光纤通信系统 第4版 第11章 光纤通信新技术.ppt

光纤通信系统（第4版）第11章光纤通信新技术光纤通信新技术自从1966年高锟先生提出纤维介质波导理论，为光纤通信奠定了理论基础以来，短短数十年间，光纤通信已经迅速发展为现代信息社会不可或缺的重要基础设施。从互联网的骨干传输到连接千家万户的光纤接入网，从服务各行各业的基础算力网络到探索宇宙奥秘的大科学装置，处处都有光纤通信系统的影子。为了满足不同领域的应用，光纤通信在理论研究和工程实践中也不断催生出了各种新的技术和新的应用，本章主要介绍一些典型的光纤通信新技术及其应用。11.1光孤子通信11.1.1光孤子通信的产生与发展罗素科特韦格德弗里斯1834年，英国造船工程师罗素（J.S.Russell）在苏格兰爱丁堡附近的尤宁运河岸边观察船在河中的运动情形时最早提出了平移波或孤波（solitonwave）的概念。经过百余年的接力探索，1965年，美国数学家克鲁斯卡尔（M.Kruskal）和扎布斯基（N.J.Zabusky）通过计算机模拟了孤立波的“碰撞”，发现经碰撞后的它们不会改变形状、大小和方向，并首次提出了孤立子或孤子（Soliton）这个名词，这也标志着孤子理论的正式诞生。孤子的定义和光孤子通信的提出孤子的理论意义是非线性波动方程的一个特解，它可传播很长的距离而不变形；当它与其它同类孤立波相遇后，可以保持其幅度、形状和速度不变。从波动光学观点而言，孤立波是传播过程中保持自身形态不变的定域化的波，并且两个孤立波碰撞前后波形和速度保持不变。从粒子观点而言，孤立子是能量集中在有限时间和空间的孤立波，并且两个孤立子间发生碰撞时，碰撞后各自的能量不会随时间扩散，即保持原来的速度和形状。基于光孤子实现超长距离通信（ultralonghaulsystem）是从非线性光学研究中提出的设想。如果用大功率光源产生ps级的超短脉冲并将其耦合进光纤，可能在光纤中激发出严重的非线性现象。此时，光纤可以被视为是非线性介质，即由于克尔效应（kerreffect）导致其折射率不再是常数，光纤折射率会随着入射光强而变化，这种折射率非线性效应会造成光脉冲前沿速度变慢，后沿速度变快，脉冲宽度被压缩。在一定的条件下，当光纤的线性现象和非线性现象同时存在，使光纤的展宽和缩窄正好平衡，产生一种新的光脉冲，就会得到信号脉冲无畸变的传输。换而言之，如果在传输链路中始终能保持色散导致的脉冲展宽与非线性效应造成的脉冲压缩相互抵消，则理论上可能维持一个脉冲形状不变的光孤子，其可以传输极远的距离而保持形状不变，这为包括跨大洲等超长距离光纤通信系统提供了一个可能的解决方案。11.1.2影响光孤子通信系统容量的因素1.自发辐射ASE噪声光孤子通信系统中接入光放大器补偿光纤损耗，可以实现长距离传输。但由于接入了较多数量的光放大器，不可避免地会在系统中引入自发辐射噪声（ASE），这种噪声可能会限制系统距离和性能。2.光孤子源频率啁啾光孤子源的频率啁啾也是影响光孤子系统的重要因素之一。如果光孤子源是带有啁啾成分的，这种啁啾可能会干扰了群速度色散（GVD）和自相位调制（SPM）效应间的平衡，对孤子系统是有害的。减小光源啁啾通常可以通过采用低啁啾或无啁啾的激光器、采用外调制技术以及采用增益开关技术等措施。3.自感应受激喇曼散射与孤子自频移因为超短脉冲具有很宽的频谱，其可能通过受激喇曼散射（SRS）效应，将脉冲高频分量的能量转移给同一脉冲中的低频分量，这种现象称为自感应SRS。自感应SRS的影响主要表现为当光孤子在光纤中传输时，脉冲高频部分能量向低频部分移动，导致孤子载频漂移，称为孤子自频移（SSFS）。载频向低频移动将转化为群速度的变化，群速度降低，孤子减速，影响孤子系统的性能。考虑孤子自频移后，脉冲宽度的波动将转化为时间抖动。11.2自由空间光通信11.2.1自由空间光通信原理和特点自由空间光通信（FSO）又称无线光通信或大气光通信，是指以激光为载体，在真空或大气中传递信息的一种通信方式。按照应用环境的不同，自由空间光通信系统中的光链路形式包括建筑物到建筑物、卫星到地面、卫星到卫星、卫星到机载平台（如无人机或气球）等。与使用微波或毫米波频段的无线通信技术相比，FSO系统由于使用的是光波频段，其具有方向性强、可用频谱宽、无需频谱占用许可等突出优点：（1）无需频率许可证。FSO使用激光作为载波，其工作在THz级别，无需频率使用申请和规划。（2）可用频带宽。FSO系统由于采用光频载波，因此具有频带宽的显著优势。虽然其传输链路的质量（如信噪比）较有线方式的光