【正文】 方式隨時(shí)間變化 ， 稱動(dòng)態(tài)路由器 。 WDM技術(shù)的主要特點(diǎn) 1. 充分利用光纖巨大的帶寬資源 (低損耗波段 ) 。 圖 9 實(shí)際 WDM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 光轉(zhuǎn)發(fā)器 1?光合波器光轉(zhuǎn)發(fā)器 nBA?1?n1n光纖光監(jiān)控信道接收/ 發(fā)送LA光纖接收 1光分波器接收 nPA?1?n1n光監(jiān)控信道發(fā)送器?s?s ? s ?s光監(jiān)控信道接收器?網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)光中繼放大 光接收機(jī)光發(fā)射機(jī)經(jīng)過(guò)一定距離傳輸后 ， 用摻鉺光纖放大器 (EDFA)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行中繼放大 。 10 l g ( ) ( 2)ijijipC dBp??其中 Pi是波長(zhǎng)為 λi的光信號(hào)的輸入光功率 ， Pij是波長(zhǎng)為 λi的光信號(hào)串入到波長(zhǎng)為 λj信道的光功率 。 在接收端通過(guò)光解復(fù)用器將不同波長(zhǎng)的信號(hào)分開 ， 完成多路光信號(hào)傳輸?shù)娜蝿?wù) 。 1310/1550 nm復(fù)用超出 EDFA的增益范圍 ， 用 WDM來(lái)代替 DWDM。 圖 5 光纖放大器的應(yīng)用形式 (a) 中繼放大器； (b) 前置放大器和后置放大器 LD PD中繼放大器( a )LD PD后置放大器( b )前置放大器光纖LD PD中繼放大器( a )LD PD后置放大器( b )前置放大器光纖二、 光波分復(fù)用技術(shù) ?光波分復(fù)用原理 1. WDM的概念 光波分復(fù)用 (WDM)是在一根光纖中同時(shí)傳輸多個(gè)波長(zhǎng)光信號(hào)的技術(shù) 。 飽和輸出光功率大， 約為 10～ 16 dBm。 波分復(fù)用器要求插入損耗小 ， 熔拉雙錐光纖耦合器型和干涉濾波型波分復(fù)用器最適用 。但激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定， Er3+很快返回到能級(jí) 2。創(chuàng)新技術(shù)講座 （ 1） 光通信新技術(shù) ? 光纖放大器 ? 光波分復(fù)用技術(shù) ? 光交換技術(shù) ? 光孤子通信 ? 相干光通信技術(shù) ? 光時(shí)分復(fù)用技術(shù) ? 波長(zhǎng)變換技術(shù) 一、 光 纖 放 大 器 1. 半導(dǎo)體光放大器的優(yōu)點(diǎn)是小型化 ， 易與其他半導(dǎo)體器件集成； 缺點(diǎn)是性能與光偏振方向有關(guān) ，器件與光纖的耦合損耗大 。 3. 若輸入信號(hào)光的光子能量等于能級(jí) 2和能級(jí) 1的能量差，處于能級(jí) 2的 Er3+將躍遷到基態(tài) (2→1) ，產(chǎn)生受激輻射光，信號(hào)光得到放大。 對(duì)泵浦光源的基本要求是大功率和長(zhǎng)壽命 。 增益特性與光偏振狀態(tài)無(wú)關(guān)。 基本原理：在發(fā)送端將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)組合起來(lái) (復(fù)用 )， 并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進(jìn)行傳輸 ，在接收端將組合波長(zhǎng)的光信號(hào)分開 (解復(fù)用 )， 作進(jìn)一步處理 ， 恢復(fù)出原信號(hào)后送入不同的終端 ， 稱光波分復(fù)用技術(shù) 。 在光層中 ， 相鄰光纖鏈路中的波長(zhǎng)通道連接形成跨越多個(gè) OXC和 OADM的光通路 ， 完成端到端的信息傳送 ， 光通路可根據(jù)需要靈活 、 動(dòng)態(tài)地建立和釋放 ， 即為 WDM全光網(wǎng)絡(luò) 。 2. 單纖雙向傳輸：雙向 WDM傳輸是指光通路在一根光纖上同時(shí)向兩個(gè)不同的方向傳輸，所用波長(zhǎng)相互分開， 以實(shí)現(xiàn)雙向全雙工的通信。 其中 Pj為發(fā)送進(jìn)輸入端口的光功率 ， Pr為從同一個(gè)輸入端口接收到的返回光功率 。 根據(jù)具體情況 ， 將 EDFA用作“ 線放 (LA)”, “功放 (BA)”和 “ 前放 (PA)”。 2. WDM技術(shù)使用各波長(zhǎng)的信道相互獨(dú)立，可傳輸特性和速率完全不同的信號(hào)。 靜態(tài)路由器可用波分復(fù)用器構(gòu)成 。 其中 m為整數(shù) ， 當(dāng) a和 θi一定時(shí) ， 不同 θd對(duì)應(yīng)不同的波長(zhǎng) λ， 像面上不同點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同的波長(zhǎng) 。 對(duì)于全光纖器件 ， 主要優(yōu)點(diǎn)有：插入損耗低 ， 易于與光纖耦合 ， 對(duì)偏振不敏感 。 在光分器基礎(chǔ)上加一個(gè)耦合器 ，可實(shí)現(xiàn)光的分插功能 。 可作干涉儀及 WDM系統(tǒng)中作濾波器 。 濾波器特點(diǎn)：通帶頂部平坦 ， 邊緣尖銳 ， 溫度變化時(shí)性能穩(wěn)定 ， 插入損耗低 ， 對(duì)光的偏振不敏感 ， 濾波器多個(gè)級(jí)聯(lián)可做波分復(fù)用器 。 圖 23 馬赫 曾德爾干涉儀 (MZI) (a) 結(jié)構(gòu)圖； (b) 方框圖； (c) 四級(jí) MZI 輸入 1輸入 2路程差， ? L輸出 1輸出 2( a )M Z I( ? L )輸入 1輸入 2輸出 1輸出 2( b )M Z I( ? L )M Z I(2 ? L )M Z I(3 ? L )M Z I(4 ? L )輸入 1輸入 2輸出 1輸出 2( c )1. MZI作解復(fù)用器時(shí) ， 有一個(gè)輸入 ， 假設(shè)從輸入端口1輸入 ， 經(jīng)過(guò)第一個(gè)定向耦合器后 ， 功率平均分配到兩臂上 ， 但在兩臂上的信號(hào)有 π/2的相差 ， 下臂的信號(hào)比上臂滯后 π/2。 (前 4個(gè)為每單個(gè) MZI的傳遞函數(shù)， 最后一個(gè)為級(jí)聯(lián)后 4級(jí) MZI的傳遞函數(shù) 圖 24 MZI的傳遞函數(shù) 第一級(jí)第二級(jí)第三級(jí)第四級(jí)所有級(jí)的級(jí)聯(lián)?0 / ? 7. 陣列波導(dǎo)光柵 陣列波導(dǎo)光柵 (AWG)是 MZI的推廣和一般形式 ， 由兩個(gè)多端口耦合器和連接它們的陣列波導(dǎo)構(gòu)成 。其基本原理是聲與光的相互作用。 若 nTEnTM=Δn ( 17 )n? ? ? ? ?適當(dāng)選擇聲波波長(zhǎng) Λ， 經(jīng)模式轉(zhuǎn)換又位于 AOTF通帶內(nèi)的波長(zhǎng)被選擇 。 (b) 同時(shí)交換波長(zhǎng) λ1和 λ4 A O TF?1, ?21 1?1, ?22 2?1, ?22 1?1, ?21 2RF1( a )A O TFRF1, R F4?1, ?2, ?3, ?41 1 1 1?1, ?2, ?3, ?42 2 2 2?1, ?2, ?3, ?42 1 1 2?1, ?2, ?3, ?41 2 2 1( b )三、光 交 換 技 術(shù) 光交換有三種方式： 空分光交換、 時(shí)分光交換和波分光交換。 時(shí)隙互換：把時(shí)分復(fù)用幀中各個(gè)時(shí)隙的信號(hào)互換位置 。 基本原理： 2. 所有 N路輸入的波長(zhǎng)為 λi(i=1,2,…,W)的信號(hào)送到 λi空分交換器 ， 進(jìn)行同一波長(zhǎng) N路 (空分 )信號(hào)的交叉連接 ，如何交叉連接由控制器決定 。 利用光孤子作載體的通信稱光孤子通信 。 tt??? )(?tn?t??圖 34 脈沖的光強(qiáng)頻率調(diào)制 － 15 － 10 － 5 0 5 10－ 15 － 10 － 5 0 5 10－ 250250 . 00 . 51 . 0時(shí)間 / p s時(shí)間 / p s頻率 / cm－1光強(qiáng)設(shè)光纖無(wú)損耗 ， 光纖中傳輸?shù)囊颜{(diào)波為線性偏振模式 ，場(chǎng)可表示為 ? ?00( , , ) ( ) ( , ) e xp ( ) ( 22 )E r z t R r U z t i t z??? ? ?式中， R(r)為徑向本征函數(shù)， U(z,t)為脈沖的調(diào)制包絡(luò)函數(shù) ,ω0為光載波頻率， β0為調(diào)制頻率 ω=ω0時(shí)的傳輸常數(shù)。表示非線性效應(yīng)對(duì)光脈稱為非線性長(zhǎng)度。km)－1)? ( ? m)λD為零色散波長(zhǎng) 。 在傳播過(guò)程中 ， “ 紫 ”尾逐漸接近 “ 紅 ” 頭 ， 脈沖被壓縮 。 五、相干光通信技術(shù) 光強(qiáng)調(diào)制 直接檢測(cè) (IMDD)優(yōu)點(diǎn)是調(diào)制和解調(diào)簡(jiǎn)單 ，易實(shí)現(xiàn) ， 成本較低 。 圖 38 相干檢測(cè)原理方框圖 光檢測(cè)器電信號(hào)處理基帶信號(hào)本地光振蕩器混頻器信號(hào)光?S?L式中 , AL、 ωL和 φL分別為本振光的幅度 、 頻率和相位 。 ? 零差檢測(cè)信號(hào)與直接檢測(cè)信號(hào)平均光功率之比為 ? ? 。 ? 零差檢測(cè)技術(shù)復(fù)雜，相位變化靈敏， 必須控制相位， 使 φSφL保持不變， ωL和 ωS相等。 對(duì)于二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)調(diào)制 ， 多數(shù)情況 ， “ 0” 碼傳輸 ， 使 AS=0， “ 1”碼傳輸 ， 使 AS=1。 3. 頻移鍵控 (FSK)： 基帶數(shù)字信號(hào)只控制光載波的頻率，稱頻移鍵控 (FSK)。 異步解調(diào)簡(jiǎn)化接收機(jī)設(shè)計(jì) ， 技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn) 。 PN224( 47 )s Q hfBP ??3. 靈敏度： 為確定接收靈敏度，利用式 (40)和式 (45)得到 hf=hc/λ, h為普朗克常數(shù) ， c為光速 ， λ為光波長(zhǎng) 。 1. 使用頻率穩(wěn)定度和頻譜純度很高的激光器作信號(hào)光源和本振光源 。 光時(shí)分復(fù)用原理： 圖 45 光時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)框圖 M o d 1M o d 2…M o d n……合路器光分路器T( n － 1) T超短脈沖發(fā)生器幀同步時(shí)鐘E / O M U X接收機(jī)誤碼檢測(cè)光帶通濾波器全光開關(guān)D E M U X光波時(shí)鐘產(chǎn)生時(shí)鐘提取電路E D F A延時(shí)線陣列待傳數(shù)據(jù)輸入實(shí)現(xiàn) OTDM 需解決的關(guān)鍵技術(shù)： 1. 超短光脈沖光源； 2. 超短光脈沖的長(zhǎng)距離傳輸和色散抑制技術(shù)； 3. 幀同步及路序確定技術(shù)； 4. 光時(shí)鐘提取技術(shù)； 5. 全光解復(fù)用技術(shù) 。 ? 優(yōu)點(diǎn)：輸入動(dòng)態(tài)范圍大 ， 不需光濾波器 ， 對(duì)輸 入光的偏振不敏感 ， 對(duì)信號(hào)具有再生能力 。 2. 全光方法： 主要有基于半導(dǎo)體光放大器 (SOA)中的交叉增益調(diào)制 (XGM)和交叉相位調(diào)制 (XPM)以及基于半導(dǎo)體光放大器或光纖中的四波混頻 (FWM)和不同頻率產(chǎn)生 (DFG)。 2. 在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，可提高鏈路上現(xiàn)有波長(zhǎng)的利用率。 相干光系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)是： 2. 匹配技術(shù)。 最小平均接收光功率 相干檢測(cè)中，通常用每比特光子數(shù) 表示靈敏度。異步解調(diào)要求信噪比 (SNR) 高，但異步解調(diào)接收機(jī)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，對(duì)信號(hào)光源和本振光源的譜線要求適中。 傳輸“ 0”碼和傳輸 “ 1”碼時(shí) ， 分別用頻率 f0(=ω0/2π)和f1(=ω1/2π)表示 。 ? ?( ) c os ( ) ( 35 )s s sE t A t t????? PSK的光場(chǎng)表達(dá)式為 ? PSK中 ， AS保持不變 ， 只對(duì)相位進(jìn)行調(diào)制 。 調(diào)制和解調(diào) 相干檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)：可對(duì)光載波實(shí)施幅度 、 頻率或相位調(diào)制 。 2 ( 32)P S LI P P??? 考慮本振光相位鎖定在信號(hào)光相位上 ， 即 φL=φS， ? PL PS， 零差檢測(cè)接收光功率可放大幾個(gè)數(shù)量級(jí) 。 保持信號(hào)光偏振方向不變 ， 控制本振光的偏振方向 ， 使之與信號(hào)光的偏振方向相同 。 相干光是兩個(gè)激光器產(chǎn)生的光場(chǎng)具有空間疊加 、 相互干涉性質(zhì)的激光 。 被調(diào)制的光孤子流經(jīng)摻鉺光纖放大器和光隔離器后 ， 進(jìn)入光纖傳輸 。 光脈沖在反常色散光纖中傳輸時(shí)， 由于非線性效應(yīng)產(chǎn)生啁啾被壓縮或展寬。 20 0 0 0 0 21( , ) ( ) ( ) ( 24)2PP? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?式 (24)略去高次項(xiàng)，但仍描述光脈沖在光纖中傳輸?shù)奶匦?，式中右邊第三?xiàng)和第四項(xiàng)最重要，體現(xiàn)光纖色散和非線性效應(yīng)的影響。 β是折射率和光功率的函數(shù)。 強(qiáng)光作用下，光纖折射率 n可表示為 2( ) ( ) ( ) ( 20)wLt n t L n tc??? ? ? ? ? ? 引起相位變化為光強(qiáng)感應(yīng)的折射率變化的光纖中傳輸，的光脈沖在長(zhǎng)度光強(qiáng)為設(shè)波長(zhǎng)為,)()( 222tEntnLE???光纖折射率 n隨光強(qiáng) |E|2變化特性 ， 稱克爾效應(yīng) 。 波長(zhǎng)變換法 是用同一個(gè) NW NW空分交換器處理 NW路信號(hào)的交叉連接 ， 空分交換器輸出須加波長(zhǎng)變換器 ， 后進(jìn)行波分復(fù)接 。 時(shí)分復(fù)用：把時(shí)間劃分成幀 ， 每幀劃分成 N個(gè)時(shí)隙分配給 N路信號(hào) ， 再把 N路信號(hào)復(fù)接到一條光纖上 。 空分光交換的核心器件是光開關(guān) 。 與偏振無(wú)關(guān)的 AOTF， 實(shí)現(xiàn)方式和與偏振無(wú)關(guān)的隔離器類似 ， 將輸入光信號(hào)分解為 TE和 TM兩個(gè)分量 ， 分別通過(guò) AOTF后在輸出端組合在一起 。 假設(shè)輸入光是 TE模 ， 只能選擇 TM模的偏振器放在波導(dǎo)輸出端 。 與多級(jí) MZI相比 ， AWG損耗低 ， 通帶平坦 ， 易集成在一塊襯底上 。在第二個(gè)定向耦合器的輸出 1處，來(lái)自下臂的信號(hào)比來(lái)自上臂的信號(hào)延遲 π/2，在輸出 1處，兩信號(hào)總相位差為 π/2+βΔL+ π/2 。 改成多腔后與單腔相比 ， 通帶頂