1、 相干光通信系統可以把光頻段劃分為相干光通信系統可以把光頻段劃分為 許多頻道，從而使光頻段得到充分利用，許多頻道，從而使光頻段得到充分利用， 即多信道光纖通信。即多信道光纖通信。 與強度調制與強度調制直接檢測系統不同，相直接檢測系統不同，相 干光纖通信系統在光接收機中增加了外差干光纖通信系統在光接收機中增加了外差 或零差接收所需的本地振蕩光源，該光源或零差接收所需的本地振蕩光源，該光源 輸出的光波與接收到的已調光波在滿足波輸出的光波與接收到的已調光波在滿足波 前匹配和偏振匹配的條件下，進行光電混前匹配和偏振匹配的條件下，進行光電混 頻。頻。 圖圖10.1 相干光通信系統的結構示意圖相干光通信系

2、統的結構示意圖 如圖如圖10.1所示，光源發出頻率為所示，光源發出頻率為fs的光的光 脈沖，通過調制器將已經變成電信號的信脈沖，通過調制器將已經變成電信號的信 號源調制到光脈沖包絡上，通過長距離線號源調制到光脈沖包絡上，通過長距離線 路傳輸后，到達接收端，接收端采用外差路傳輸后，到達接收端，接收端采用外差 技術，首先通過耦合器將光信號和本振光技術，首先通過耦合器將光信號和本振光 源信號同時送到光電檢測器接收，本振光源信號同時送到光電檢測器接收，本振光 源頻率為源頻率為fs+fIF，信號光和本振光在滿足波，信號光和本振光在滿足波 前匹配和偏振匹配的條件下混頻，得到頻前匹配和偏振匹配的條件下混頻，

3、得到頻 率為率為fIF的中頻信號，該信號經過放大后送的中頻信號，該信號經過放大后送 到解調器解調，最終到達接收電路完成通到解調器解調，最終到達接收電路完成通 信過程。信過程。 相干光通信系統靈敏度的提高主要是相干光通信系統靈敏度的提高主要是 因為它采用了本地振蕩得到了一定的增益，因為它采用了本地振蕩得到了一定的增益， 根據無線電知識中外差接收技術知識可以根據無線電知識中外差接收技術知識可以 得到光電檢測器的電流得到光電檢測器的電流 15： ： 式中：式中：為光電檢測量子效率，為光電檢測量子效率，h為普為普 朗克常量，朗克常量，e為電子電量，為電子電量，f為光頻率，為光頻率，Ps為為 信號光功率

4、，信號光功率，PL為本振光功率，為本振光功率，m為調制為調制 系數，系數，(t-g)為群延時，為群延時，s、L和和s、L分分 別為信號光和本振光的角頻率和相位。別為信號光和本振光的角頻率和相位。 )()cos()(2 LsLsgLss ttmPP hf e I 相干光纖通信系統中對信號光源和本相干光纖通信系統中對信號光源和本 振光源的要求比較高，它要求光譜線窄、振光源的要求比較高，它要求光譜線窄、 頻率穩定度高。頻率穩定度高。 一般相干光通信的光調制有半導體激一般相干光通信的光調制有半導體激 光器直接調制和光波導型外調制兩種。半光器直接調制和光波導型外調制兩種。半 導體激光器直接調制技術一般是

5、采用具有導體激光器直接調制技術一般是采用具有 動態單縱模特性的動態單縱模特性的DFB激光器來進行直接激光器來進行直接 調制，采用該技術在調制過程中可以使光調制，采用該技術在調制過程中可以使光 譜保持良好的窄譜特性，同時頻率也較穩譜保持良好的窄譜特性，同時頻率也較穩 定。定。 相干光通信的接收技術包括兩部分，相干光通信的接收技術包括兩部分， 一部分是光的接收技術，另一部分是中頻一部分是光的接收技術，另一部分是中頻 之后的各種制式的解調技術。之后的各種制式的解調技術。 在在FSK制式中，由于半導體激光器在制式中，由于半導體激光器在 調制過程中，難免帶有額外的幅度調制噪調制過程中，難免帶有額外的幅度

6、調制噪 聲，利用平衡接收方法可以減少調幅噪聲。聲，利用平衡接收方法可以減少調幅噪聲。 除了調幅噪聲外，如果本振光相位和除了調幅噪聲外，如果本振光相位和 信號光相位有相對起伏，就將產生相位噪信號光相位有相對起伏，就將產生相位噪 聲，嚴重影響接收效果。聲，嚴重影響接收效果。 前面已經指出：相干光通信系統接收前面已經指出：相干光通信系統接收 端必須要求信號光和本振光的偏振同偏，端必須要求信號光和本振光的偏振同偏， 才能取得良好的混頻效果，提高接收質量。才能取得良好的混頻效果，提高接收質量。 根據光學知識，光脈沖可以用下列式根據光學知識，光脈沖可以用下列式 子表示：子表示： E(z,t)=A(z,t)

7、expj(0t-0z) 其中：其中：A(z，t)是脈沖包絡，對于常用的直是脈沖包絡，對于常用的直 接檢波光通信系統我們主要關心光脈沖的接檢波光通信系統我們主要關心光脈沖的 包絡情況。包絡情況。 在考慮色散作用下，并引入光纖非線在考慮色散作用下，并引入光纖非線 性效應中自相位調制作用時，光脈沖包絡性效應中自相位調制作用時，光脈沖包絡 的傳輸方程可寫為下式的傳輸方程可寫為下式 7： ： 式中：式中：A(z,t)為脈沖包絡，為脈沖包絡，1=1/g，2 為群速度色散系數，為群速度色散系數，3為高階色散系數，為高階色散系數， 是代表自相位調制效應的非線性系數。是代表自相位調制效應的非線性系數。 AAi

8、t A t Aj t A z A2 3 3 3 2 2 21 6 1 2 作為理想情況下的光通信，孤子脈沖作為理想情況下的光通信，孤子脈沖 應該具有很好的確定的形狀、寬度、功率應該具有很好的確定的形狀、寬度、功率 和能量，為了解決這樣的問題，已提出了和能量，為了解決這樣的問題，已提出了 幾種解決方案。幾種解決方案。 自鎖模摻鉺光孤子激光器原理圖如圖自鎖模摻鉺光孤子激光器原理圖如圖 10.3所示。所示。 圖圖10.3 自鎖模摻鉺光孤子激光器自鎖模摻鉺光孤子激光器 目前最簡單也用得比較多的孤子源是目前最簡單也用得比較多的孤子源是 如圖如圖10.5所示的所示的DFB激光器激光器/外調制激光器。外調制

9、激光器。 圖圖10.5 DFB激光器激光器/外調制孤子源外調制孤子源 理想情況下，孤子脈沖源應該是集成理想情況下，孤子脈沖源應該是集成 在單個芯片上的，參考文獻在單個芯片上的，參考文獻 19報道說， 報道說， 用單個半導體器件用單個半導體器件集成的多量子阱集成的多量子阱DFB 激光器激光器/調制器，已經得到脈沖重復頻率為調制器，已經得到脈沖重復頻率為 20GHz、脈寬為脈寬為7ps的變換限制孤子脈沖。的變換限制孤子脈沖。 光孤子通信從理論的提出到光孤子通信從理論的提出到20世紀世紀80 年代在實驗中發現孤子，并提出將光孤子年代在實驗中發現孤子，并提出將光孤子 作為一種信息載體用于高速光纖通信已

10、有作為一種信息載體用于高速光纖通信已有 幾十年的過程了，經過廣大科研工作者的幾十年的過程了，經過廣大科研工作者的 不懈努力，光孤子通信系統取得了許多新不懈努力，光孤子通信系統取得了許多新 的進展。的進展。 首先，在理論方法方面，基于標準非線性首先，在理論方法方面，基于標準非線性 薛定諤方程和逆散射理論，深入研究了理想孤子薛定諤方程和逆散射理論，深入研究了理想孤子 解的基本結構和特征；基于光孤子通信系統的實解的基本結構和特征；基于光孤子通信系統的實 際結構和擾動非線性薛定諤方程，建立了研究光際結構和擾動非線性薛定諤方程，建立了研究光 孤子傳輸特性的各種擾動理論方法，深入研究了孤子傳輸特性的各種擾

11、動理論方法，深入研究了 光孤子的動力學過程、動態演化特性、穩定性及光孤子的動力學過程、動態演化特性、穩定性及 穩定傳輸的條件和能力；基于光孤子的粒子性，穩定傳輸的條件和能力；基于光孤子的粒子性， 建立了分析孤子相互作用的各種理論方法，揭示建立了分析孤子相互作用的各種理論方法，揭示 了光時分復用、波分復用系統中光孤子相互作用了光時分復用、波分復用系統中光孤子相互作用 的機制和規律。的機制和規律。 其次，在光孤子通信系統分析設計模其次，在光孤子通信系統分析設計模 型方面，基于不同系統結構、運行條件和型方面，基于不同系統結構、運行條件和 性能要求，研究了光孤子傳輸方案和理論性能要求，研究了光孤子傳輸

12、方案和理論 模型，建立了平均孤子或導引中心孤子模模型，建立了平均孤子或導引中心孤子模 型及動態孤子和絕熱孤子傳輸方案，確立型及動態孤子和絕熱孤子傳輸方案，確立 了系統結構的基本模式。了系統結構的基本模式。 經過十余年對孤子脈沖傳輸研究，探經過十余年對孤子脈沖傳輸研究，探 索了各種實驗系統方案和系統設計方法，索了各種實驗系統方案和系統設計方法， 解決了許多關鍵技術，脈沖在光纖中傳輸解決了許多關鍵技術，脈沖在光纖中傳輸 時所產生的色散、損耗和非線性是公認的時所產生的色散、損耗和非線性是公認的 三大影響孤子脈沖傳輸的因素，摻鉺光纖三大影響孤子脈沖傳輸的因素，摻鉺光纖 放大器放大器(EDFA)問世后，

13、損耗問題已經得到問世后，損耗問題已經得到 很好的解決，很好的解決， 但是隨著孤子脈沖源脈寬的越來越窄，但是隨著孤子脈沖源脈寬的越來越窄， 色散作用越來越影響孤子的傳輸，于是對色散作用越來越影響孤子的傳輸，于是對 色散進行補償成為一個緊要的技術，現在色散進行補償成為一個緊要的技術，現在 光孤子通信系統的色散補償大體有兩類技光孤子通信系統的色散補償大體有兩類技 術：一類是弱色散和局部色散補償；另一術：一類是弱色散和局部色散補償；另一 類是周期性全局強色散補償。類是周期性全局強色散補償。 歐共體各國協同組建了多項孤子發展歐共體各國協同組建了多項孤子發展 項目，歐洲各相關光通信公司、研究所和項目，歐洲

14、各相關光通信公司、研究所和 大學基本上都參加了其項目研究，表大學基本上都參加了其項目研究，表10.2 給出了其中三個項目的基本情況。給出了其中三個項目的基本情況。 表 10.2 部分歐共體孤子發展計劃 項目主持單位 參加單位 目標主要指標試驗場地 ESTHER 意大利 Pirellicavi S.P.A 意法德英 等 8 國 6 公司 5 大 學 歐洲 ACTS 之一，采用 孤子技術提 高現存網容 量 10Gb/s,500km G.652 40Gb/s,700km G.653 意大利 Roma-P0mezia MIDAS 英國 Southampton 大學 英意法瑞 典 5 國 4 研究所 4

15、 大學 ACTS 之二， 采用孤子技 術在已建網 上傳送 40Gb/s 數據 40Gb/s,1000km G.653 40Gb/s,700km G.652 瑞典 Jonkoppong Ring 現場試驗 UPGRADE 荷蘭 Philips 光電 子研究中心 荷德西葡 等 4 國 ACTS 之三， 采用 1.3m 孤子傳輸技 術為骨架干 線擴容升級 10Gb/s,1000km G.652 德國 Kassel- Hannover 西班 牙 Madrid-葡萄 牙 Lisbon 現場 試驗 全光網絡全光網絡(All-Optical Networks， AON)技術是指光信息流在網絡中的傳輸及技術是

16、指光信息流在網絡中的傳輸及 交換時始終以光的形式存在。交換時始終以光的形式存在。 它具備更強的可管理性、靈活性、透它具備更強的可管理性、靈活性、透 明性與傳統通信網和現行的光通信系統相明性與傳統通信網和現行的光通信系統相 比，它具有以下多種優點：比，它具有以下多種優點： 可提供更大的帶寬，因為全光網對可提供更大的帶寬，因為全光網對 信號的交換都在光域內進行，可最大限度信號的交換都在光域內進行，可最大限度 地利用光纖的傳輸容量；地利用光纖的傳輸容量； 具有傳輸透明性，因為采用的光路具有傳輸透明性，因為采用的光路 交換以波長來選擇路由，因此對傳輸碼率、交換以波長來選擇路由，因此對傳輸碼率、 數據格

17、式以及調制方式具有透明性，即對數據格式以及調制方式具有透明性，即對 信號形式無限制，允許采用不同的速率和信號形式無限制，允許采用不同的速率和 協議；協議； 具有更高的處理速度和更低的誤碼具有更高的處理速度和更低的誤碼 率；率； 具有良好的兼容性，不僅可以與現具有良好的兼容性，不僅可以與現 有的通信網絡兼容，而且還可以支持未來有的通信網絡兼容，而且還可以支持未來 的寬帶綜合業務數字網以及網絡的升級；的寬帶綜合業務數字網以及網絡的升級； 具備良好的擴展性能，網絡可同時具備良好的擴展性能，網絡可同時 擴展用戶、容量和種類，新節點的加入并擴展用戶、容量和種類，新節點的加入并 不會影響原來網絡結構和原有

18、各節點設備；不會影響原來網絡結構和原有各節點設備； 具備可重構性，可以根據通信容量具備可重構性，可以根據通信容量 的需求，動態地改變網絡結構，可進行恢的需求，動態地改變網絡結構，可進行恢 復、建立、拆除光波長的連接；復、建立、拆除光波長的連接； 由于采用了較多無源光器件，省去由于采用了較多無源光器件，省去 了龐大的光了龐大的光/電電/光轉換的設備及工作，可大光轉換的設備及工作，可大 幅提升網絡整體的交換速度，提高可靠性。幅提升網絡整體的交換速度，提高可靠性。 光交換光交換/光路由屬于全光網絡中關鍵光光路由屬于全光網絡中關鍵光 節點技術，主要完成光節點處任意光纖端節點技術，主要完成光節點處任意光

19、纖端 口之間的光信號交換及選路，它所完成的口之間的光信號交換及選路，它所完成的 最關健工作就是波長變換。最關健工作就是波長變換。 采用空分光交換的采用空分光交換的OXC結構如圖結構如圖10.8 所示所示 7，它由輸入輸出光纖、星形耦合器 ，它由輸入輸出光纖、星形耦合器 (Star Coupler，SC)、可調光濾波器、空間可調光濾波器、空間 開關矩陣開關矩陣(Space Switching Matrix，SSM) 等模塊組成。等模塊組成。 圖圖10.8 不含波長變換器不含波長變換器OXC 分送耦合交換分送耦合交換OXC的基本單元是星形的基本單元是星形 耦合器和光開關，圖耦合器和光開關，圖10.10所示為分送耦合所示為分送耦合 交換交換OXC的結構示意圖，圖中的波長變換的結構示意圖，圖中的波長變換 器具有波長選擇功能，也可以起到濾波的器具有波長選擇功能，也可以起到濾波的 功能。功能。 圖圖10.10 耦合交換耦合交換OXC結構結構 波長交換波長交換OXC結構如圖結構如圖10.11所示。所示。 這種交換結構方案的交換機制主要是在頻這種交換結構方案的交換機制主要是在頻 域進行的，交換通過波長來完成。該結構域進行的，交換通過波長來完成。該結構 具有嚴格的無阻塞特性，如果在設計星形具有嚴格的無阻塞特性，如果在設計星形 耦合器耦合器(SC)數量的