第 6 章 光纤传输系统
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第 6 章 光纤传输系统
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第 6 章 光纤传输系统第 6 章 光纤传输系统
1
6.2 光纤通信复用系统
2
6.3 相干光通信3
6.4 光孤子通信4
6.1 光纤传输系统设计
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第 6 章 光纤传输系统第 6 章 光纤传输系统
本章第一部分主要从功率和带宽两个方面来讲解如何设计光纤链路。
6.2.1节主要介绍了波分复用技术的原理。
色散对传输性能的影响越来越显著，光孤子技术可以很好地解决色散问题。 6.4节讲述了光孤子通信的原理。
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6.1 光纤传输系统设计6.1 光纤传输系统设计
6.1.16.1.1 功率预算
6.1.26.1.2 带宽预算
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6.1 光纤传输系统设计6.1 光纤传输系统设计一条光纤链路主要包括三大部分，即光发射机、光接收机
和光纤线路，如图 6.1所示。
图 6.1 典型单工点到点光纤链路
设计一条光纤链路必须考虑下面的系统要求：最大的传输距离、传输速率或信道带宽和误码率或信噪比。
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6.1.1 功率预算6.1.1 功率预算点到点链路的光功率损耗模型如图 6.2所示。
一条光纤链路在功率方面必须满足：
到达光检测器的光功率必须大于光检测器可以检测到的最小光功率，该数值由光检测器的灵敏度参数决定。
而光检测器上接收到的光功率取决于耦合进光纤的光功率以及发生在光纤、连接器和熔接点的损耗。
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6.1.1 功率预算6.1.1 功率预算
图 6.2 点到点链路的光功率损耗模型
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6.1.1 功率预算6.1.1 功率预算
图 6.2中， 和 分别为光发射机耦合入光纤的光功率
和 光接收机从光纤接收到的光功率， L 为传输距离。一
般在光发射机和光接收机之前各有一个活动连接器，其损
耗为 。每段光纤之间常用固定连接器或熔接的方式连
接，每一个接头损耗为 ，假设每盘光纤长度为 ，则
会有 个连接头。光纤损耗为 。
TP RP
ca
sa fL
[ ] 1fN L L fa
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6.1.1 功率预算6.1.1 功率预算
除此之外，功率预算必须引入链路功率富余度，用于补偿
器件老化、温度波动引起的额外的损耗。一般的系统应有
6~8 dB 的链路功率富余度，用 M 表示。
链路功率预算要保证总光功率 A ，即光发射机和光接收
机之间所允许的功率损耗大于或等于光缆衰减、连接器损
耗、熔接点损耗以及系统富余度之和，则
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6.1.1 功率预算6.1.1 功率预算 (6.1) 则传输距离为
(6.2)
例 6.1 设系统的传输速率为 20 Mb/s ，误码率为 。如果选择工作在 850 nm 的 Si PIN 光电二极管接收机，灵敏度为 -42
dB ，发送机光源为 GaAlAs LED ，耦合入光纤的平均功率为 -
13 dBm(50 W) 。 假设在发送机和接收机各有一个损耗为 1 dB
活动连接器，系统功率富余量为 6 dB ，光纤损耗为 3.5 dB/km ， 试计算传输距离。
T R c s f2A P P N L M
T R c s
f s f
2
( / )
P P ML
L
910
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6.1.1 功率预算6.1.1 功率预算解 链路上允许总的光功率损耗由式 (6.1)可以得到
则传输距离为
用线图的方式也可以完成功率预算，如图 6.3所示。图中横坐标为距离，纵坐标为功率。纵坐标上对应于发送机发射功率点和接收机灵敏度功率点之差即为链路允许的总的用于补偿损耗的光功率。
f29 dB 2 1 dB 6 dBA L
(29 dB 2 1 dB 6 dB)6 km
3.5 dB/kmL
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6.1.1 功率预算6.1.1 功率预算
图 6.3 功率预算曲线分析方法
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6.1.1 功率预算6.1.1 功率预算还可以用表格的形式进行功率预算，如表 6.1所示。
由表 6.1可以推算出传输距离。
设备 / 损耗 输出功率 / 灵敏度 / 损耗 剩 余 功 率 备 注
光发射机发光功率 -13 dBm - -
光接收机灵敏度 -42 dB - -
总的可以消耗的损耗 29 dB -13 dBm - (-42 dBm)
光发射机连接器损耗 1 dB 28 dB 29 dB - 1 dB
光接收机连接器损耗 1 dB 27 dB 28 dB - 1 dB
系统功率富余度 6 dB 21 dB光纤总损耗最大可以
为 21 dB
TP
RP
表 6.1 功率预算表格分析方法
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6.1.2 带宽预算6.1.2 带宽预算光纤的损耗可以接近理论极限。在高速光纤传输系统中，限制传输距离
的是光纤的色散因素。
一种简单分析色散的方法就是进行系统上升时间的分析。
上升时间定义为系统在阶跃脉冲作用下，从幅值的 10％上升到 90％所需要的响应时间。链路总的脉冲展宽时间 等于每一种因素引起的脉冲展宽时间 的均方根，即
(6.3)
syst
it
1/ 22
sys i1
N
i
t t
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6.1.2 带宽预算6.1.2 带宽预算严重限制系统传输速率的 4 个基本因素是：
光发射机展宽时间 ttx 、光纤材料色散的展宽间 tmat 、
光纤模式色散展宽时间 tmod 和光接收机展宽时间 trx 。
单模光纤没有模式色散，所以其色散主要和材料色散有关。
通常情况下，一条数字链路总的展宽时间不得超过非归零
码 (NRZ) 比特周期的 70 ％，或归零码 (RZ) 比特周期的 35
％。
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6.1.2 带宽预算6.1.2 带宽预算 1 ．光发射机和光接收机的展宽时间
光发射机的展宽时间主要取决于光源及其驱动电路。
光接收机的展宽时间由光检测器响应和光前端 3dB带宽决定。
光接收机响应的前沿可以用一个一阶低通滤波器来模拟：
(6.4)
式中， 为光接收机 3 dB 电带宽； u ( t ) 为阶跃函数，当 t ≥ 0 时值为 1 ，否则为 0 。
rx( ) [1 exp( 2 )]u( )g t B t t
rxB
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6.1.2 带宽预算6.1.2 带宽预算
光接收机的展宽时间 trx ，通常定义为 g ( t ) = 0.1
和 g ( t ) = 0.9 之间的时间间隔，其实这就是上面提到
的上升时间。
如果 Brx 用兆赫兹表示，则光接收机的展宽时间用纳秒
表示为
(6.5)
rxrx
350t
B
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6.1.2 带宽预算6.1.2 带宽预算 2 ．光纤材料色散展宽时间
长度为 L 的光纤引起的材料色散展宽时间可以表示为
(6.6)
式中， D 为色散系数，由于构成链路的每段光纤的色散系数可能
不同，因此应取平均值； 为光源的半功率谱宽 (FWHM) 。
matt
matt LD
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6.1.2 带宽预算6.1.2 带宽预算 3 ．光纤模式色散展宽时间长度为 L 的链路，由模式色散限制的带宽可以近似地表示为
(6.7)
式中， 为单位长度 (1 km ) 的光纤带宽； q 为光纤质量
指数，在 0.5 ~ 1 之间取值，取 q = 0.5 时表示达到稳定的
模式平衡状态， q = 1 表示几乎没有模式混合，一般情况下
取 q = 0.7 比较合理。
1M ( )
q
BB L
L
modt
1B
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6.1.2 带宽预算6.1.2 带宽预算光纤模式色散引起的展宽时间为
(6.8)
式中，时间单位为纳秒，带宽单位为兆赫兹。把式 (6.5)、式 (6.6)和式 (6.8)代入式 (6.3)，就
可以得到总的系统展宽时间为
(6.9)
式中，所有的时间用纳秒表示；色散系数 D 的单位为ns/(nm·km) 。
mod M 1440 / 440 /qt B L B
2 2 2 2 1/ 2sys tx mod mat rx
1/ 22 2
2 2 2 2tx
1 rx
[ ]
440 350q
t t t t t
Lt D L
B B
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6.1.2 带宽预算6.1.2 带宽预算
例 6.2 继续使用例 6.1 中功率预算的内容。
假设 LED 及其驱动电路的展宽时间为 15 ns 。 LED 的
典型谱宽为 40 nm ， 6 km 光纤长度与材料色散相关的
展宽为 21 ns 。假设接收机的带宽 25 MHz 。如果光纤
带宽与距离的乘积为 400MHz·km ，而且取 q = 0.7 。
试求系统总的展宽时间。
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6.1.2 带宽预算6.1.2 带宽预算 解 根据式 (6.5)，可得 = 14 ns ，根据式 (6.8)，
可得
= 3.9 ns ，把所有的数值代入式 (6.9)，得
对于 20 Mb/s 的 NRZ 编码来说，要求的展宽时间应小于 70 ％ ×( 1/20 Mb/s ) = 35 ns ，所以本系统的器件选择合理。
modtrxt
2 2 2 2 1/ 2sys tx mod mat rx
2 2 2 2 1/ 2
[ ]
[(15 ns) (21 ns) (3.9 ns) (14 ns) ]
30 ns
t t t t t
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6.2 光纤通信复用系统 6.2 光纤通信复用系统
6.2.16.2.1 波分复用技术原理
6.2.36.2.3 密集波分复用技术
6.2.26.2.2 波分复用技术的特点及研究热点
6.2.46.2.4 稀疏波分复用技术
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6.2 光纤通信复用系统6.2 光纤通信复用系统缓和光纤数量不足的一种途径是敷设更多的光纤，不失为
一种解决方案。
另一种方案是采用时分复用 (TDM) 方法来提高比特率，
但单根光纤的传输容量的利用率仍然是有限的。
第三种方案是波分复用 (WDM) 技术。波分复用能充分
利用光纤的带宽，解决通信网络传输能力不足的问题。
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6.2.1 波分复用技术原理6.2.1 波分复用技术原理波分复用是将两种或多种不同波长的光载波信号在发送端经复用器（也称为合波器， Multiplexer）汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术；
在接收端，经解复用器（也称为分波器或去复用器， Demultiplexer）将各种波长的光载波分离，然后由光接收机做进一步处理以恢复原信号。
这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术称为波分复用。
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6.2.1 波分复用技术原理6.2.1 波分复用技术原理波分复用系统的基本构成主要有以下两种形式：双纤单向
传输和单纤双向传输。
单向WDM 是指所有的光通路数据流同时在一根光纤上沿同一个方向传送，如图 6.4(a)所示。因此，要实现全双工通信则至少需要两根光纤。
而双向WDM 是指光通路数据流在一根光纤上同时向相反的方向传输，如图 6.4(b)所示，系统用一根光纤就可以实现全双工通信。
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6.2.1 波分复用技术原理6.2.1 波分复用技术原理
(a) 双纤单向 WDM
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6.2.1 波分复用技术原理6.2.1 波分复用技术原理
(b) 单纤双向 WDM
图 6.4 波分复用系统原理图
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6.2.1 波分复用技术原理6.2.1 波分复用技术原理
单向WDM 系统在开发和应用方面都比较广泛。双向 WDM 系统的开发和应用相对来说要求更高。
按照通道间隔不同， WDM 可以细分为稀疏波分复用、粗波分复用 (CWDM) 和密集波分复用 (DWDM）。
CWDM 的信道间隔一般为 20 nm ，而 DWDM 的信道间隔从 0.2 nm 到 1.2 nm 。
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6.2.1 波分复用技术原理6.2.1 波分复用技术原理 CWDM 和 DWDM 的区别主要有两点：一是 CWDM载波通道间距较宽，因此，同一根光纤上只
能复用 5~6 个波长的光波（信道），“稀疏”与“密集”称谓的差别就由此而来；
二是 CWDM调制激光采用非冷却激光器，而 DWDM采用的是冷却激光器。冷却激光器采用温度控制，非冷却激光器采用电子控制。
CWDM 系统成本只有 DWDM 的 30 ％。
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6.2.2 波分复用技术的特点及研究热点6.2.2 波分复用技术的特点及研究热点
1 ． WDM 技术具有的优点
WDM 技术具有如下优点：
(1) 传输容量大，可以节约宝贵的光纤资源。
(2) 对各类业务信号“透明”，可以传输不同类型的信号，并能对其进行合成和分解。
(3) WDM 技术是理想的扩容手段。
(4) 组建动态可重构的光网络。
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6.2.2 波分复用技术的特点及研究热点6.2.2 波分复用技术的特点及研究热点
2 ．波分复用技术目前存在的问题
以 WDM 技术为基础的具有分插复用功能和交叉连接功
能的光传输网，具有易于重构和良好的扩展性等巨大优势，
已成为未来高速传输网的发展方向。
但在真正实现之前，还必须解决下列问题：
（ 1 ）网络管理 （ 2 ）互连互通 （ 3 ）光器件
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6.2.3 密集波分复用技术6.2.3 密集波分复用技术 1 ． DWDM 对光纤性能的要求
DWDM 是密集的多波长光信道复用技术，光纤的非线性
效应是影响 WDM 传输系统性能的主要因素。
克服非线性效应的主要方法是改进光纤的性能：
如（ 1 ）增加光纤的有效传光面积，以减小光功率密度；
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6.2.3 密集波分复用技术6.2.3 密集波分复用技术
（ 2 ）在工作波段保留一定量的色散，以减小四波混频
效应；
（ 3 ）减小光纤的色散斜率，以扩大 DWDM 系统的工
作波长范围，增加波长间隔；
（ 4 ）同时，还应尽量减小光纤的偏振模色散，以及在
减小四波混频效应的基础上尽量减小光纤工作波段上的色
散，以适应单信道速率的不断提高。
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6.2.3 密集波分复用技术6.2.3 密集波分复用技术
2 ． DWDM 系统中的光源
密集波分复用系统中的光源应满足以下 4 点要求：
(1)波长范围很宽；
(2)尽可能多的信道数；
(3)每信道波长的光谱宽度应尽可能窄；
(4)各信道波长及其间隔应高度稳定。
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6.2.3 密集波分复用技术6.2.3 密集波分复用技术因此，在波分复用系统中使用的激光光源，几乎都是分布反馈激光器 (DFB-LD) ，而且目前多为量子阱 DFB 激光器。
随着科学技术的发展与进步，用在波分复用系统中的光源除了分立的 DFB-LD 、可调谐激光器、面发射激光器外，还有另外两种形式。
其一是激光二极管阵列，或是阵列激光器与电子器件的集成，实际是光电集成回路 (OEIC) 。
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6.2.3 密集波分复用技术6.2.3 密集波分复用技术 3 ．实现 DWDM 的关键技术和设备
实现光波分复用和传输的设备种类很多。
总体上看，在 DWDM 系统当中有 ：光发送 / 接收器、波分复用器、光放大器、光监控信道和光纤五个模块。
(1) 光发送 / 接收器 光发送 / 接收器主要产生和接收光信号。
(2) 波分复用器
波分复用器包括光合波器和光分波器。
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6.2.3 密集波分复用技术6.2.3 密集波分复用技术 (3) 光放大器 光放大器可以作为前置放大器、线路放大器、功率放大器，
是光纤通信中的关键部件之一。
目前使用的光放大器分为：光纤放大器 ( OFA) 和半导体光放大器 ( SOA) 两大类。
光纤放大器又分为掺铒光纤放大器 ( EDFA) 、掺镨光纤放大器 ( PDFA) 、掺钕光纤放大器 ( NDFA) 。其中，掺铒光纤放大器的性能优越，已成为现阶段光放大器的主流。
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6.2.3 密集波分复用技术6.2.3 密集波分复用技术 (4) 光监控通道 ITU-TG.692 建议要求， DWDM 系统要利用 EDFA
工作 频带以外的一个波长对 EDFA 进行监控和管理。
目前，在这个技术上的差异主要体现在光监控通道 (OSC)
波长选择、监控信号速率、监控信号格式等方面。
4 ． DWDM 应用 DWDM 既可以用于陆地与海底干线，也可以用于市内
通信网，还可以用于全光通信网。
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6.2.3 密集波分复用技术6.2.3 密集波分复用技术同时， WDM 系统还具有多路复用保护功能，对运行安全
有利。
利用 DWDM 系统传输的不同波长可以提供选寻路由和交换功能。
DWDM 在构建 AON 中起了关键的作用。
全光通信网 (All Optical Network, AON) ，即多波长光通信网：整个通信网包括交换在内可以完全在光域中完成的通信网。
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6.2.4 稀疏波分复用技术6.2.4 稀疏波分复用技术目前建议草案考虑的 CWDM 系统波长栅格分为三个波段。
“O 波段”包括 4 个波长： 1290 nm , 1310 nm , 1330 nm 和
1350 nm；“ E 波段”包括 4 个波长： 1380 nm , 1400 nm ,
1420 nm 和 1440 nm；“ S + C + L” 波段包括从 1470 nm
到 1610 nm 的范围，间距为 20 nm 的 8 个波长。
CWDM 的复用 / 解复用器和激光器正在逐渐形成自己的标准。目前已经成立 CWDM 用户组开始结束 CWDM 城域网标准的混乱状态。
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6.2.4 稀疏波分复用技术6.2.4 稀疏波分复用技术 1 ． CWDM 系统的关键技术与模块 (1) 新型光纤 为了扩展光纤的可用波长范围，提高复用信道数量，许多公司纷纷推出各种新型的 G.652C 光纤。其中，零水峰光纤( ZWPF ) 有效地消除了氢氧根吸收峰的影响，提供了更低的相邻信道信号衰减。
ZWPF 光纤提供的有效波长范围比传统单模光纤多出 100
nm ，使 CWDM 信道数量增加 33 ％ 以上。同时， G.652C
光纤完全与传统单模光纤兼容，支持所有标准的系统规范。
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6.2.4 稀疏波分复用技术6.2.4 稀疏波分复用技术 (2) 光收发模块 光收发模块是光通信系统的主要部件。目前常见的光收发模块有分立的光发射模块、光接收模块
和光收发一体模块三种。
CWDM 收发模块通常采用 DFB 激光器或垂直腔表面发射激光器 ( VCSEL ) 作为光源。
CWDM 系统使用的 DFB 激光器无需集成致冷器。而DWDM 系统采用的 DFB 激光器波长容差。
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6.2.4 稀疏波分复用技术6.2.4 稀疏波分复用技术
除温度外， CWDM 无致冷激光器还需要考虑的问题就是色散代价。激光器芯片的优化设计能够延长色散受限系统的传输距离。
VCSEL 是一种新型的半导体激光器 ,具有低功耗和高效的光纤耦合特性，能够便利地制成二维阵列，实现大规模光电集成。
VCSEL 有望取代 DFB 激光器，成为光通信领域最理想、最有前途的低成本光源。
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6.2.4 稀疏波分复用技术6.2.4 稀疏波分复用技术 (3) 复用器 / 解复用器 (MUX/DEMUX)
复用器 / 解复用器是波分复用光传输系统的关键器件。
目前常用的 MUX/DEMUX 有干涉膜滤波器型、光纤光栅型和阵列波导光栅 AWG 型和熔融拉锥耦合型等。
其中，干涉膜滤波技术近年来发展较为成熟，适合信道数量不多的波分复用系统。
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6.2.4 稀疏波分复用技术6.2.4 稀疏波分复用技术 2 ． CWDM 的优势
从纯技术角度来讲， CWDM 技术存在着明显的劣势，然而， CWDM 产品能有效地降低成本。
(1) CWDM 的硬件成本低 (2) CWDM 结构简单 (3) CWDM 的功耗低 (4) CWDM 器件的物理尺寸更小 (5) CWDM 对传输介质要求较低 (6) 应用环境的比较
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6.2.4 稀疏波分复用技术6.2.4 稀疏波分复用技术 3 ． CWDM 存在的不足
CWDM 目前尚存在以下不足：
(1) CWDM 在单根光纤上支持的复用波长个数较少，导致日后扩容成本较高；
(2) 复用器、复用解调器等设备的成本还应进一步降低，这些设备不能只是 DMDM 相应设备的简单改型。
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6.2.4 稀疏波分复用技术6.2.4 稀疏波分复用技术 4 ． CWDM 系统的应用
新型城域网建设引进 CWDM 系统将带来许多优势。 CWDM 技术能应用于无源光网络系统 , 它用很低的成本提供了很高
的接入带宽，
适用于点对点、以太网、 SONET (Synchronous Optical
NETwork)环等各种流行的网络结构，特别适合短距离、高带宽、接入点密集的通信应用场合。
目前， CWDM 越来越受到大家的认可并逐渐成为日益增长的城域网市场的主流技术。
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6.3 相干光通信6.3 相干光通信
6.3.26.3.2 相干光通信的优点
6.3.36.3.3 相干光通信的关键技术
6.3.16.3.1 相干光通信的基本工作原理
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6.3 相干光通信6.3 相干光通信目前实用化的光纤通信系统都是采用光强度调制 / 直接探测 ( Intensity Modulation with Direct Detection, IM-
DD ) 方式，其原理简单，成本低，但不能充分发挥光纤通信的优越性，存在频带利用率低、接收机灵敏度差、中继距离短等缺点。
为了充分利用光纤通信的带宽，将无线电数字通信中的相干通信方式应用于光纤通信。于是，相干光通信便产生了。
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6.3.1 相干光通信的基本工作原理6.3.1 相干光通信的基本工作原理
相干光通信的基本工作原理如图 6.5所示。
图 6.5 相干光通信系统原理图
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6.3.1 相干光通信的基本工作原理6.3.1 相干光通信的基本工作原理
基本工作原理：在发送端，采用外光调制方式将信号以调幅、调相或调频的方式调制到光载波上，再经光匹配器送入光纤中传输。当信号光传输到达接收端时，首先与本振光信号进行相干混合，然后由探测器进行检测。
其中，发射端的光匹配器是保证从光调制器输出的已调光波的空间场分布和单模光纤中的基模 HE11 之间有尽可能好的匹配，以及已调光波的偏振状态和单模光纤中的本征偏振状态相匹配。
接收端的光匹配器是为了达到光混频器最大可能的混频效率而使接收的光复数振幅和偏振与本振光波相匹配。
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6.3.1 相干光通信的基本工作原理6.3.1 相干光通信的基本工作原理
相干光通信按照本振光信号频率与接收到的信号光频率是否相等，可分为外差检测相干光通信和零差检测相干光通信。
前者经光电检波器获得的是中频信号，中频信号还需二次解调才能被转换成基带信号。外差检测相干光通信不要求本振光与信号光之间的相位锁定和光频率严格匹配。
对于后者，光信号经光电检波器后被直接转换成基带信号，不用二次解调，但它要求本振光频率与信号光频率严格匹配，并且要求本振光与信号光相位锁定。
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6.3.1 相干光通信的基本工作原理6.3.1 相干光通信的基本工作原理
图 6.6为相干检测原理图。
图 6.6 相干检测原理图
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6.3.1 相干光通信的基本工作原理6.3.1 相干光通信的基本工作原理
图 6.6中的光信号是以调幅、调频或调相的方式调制到光载波（载波频率为 ）上的。当该信号传输到接收端时，首先与频率为 的本振光信号进行相干混合（混频），然后由光电检测器进行检测，这样就获得了中频频率为 的输出电信号。设信号光和本振光的电场分量分别为
,
(6.10)
式中， 和 ， AS 和 AL ， 和 分别是信号光和本振光的频率、振幅和相位。
S S S Scos( )E A t L L L Lcos( )E A t
Ls
IF s L
s Ls L
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6.3.1 相干光通信的基本工作原理6.3.1 相干光通信的基本工作原理假定信号光和本振光的偏振方向相同，光检测器上的光强
度为正比于 ，设检测到的功率为 P = K
， K 为比例系数。将式 (6.10)代入，则
p(t) (6.11)
式中， 为接收信号光功率； 为本振信号光功率； 为中频； 信号频率超出光检
测器频段，可以忽略。
2S LE E
2S LE E
S L S L IF S L2 cos( )P P P P t
2 2S S S Scos ( )P K A t 2 2
L L L Lcos ( )P K A t
cos( )s L IF s L
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6.3.1 相干光通信的基本工作原理6.3.1 相干光通信的基本工作原理
当 ≠ 时，必须把接收信号光载波频率转换为中频信号（典型值为 0.1～ 5 GHz），然后再把该中频信号转变成基带信号，这种相干检测方式称为外差检测。
当 = 时，可以把接收到的光信号直接转变为基带信号，这种相干检测方式称为零差检测。
1 ．零差检测零差检测时，选择本振光频率 与信号光载波频率
相同，此时 = 0，光检测器产生的光电流为
s L
s L
Ls
IF
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6.3.1 相干光通信的基本工作原理6.3.1 相干光通信的基本工作原理
(6.12) 式中， R 是检测器的响应度。因为通常 ，所以可以认为
为常数。
式 (6.12)的最后一项包含要传送的信息。考虑到本振光相位被锁定在信号光相位上，即 ，因此零差检测产生的信号电流为
(6.13)
L SP P
S L S L S L( ) ( ) 2 cos( )I t RP R P P R P P
S L LP P P
S L
S S L( ) 2 ( )I t R P t P
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6.3.1 相干光通信的基本工作原理6.3.1 相干光通信的基本工作原理
2 ．外差检测在外差检测情况下，选择本振光频率 与信号光载波频率 不同，使差频 落在微波范围内 ( ≈ 1 GHz)。因此
光检测器产生的光生电流为
因为通常 ，所以 为常数，所以上式的第一项可认为是直流常数，很容易被滤除。此时，含有信息的外差信号电流为
(6.14)
L
SIFfIF
S L S L IF S L( ) ( ) 2 cos( )I t R P P R P P t
S L IF S L( ) 2 cos( )I t R P P t
L SP PS L LP P P
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6.3.2 相干光通信的特点6.3.2 相干光通信的特点相干光通信充分利用了相干通信方式具有的混频增益、出
色的信道选择性及可调性等特点。
与 IM-DD 系统相比，具有以下独特的优点。
(1) 灵敏度高，中继距离长 (2) 选择性好，通信容量大 (3) 可以使用电子学的均衡技术来补偿光纤中光脉冲的
色散效应 (4) 具有多种调制方式
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6.3.3 相干光通信的关键技术6.3.3 相干光通信的关键技术为了实现准确、有效、可靠的相干光通信，应采用以下关键技术。
1 ．外光调制技术外光调制是根据某些电光或声光晶体的光波传输特性随电压或声压等外界因素的变化而变化的物理现象而提出的。
外光调制器主要包括三种：利用电光效应制成的电光调制器、利用声光效应制成的声光调制器和利用磁光效应制成的磁光调制器。采用以上外调制器，可以完成对光载波的振幅、频率和相位的调制。
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6.3.3 相干光通信的关键技术6.3.3 相干光通信的关键技术 2 ．偏振保持技术在相干光通信中，相干探测要求信号光束与本振光束必须
有相同的偏振方向，才能获得相干接收所能提供的高灵敏度，否则，会使相干探测灵敏度下降。
为了充分发挥相干接收的优越性，在相干光通信中应采取光波偏振稳定措施。目前，主要有两种方法：
一是采用“保偏光纤”使光波在传输过程中保持光波的偏振态不变。
二是使用普通的单模光纤，在接收端采用偏振分集技术。
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6.3.3 相干光通信的关键技术6.3.3 相干光通信的关键技术 3 ．频率稳定技术在相干光通信中，激光器的频率稳定性是相当重要的。因此，只有保证光载波振荡器和光本振振荡器的高频率稳定性，才能保证相干光通信系统的正常工作。
激光器的频率稳定技术主要有三种：
(1) 将激光器的频率稳定在某种原子或分子的谐振频率上，在 1.5 μm 波长上，已经利用氨、氪等气体分子实现了对半导体激光器的频率稳定；
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6.3.3 相干光通信的关键技术6.3.3 相干光通信的关键技术 (2) 利用光生伏特效应、锁相环技术、主激光器调频边
带的方法实现稳频； (3) 利用半导体激光器工作温度的自动控制、注入电流
的自动控制等方法实现稳频。
除了以上关键技术外，还有频谱压缩技术和非线性串扰控制技术、相位分集接收技术、双路平衡接收技术、光锁相环技术，以及用于本振频率稳定的 AFC等。
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6.4 光孤子通信6.4 光孤子通信
6.4.26.4.2 光孤子通信系统的构成
6.4.36.4.3 国内外孤子光通信走向实用的动态
6.4.16.4.1 光孤子通信原理
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6.4 光孤子通信6.4 光孤子通信孤子 (Soliton)又称为孤立波 (Solitary wave)，
是一种特殊形式的超短脉冲，或者说是一种在传播过程中形状、幅度和速度都维持不变的脉冲状行波。
1973年，孤立波的观点开始引入到光纤传输中，逐渐产生了新的光孤子通信理论，从而把通信引向非线性光纤孤子传输系统这一新领域。
光孤子就是这种能在光纤中传播的长时间保持形态、幅度和速度不变的光脉冲。利用光孤子特性，可以实现超长距离、超大容量的光通信。
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6.4.1 光孤子通信原理6.4.1 光孤子通信原理光纤的损耗和色散是限制线性光纤通信系统传输距离和容
量的两个主要因素。
光的色散是指由于物质的折射率与光的波长有关系而发生的一些现象。光纤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。
在光强较弱的情况下，光纤介质的折射率是常数，即 n
不随光强变化。
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6.4.1 光孤子通信原理6.4.1 光孤子通信原理但是在强光作用下，由物理晶体光学的克尔 (Kerr) 效应
可知，光纤介质的折射率不再是常数，折射率正比于光场强。又知折射率与相位有一定的关系，相位与频率有一定的关系，则光强的变化将造成光信号频率的变化，从而使光的传播速度发生变化。
光纤的群速度色散和光纤的非线性，两者共同作用使得孤子在光纤中能够稳定存在。
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6.4.1 光孤子通信原理6.4.1 光孤子通信原理光孤子的产生：当工作波长大于 1.3 μm 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，称为自相位调制 (Self-Phase
Modulation, SPM) ，脉冲后沿比中前沿运动得快，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，即光孤子，它可以传播得很远而不改变形状与速度，如图 6.7所示。
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6.4.1 光孤子通信原理6.4.1 光孤子通信原理
图 6.7 光纤中基态孤子随传播距离的演化
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6.4.1 光孤子通信原理6.4.1 光孤子通信原理孤立波是一种形态的波，它仅有一个波峰，波长为无限长，
在很长的传输距离内可以保持波形不变。
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为光孤子传输系统。
1895年， Korteweg 和 Vries 提出了著名的 KDV 方程，从而建立了孤立子的数学模型。
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6.4.1 光孤子通信原理6.4.1 光孤子通信原理后来经过慢长的时间，直到 1973年，美国威苏康星大学
的 A. C. Scott等人提出了孤立子的正式定义：孤立子是非线性波动方程的一个孤子波解，它可以传播很长的距离而不变形，当它与其他同类孤立波相遇后，保持其幅度、形状和速度不变。
光孤子的概念还可进一步概括为：某一相干光脉冲在通过光纤时，脉冲前沿部分作用于光纤使之激活，而其后沿部分则受到光纤的作用获得增益，前沿失去的能量和后沿获得的能量相互抵消，其结果使得光脉冲传输时，没有任何形状上的变化，即形成了一个稳定的光孤子或光孤立子。
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6.4.2 光孤子通信系统的构成6.4.2 光孤子通信系统的构成 1 ．光孤子通信系统的基本构成目前已提出的光孤子通信实验系统的构成方式种类较多，但其基本部件却大致相同，其基本组成结构如图 6.8所示。
图 6.8 光孤子通信实验系统的基本组成结构
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6.4.2 光孤子通信系统的构成6.4.2 光孤子通信系统的构成
在图 6.8中电信号脉冲源通过调制器将信号加载于光孤子流上，承载的光孤子流经 EDFA 放大后进入光纤传输。
沿途需增加若干个光放大器，以补偿光脉冲的能量损失，同时需要平衡非线性效应与色散效应，以最终保证脉冲的幅度与形状稳定不变。
在接收端，通过光孤子检测装置、判决器或解调器及其他辅助装置实现信号的还原。
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6.4.2 光孤子通信系统的构成6.4.2 光孤子通信系统的构成 2 ．主要技术问题光孤子在光纤中的传输过程需要解决如下问题：光纤损耗
对光孤子传输的影响、光孤子之间的相互作用、高阶色散效应对光孤子传输的影响以及单模光纤中的双折射现象等。
由此需要涉及的技术主要有： (1) 适合光孤子传输的光纤技术研究特定光纤参数条件下光孤子传输的有效距离，由此确
定能量补充的中继距离，这样的研究通常导致新型光纤的产生。
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6.4.2 光孤子通信系统的构成6.4.2 光孤子通信系统的构成 (2) 光孤子源技术
光孤子源是实现超高速光孤子通信的关键。根据理论分析，只有当输出的光脉冲为严格的双曲正割形，且振幅满足一定的条件时，光孤子才能在光纤中稳定地传输。
现在的光孤子通信实验系统大多采用体积小、重复频率高的增益开关 DFB 半导体激光器或锁模半导体激光器作光孤子源。
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6.4.2 光孤子通信系统的构成6.4.2 光孤子通信系统的构成 (3) 光孤子放大技术 全光孤子放大器对光信号可以直接放大，避免了目前光通
信系统中光 / 电、电 / 光的转换模式。它既可以作为光端机的前置放大器，又可以作为全光中继器，是光孤子通信系统极为重要的器件。
光放大被认为是全光孤子通信的核心问题。
实际上，光孤子在光纤的传播过程中，不可避免地存在损耗，因此补偿这些损耗成为光孤子传输的关键技术之一。
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6.4.2 光孤子通信系统的构成6.4.2 光孤子通信系统的构成目前有两种补偿孤子能量的方法：
一种是采用分布式的光放大器的方法，即使用受激拉曼散射放大器或分布的掺铒光纤放大器；
另一种是集总的光放大器法，即采用掺铒光纤放大器或半导体激光放大器。
集总放大方法其稳定性 , 已经得到了理论和实验的证明，成为当前孤子通信的主要放大方法。
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6.4.2 光孤子通信系统的构成6.4.2 光孤子通信系统的构成 (4) 光孤子开关技术
在设计全光开关时，采用光孤子脉冲作为输入信号可使整
个设计达到优化。
光孤子开关的最大特点是开关速度快（达 s 量级），
开关转换率高达 100％，开关过程中光孤子的形状不发
生改变，选择性能好。
210
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6.4.3 国内外光孤子通信走向实用的动态6.4.3 国内外光孤子通信走向实用的动态
1 ．光孤子通信研究的三个阶段
(1) 1973 ~ 1980 年为第一阶段：首先将光孤子应用于光通信的设想是由美国贝尔实验室的 A. Hasegawa 于 1973 年提出的 。
(2) 1981 ~ 1990 年为第二阶段：主要工作是关键部件的研制。
(3) 1991年 ~ 现在 为第三阶段：主要工作是建立实验系统并向实际应用迈进。
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6.4.3 国内外光孤子通信走向实用的动态6.4.3 国内外光孤子通信走向实用的动态
2．光孤子通信在美国和日本的实用化进程
在光孤子通信领域，美国和日本领先。
(1) 美国贝尔实验室Mollenauer研究小组的实验系统是世界上最早的光孤子实验系统，首次从实验上证实了光孤子传输的可能性。
(2) 1995年，在日本东京地区的光纤局域网上， NTT公司首次出现了 10 Gb/s, 2000 km 的光孤子现场直通测试，向实用化进程迈出了十分重要的一步。
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6.4.3 国内外光孤子通信走向实用的动态6.4.3 国内外光孤子通信走向实用的动态
(3) 美国贝尔实验室已成功地将激光脉冲信号传输 5920km ， 还利用光纤环实现了 5 Gb/s 、能传输 15 000 km 的单信
道孤子通信系统和传输 11 000 km ，总码速达到 10 Gb/s 的双信道波分复用孤子通信系统。美国光谱物理公司已研制出能产生 4×10-13 s 的孤立波脉冲信号的器件。
(4) 日本利用普通光缆线路成功地进行了超高 20 Tb/s 、远距离 1000 km 孤立波通信。日本电报电话公司在 1992年推出了速率为 10 Gb/s ，能传输 12 000 km 的直通光孤子通信实验系统。
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6.4.3 国内外光孤子通信走向实用的动态6.4.3 国内外光孤子通信走向实用的动态
3．光孤子通信在中国 (1) 1994年掺铒光纤放大器在武汉通过鉴定，由武汉邮电科学研究院研制的 EDFA ，具有增益高、噪声低、增益特性与光偏振状态无关，等一系列优点，达到了世界先进水平。
在光端机的发送端加后置式掺铒光纤放大器，在接收端加低噪声前置掺铒光纤放大器，则可以使 2.488 Gb/s 系统具有跨越 100 ~ 250 km无中继距离的能力，可以大大降低中继成本。
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6.4.3 国内外光孤子通信走向实用的动态6.4.3 国内外光孤子通信走向实用的动态
(2) 1999年，“ 863”研究项目“ OTDM 光孤子通信关键技术研究”通过了专家的验收。该项目成功地研制了增益开关激光器和 2.5 Gb/s 的 RZ 脉冲光接收机。
并在以下各技术领域中取得了成功：
① 采用色散补偿光纤对光脉冲进行压缩；② 采用 2.5 ~ 20 Gb/s 的光信号复用；③ 从 20 Gps 的复用系统中提取 2.5 Gb/s 的电时钟；④ 采用非线性光学环路实现 2.5 ~ 20 Gb/s 的解复用；⑤ 采用啁啾光栅对 20
Gb/s 信号在标准单模光纤中传输 105 km后造成的色散进行补偿；⑥ 研制 2.5 Gb/s铌酸钾强度调制发送单元；⑦ 成功地进行了 20 Gb/s, 105
km 的光纤传输。
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6.4.3 国内外光孤子通信走向实用的动态6.4.3 国内外光孤子通信走向实用的动态
4．光孤子通信的优越性及其展望
光孤子通信克服了色散的制约，极大地提高了传输容量和传输距离，尤其是当光速度超过 10 Gb/s 时，光孤子传输系统显示出了明显的优势。
光孤子通信系统不但容量大、频带宽、增益高，更可贵的是从根本上改变了现有通信中的光电器件和光纤耦合所带来的损耗和不方便，是一场光纤通信的革命。
光孤子通信系统由于没有使用电子元件，可以工作在很高的温度，甚至是 1000℃的高温下。
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6.4.3 国内外光孤子通信走向实用的动态6.4.3 国内外光孤子通信走向实用的动态
光孤子技术未来的前景是：
在传输速度方面，采用超长距离的高速通信、时域和频域的超短脉冲控制技术以及超短脉冲的产生和应用技术使现行速率 10 ~ 20 Gb/s 提高到 100 Gb/s 以上；
在增大传输距离方面，采用重定时、整形、再生技术和减少放大自发辐射 ( ASE) 。光学滤波可使传输距离提高到100 000 km 以上。
光孤子通信在超长距离、高速、大容量的全光通信中，尤其是在海底光通信系统中，有着光明的发展前景。
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习 题 6.1 画图求出下面两个速率为 100 Mb/s 的系统其损耗限制的最大传输
距离。 系统 1 工作在 850 nm ： (a) GaAlAs 半导体激光器： 0 dBm 的功率耦合进光纤； (b) 硅雪崩光电二极管：灵敏度为 -50 dBm ； (c) 渐变折射率光纤：在 850 nm 处的损耗为 3.5 dB/km ； (d) 连接器：每一个连接器的损耗为 1 dB 。 系统 2 工作在 1300 nm ： (a) InGaAsP LED ： -13 dBm 的功率耦合进光纤； (b) InGaAs PIN 光电二极管：灵敏度为 -37 dBm ； (c) 渐变折射率光纤：在 1300 nm 处的损耗为 1.5 dB/km ； (d) 连接器：每一个连接器的损耗为 1 dB 。
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习 题 6.2 一个速率为 90 Mb/s 的 NRZ 数据传输系统，所用的 GaAlAs 半
导体激光器的谱宽为 1 nm ，发送脉冲的上升时间为 2 ns ，所使用的渐变折射率光纤的带宽距离积为 800 MHz·km ，传输距离为 7 km ，求
(1) 如果接收机的带宽为 90 MHz ，模式混合因子 q = 0.7 ，则系统的展宽时间为多少？是否满足系统的要求？
(2) 如果在 7 km 的链路中没有出现模式混合，即 q = 1 时系统的展宽时间又是多少？
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习 题
6.3 可供使用的器件如下： GaAlAs 半导体激光器，工作波长为850 nm ，耦合进光纤的功率为 0 dBm ；有 10 段 500 m 长的光缆，损耗为 4 dB/km ，两端均有连接器，每一个连接器的损耗为 2 dB ；一个 PIN 光电二极管接收机；一个 APD 光电二极管接收机。如果要构建一条速率为 20 Mb/s 的 5 km 长的光纤链路，如果 PIN
和 APD 的接收机灵敏度分别为 -45 dBm 和 -56 dBm ，则在需要6 dB 的系统富余度时应该选择哪一种接收机？
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习 题
6.4 工作波长为 1550 nm 的单模光纤链路，需要在无中继的条件下以 622 Mb/s 的传输速率传输 80 km 。所使用的单纵模InGaAsP 激光器耦合进光纤的功率为 13 dBm ；光纤损耗为 0.35
dB/km ，而且每千米处都有一个损耗为 0.1 dB 的熔接头；接收端的耦合损耗为 0.5 dB ；使用的 InGaAs APD 的灵敏度为 -39 dBm ；附加噪声为 1.5 dB 。完成系统功率预算并求出系统的富余度？如果速率改为 2.5 Gb/s ， APD 的灵敏度为 -31 dBm ，则系统的富余度又是多少？
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习 题
6.5 某单模光纤通信系统，光发射机的平均发送光功率为 0.8 mW ，接收机的灵敏度为 -37 dBm ，全程光纤平均接头损耗为 0.04 dB/km ，设计要求系统的富余度为 6 dB ，无中继传输距离为 80 km ，试问在选取光缆时，光纤的每千米损耗最大为多少？
6.6 光纤通信系统的总脉冲上升时间由哪些上升时间构成？
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习 题
6.7 一个光传输系统的信道间隔限制在 1 nm ，在 1536 ~ 1556 nm 频带内可用的波长信道数为多少？
6.8 设某工程采用单模光纤通信系统，其光发射机光源的入纤光功率为 1 mW ，接收机的灵敏度为 -38 dBm ，全程光纤接头损耗为 5 dB ，系统的富余度为 6 dB ，若系统中继传输距离为 60 km ，则该系统的光纤每千米损耗为多少？
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