光纤通信中应用的新技术

一﹑光纤通信中应用的新技术1.1光弧子通信1844年，苏格兰海军工程师约翰·斯科特·亚瑟对船在河道中运动而形成水的波峰进行观察，发现当船突然停止时，原来在船前被推起的水波依然维护原来的形状、幅度和速度向前运动，经过相当长的时间才消失。

这就是著名的孤立波现象。

孤立波是一种特殊形态的波，它仅有一个波峰，波长为无限，在很长的传输距离内可保持波形不变。

人们从孤立波现象得到启发，引出了孤子的概念，而以光纤为传输媒介，将信息调制到孤子上进行通信的系统则称作光孤子传输系统。

光脉冲在光纤中传播，当光强密度足够大时会引起光脉冲变窄，脉冲宽度不到1个Ps，这是非线性光学中的一种现象，称为光孤子现象。

若使用光孤子进行通信可使光纤的带宽增加10～100倍，使通信距离与速度大幅度地提高。

于常规的线性光纤通信系统而言，限制其传输容量和距离的主要因素是光纤的损耗和色散。

随着光纤制作工艺的提高，光纤的损耗已接近理论极限，因此光纤色散便成为实现超大容量光纤通信亟待解决的问题。

光纤的色散，使得光脉冲中不同波长的光传播速度不一致，结果导致光脉冲展宽，限制了传输容量和传输距离。

由光纤的非线性所产生的光孤子可抵消光纤色散的作用。

因此，利用光孤子进行通信可以很好地解决这个问题。

光纤的群速度色散和光纤的非线性，二者共同作用使得孤子在光纤中能够稳定存在。

当工作波长大于1．3¨m时，光纤呈现负的群速度色散，即脉冲中的高频分量传播速度快，低频分量传播速度慢。

在强输入光场的作用下，光纤中会产生较强的非线性克尔效应，即光纤的折射率与光场强度成正比，进而使得脉冲相位正比于光场强度，即自相位调制，这造成脉冲前沿频率低，后沿频率高，因此脉冲后沿比脉冲前沿运动得快，引起脉冲压缩效应。

当这种压缩效应与色散单独作用引起的脉冲展宽效应平衡时即产生了束缚光脉冲——光孤子，它可以传播得很远而不改变形状与速度。

光孤子通信的关键技术是产生皮秒数量级的光孤子和工作在微波频率的检测器。

目前用多模光纤激光器和DFB激光器已能产生几十皮秒的光孤子。

但真正要投入使用还有许多问题需要解决。

1.2相干光通信迄今为止的光纤通信系统，几乎都是采用强度调制一直接检波的方式。

这种方式的优点是调制和解调容易，系统的成本较低，但性能还需进一步提高。

人们把光通信和无线电通信相比较，发现这种方式与早期无线电通信的直接检波类似。

在直接检波以后，无线电通信通过引入外差检波方式，避免了高频放大滤波的困难，得到了混频增益，提高了接收选择性。

通过引入相干调制技术，充分利用了无线电波的频率和相位信息，大大地改善了无线电通信系统的性能。

类似地，在光通信中利用相干调制和外差检测技术，也可改善光通信的性能，这就是相干光通信。

在相干光通信中主要利用了相干调制和外差检测技术，所谓相干调制，就是利用要传输的信号来改变光载波的频率、相位和振幅(而不像强度检测那样只是改变光的强度)，这就需要光信号有确定的频率和相位(而不像自然光那样没有确定的频率和相位)，即应是相干光。

激光就是一种相干光。

所谓外差检测，就是利用一束本机振荡产生的激光与输入的信号光在光混频器中进行混频，得到与信号光的频率、相位和振幅按相同规律变化的中频信号。

由于相干光通信具有灵敏度高、选择性好的优点，可以用来做成大容量、长距离的干线网。

在光纤有线电视系统中，如果采用相干光通信技术，可以建成光纤到户的系统。

由于选择性的提高，可以传输多得多的频道；由于接收机灵敏度的提高，使带动的用户数大大增加；采用可调谐本振接收机，用户可以方便地随时选择信道。

相干光通信技术，目前还只是试验阶段，随着光通信技术、微电子技术和计算机技术的飞速发展，在不远的将来，相干光通信技术将在实际通信中发挥巨大的作用。

1.3光复用技术在SDH传输网中，多路信号的复用是对电信号进行时分复用。

在全光通信网中则需要直接对光信号复用，以光信号的复用，，可以用和码分复用。

光时波长上，把时间分割成若干个时隙，然后个光网络单元在每帧内只能在指定的时隙向上行信道发送信号，在满足定时和同步的条件下，光交换网络可以从各个时隙中分别接收到各光网络单元的信号而不混淆。

在光时分复用系统中，与信号有关的所有电子设备均工作在基带比特速率下，因而不存在电子瓶颈问题。

在发送侧，各光网络单元从光交换网络到光网络单元的下行信号中提取发送定时，由模式锁定激光器产生一定宽度的连续光脉冲，并提供时分复用所必需的低占空比的脉冲流，通过铌酸锂光调制器对输人数据进行取样编码，形成n路载有信息的光脉冲，各路光脉冲分别经可变光延时线调整至合适的位置，即调整到规定的时隙，之后在3dB光纤方向耦合器中复用成一路光脉冲信号，经放大送人光纤中传输。

在接收端，首先实现全光解复用，即利用光纤分路器取出部分光功率，送入定时提取锁相环提取时钟同步信号，并用此信号激励可调谐模式锁定激光器产生光控脉冲，去控制全光解复用器，实现光时分解复用，从而获得n路光脉冲信号，然后送入时分光交换网络中进行交换。

采用光时分复用技术提高了传输速率，大大提高了系统容量，同时还可和其它复用方式结合，如和WDM相结合，利用多个光载波来实现时分多路光脉冲信号的传送，还可成倍地提高系统容量。

波分复用(WDM)是将波长间隔为数十nm的多个光源独立进行调制，让其在同一条光纤中传输，可使光纤中传输的信息容量增加几倍至几十倍。

光的波分复用按传输方向可分为单向波分复用和双向波分复用。

但现在一般不采用双向波分复用系统，而分别用两根光纤传输正向和反向光信号。

在单向波分复用系统中，发送端有N个发出不同波长光的激光器，把它们分别进行调制后，利用光的复用器合起来，耦合到一根光纤中传输。

在接收端再利用解复用器把这N束波长不同的光载波分开，分别送至相应的光检测器得出各自的信息。

采用WDM技术不仅可以扩大通信容量，还可以为通信带来巨大的经济效益，因而近几年对这方面的研究方兴未艾。

随着技术的进步，波分复用的间隔越来越小，可以容纳更多的光载波。

波长间隔小于10nm的波分复用称为密集波分复用(或频分复用)。

码分复用(OCDMA)是一种扩频通信，其中不同用户的数字信号先要对每个用户特有的相互正交的码序列进行模2加，再调制到光信号上。

在接收端，只有用用户特有的正交码才能恢复原来的数字信号，其他支路的信号只表现为本底噪声，不会形成干扰。

光的码分复用集合了码分复用和光纤传输的优点，具有保密性强的特点。

这是因为不知道用户特有的正交码不可能恢复原有的信号；即使知道用户的正交码，也必须非常靠近网络才能解码，给窃听者造成极大的困难。

由于码分复用让所有用户共享整个信道，而不是分时占用，用户可有随时异步接入，非常方便。

1.4光交换技术在全光通信网中，直接对光信号进行透明交换，不需经过光电和电光转换，克服了光电转换器件响应速度慢的问题，大大提高了交换速率和吞吐量。

光交换有空分、时分和波分三种方式。

空分光交换是在不同光纤中传输的光信号之间进行的交换，它可以通过2×2等基本空间光开关的不同组合来实现。

时分光交换把输入端某一时间位置的光信号转到另一时间位置。

一般由空间光开关和光纤延时线组成。

波分光交换是把波分复用中一个波长的光变成另一波长的光。

采用上述三种光交换的基本方式，可以灵活组成多种复合光交换。

例如空分+时分、空分+波分、空分+时分+波分等。

密集波分复用技术的进步使得一根光纤上能够承载上百个波长信道，输带宽最高记录已经达到了Ｔ比特级。

同时，现有的大部分情况是光纤在传输部分带宽几乎无限——200Tb/s，窗口200nm。

相反，在交换部分，仅仅只有几个Gb/s，这是因为电子的本征特性制约了它在交换部分的处理能力和交换速度。

所以，许多研究机构致力于研究和开发光交换／光路由技术，试图在光子层面上完成网络交换工作，消除电子瓶颈的影响。

当全光交换系统成为现实，就足够可以满足飞速增长的带宽和处理速度需求，同时能减少多达７５％的网络成本，具有诱人的市场前景。

光信号处理可以是线路级的、分组级的或比特级的。

WDM光传输网属于线路级的光信号处理，类似于现存的电路交换网，是粗粒度的信道分割；光时分复用OTDM 是比特级的光信号处理，由于对光器件的工作速度要求很高，尽管国内外的研究人员做了很大努力，但离实用还有相当的距离；光分组交换网属于分组级的光信号处理，和OTDM相比对光器件工作速度的要求大大降低，与WDM相比能更加灵活、有效地提高带宽利用率。

随着交换和路由技术在处理速度和容量方面的巨大进步，OPS技术已经在一些领域取得了重大进展。

光交换技术可以分成光路交换技术和分组交换技术。

光路交换又可分成三种类型，即空分（SD）、时分（TD）和波分/频分（WD/FD）光交换，以及由这些交换组合而成的结合型。

其中空分交换按光矩阵开关所使用的技术又分成两类，一是基于波导技术的波导空分，另一个是使用自由空间光传播技术的自由空分光交换。

光分组交换中，异步传送模式是近年来广泛研究的一种方式。

日本开发了两种空分光交换系统――多媒体交换系统和模块光互连器。

两种系统均采用8×8二氧化硅光开关。

多媒体光交换系统支持G4传真、10Mpbs局域网和400Mpbs的高清晰度电视。

光时分交换技术开发进展很快，交换速率几乎每年提高一倍。

1996年推出了世界上第一台采用光纤延迟线和4×4铌酸锂光开关的32Mpbs时分复用交换系统。

光波分交换能充分利用光路的宽带特性，不需要高速率交换，技术上较易实现。

1997年采用高速MI （Michelson Interferometer）波长转换器的20Gbps波分复用光交换系统问世。

1.5 全光通信网近几年，因特网的用户数量和网上信息量急剧增长，原来的传输网络已不能满足要求，人们不得不积极开发新型的互联网络，这就是全光网络。

全光网络以光纤为物理介质，采用光波分复用设备、光放大器、光交换机、光路由器等光设备组成。

全光网络利用光节点来代替电节点，信号的复用、传输、交换、存储和业务调度都在光域内进行，避免了光电信号的反复转换，既提高了信号的质量，又克服了光电转换器件响应速度慢的瓶颈，加快了信号的传输速率。

在全光网络中，有IP Over Optical、IP Over WDM等多种形式接入，无需经过ATM、SDH传输网络。

在用户端，需要有电路层、电通道层、电复用段层等对用户信息进行处理、复用、适配和传送，提供IP多协议封装、分组定界、差错控制，提供QoS保证，需要物理层提供光信号的传输通路外，还需要光层进行进一步的光复用。

而在光网络的中间节点，则只需要光层和物理层。

用户端和光网络节点的光层负责提供光信号的传输通道，它又可分为光信道层、光复用段层、光传输段层等。

通信网从目前的光电混合网向全光网过渡，还有很长的路要走，这其中的主要原因是光信息处理技术尚不成熟，如光缓存、光逻辑等都还在实验室研究阶段。