论文部分内容阅读
[摘 要] 光纤维通信技术从光通信中脱颖而出，已成为现代通信的主要之一。本文就光强度调制——直接检波（IM/DD）光纤传输方式的几个主要技术课题：高速光源、光调制器、光检波器、光放大器以及光纤色散均衡进行了讨论。
[关键词] 高速光纤通信 光纤传输 技术
1.前言
随着光器件和LIC技术的不断发展,有效地利用了光纤的1.3㎛与1.55㎛的低损耗、低色散特性,使565Mbit/s和相当于565Mbit/s及其以下的光纤通信系统得到普及。1987年左右,1.7Gbit/s(美国)、1.6 Gbit/s(旧本)系统也投入实用。
超高速光纤通信的传输方式,除目前广泛应用的光强度调制——直接检波(IM/DD)外,还提出了相干光通信、波分复用、光FDM(光频分复用)及光孤子通信等。由于IM/DD光通信方式简单,调制、解调比较容易,对器件要求比较低,所以在研究速率更高、距离更长的新通信方式的同时,仍在探讨IM/DD的通信潜力。由于近几年来超高速光器件和光电集成器件的研制成功,特别是EDFA(掺饵光纤放大器)的出现,扩大了IM/DD方式的传输能力,在传输速率和传输距离方面,年年取得新进展。从目前发表的实验数据看,传输速率可达到20 Gbit/s以上,传输距离超过1万km(2.5 Gbit/s)。
2.高速光传输的主要技术问题
光纤通信的发展依赖于光纤通信技术的进步。目前，高速长距离IM/DD光纤传输系统的基本构成和低速率IM/DD光纤传输系统大致相同。光发送端主要由线路码型变换器和光调制器组成,光接收端由光解調器和线路码型反变换器组成。为了延长传输距离,线路 中途往往采用3R中继器。在低速率IM/DD系统中,用一般的LD或LED光源就能完成光强度调制,用PIN或一般的APD完成光解调。
在Gbit/s级高速传输时,常用的光器件不再适用,要采用高速光发送器件和光接收器件及光外调制器。并且在发送和接收端以及光纤传输线路中,根据需要,应用数量不同的EDFA(掺饵光纤放大器)。高速长距离光纤通信系统的主要技术课题是:(l)克服单模光纤波长色散的影响,这是保证脉冲波形不变形的必要条件;(2)发送信号高功率输出;(3)提高接收灵敏度。具体地说,与以下几项技术有关。
2.1光调制技术
光调制是产生光信号的手段,高速光信号产生方法有两种,一是用载有信息的电信号直接调制单频激光器DFB一LD的光强度,即直接强度调制的方法,一是载有信息的电信号在调制器中完成对激光调制的外部调制的方法。
LD直接强度调制是目前广泛应用的方法。由于激光的产生和调制过程在激光器中同时完成,所以方法简单,设备成本低。但是,速率很高时,随着载流子密度的变化会引起激光器内部折射率的变化。结果光脉冲出现动态光源波长的波动。称这种现象为啁啾。波动的大小,用参数评估,由(n/N)/( g/N)定义,n为折射率,N为载流子密度,g为增益。
在光外调制情况下,激光器产生稳定的大功率激光,而外调制器以低啁啾将它进行调制。目前,有两种光调制器,一种是电子吸收型半导体光调制器,另一种是波导型铌酸锂(LINb○3)调制器。前者,利用了In-G aAIAs一InAIAs超晶格中的量子斯塔克效应(Starkeffeot)进行光调制,这种光调制器,值约为1,可实现大约40GHz的高速调制。后者,利用了LINb○3的电光效应进行光调制,常用扩钦的Ti:LINb○3调制器,性能更好,值约为0.25,调制带宽在20GHz以下。
2.2光解调技术
光解调技术有直接解调和外差解调两种。将光信号变成 电信号的直接检波器件,常用APD和PIN 一PD。前者有倍增特性,接收灵敏度高,但结构复杂,且高速困难,主要是带宽和噪声的问题。为了能高速检波,需要研究新型的APD,这要从减小节电容,降低雪崩上升时间,以及改进结构、材料方面入手。已有报道,采用超晶格薄膜结构,作出10 Gbit/s光通信用APD,能无中继传输100km。
PIN结构简单,加宽频带容易,因无倍增作用,接收灵敏度低。最近几年，由于光纤放大器的出现,PIN 一PD和掺饵光纤放大器组合起来,而构成有光前置放大器的直接检波光接收回路,很适合高速解调。其中光纤放大器承担了接收回路的部分功能,减轻了电子电路的负担,结果可高灵敏接收高速光信号,因此,这一方案受到普遍重视。不过,需要采用低噪声光纤放大器,一般用0.98㎛泵浦EDFA为宜。
2.3 气光放大与光直接中继技术
以EDFA为代表的光放大技术的研制成功,不仅迅速地扩大了 IM—DD通信方式的传输能力,而且对光发送器、光接收器以及光中继器的高速化,具有强大的推动力。目前已完成许多数Gbit/s一100 Gbit/s、传输距离上万km的传输实验[12]。
光放大器包括半导体激光放大器(SLA)、非线性光纤放大器(如拉曼光纤放大器和布里渊光纤放大器)和掺稀土元素的光纤放大器(如l.55㎛EDFA,和1.3㎛PDFFA 一掺错的氟化物光纤放大器)。SLA体积小、耗电量小、便于集成,而EDFA高效率、高增益、低噪声、频带宽与偏振状态无关、容易与传输光纤连接、连接损耗也小。其中 1.55㎛EDFA发展最快,目前市场上已有商品出售。不久将应用于横贯太平洋海底光缆通信系统TPC一5中。而1.3㎛PDF-FA和1.3㎛NDFFA(掺钦氟化物光纤放大器),对于现用的1.3㎛系统扩容很有应用价值。
采用EDFA 的光通信系统的再生中继距离,在传输速率不太高时,由多个光中继放大器的噪声积累决定,霍传输速率高时,由光源的惆啾决定,如图1所示。该图表示在直接强度调制和外部调制的两种色散限制情况下,再生中继距离和传输速率的关系。
图1 在有1R中继器的光通信系统中
再生中继距离和传输速率的关系
2.4光纤色散补偿技术
单模光纤的波长色散会产生波形失真,为减少它的影响,常用单频激光器和零色散位移单模光纤,并且使光源的中心波长与光纤的零色散波长一致。在低速率传输时,这种方法减小色散影响有效,但在高速率传
输时,因光源波长惆啾,经光纤传输,光脉冲变形严重,就需要开发研制低值的激光器。即使这样,色散影响也不能忽视。克服光色散影响,目前,主要提出了三种色散补偿方法:
（1）在光发送端对光源加预碉啾;
（2）在光接收器件前,插入与光纤传输线路色散特性相反的光均衡器件;
（3）使光纤传输线路总的色散值在工作波长上基本为零。
3.结语
总之，为迎接21世纪B 一ISDN宽带业务的普及,光纤通信系统具有传输多种多样业务的能力。为此,必须提高传输速率,扩大通信容量。当前,数字通信网正由PDH(准同步数字系列)向SDH(同步数字系列)过渡,继155 Mbit/s、622 Mbit/s和2.4 Gbit/s系统商用化之后,正抓紧10 Gbit/s。系统的研制(目前STM 一64,即9953 280 kbit/s,已正式列入ITU一TG.707、708建议),并开展了更高速率的传输实验。
国外做了许多传输实验,其中10 Gbit/s系统已进入现场试验阶段。在参考文献[12]中介绍了世界各主要公司近两年来的实验情况。
[关键词] 高速光纤通信 光纤传输 技术
1.前言
随着光器件和LIC技术的不断发展,有效地利用了光纤的1.3㎛与1.55㎛的低损耗、低色散特性,使565Mbit/s和相当于565Mbit/s及其以下的光纤通信系统得到普及。1987年左右,1.7Gbit/s(美国)、1.6 Gbit/s(旧本)系统也投入实用。
超高速光纤通信的传输方式,除目前广泛应用的光强度调制——直接检波(IM/DD)外,还提出了相干光通信、波分复用、光FDM(光频分复用)及光孤子通信等。由于IM/DD光通信方式简单,调制、解调比较容易,对器件要求比较低,所以在研究速率更高、距离更长的新通信方式的同时,仍在探讨IM/DD的通信潜力。由于近几年来超高速光器件和光电集成器件的研制成功,特别是EDFA(掺饵光纤放大器)的出现,扩大了IM/DD方式的传输能力,在传输速率和传输距离方面,年年取得新进展。从目前发表的实验数据看,传输速率可达到20 Gbit/s以上,传输距离超过1万km(2.5 Gbit/s)。
2.高速光传输的主要技术问题
光纤通信的发展依赖于光纤通信技术的进步。目前，高速长距离IM/DD光纤传输系统的基本构成和低速率IM/DD光纤传输系统大致相同。光发送端主要由线路码型变换器和光调制器组成,光接收端由光解調器和线路码型反变换器组成。为了延长传输距离,线路 中途往往采用3R中继器。在低速率IM/DD系统中,用一般的LD或LED光源就能完成光强度调制,用PIN或一般的APD完成光解调。
在Gbit/s级高速传输时,常用的光器件不再适用,要采用高速光发送器件和光接收器件及光外调制器。并且在发送和接收端以及光纤传输线路中,根据需要,应用数量不同的EDFA(掺饵光纤放大器)。高速长距离光纤通信系统的主要技术课题是:(l)克服单模光纤波长色散的影响,这是保证脉冲波形不变形的必要条件;(2)发送信号高功率输出;(3)提高接收灵敏度。具体地说,与以下几项技术有关。
2.1光调制技术
光调制是产生光信号的手段,高速光信号产生方法有两种,一是用载有信息的电信号直接调制单频激光器DFB一LD的光强度,即直接强度调制的方法,一是载有信息的电信号在调制器中完成对激光调制的外部调制的方法。
LD直接强度调制是目前广泛应用的方法。由于激光的产生和调制过程在激光器中同时完成,所以方法简单,设备成本低。但是,速率很高时,随着载流子密度的变化会引起激光器内部折射率的变化。结果光脉冲出现动态光源波长的波动。称这种现象为啁啾。波动的大小,用参数评估,由(n/N)/( g/N)定义,n为折射率,N为载流子密度,g为增益。
在光外调制情况下,激光器产生稳定的大功率激光,而外调制器以低啁啾将它进行调制。目前,有两种光调制器,一种是电子吸收型半导体光调制器,另一种是波导型铌酸锂(LINb○3)调制器。前者,利用了In-G aAIAs一InAIAs超晶格中的量子斯塔克效应(Starkeffeot)进行光调制,这种光调制器,值约为1,可实现大约40GHz的高速调制。后者,利用了LINb○3的电光效应进行光调制,常用扩钦的Ti:LINb○3调制器,性能更好,值约为0.25,调制带宽在20GHz以下。
2.2光解调技术
光解调技术有直接解调和外差解调两种。将光信号变成 电信号的直接检波器件,常用APD和PIN 一PD。前者有倍增特性,接收灵敏度高,但结构复杂,且高速困难,主要是带宽和噪声的问题。为了能高速检波,需要研究新型的APD,这要从减小节电容,降低雪崩上升时间,以及改进结构、材料方面入手。已有报道,采用超晶格薄膜结构,作出10 Gbit/s光通信用APD,能无中继传输100km。
PIN结构简单,加宽频带容易,因无倍增作用,接收灵敏度低。最近几年，由于光纤放大器的出现,PIN 一PD和掺饵光纤放大器组合起来,而构成有光前置放大器的直接检波光接收回路,很适合高速解调。其中光纤放大器承担了接收回路的部分功能,减轻了电子电路的负担,结果可高灵敏接收高速光信号,因此,这一方案受到普遍重视。不过,需要采用低噪声光纤放大器,一般用0.98㎛泵浦EDFA为宜。
2.3 气光放大与光直接中继技术
以EDFA为代表的光放大技术的研制成功,不仅迅速地扩大了 IM—DD通信方式的传输能力,而且对光发送器、光接收器以及光中继器的高速化,具有强大的推动力。目前已完成许多数Gbit/s一100 Gbit/s、传输距离上万km的传输实验[12]。
光放大器包括半导体激光放大器(SLA)、非线性光纤放大器(如拉曼光纤放大器和布里渊光纤放大器)和掺稀土元素的光纤放大器(如l.55㎛EDFA,和1.3㎛PDFFA 一掺错的氟化物光纤放大器)。SLA体积小、耗电量小、便于集成,而EDFA高效率、高增益、低噪声、频带宽与偏振状态无关、容易与传输光纤连接、连接损耗也小。其中 1.55㎛EDFA发展最快,目前市场上已有商品出售。不久将应用于横贯太平洋海底光缆通信系统TPC一5中。而1.3㎛PDF-FA和1.3㎛NDFFA(掺钦氟化物光纤放大器),对于现用的1.3㎛系统扩容很有应用价值。
采用EDFA 的光通信系统的再生中继距离,在传输速率不太高时,由多个光中继放大器的噪声积累决定,霍传输速率高时,由光源的惆啾决定,如图1所示。该图表示在直接强度调制和外部调制的两种色散限制情况下,再生中继距离和传输速率的关系。
图1 在有1R中继器的光通信系统中
再生中继距离和传输速率的关系
2.4光纤色散补偿技术
单模光纤的波长色散会产生波形失真,为减少它的影响,常用单频激光器和零色散位移单模光纤,并且使光源的中心波长与光纤的零色散波长一致。在低速率传输时,这种方法减小色散影响有效,但在高速率传
输时,因光源波长惆啾,经光纤传输,光脉冲变形严重,就需要开发研制低值的激光器。即使这样,色散影响也不能忽视。克服光色散影响,目前,主要提出了三种色散补偿方法:
（1）在光发送端对光源加预碉啾;
（2）在光接收器件前,插入与光纤传输线路色散特性相反的光均衡器件;
（3）使光纤传输线路总的色散值在工作波长上基本为零。
3.结语
总之，为迎接21世纪B 一ISDN宽带业务的普及,光纤通信系统具有传输多种多样业务的能力。为此,必须提高传输速率,扩大通信容量。当前,数字通信网正由PDH(准同步数字系列)向SDH(同步数字系列)过渡,继155 Mbit/s、622 Mbit/s和2.4 Gbit/s系统商用化之后,正抓紧10 Gbit/s。系统的研制(目前STM 一64,即9953 280 kbit/s,已正式列入ITU一TG.707、708建议),并开展了更高速率的传输实验。
国外做了许多传输实验,其中10 Gbit/s系统已进入现场试验阶段。在参考文献[12]中介绍了世界各主要公司近两年来的实验情况。