速度度色色散散和和非非线线性性效效应应相相互互平平衡衡的的结结果果。利利用用光光孤孤子子作作为为载载体体的的通通信信方方式式称称为为光光孤孤子子通通信信。光光孤孤子子通通信信的的传传输输距距离离可可达

45、达上上万万公公里里，甚甚至至几几万万公公里里，目目前前还还处于试验阶段。处于试验阶段。我我们们知知道道，光光纤纤通通信信的的传传输输距距离离和和传传输输速速率率受受到到光光纤纤损损耗耗和和色色散散的的限限制制。光光纤纤放放大大器器投投入入应应用用后后，克克服服了了损损耗耗的的限限制制，增增加加了了传传输输距距离离。此此时时，光光纤纤传传输输系系统统，尤尤其其是是传传输输速速率率在在Gb/s以以上上的的系系统统，光光纤纤色色散散引引起起的的脉脉冲冲展展宽宽，对对传传输输速速率率的的限限制，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。为为了了增增加加传传输输距距离离，在在光光纤纤线

46、线路路上上，每每隔隔一一定定的的距距离离，可可设设置置一一个个光光纤纤放放大大器器，以以周周期期地地补补充充光光功功率率的的损损耗耗。但但是是多多个个光光纤纤放放大大器器产产生生的的噪噪声声累累积积又又妨妨碍碍了了传传输输距距离离的的增增加加，因因而而要要求求提提高高传传输输信信号号的的光光功功率率，这这样样便便产产生生非非线线性性效效应应。非非线线性性效效应应对对光光纤纤通通信信有有害害也也有有利利，事事实实表表明明，克克服服其其害害还还不不如如利利用用其利。其利。光光纤纤非非线线性性效效应应和和色色散散单单独独起起作作用用时时，在在光光纤纤中中传传输输的的光光信信号号都都要要产产生生脉脉冲

47、冲展展宽宽，对对传传输输速速率率的的提提高高是是有有害害的的。但但是是如如果果适适当当选选择择相相关关参参数数，使使两两种种效效应应相相互互平平衡衡，就就可可以以保保持持脉脉冲冲宽度不变，宽度不变，因而形成光孤子。因而形成光孤子。6.5 相干光通信技术相干光通信技术 目目前前已已经经投投入入使使用用的的光光纤纤通通信信系系统统，都都是是采采用用光光强强调调制制-直接检测直接检测(IM-DD)方式。方式。这这种种方方式式的的优优点点是是：调调制制和和解解调调简简单单，容容易易实实现现，因因而而成成本本较较低低。但但是是这这种种方方式式没没有有利利用用光光载载波波的的频频率率和和相相位位信信息息，

48、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，像像传传统统的的无无线线电电和和微微波波通通信信一一样样，在在发发射射端端对对光光载载波波进进行行幅幅度度、频频率率或或相相位位调调制制；在在接接收收端端，则则采采用用零差检测或外差检测，这种检测技术称为零差检测或外差检测，这种检测技术称为相干检测相干检测。和和IM-DD方方式式相相比比，相相干干检检测测可可以以把把接接收收灵灵敏敏度度提提高高20 dB，相相当当于于在在相相同同发发射射功功率率下下，若若光光纤纤损损耗耗为为0.2 dB/km，则则传输距离增加传输距离增加100 km。同同时时，采采用用相相干干检检测测

49、，可可以以更更充充分分利利用用光光纤纤带带宽宽。我我们们已已经经看看到到，在在光光频频分分复复用用(OFDM)中中，信信道道频频率率间间隔隔可可以以达达到到10 GHz以下，因而大幅度增加了传输容量。以下，因而大幅度增加了传输容量。所所谓谓相相干干光光，就就是是两两个个激激光光器器产产生生的的光光场场具具有有空空间间叠叠加加、相相互互干干涉涉性性质质的的激激光光。实实现现相相干干光光通通信信，关关键键是是要要有有频频率率稳稳定定、相位和偏振方向可以控制的窄线谱激光器。相位和偏振方向可以控制的窄线谱激光器。图图6.38 相干检测原理方框图相干检测原理方框图光检测器电信号处理基带信号基带信号本地光

50、振荡器混频器w wL信号光信号光w wS 6.5.4 相干光系统的优点和关键技术相干光系统的优点和关键技术 相干光系统主要优点是：相干光系统主要优点是：灵灵敏敏度度提提高高了了1020 dB，线线路路功功率率损损耗耗可可以以增增加加到到50 dB。如果使用损耗为0.2 dB/km光纤，无中继传输距离可达250 km。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80 km加入一个掺铒光纤放大器，25 个EDFA可以使 2.5 Gb/s系统的传输距离增加到2200 km以上，非常适合干线网使用。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