第5章波分复用光纤通信系统要点课件

,光纤通信,原理与应用,第,5,章 波分复用,光纤通信系统,第5章 波分复用光纤通信系统,第,5,章 波分复用,光纤通信系统,5.1,光纤通信系统新技术简述,5.2,波分复用（,WDM,）技术,5.3,光中继器,第5章 波分复用光纤通信系统,5.1,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。本章简要介绍,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。,5.1 光纤通信系统新技术简述 从20世纪,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。,1多信道复用光纤通信技术（1）光波分复用（OWDM）技,（,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，,SCM,在有线电视系统中已经商品化。,（3）光码分复用（OCDM）技术,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。,3.相干光通信技术,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。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。,4.光纤孤子通信技术,5.2,波分复用（,WDM,）技术,5.2.1,基本概念,1,基本问题,（,1,）目前常用光纤的低损耗区宽度,目前单根光纤的低损耗区宽度约为,200 nm,。单个工作波长,(1.31 m,或,1.55 m),占用光纤低损耗区的波长范围最多只有,2.5,。所以，,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,一根光纤可以同时容纳几十个波长的光载波信道,。,5.2 波分复用（WDM）技术 5.2.1 基本概念,2,几种波分复用的区别,（,1,）密集波分复用（,DWDM,）,DWDM,是指频率间隔为,100 GHz(,相应波长间隔约为,0.80 nm),，信道数为,8,16,32,40,等的复用；也可以是频率间隔为,200 GHz(,相应波长间隔约为,1.60 nm),，信道数为,8,16,等的复用。,（,2,）粗波分复用（,CWDM,）,CWDM,是指波长间隔为,20 nm(,相应频率间隔约为,2.50 THz),，信道数为,4,8,或,16,的复用。,（,3,）宽带波分复用（,BWDM,）,BWDM,是指不在同一个低损耗窗口内、具有较宽波长间隔,的两个波长的复用。,（,4,）光频分复用（,OFDM,）,OFDM,是指,1550 nm,低损耗窗口内更多波长光信号的复用，其频率间隔为,1,10 GHz,，相应波长间隔约为,0.008,0.08 nm,。,2几种波分复用的区别（1）密集波分复用（DWDM）,5.2.2,波分复用系统的组成,1,波分复用系统的基本构成和分类,波分复用系统与普通单波长光纤通信系统一样，也是包括光纤、光发送器、光中继器、光接收器、信道监控和网络管理系统等。然而，从各个组成部分的功能特性、技术含量、研制难度来看，波分复用系统要比普通光纤通信系统复杂得多。,波分复用系统,分为,单向波分复用系统,和,双向波分复用系统,两种类型。,5.2.2 波分复用系统的组成 1波分复用系统的基本构成,（,1,）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,1,根光纤,。,N,个光发送器发送,N,个不同波长的光波，这些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,。,目前,，,实际的,WDM,系统主要采用双纤单向,传输方式,。,（,2,）,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,，,通信两端共用,1,根光纤,。,2,N,个光发送器发送,2,N,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。,1,根光纤能够同时传输来自两个不同方向的光波，可以进行双工通信，故称为,单纤双向,WDM,传输系统,。,（1）单向波分复用系统 发送端有N个光发送器和1个合波,第5章波分复用光纤通信系统要点课件,2,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。,2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,3,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。,3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,（,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。信道隔离度定义为,（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，,（,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。插入损耗定义为,（5）插入损耗：指由于WDM器件的引入而产生的传输功率损耗,（,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。,4,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。,（6）温度稳定性：指温度每变化1时的波长漂移大小。要求在,5.2.3,光纤耦合型波分复用器件,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,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。以致在,一根光纤内传输的光波，很容易跑到另一根光纤内传输和输出；或者也容易分散跑到几根光纤内传输和输出,。,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,，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。,3,波导型光纤耦合器,(,即光波导耦合器,),5.2.3 光纤耦合型波分复用器件 1熔锥式光纤耦合器,实用中，常将多个,22,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,22,耦合器构成一个,44,耦合器,(b)12,个,22,耦合器构 成一个,88,耦合器,实用中，常将多个22端口光纤耦合器适当串并联起来，构,5.2.4,角度色散型波分复用器件,1,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来实现分光,。,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。,2,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来实现分光,。,光栅和棱镜都是利用角度色散来分光，并通过合理的结构设计制成波分复用器件。,5.2.4 角度色散型波分复用器件 1光栅：在玻璃衬,图,5-5,光栅型波分复用器原理图,除上述普通光栅做成的波分复用器以外，还有一种,阵列波导光栅（,AWG,）型波分复用器,。,AWG,的特点是结构紧凑、信道间隔更窄，适用于多信道的大型网络节点。,AWG,是一种平面光路（,Planar Light-wave Circuit,PLC,）器件，是目前研究开发的热点。,图5-5 光栅型波分复用器原理图除上述普通光栅做成的波分复,5.2.5,干涉型波分复用器件,1,介质膜滤波式波分复用器,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。,5.2.5 干涉型波分复用器件 1介质膜滤波式波分复用,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）。,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,5.2.6,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,）,由于实际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