光頻分復用

將一系列載有信息的光載波，以幾個吉赫（約為信源碼速率的數倍）的頻率間隔密集地排列在一起沿單根單模光纖傳輸；在接收端，從不同信道光載波頻率中選出所需信道的通信方式，也是光纖通信的一種復用技術，簡稱FDM。

基本介紹

• 中文名：光頻分復用
• 外文名：opticalfrequency-division multiplex-ing
• 套用學科：光纖通信技術

簡介

根據信道選取方法的不同，FDM光纖通信系統可分為相干檢測型和直接檢測型兩大類。

圖1中給出了FDM光纖通信系統的基本結構方框圖。

圖1 頻分復用光纖通信系統框圖

在傳送端，使用光合路器將一系列頻率間距非常小的不同頻率的光載波合成作為一個複合信號沿光纖傳輸。光合路器件主要有兩類，一類是星形耦合器；一類是用周期結構光濾波器級聯而成的。為保證各信道的頻率間隔穩定。防止不同信道之間的串擾，需要進行信道頻率的間隔穩頻，為便於不同的FDM光纖通信網之間的互聯，還需採用絕對穩頻措施。在接收端，用可調諧光接收機選取所需的信道。主要有兩種選取信道的方法，一種是相干檢測法，採用光外差技術並利用中頻濾波器來選取所需的信道；一種是直接檢測法，利用可調諧的窄帶光濾波器直接選取信道。

從電磁波頻率唯一地對應一定波長的意義上講，光FDM與WDM的概念是相同的，在WDM系統中，各信道之間的間隔較大，一般在lnm以上。而在FDM系統中，各信道之間的間隔很小，為幾吉赫。

特點

FDM光纖通信系統的特點為：①通過光頻的密集排列，可以有效地利用石英光纖的低損耗區（約257Hz以上），極大地增加信息傳輸容量；②由於接收機優良的頻率選擇性，特別有利於使用摻鉺光纖放大器作為光中繼器，放大復用信號，大大簡化再生中繼過程，增大傳輸距離。因而，FDM光纖通信技術在光纖區域網路及未來的寬頻綜合業務數字網（B-ISDN）中具有廣闊的套用前景。

FDM光纖通信技術難度很大，主要有：①為便於密集安排信道，增加復用信道的數目，並減小光源相位噪聲對系統誤碼率的影響，必須採用寬頻可調諧、窄譜半導體雷射器；②信道間距穩頻和信號光源的絕對穩頻；③信道的隨機選取技術。這主要包括兩方面的工作，一是外差檢測中所遇到的具體問題，如偏振隨機起伏等問題，和直接檢測中高質量的可調諧光濾波器的製作。另一是設計一個可隨機立刻選取所需信道的環路。此外，由於信道多、功率大，還應注意光纖及光放大器等的非線性所引起的相鄰信道間的干擾現象。

對關鍵部件的要求

3.1雷射振盪器

半導體雷射振盪器(LD)是實現光頻分復用系統的必不可少的部件之一。要想組成體積小、功耗低的OFDM系統的光發射機,就必須要求雷射器的功率低、體積小,最好能組件化。對雷射器的最重要的要求是頻率穩定度。因為在OFDM系統中信息的復用是建立在頻率分割技術上的。因此必須要求LD有高的頻率穩定度。因為隨著頻率偏離信道的標稱頻率值的增加,信道間的串擾和光濾波器的介入損耗也將迅速增大。因此,為保證系統的傳輸質量,應對LD的頻率穩定度提出要求。例如,為使移頻鍵控(FSK)直接檢測總惡化值小於。.dsB,則要求頻率偏移值小於信道頻寬的5%。如果這信道的頻寬為loGHz,則要求雷射振盪器的頻率穩定度應小於50OMHz。

通常採用反饋控制的方法以實現頻率的長期穩定。到目前為止已採用的保持LD頻率穩定度的主要方法有:法布里一拍羅(Fbary一Peor)t或梳狀諧振的環形諧振器,MZ(Mach一Zehn-der)濾波器的周期性零輸出和微分檢測,掃描式的法布里一拍羅干涉儀,相位調製的He一Ne雷射器的一個邊帶以及可調LD外差差拍脈衝等。其中後兩種方法復用的光路數應小於100,這是由於干涉儀的分辨力低和LD的調諧範圍較窄所決定的。在這些方法中經常採用恆溫,源濾波器作光頻參考。用1.55拌m波段附近區域的氫(Kr),氖(Ne),氨(NH3),乙炔(CZHZ)等的吸收線作為絕對頻率參考。這樣可提高光頻的長期穩定度和準確性。

3.2多路復用/分路器和可調諧光濾波器

常用的各種光多路復用/分路器和可調光濾波器等光器件的特性摘錄在下表中。據國外資料報導,目前對於衍射光柵型濾波器,利用微光學原理已製造出nIm間隔的32路的光復用/分路器,排列波導衍射濾波器(AwGF。)利用平面光波電路(PLC)在1.55拜m可製成loGHz通道頻寬的n路的復用/分路器,而在1.31拜m可製成180GHz通道頻寬的28路復用/分路器,MZ濾波器的通路頻寬設計在0.01一10n0m之間,利用PLC技術已在一晶片上製成8路的復用/分路器。

可調諧光濾波器可用在OFDM信息分配系統和頻率變換系統中。波導多級MZ濾波器,法布里一拍羅濾波器,聲一光濾波器和半導體濾波器都可用作可調諧濾波器。例如,將七個MZ濾波器級聯起來能將一路信號從128路的OFDM信號中蕎’、離出來。通路頻率的選擇是由置於波導上的薄膜加熱器通過熱光效應完成的。調諧時間約為lms,受從電極到襯底的散熱時間的限制。一個由單模光纖和精密的光連線器部分組成的纖型法布里一拍羅濾波器(FFP,FiberFab-ry一Perot),具有體積小和高的頻率分辨力。其分辨力可高達200。因此,單個FFP濾波器可以調諧路以上的信號。由窄帶濾波器與寬頻濾波器串聯形成的二級FFP濾波器可調諧的頻率範圍為1oHz,分辨力大於500,其能覆蓋1000路以上的通道。

3.3光放大器

在OFDM系統中的光放大器是一種公共放大系統。要求光放大器的增益譜特性必須有足夠的頻寬,使其對復用的每個信道提供均等的增益。通常在OFDM系統中採用級聯放大器系統。隨著級聯放大器數目的增多,信號增益的不平衡性也就增大了。為改善增益的不平衡性,通常採用均衡的方法來解決。因此,在各級公共放大系統中,採用光柵濾波器,聲一光濾波器或可調MZ濾波器來改善增益譜特性的不平衡性。

前已指出,常用的光放大器有兩種:摻餌光纖放大器(EDFA)和半導體雷射放大器(SLA)。其中EDFA在1·55拌m波段範圍內能提供較高的增益,低噪聲,有較寬的寬頻增益,而且EDFA有內在的光纖匹配易與光纖匹配連線,並且通道間沒有因相互調製而造成的串擾等特點,因此是一種較有發展前途的光放大器。

3.4光纖

由於在OFDM系統中,輸入到光纖的是群路信號,並且還要採用光放大器,故系統輸入到光纖中的光功率是較大的(與沒有復用時相比),這樣將會使光纖產生非線性效應。在OFDM傳輸系統中光纖的非線性效應主要包括:受激喇曼(Ramna)散射[SRS],受激布里淵(Brillouin)散射[SBS],光四波混頻(FWM)以及相位交叉調製(XPM)。

在OFDM系統中,光纖非線性的主要危害是引起了通道之間的相互調製,從而引起了復用通道之間的相互串擾。例如,光纖的受激散射效應,這相當於光纖中有一個“泵”,在這“泵”的作用下,將部分能量傳遞給長波長波段,這樣就使處在長波長波段的通道受到外來信號的干擾。SRS的作用對波分復用(WDM)系統的影響較顯著,而對OFDM系統影響不大。但是,SBS的作用對OFDM系統的影響是個值得注意的問題。

XPM(相位交叉調製)的非線性現象是由於光強對摺射率的依賴性而造成的。在利用相位靈敏檢測技術時,檢測系統的誤碼率將受其影響。

光纖非線性效應的另一種影響是四波混頻F(WM)。FWM的存在將造成在OFDM系統中通路間的串擾。為避免FWM現象的產生只有限制OFDM傳輸系統的發射光功率。FWM對通路頻寬和光纖的色散最靈敏。從系統設計的觀點來看,FWM最重要的特點是它在零色散波長的相位匹配性能以及它對像FSK直接和外差檢測等檢測方法的影響。

OFDM技術的套用

光頻分復用技術是利用頻率分割的復用方法有效地利用光纖的巨大頻寬的最理想方法之一。它可作為電信網中的主要傳輸手段。一般可用在下列幾種場合。

4.1 端到端傳輸

這種方式的結構框圖如圖2示。

這種方式可用於長途幹線和市內中繼系統。所需的主要設備是光濾波器、光纖和光放大器。

圖2 端到端傳輸

4.2廣播和信道選擇

這種套用的結構框圖如圖3所示。

圖3 廣播和信道選擇結構框圖

這種方式主要用於有線電視系統(CATV ) ,LAN網等。光頻率連線到分配電路。所需主要設備是光濾波器，光纖、可調諧的半導體雷射二極體(LD)和光放大器。

4.3 上行/下行(Add/dorp)通路復用

該套用方式的框圖如圖4所示。

這種方式適用於中繼網，LAN網處理器的內部連線。光頻連線到通道。所需主要設備是光濾波器，可調諧的半導體雷射二極體((LD)，光纖和光放大器。

圖4 上行/下行通路復用結構框圖

交叉跳接和矩陣交換

該方式的連線示意圖如圖5所示。

這種方式適用於交叉連線和電路交換系統中。光頻連線到通道/電路。所需主要設備是光濾波器，可調諧半導體雷射二極體(LD ) ,頻率變換器和光纖。

圖5 交叉跳接和矩陣交換

從上述列出的OFDM的幾種主要套用方式可看出,它是寬頻綜合業務數字網B(一SIDN)中實現多路大容量信息的長距離傳輸的最有希望的傳輸手段,也是CATV系統中最理想的傳輸方式,利用交叉跳接和上行/下行電路復接方式能實現從用戶迴路,市話網路到長途電信網的多路要求。OFDM交叉跳接交換系統採用快可調半導體雷射二極體或變換器,提供了高速空間交換結構,其系統容量很大,可包含很多通路的上行/下行,使我們能實現在無源環形網路中把光頻率分配給沿途所連線的各節點。

前景

由於光頻分復用(OFDM)技術能充分地利用光纖的巨大頻寬資源,因而能在一根光纖中提供數量很大的光頻分復用信道,而且這些信道可以分配到寬頻網路的通路和用戶,可使透明網路和大容量傳輸系統的建立與信號的形式及變換方式無關。可使光頻分復用技術能支持各種各樣的電信網。例如大容量的端到端傳輸,信息分配和各節點網路,還可用於用戶系統的傳輸,轉換和存取網路。而且隨著科學技術的不斷進步,適用於光頻分復用系統的新的光器件將會不斷地被研製出來,且價格也會大大的降低。因此,可以預料光頻分復用技術將是一種很有發展前途的光的復用技術,它將會成為各種電信網的重要傳輸手段。我國有關光頻分復用技術的光器件的研究也已經進行,而且有一些器件(如可調諧光濾波器,光放大器等)已研製成功。因此,可以預料,在不久的將來,光頻分復用技術在我國也將會得到廣泛的套用。