相干光通信基础知识(一)
- 光通信的发展与现状
- 直接检测光通信系统
- 其他技术
- 综述
- 光通信系统中的信号劣化
- 损耗
- 吸收
- 散射
- 辐射
- 失真
- 线性失真
- 非线性失真(非线性效应)
- 受激散射
- 非线性折射
光通信的发展与现状
光通信系统是指利用电磁波波谱中的红外、可见光或者紫外区域的高频电磁波进行通信的系统。 之前由于直接检测也就是包络检波结构简单、成本低的原因,一直是直接检测的天下。但是采用直接检测意味着只能采用强度调制,这就大大限制了传输容量,后来随着器件水平发展和系统扩容的需要,相干检测成为研究热点。
直接检测光通信系统
OOK强度调制/直接检测(IM/DD)
其他技术
提升器件水平
中继放大器(以掺铒光纤放大器EDFA为主)
其他方向
波分复用技术(Wavelength Division Multiplexing,WDM):通过提高波分复用度,提高单根光纤的传输信道,实现多路数据传输。
相干光通信技术:采用PSK、QAM、OFDM等高阶调制格式,提高频谱效率,从而提高系统的单信道传输速率和信道容量。
综述
在OOK强度调制/直接检测的基础上提出了WDM技术实现多路传输,EDFA解决了其插入损耗问题。在每一路上采用频谱效率更高的调制格式,相干光通信系统就此诞生。
光通信系统中的信号劣化
损耗
吸收
吸收损耗与光纤材料有关
1.本征吸收:由材料决定,与波长入有关
2.杂质吸收:损耗扩大的主要因素
散射
与材料及光纤结构缺陷有关
1.瑞利散射损耗(αR):
是基本损耗原理
由于光纤内部密度不均匀引起的。
瑞利散射与1/(入的4次方)成正比
瑞利散射系数A主要取决于纤芯和包层的相对折射率差(n1-n2)/n2
2.波导散射损耗:光纤在制作过程中,发生缺陷,使光纤的纤芯沿z轴(传播方向)不均匀,造成散射损耗。
辐射
由光纤几何形状的微观、宏观扰动有关
辐射损耗:由应力及形变导致能量泄漏的能量损耗。或者说光纤受到外力作用,发生一定的曲率半径的弯曲,造成能量泄漏,导致辐射损耗。 曲率半径越小,弯曲的越严重,辐射损耗越大。
失真
线性失真
色散:不同频率
非线性失真(非线性效应)
受激散射
弹性散射
非弹性散射
可以理解为一个高能量光子被散射为一个低能量光子,同时生成能量是两者能量差的声子,不同的是,SRS生成光频声子,而SBS生成声频声子
1.受激拉曼散射( SRS)
2.受激布里渊散射(SBS)
非线性折射
1.四波混频效应(FWM)
内容: WDM系统同时要求高输入功率和低色散,导致FWM。输入的n信道WDM系统,在经过一定距离的DSF(Dispersion Shifted Fiber)传输后在输出端产生了新的频谱,会对WDM系统的工作产生干扰,导致系统性能下降。当色散越低时,FWM产生的新频率能量越高,对通信干扰越大。所以对通信学者来说,色散与FWM是一对矛盾。
产生原因: 入射光中的某一个 波长上的光会使光纤的折射率发生改变,则在不同的频率上产生了光波相位的变化,从而产生了新的波长的光波。
特性: 自相位调制和交叉相位调制并不会引起模式之间的功率交换,会引起相位偏移,四波混频会造成模式之间的功率交换。
解决办法
(1)色散管理:通过合理安排不同色散特性的光纤,以获得局部较高但整体较低的色散。方法之一就是无源色散补偿,通过使用具有负色散特性的色散补偿光纤(DCF Dispersion compensation Fiber),抵消色散积累,使整体色散为0,但在各频率点色散不为0,这样就破坏FWM产生条件。
(2)非零色散位移光纤(NZDSF G.655):DSF(G.653)的基础上通过改变折射剖面结构的方法来使得光纤在1550nm波长色散不为零,故其被称为“非零色散位移”光纤。
扩展:三种光纤比较
(1)普通单模光纤(Single Mode Fiber , SMF , G.652):波长为1310nm处零色散,但此处损耗较大。
(2)色散位移光纤(Dispersion Shifted Fiber ,DSF, G.653):将零色散波长位移至1550nm处,因为此处损耗低。
(3)非零色散位移光纤(No-Zero Dispersion Shifted Fiber ,NZDSF ,G.655):通过改变折射剖面结构的方法来使得光纤在1550nm波长色散不为零的单模光纤。
2.自相位调制(SPM)
内容:是一种由光与介质相互作用引起的非线性光学效应,光信号在介质中传输时,克尔效应会引起介质折射率的变化。相移由入射光自身引起,引起脉冲频谱展宽。
影响:自相位调制会导致光信号相位随电场强度大小变化而变化,但脉冲形状不会发生改变。还会导致脉冲频谱展宽
3.交叉相位调制(‘XPM’ OR ‘CPM’)
内容:交叉相位调制是指不同模式在光纤中共同传输时会发生非线性相移,且这种相移的大小与各个模式的电场强度都有关。光纤中的色散程度会影响交叉相位调制的大小,当不同模式以不同速度在光纤中同向传输一段距离后逐渐发生分离,交叉相位调制导致的模式之间相互影响也逐渐减小