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光纤数字通信系统 1 光纤通信系统新技术简述2 波分复用（WDM）光纤数字通信系统3 光中继器1 光纤通信系统新技术简述从20世纪90年代起，光纤通信进入了一个发展十分迅速、新技术不断涌现的新阶段本节简要介绍多信道复用光纤通信系统、微波副载波复用光纤传输系统、相干光通信系统、光纤孤子通信系统的基本概念和发展状况1．多信道复用光纤通信技术（1）光波分复用（OWDM）技术在光域内进行波长分割复用，使不同的信道占用不同的 波长，在单根光纤、多个波长上完成多信道复用，而光 信号的中继放大则用掺铒光纤放大器来实现该技术已 经实用化2）光时分复用（OTDM）技术在光域内进行时间分割复用，使不同的信道占用不同的 时隙，在单根光纤、单个波长上完成多信道复用由于 要在光域内对信号进行选路、识别、同步等处理，故需 要全光逻辑和存储器件，而这些器件目前尚不成熟，所 以OTDM还在研究之中3）光码分复用（OCDM）技术在光域内进行码型分割复用，用不同的码型代表不同的 信道，在单根光纤、单个波长上完成多信道复用目前 ，该技术尚在研究之中2．微波副载波复用（SCM）技术在发送端用基带电信号对微波信号进行幅度、频率或相 位调制，形成已调信号副载波，再将多路已调信号副载 波合起来共同对一个光源进行强度调制，然后经单根光 纤传输；在接收端经光/电转换后用可调微波本振信号 混频进行检测。

目前，目前，SCMSCM在有线电视系统中已经商品在有线电视系统中已经商品 化 3. 相干光通信技术 在发送端用基带电信号对光载波进行幅度、频率或相位 调制，形成已调信号光波，经单根光纤传输后，在接收 端使用本振相干光与已调信号光波混频进行相干检测 相干光通信对光源的谱线纯度和光频率的稳定性要求非 常苛刻，其完全实用化仍有相当大的距离 4. 光纤孤子通信技术大功率光脉冲输入光纤时，可以产生非线性效应导致光 脉冲压縮通过适当选择有关参数，并采用光纤放大器 来补偿光纤损耗，可使非线性压縮与光纤色散展宽相互 抵消，从而使光纤中传输的光脉冲宽度始终保持不变， 这种光脉冲称为光孤子（Soliton）利用光孤子作为载 波，适合超长距离、超高速的光纤通信目前，世界上已建立了多个光纤孤子实验系统，也进行 了现场试验但从技术成熟性来看，光纤孤子通信还远 未达到实用水平2 波分复用（WDM）光纤数字通信系统2.1 基本概念1．基本问题 （1）目前实用光纤的低损耗区宽度单个工作波长（1.31 µm或1.55 µm）占用光纤低损耗 区的波长范围最多只有2.5％所以，只有一个光载波 信道的单波长光纤通信系统，没有充分利用光纤低损耗 区的带宽资源。

（2）采用波分复用（WDM）方式提高光纤带宽利用率波分复用方式是让不同波长的光信号分别携带各自的用 户信息，同时在一根光纤内传输如果光载波间隔为几 个纳米，则一根光纤（其低损耗区宽度约为200 nm） 可以同时容纳几十个光载波信道2．波分复用系统的分类 单向波分复用系统：发送端有N个光发送器和1个合波 器，接收端有N个光接收器和1个分波器，收发两端共 用一根光纤N个光发送器发送N个不同波长的光波，这些不同波长 的光波通过合波器后合并起来，耦合进单根光纤进行传 输合并光波传送到接收端后，分波器将这N个不同波 长的光波分开，分别送给与这些波长相对应的接收器， 将光波所载荷的信息提取出来利用两套相同的单向波 分复用系统才可以进行双工通信，这需要使用两根光纤 ，故称为双纤单向WDM传输系统  双向波分复用系统：通信两端各有N个光发送器、N个 光接收器和1个合波/分波器（即复用/解复用器），通信 两端共用1根光纤2N个光发送器发送2N个不同波长的光波，分别与对端 光接收器的接收波长一致合波/分波器可以同时完成光波的合并或分开一根光纤能够同时传输来自两个不 同方向的光波利用一套双向波分复用系统就可以进行 双工通信，由于只需要使用一根光纤，故称为单纤双向 WDM传输系统。

3．波分复用系统的基本特点（1）充分利用光纤的低损耗带宽资源，使单根光纤的传 输容量增大几倍至几十倍以上，进一步显示了光纤通信 的巨大优势 （2）各个载波信道彼此独立，可以互不干扰地同时传输 不同特性的信号，各种信号的合路与分路能够方便地进 行，为宽带综合业务数字网的实现提供了可能 （3）初步解决了中继全光化问题，为全光通信网的实现 奠定了基础4）节省了光纤和光电型中继器，大大降低了建设成本 ，方便了已建成系统的扩容4．波分复用系统的主要特性指标（1）信道中心波长：指每个信道内分配给光源的波长2）信道带宽与信道平坦带宽：信道带宽是指每个信道内分配给光源的波长范围；信道平坦带宽是指幅度传输 特性曲线波动范围不超过1 dB的带宽大小，用来表示带宽的平直程度信道平坦带宽越大，越能容纳光源波长 的微小变化3）信道间隔：是指相邻信道的波长间隔通常信道间隔大于信道带宽4）信道隔离度：指由一个信道耦合到另一个信道中的信号大小，隔离度越大，则耦合信号越小所以，隔离 度大一些为好隔离度的倒数称为串扰，信道内的散射 或反射都可以产生串扰信道隔离度的定义式为（5）插入损耗： 指由于WDM器件的引入而产生的传输 功率损耗，包括WDM器件自身固有损耗，以及WDM器件与光纤的连接损耗。

插入损耗越小越好插入损耗的 定义式为（6）温度稳定性： 指温度每变化1℃时的波长漂移大小要求在整个工作温度范围内，波长漂移应当小于信道带宽，远小于信道间隔7）偏振稳定性： 指插入损耗对光波偏振状态的敏感程度，敏感程度越大，则输出光功率越不稳定5．波分复用器件的类型包括复用器（即合波器）和解复用器（即分波器），它们是多信道光波合并与分开所不可缺少的重要光学器件 复用/解复用器主要分为光纤耦合型、角度色散型、干涉型等几种类型5.2.2 光纤耦合型波分复用器件有熔锥式光纤耦合器、研磨式光纤耦合器等几种1．熔锥式光纤耦合器将并排放置的两根或多根光纤的一定长度部位扭绞在一 起，将扭绞处逐渐烧成熔融状态，同时慢慢拉伸光纤， 使扭绞部位形成双锥形耦合区在耦合区内各个光纤的 包层变薄，纤芯彼此靠近，根据靠近程度的不同，可以 形成光场之间的强、弱耦合2．研磨式光纤耦合器将两根光纤一定长度部位的包层一侧研磨抛光，将两根 光纤并排放置使研磨抛光部位面对面紧贴在一起，在它 们之间涂有一层折射率匹配液，形成耦合区域，在该区 域能够产生光场之间的耦合根据包层研磨变薄程度的 不同，也可以产生光场之间的强、弱耦合实用中，常将多个2×2端口光纤耦合器适当串并联起来 ，构成比较复杂的多端口光纤耦合器，称为星形耦合器a. 四个2×2耦合器构成一个4×4耦合器 b. 12个2×2耦合器构成一个8×8耦合器 2.3 角度色散型波分复用器件 光栅：在玻璃衬底上沉积环氧树脂、在其上制造光栅线 而构成。

光栅是利用多缝衍射原理使得不同波长的同级 主极大出现在观测屏的不同位置上其优点是波长选择 性好、信道间隔小、复用信道数多，缺点是插入损耗较大 、对光信号的偏振性较敏感见教材图见教材图5-5 5-5 光栅型波分复用器原理图光栅型波分复用器原理图 棱镜：利用折射率随波长而变化的性质使得不同波长的 光线出现在不同位置上 光栅和棱镜都是用色散来分光2.4 干涉型波分复用器件1．介质膜滤波式波分复用器 介质膜滤波式由多层介质薄膜构成，其中高折射率层和 低折射率层交替叠合多层介质膜波分复用器的优点是带宽顶部平坦，波长响 应尖锐，温度稳定性好，插入损耗低，对光信号的偏振 性不敏感，在实际系统中应用较广泛2．马赫-曾德尔（Mach-Zehnder）干涉式波分复用器 马赫-曾德尔干涉式波分复用器是利用M-Z干涉仪两个 不同长度的光路，提供相移随波长的依赖关系，使得分 别从干涉仪两个输入端口射入的两波长光线，能够从一 个输出端口射出（即合波）；或者使得从干涉仪一个输 入端口射入的两波长光线，能够分别从两个输出端口射 出（即分波）2.5 波分复用系统对光纤的新要求1．制约波分复用系统的主要因素（1）偏振模色散（PMD）单模光纤的几何形状不完善（如横截面不圆、轴心线不 居中等）和折射率分布不对称，致使单模光纤中基模的 两个正交极化分量在光纤中传播速度不一致，产生传播 时延差，引起光脉冲展宽的现象，称为偏振模色散。

PMD具有随机变化的特性，难于用传统固定的色散补偿 方法来消除它在10 Gb/s及更高速率的波分复用系统 中，偏振模色散成为限制系统性能的一个主要因素2）高阶色散 光纤色散与光波长的二阶及二阶以上的变化关系，称为高阶色散通常，用零色散波长附近范围内的色散斜率 来反映高阶色散的大小，称为零色散斜率零色散斜率 的定义式为 （3）非线性效应光纤折射率与光波电场强度的二阶和二阶以上的变化关 系，称为非线性效应由于非线性折射率的存在，产生 了以下几种重要的非线性效应 自相位调制（SPM）在非线性折射率作用下，光纤中传输的强光波的光强产 生波动，引起了光波自身相位发生波动，从而导致光波 频谱变化的现象，称为自相位调制 自相位调制的危害性：SPM产生的频率变化可以导致传 输光波的频谱变宽，在这种情况下就会因模内色散而使 光脉冲的时域波形展宽，引起码间干扰 交叉相位调制（XPM）当两个或两个以上不同频率的强光波同时在光纤中传输时，其中任一个光波的非线性相位偏移不仅与该光波自 身的光强有关，也与其他光波的光强有关，后者称为交 叉相位调制XPM的危害性：交叉相位调制能够引起相邻信道光波信号之间的串扰。

 四波混频（FWM）频率为f1, f2和f3的三个光波同时在光纤中传输时，会产 生频率为f = fi + fj ± fk（i, j, k从1, 2, 3中取值）的光波 其中频率为f= fi + fj - fk（i, j ≠ k）的光波最有可能落在 EDFA通带内，与f1, f2和f3的光波一起在光纤中传输，称 为四波混频FWM的危害性：在四波混频情况下，原有光波的一部 分功率会转移到新频率的光波中去，致使原有频率信号 光强下降，信噪比变坏FWM所产生的最大破坏是在 零色散区域附近WDM系统的信道间隔越小，四波混 频的影响就越严重G.653光纤有较大的FWM2．新型光纤的推出（1）大有效面积光纤在高功率传输系统中，光纤的非线性效应是系统传输性能 的主要限制因素增加光纤的有效面积，可以有效地降低 光纤中光功率密度，使光纤能携带更高功率的光信号，同 时又能减小非线性效应2）低水峰光纤为了在一根光纤上开放更多的波分复用信道，朗讯公司开 发出一种称为全波光纤的单模光纤，即G.652C低水峰单 模光纤全波光纤采用新的工艺技术消除了水吸收峰，使 光纤的损耗在1280～1625 nm范围内都趋于平坦，使原来 分离的1310 nm窗口和1550 nm窗口连成了一个很宽的大 传输窗口，大大拓宽了光纤的可用带宽。

（3）低色散斜率光纤 色散会随传输距离而积累，传输距离越长，色散积累量 就越大由于色散斜率的存在，WDM系统各个波长信道的色散积累量是不相同的 ，会随距离的增加而增大 当传输距离超过一定值后，具有较大色散积累量信道 的色散值超过正常标准，就会增大误码，使整个WDM 系统的传输距离受到限制目前, 美国贝尔实验室已开 发出新一代的低色散斜率G.655真波（TrueWave）光 纤，光纤色散斜率已降到0.05 ps/(nm2·km)以下4）低双折射光纤在10 Gb/s及更高速率的系统中，偏振模色散（PMD）成为限制系统性能的因素之一可以通过采用旋转工艺 使光纤的圆整度得到改善来降低PMD，这样制成的光纤 称为G.652B低双折射单模光纤按照G.652B规定，低双折射单模光纤的PMD应低于0.5 ps/km1/23 光中继器光纤长途线路上每隔一定距离（约50～70 km）就要设置一个光中继器，用来将经过光。