1、第7章光纤通信新技术 第7章光纤通信新技术 第7章光纤通信新技术 在光放大器研制成功之前，主要采用光电混合中继器（或称再生器）放大光信号。首先将光纤中送来的光信号转换为电信号，然后对电信号进行放大，最后再将放大了的电信号转换为光信号送到光纤中去，如图7-1所示。根据不同的要求，可将再生器分为三种类型:只有放大和均衡功能的1R再生器，用于模拟信号的传输;2R再生器，即 在 1 R 的 基 础 上 加 上 数 字 信 号 处 理(如 整 形(Reshaping)的再生器；3R再生器，即在2R的基础上再增加重新定时与判决功能（Retiming）的再生器。它们的功能如图7-2所示。6.1 光放大器的作
2、用与一般特性光放大器的作用与一般特性第7章光纤通信新技术 图图7-1 传统的中继器原理框图传统的中继器原理框图 第7章光纤通信新技术 图图7-2 三种再生器的功能三种再生器的功能第7章光纤通信新技术 尽管这种方式对于单个波长且数据速率不太高的通信很适用，但对于高速率的多个波长系统显然是相当复杂的，每一波长就需一个再生器，如有N个波长就需要N个这样的再生器，造价是相当高的。另一方面，对于很高的数据速率，电放大器的实现难度很大。因此，人们试图对光信号直接放大，如果这种放大的带宽较宽，则可以同时对多个波长进行放大，因而只需一个放大器即可。人们经过很大的努力，终于研制成功了全光放大器，它可同时对多个波
3、长进行放大。光放大器从功能上来看属于1R再生器。第7章光纤通信新技术 光放大器的分类光放大器的分类 半导体光放大器半导体光放大器 优点是体积小，制造工艺成熟，便于与其他光器件集优点是体积小，制造工艺成熟，便于与其他光器件集成，在波分复用系统中可用作光开关和波长变换器。工作成，在波分复用系统中可用作光开关和波长变换器。工作波段可覆盖波段可覆盖1.3m和和1.5 m波段。波段。缺点是与光纤耦合困难，耦合损耗大，对光的偏振特缺点是与光纤耦合困难，耦合损耗大，对光的偏振特性敏感，噪声及串扰较大。性敏感，噪声及串扰较大。掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器 利用稀土金属离子作为激光器工作物质的一种放大器。利用稀
4、土金属离子作为激光器工作物质的一种放大器。非线性光纤放大器非线性光纤放大器 包括受激拉曼光纤放大器和受激布里渊光纤放大器。包括受激拉曼光纤放大器和受激布里渊光纤放大器。第7章光纤通信新技术 研究开发光纤通信的初期就已着手研制SOA了，但受噪声、偏振相关性、连接损耗、非线性失真等因素的影响，其性能达不到实用化要求。应用量子阱材料的SOA具有结构简单，可批量生产,成本低,寿命长,功耗小等优点，并且便于与其他部件一块集成，可望制作出1310 nm和1540 nm波段的宽带放大器，以覆盖EDFA、PDFA的应用窗口。SOA在波长变换器中的应用现已引起广泛重视，并将逐步得到应用。半导体光放大器半导体光放
5、大器SOA第7章光纤通信新技术 SOA的放大原理的放大原理 u 半导体光放大器的工作原理与所有的光放大器一样，半导体光放大器的工作原理与所有的光放大器一样，也是利用受激辐射来实现对入射光功率的放大的，产生也是利用受激辐射来实现对入射光功率的放大的，产生受激辐射所需的粒子数反转机制与半导体激光器中使用受激辐射所需的粒子数反转机制与半导体激光器中使用的完全相同，即采用正向偏置的的完全相同，即采用正向偏置的PN结，对其进行电流注结，对其进行电流注入，实现粒子数反转分布。入，实现粒子数反转分布。SOA与半导体激光器的结构与半导体激光器的结构相似，但它没有反馈机制，而反馈机制对产生相干的激相似，但它没有
6、反馈机制，而反馈机制对产生相干的激光是很必要的。因此光是很必要的。因此SOA只能放大光信号，但不能产生只能放大光信号，但不能产生相干的光输出。相干的光输出。第7章光纤通信新技术 l SOA有两种主要结构，即法布里-珀罗放大器(FPA)和非谐振的行波放大器(TWA)。在FPA中，形成PN结有源区的晶体的两个解理面作为法布里-珀罗腔的部分反射镜，其自然反射率达到32%。为了提高反射率，可在两个端面上镀多层介电薄膜。当光信号进入腔内后，它在两个端面来回反射并得到放大，直至以较高的功率发射出去。FPA的制作容易，但要求注入电流和温度的稳定性较高，光信号的输出对放大器的温度和入射光的频率变化敏感。第7章
7、光纤通信新技术 l 行波放大器TWA的结构与FPA的基本相同，但两个端面上镀的是增透膜，习惯称为防反射膜或涂层AR。镀防反射涂层的目的是为了减少SOA与光纤之间的耦合损耗，因此有源区不会发生内反射，但只要注入的电流在阈值以上，在腔内仍可获得增益，入射光信号只需通过一次TWA就会得到放大。TWA的功率输出高，对偏振的灵敏度低，光带宽宽，因而它比FPA使用得更广。SOA最大的优点是它使用InGaAsP来制造，因此体积小、紧凑，可以与其他半导体和元件集成在一起。第7章光纤通信新技术 u(1)它们与偏振有关，因此需要保偏光纤。u(2)它们具有可靠的高增益(20 dB)。u(3)它们的输出饱和功率范围是
8、510 dBm。u(4)它们具有大的带宽。u(5)它们工作在0.85m，1.30m和1.55m波长范围。u(6)它们是小型化的半导体器件，易于和其他器件集成。u(7)几个SOA可以集成为一个阵列。u但是，由于非线性现象(四波混频)，SOA的噪声指数高，串扰电平高。SOA的主要特性的主要特性第7章光纤通信新技术 1.光信号放大器光信号放大器 因为在世界范围内已铺设了大量的常规单模光纤，还有很多系统工作在1.30m波段，并需要周期性的在线放大器，而工作波长为1.30m的EDFA目前尚未达到实用化的水平，所以仍然需要SOA。2.光电集成器件光电集成器件 半导体放大器可与光纤放大器相抗衡的优点是体积小
9、、成本低以及可集成性,即可以集成在含有很多其它光电子器件(例如激光器和检测器)的基片上。SOA的性能与应用的性能与应用 第7章光纤通信新技术 3.光开关光开关 除了能提供增益外，半导体放大器在光交换系统中可以作为高速开关元件使用。因为半导体在有泵浦时可以产生放大，而在没有泵浦时产生吸收。其运转很简单，当提供电流泵浦时信号通过，而需要信号阻断时将泵浦源断开。通过的信号因半导体中载流子数反转而得到放大，而受阻的信号则因半导体没有达到载流子反转数而被吸收。值得注意的是，只有半导体放大器才能够完成高速交换，在光纤放大器中由于载流子寿命太长而难以做到这一点。4.全光波长变换器全光波长变换器AOWC SO
10、A的一个主要应用是利用SOA中发生的交叉增益调制、交叉相位调制和四波混频效应来实现波长转换。第7章光纤通信新技术 7.1.1 EDFA(Erbium-Doped Fiber Amplifier)的工作原理的工作原理 铒(Er)是一种镧系稀土元素，原子序数是68，原子量为167.3，利用其4f能级。在制造光纤过程中，设法向其掺入一定量的三价铒离子，便形成了掺铒光纤(EDF)。除了所掺的铒以外，这种光纤的构造与通信中单模光纤的构造一样，如图7-4所示。铒离子位于EDF的纤芯中央地带，将铒离子放在这里有利于其最大地吸收泵浦和信号能量，从而产生好的放大效果。环绕在纤芯外的折射率较低的玻璃包层则完善了波
11、导结构并提供了抗机械强度的特性，保护层的加入则将光纤总直径增大到250m。由于它的折射率较包层而言有所增加，因而它可将任何不希望在其包层中传播的光转移掉。7.1光光 纤纤 放放 大大 器器第7章光纤通信新技术 在掺铒光纤在掺铒光纤(EDF)中，铒离子中，铒离子(Er3+)有三个能级。有三个能级。其发光原理可用三能级系统来解释，基态为其发光原理可用三能级系统来解释，基态为4I15/2，亚稳，亚稳态为态为4I13/2，激发态为，激发态为4I11/2。在泵浦光的激励下，。在泵浦光的激励下，4I11/2能能级上的粒子数不断增加，又由于其上的粒子不稳定，级上的粒子数不断增加，又由于其上的粒子不稳定，很很
12、快跃迁到亚稳态快跃迁到亚稳态4I13/2能级，从而实现了粒子数反转。能级，从而实现了粒子数反转。当当具有具有1550 nm波长的光信号通过这段掺铒光纤时，亚稳波长的光信号通过这段掺铒光纤时，亚稳态的粒子以受激辐射的形式跃迁到基态，并产生出和入态的粒子以受激辐射的形式跃迁到基态，并产生出和入射光信号中的光子一模一样的光子，从而大大增加了信射光信号中的光子一模一样的光子，从而大大增加了信号光中的光子数量，即实现了信号光在掺铒光纤的传输号光中的光子数量，即实现了信号光在掺铒光纤的传输过程中不断被放大的功能，掺铒光纤放大器也由此得名。过程中不断被放大的功能，掺铒光纤放大器也由此得名。掺铒光纤放大器放大
13、原理掺铒光纤放大器放大原理第7章光纤通信新技术 u 在铒粒子受激辐射的过程中，有少部分粒子以自发辐射形式自己跃迁到基态，产生带宽极宽且杂乱无章的光子，并在传播中不断地得到放大，从而形成了自发辐射放大ASE(Amplified Spontaneous Emission)噪声，并消耗了部分泵浦功率，因此，需增设光滤波器以降低ASE噪声对系统的影响。目前，由于980 nm和1480 nm的泵浦效率高于其他波长的泵浦效率，因此它们得到了广泛的应用，并已完全商用化。第7章光纤通信新技术 7.1.2 掺铒光纤放大器的构成和特性掺铒光纤放大器的构成和特性 EDFA的基本组成，包括：泵浦激光、波分复用(WDM
14、)耦合器、光隔离器和掺铒光纤(EDF)。这些基本组件可以组成许多不同拓扑结构的放大器。为了获得增益，光能必须注入掺铒光纤中，我们把这种能量称为泵浦，它以980 nm或1480 nm的波长传送光能。泵浦的功率典型范围是10400 mW。WDM合波/分波器能有效地将信号光和泵浦光耦合进/出掺铒光纤。第7章光纤通信新技术 图7.3(b)为实用光纤放大器的构成方框图。掺铒光纤(EDF)和高功率泵浦光源是关键器件，把泵浦光与信号光耦合在一起的波分复用器和置于两端防止光反射的光隔离器也是不可缺少的。光隔离器将系统所产生的任何反射回放大器的光减小到一个可接受的水平。如果没有光隔离器，光反射将降低放大器的增益
15、并附加噪声，如图7.3(a)所示。第7章光纤通信新技术 图图7.3光纤放大器构成方框图光纤放大器构成方框图(a)光纤放大器构成原理图；光纤放大器构成原理图；(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第7章光纤通信新技术 uEDFA常用的结构有三种，即同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。(1)同向泵浦是一种信号光与泵浦光以同一方向从掺铒光纤的输入端注入的结构，也称为前向泵浦。(2)反向泵浦是一种信号光与泵浦光从两个不同方向注入掺铒光纤的结构，也称为后向泵浦。(3)双向泵浦是同向泵浦与反向泵浦结合的方式，它们的原理框图分别示于图7-6(a)、(b)、(c)。第7章光纤通信
16、新技术 关键技术之一：掺铒光纤关键技术之一：掺铒光纤光纤中掺入铒离子形成的激光增益媒质。光纤中掺入铒离子形成的激光增益媒质。掺杂浓度：几百掺杂浓度：几百ppm 芯径芯径：4 m(8 m)长度长度：5m20m设计高增益掺铒光纤(EDF)是实现光纤放大器的技术关键，EDF的增益取决于Er3+的浓度、光纤长度和直径以及泵浦光功率等多种因素，通常由实验获得最佳增益。第7章光纤通信新技术 关键技术之二：关键技术之二：泵浦激光器泵浦激光器将掺铒光纤中的铒离子从将掺铒光纤中的铒离子从E1能级泵到能级泵到E3能级，使其形成能级，使其形成粒子数反转，为，为受激辐射创造条件。创造条件。980nm LD：首选。噪声
17、低。1480nm LD：增益系数高。对泵浦光源的基本要求是大功率和长寿命。波长为1.480m的InGaAsP多量子阱(MQW)激光器，输出光功率高达100mW,泵浦光转换为信号光效率在6 dB/mW以上。波长为 980 nm的泵浦光转换效率更高，达10 dB/mW，而且噪声较低，是未来发展的方向。对波分复用器的基本要求是插入损耗小，熔拉双锥光纤耦合器型和干涉滤波型波分复用器最适用。光隔离器的作用是防止光反射，保证系统稳定工作和减小噪声，对它的基本要求是插入损耗小，反射损耗大。第7章光纤通信新技术 图7.4是EDFA商品的特性曲线，图中显示出增益、噪声系数和输出信号光功率与输入信号光功率的关系。
18、在泵浦光功率一定的条件下，当输入信号光功率较小时，放大器增益不随输入信号光功率而变化，基本上保持不变。当信号光功率增加到一定值(一般为20 dBm)后，增益开始随信号光功率的增加而下降，因此出现输出信号光功率达到饱和的现象。增益饱和增益饱和:一般情况下输入信号应该足够大，一般情况下输入信号应该足够大，以便以便能引起放大器的饱和增益。饱和时的增益随信号功率增能引起放大器的饱和增益。饱和时的增益随信号功率增加而减小。加而减小。第7章光纤通信新技术 7.1.3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：(1)工作波长正好落在光纤通信最佳波段(15001600 nm)；1
19、5301600nm约70nm（9THz）的放大带宽；其主体是一段光纤(EDF)，与传输光纤的耦合损耗很小，只有0.1 dB，与光纤系统完全匹配，无光耦合和镀膜问题。(2)增益高，约为3040 dB;饱和输出光功率大，约为1015 dBm;增益特性与光偏振状态无关。(3)噪声系数小，一般为47 dB;用于多波长信道传输时，无交叉相位调制(XGM)和非线性串扰问题，隔离度大，适用于波分复用系统。第7章光纤通信新技术(4)频带宽，在1550 nm窗口，频带宽度为2040 nm，可进行多波长信道传输，有利于增加传输容量。(5)高饱和输出功率（200mW）。(6)对比特率和调制格式等不敏感，完全透明。如
20、果加上1310 nm掺镨光纤放大器(PDFA)，频带可以增加一倍。所以“波分复用+光纤放大器”被认为是充分利用光纤带宽增加传输容量最有效的方法。1550 nm EDFA在各种光纤通信系统中得到广泛应用，并取得了良好效果。已经介绍过的副载波CATV系统，波分复用(WDM)或光频分复用(OFDM)系统，相干光系统以及光孤子通信系统，都应用了EDFA，并大幅度增加了传输距离。第7章光纤通信新技术 EDFA光纤放大器的应用光纤放大器的应用 光放大器在不同的光纤通信系统中均有应用。图7-7给出了其四种基本的应用。(1)线路放大器(LA，Line Amplifier)：如图7-7(a)所示，即用EDFA线
21、路放大器实现全光中继代替光电光混合中继器，在光纤线路上每隔一定距离设置一个光纤放大器，以延长干线网的传输距离。当光纤色散和放大器自发辐射噪声累积尚未使系统性能恶化到不能工作时，这种代替是完全可行的，特别是对多信道光波系统更有诱惑力，可以节约大量的设备投资。第7章光纤通信新技术 图图7-7 光放大的四种应用情形光放大的四种应用情形(a)线路放大器；线路放大器；(b)后置放大器；后置放大器；(c)前置放大器；前置放大器；(d)功率补偿放大器功率补偿放大器第7章光纤通信新技术 (2)后置放大器(BA,Booster Amplifier)：如图7-7(b)所示，即将光放大器接在光发送机后，以提高光发送
22、机的发送功率，增加传输距离。这种放大器又称为功率放大器。(3)前置放大器(PA,Preamplifier)：如图7-7(c)所示,即将光放大器接在光接收机前，以提高接收功率和信噪比，增加通信距离。(4)功率补偿放大器：如图7-7(d)所示,即将光放大器用于补偿局域网中的分配损耗，以增大网络节点数，还可以将光放大器用于光子交换系统等多种场合，这种放大器亦称为功率放大器。在光波系统中，不同的应用对光放大器有不同的要求。从四种放大器的性能看，掺铒光纤放大器(EDFA)最适合光波通信系统。第7章光纤通信新技术 第7章光纤通信新技术 第7章光纤通信新技术 7.1.4 拉曼光纤放大器拉曼光纤放大器FRAu
23、拉曼现象在1928年被发现。u拉曼散射效应，是指当输入到光纤中的光功率达到一定数值时(500mW即27dBm以上)，光纤结晶晶格中的原子会受到震动而相互作用，从而产生散射现象，其结果将较短波长的光能量向较长波长的光转移。第7章光纤通信新技术 u90年代早期，EDFA取代它成为焦点，FRA受到冷遇。u随着光纤通信网容量的增加，对放大器提出新的要求，传统的EDFA已很难满足，FRA再次成为研究的热点。u特别是高功率二极管泵浦激光器的迅猛发展，又为FRA的实现奠定了坚实的基础。u人们对FRA的兴趣来源于这种放大器可以提供整个波长波段的放大。通过适当改变泵浦激光波长，就可以达到在任意波段进行宽带光放大
24、，甚至可在12701670nm整个波段内提供放大。第7章光纤通信新技术 工作原理工作原理 受激喇曼散射（SRS）是三阶非线性光学效应，是由光纤物质中原子振动参与的光散射现象。晶体中原子的振动形成晶体中的格波，格波的能量是量子化的，对频率为的格波，它的每份能量是h，被称为一个声子。受激喇曼散射是光学支声子参与的光散射。喇曼散射的基本过程：Stokes过程：下频移 反Stokes过程：上频移。Stokes过程是主要的。喇曼增益谱宽，峰值位置在频移13THz处insvhhhainvhhh第7章光纤通信新技术 7.1.5 受激拉曼光纤放大器受激拉曼光纤放大器SRA的放大原理的放大原理 拉曼效应是在光纤
25、介质中传输高功率信号时发生的非线性相互作用，它是由介质的分子激励(声子)所诱发的非弹性光子散射。光与声子相互作用导致斯托克斯(Stokes)线的频移(与信号光频不同)，适当地选择光纤介质和泵浦频率，可以将Stokes线调谐到被放大信号的频率上。第7章光纤通信新技术 受激拉曼散射(SRS)过程可以看成是物质分子对光子的散射过程，或者说光(光子)与物质(分子)的相互谐振作用过程。SRS的基本过程是激光束进入介质以后，光子被介质吸收，使介质分子由基能级E1激发到高能级E3,E3E1p。这里，H=h2(h是普朗克常量)，p是入射光角频率。但高能级是一个不稳定状态，它将很快跃迁到一个较低的亚稳态能级E2
26、并发射一个散射光子，其角频率为s,且s0，得到0，频率下移；在脉冲顶部，|E|2不变，=0，得到=0，频率不变；在脉冲下降部分，|E|2减小，0，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。这种情况称脉冲产生线性调频，或称啁啾(Chirp)。(7.21)(2)()(tntLttttntntn第7章光纤通信新技术 图7.34脉冲的光强频率调制第7章光纤通信新技术 设光纤无损耗，在光纤中传输的已调波为线性偏振模式，其场可以表示为E(r,z,t)=R(r)U(z,t)expi(0t0z)(7.22)式中，R(r)为径向本征函数，U(z,t)为脉冲的调制包络函数，0为光
27、载波频率，0为调制频率=0时的传输常数。设已调波E(r,z,t)的频谱在=0处有峰值，频谱较窄，则可近似为单色平面波。由于非线性克尔效应，传输常数应写成(7.23)eff20APnncnc第7章光纤通信新技术 式中，P为光功率，Aeff为光纤有效截面积。由此可见，不仅是折射率的函数，而且是光功率的函数。在0和P=0附近，把展开成级数，得到(,P)=0+0(0)+0(0)2+2P (7.24)式中,，Vg为群速度，即脉冲包络线的运动速度。，比例于一阶色散，描述群速度与频率的关系。令，LNL称为非线性长度，表示非线性效应对光脉冲传输特性的影响。21gV1|000|220 eff2eff02/|/c
28、AnAPPNL21LP 第7章光纤通信新技术 式(7.24)虽然略去高次项，但仍较完整地描述了光脉冲在光纤中传输的特性，式中右边第三项和第四项最为重要，这两项正好体现了光纤色散和非线性效应的影响。如果00，适当选择相关参数，使两项绝对值相等，光纤色散和非线性效应便相互抵消，因而输入脉冲宽度保持不变，形成稳定的光孤子。现在我们回顾一下光纤色散。波长为的光纤色散系数C()的定义为(7.25)022)dd(dddd)(cC第7章光纤通信新技术 式中,=dd=1/Vg为群延时，Vg为群速度；=2f=2c/为光载波频率，c为光速；0=d2/d2,比例于一阶色散。式(7.25)描述的单模光纤色散特性如图7
29、.35所示，图中D为零色散波长。在D时，C()0，称为光纤正常色散区；在D时，C()0,0PS，同时考虑到本振光相位锁定在信号光相位上，即L=S，这样便得到零差检测的光生信号电流为IP(t)=2 cos(t)(7.32)LSPPLSPP第7章光纤通信新技术 零差检测信号平均功率与直接检测信号平均功率之比为42PSPL/(2PS2)=4PL/PS。由于PLPS，零差检测接收信号功率可以放大几个数量级。虽然噪声也增加了，但是灵敏度仍然可以大幅度提高。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SL保持不变，同时要求L和S相等。第7章光纤通信新技术 2.外差检测外差检测选择LS，即I
30、F=SL0，这种情况称为外差检测。通常选择fIF(=IF/2)在微波范围。这时中频信号产生的电流为Iac(t)=2cosIFt+(SL)+(t)(7.33)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3 dB，但是接收机设计相对简单，因为不一定需要相位锁定。需要指出，对于相位调制，还需要采用鉴相器将式(7.32)或式(7.33)中的(t)解调出来。LSPP第7章光纤通信新技术 7.5.2调制和解调调制和解调如前所述，相干检测技术的主要优点是可以对光载波实施幅度、频率或相位调制。对于模拟信号，有三种调制方式，即幅度调制(AM)、频率调制(FM)和相
31、位调制(PM)。对于数字信号，也有三种调制方式，即幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)。第7章光纤通信新技术 1.幅移键控幅移键控(ASK)基带数字信号只控制光载波的幅度变化，称为幅移键控(ASK)。ASK的光场表达式为ES(t)=AS(t)cos(St+S)(7.34)式中,AS、S和S分别为光场的幅度、中心角频率和相移。在ASK中，只对幅度进行调制。对于二进制数字信号调制，在大多数情况下，“0”码传输时，使AS=0，“1”码传输时，使AS=1(或者相反)。第7章光纤通信新技术 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。如果采用
32、直接光强调制，幅度变化将引起相位变化。外调制器通常用钛扩散的铌酸锂(Ti:LiNbO3)波导制成的马赫-曾德尔(MZ)干涉型调制器。这种调制器在消光比大于20时，调制带宽可达20 GHz。第7章光纤通信新技术 2.相移键控相移键控(PSK)基带信号只控制光载波的相位变化，称为相移键控(PSK)。PSK的光场表达式为ES(t)=AS cosSt+(t)(7.35)在PSK中，只对相位进行调制。传输“0”码和传输“1”码时，分别用两个不同相位(通常相差180)表示。如果传输“0”时，光载波相位不变，传输“1”码时，相位改变180，这种情况称为差分相移键控(DPSK)。对于二进制数字信号调制，相位通
33、常取0和两个值。电脉冲为“0”码时，光脉冲相位为0，电脉冲为“1”码时，光脉冲相位为。PSK系统必须用相干检测，如果信号光不与本振光混频而直接检测，所有的信息都将丢失。第7章光纤通信新技术 和ASK使用的MZ干涉型调制器相比，设计PSK使用的相位调制器要简单得多。这种调制器只要选择适当的脉冲电压，就可以使相位改变=。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。第7章光纤通信新技术 3.频移键控频移键控(FSK)基带数字信号只控制光载波的频率，称为频移键控(FSK)。FSK的光场表达式为ES(t)=AS cos(S)t+S(7.36)在FSK中，AS保持不变，只对
34、频率进行调制。传输“0”码和传输“1”码时，分别用频率f0(=0/2)和f1(=1/2)表示。对于二进制数字信号，用(S)和(S+)分别表示“0”码和“1”码。2f(=2/2)称为码频间距。在式(7.36)中，(S)t+S和St+(St)是等效的，因此FSK信号的相位是随时间变化的。第7章光纤通信新技术 相干检测的解调方式有两种：同步解调和异步解调。用零差检测时，光信号直接被解调为基带信号，要求本振光的频率和信号光的频率完全相同，本振光的相位要锁定在信号光的相位上，因而要采用同步解调。同步解调虽然在概念上很简单，但是技术上却很复杂。用外差检测时，不要求本振光和信号光的频率相同，也不要求相位锁定
35、，可以采用同步解调，也可以采用异步解调。对于PSK信号，必须采用同步解调，要求恢复中频载波IF，并实现鉴相，因而要求一种电的锁相环路。异步解调简化了接收机设计，技术上容易实现，只要采用检测器(实现包络检波或频率检波)即可。第7章光纤通信新技术 7.5.3误码率和接收灵敏度误码率和接收灵敏度1.信噪比信噪比相干光通信系统光接收机的性能可以用信噪比(SNR)定量描述。系统总平均噪声功率(均方噪声电流)为 (7.37)式中,i2s和i2T分别为散粒噪声功率和热噪声功率，e为电子电荷，Id为光检测器暗电流，B为等效噪声带宽，kT为热能量，RL为光检测器负载电阻，Ip为光生电流，由式(7.31)或式(7
36、.32)确定。BRkTBIIeiiiLdp2T2s2n4)(2第7章光纤通信新技术 外差检测的信噪比大多数相干光接收机的噪声由本振光功率PL引入的散粒噪声所支配，与信号光功率的大小无关，因此，式(7.38)中的Id和i2T项可以略去，由此得到2TdLLs22n2ac)(22SNRiBIPePPIIeBPsSNR(7.38)(7.39)第7章光纤通信新技术 光检测器的响应度=e/hf,为光检测器量子效率，e和hf分别为电子电荷和光子能量；等效噪声带宽B=fb/2，fb为传输速率；平均信号光率Ps可以用每比特时间内的光子数Np表示为Ps=Nphffb (7.40)把上述关系代入式(7.39)得到S
37、NR=2Np (7.41)零差检测的平均信号光功率是外差检测的2倍，所以零差检测的信噪比SNR=4Np (7.42)第7章光纤通信新技术 2.误码率误码率误码率(BER)可以由信噪比(SNR)确定。以ASK零差检测为例，设判决信号为Ia=(Ip+ic)(7.43)式中,Ip=2(PsPL)1/2为信号光生电流，ic为高斯随机噪声。设“0”码和“1”码时，Ip分别取I0和I1，在理想情况下，误码率21)2erfc(21BERQ(7.44)第7章光纤通信新技术 式中,Q=(I1I0)/,N0和N1分别为“0”码和“1”码的等效噪声功率。设N0=N1，I0=0，则得到把式(7.45)和式(7.42)
38、代入式(7.44)，得到在“0”码和“1”码概率相等条件下，对于ASK，NP=2Np,Np为长比特流情况下，每比特平均光子数。用类似方法可以得到各种调制和解调方式的相干接收机BER和极限灵敏度。01NN 2/111(SNR)212NIQ2/1p2erfc21BERN(7.45)(7.46)第7章光纤通信新技术 3.灵敏度灵敏度为确定接收灵敏度，利用式(7.39)和式(7.45)得到式中利用了=e/hf。最小平均接收光功率(7.48)hfBQPP2Smins22hfBQP2s4(7.47)第7章光纤通信新技术 例如光波长为1.55 m的ASK外差检测，设=1，B=1 GHz。hf=hc/,h为普
39、朗克常数，c为光速，为光波长。当BER=109时，Q6，由式(7.48)计算得到Psmin=10 nW或Pr=50 dBm。在相干检测中，通常用每比特光子数Np表示灵敏度。在相同假设条件下，由式(7.48)得到Psmin=72 hf由此得到每比特光子数Np=72或Np=36。第7章光纤通信新技术 表7.2和图7.43示出不同调制方式相干检测接收机误码率和量子极限灵敏度。由表可见，一个理想的直接检测光接收机，在BER=109时，要求每比特10个光子(Np=10)，该值几乎接近最好的相干接收机PSK 零差检测接收机的Np,而比所有的其他相干接收机都好。然而，实际上因为热噪声、暗电流和其他许多因素的
40、影响，绝不会达到这个数值，通常只能达到Np1000。然而在相干接收的情况下，表中的数值很容易实现，这是因为借助增加本振光功率，使散粒噪声占支配地位的结果。第7章光纤通信新技术 7.5.4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的主要优点是：(1)灵敏度提高了1020 dB，线路功率损耗可以增加到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，所以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
41、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。第7章光纤通信新技术 相干光系统的关键技术是：(1)必须使用频率稳定度和频谱纯度都很高的激光器作为发射光源和接收机本振光源。在相干光系统中，中频一般选择为21082109 Hz，1550 nm的光载频约为21014 Hz，中频是光载频的106105倍，因此要求光源频率稳定度优于108。一般激光器达不到要求，必须研究稳频技术，如以分子标准频率作基准，稳定度可达1012。信号光源和本振光源频谱纯度必须很高，例如中频选择100 MHz，频谱宽度应为几千赫兹，一
42、般激光器满足不了这个要求。必须采用频谱压缩措施，提高频谱纯度，目前优质DFB-LD频谱宽度可达几千赫兹。第7章光纤通信新技术(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，才能获得高的混频效率，这种匹配包括空间匹配、波前匹配和偏振方向匹配。第7章光纤通信新技术 7.6光时分复用技术光时分复用技术提高速率和增大容量是光纤通信的目标。电子器件的极限速率大约20 Gb/s，现在通过电时分复用(TDM)已经达到这个极限速率。若想要继续提高速率，就必须在光域中想办法。一般有两种途径：波分复用(WDM)和光时分复用(OTDM)。多年来，WDM技术研究非常热，已经成熟并实用化；而OTD
43、M技术还处于实验研究阶段，许多关键技术还有待解决。OTDM是在光域上进行时间分割复用，一般有两种复用方式：比特间插(Bit-interleaved)和信元间插(Cell-interleaved),比特间插是目前广泛被使用的方式，信元间插也称为光分组(Optical Packet)复用。第7章光纤通信新技术 系统光源是超短光脉冲光源，由光分路器分成N束，各支路电信号分别被调制到各束超短光脉冲上，然后通过光延迟线阵列，使各支路光脉冲精确地按预定要求在时间上错开，再由合路器将这些支路光脉冲复接在一起，于是便完成了在光时域上的间插复用。接收端的光解复用器是一个光控高速开关，在时域上将各支路光信号分开。
44、要实现OTDM，需要解决的关键技术有：(1)超短光脉冲光源；(2)超短光脉冲的长距离传输和色散抑制技术；(3)帧同步及路序确定技术；第7章光纤通信新技术(4)光时钟提取技术；(5)全光解复用技术。对这些技术，国内外正在进行大量理论和实验研究，有些技术有一些成熟方案，有些技术还存在着相当大的困难。并且OTDM要在光上进行信号处理、时钟恢复、分组头识别和路序选出，都需要全光逻辑和存储器件，这些器件至今还不成熟，所以OTDM离实用化还有相当大的距离。第7章光纤通信新技术 7.7波长变换技术波长变换技术波长变换(WC，Wavelength Conversion)是将信息从承载它的一个波长上转到另一个波
45、长上。在WDM光网络中使用波长变换技术的原因有：首先，信息可以通过WDM网络中不适宜使用的波长进入WDM网络。例如在现阶段光纤通信中大量使用1310 nm窗口的LED或FP LD光源，这些波长或光源均不适合WDM系统，因此在WDM系统的输入和输出处，都要在这些波长与1550 nm附近的波长之间进行转换。第7章光纤通信新技术 其次，在网络内部，可以提高链路上现有波长的利用率。引入波长变换技术，可以实现波长的再利用，有效地进行波长路由选择，降低网络阻塞率，从而提高WDM网络的灵活性和可扩充性。最后，如果不同网络由不同的组织管理，并且这些网络没有协调一致的波长分配，那么在网络之间就可以使用波长变换器
46、。波长变换的基本方法有两种：光/电/光方法和全光方法。第7章光纤通信新技术 1.光光/电电/光方法光方法将光信号经光/电转换变成电信号，电信号再调制所需波长的激光器，从而实现波长变换。这是目前惟一成熟的波长变换技术，其优点有：输入动态范围大，不需要光滤波器，对输入光的偏振不敏感，并且对信号具有再生能力。其缺点是失去了全光网络的透明性。第7章光纤通信新技术 2.全光方法全光方法全光波长变换技术主要基于半导体光放大器(SOA，Semiconductor Optical Amplifier)中的交叉增益调制(XGM，Cross-Gain Modulation)和交叉相位调制(XPM，Cross-Phase Modulation)以及基于半导体光放大器或光纤中的四波混频(FWM，Four Wave Mixing)和差频产生(DFG，Difference Frequency Generation)机制。这些技术现阶段均不成熟，还处于研究探索之中。对波长变换技术的要求有：对比特率和信号格式应具有透明性；较宽的变换范围，既能向长波长变换又能向短波长变换；适当的输入光功率(不大于0 dBm)；变换速率快；对偏振不敏感，低啁啾输出，高信噪比，高消光比；实现简单等。
