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出版社： 科学出版社
ISBN：9787030570154
商品编码：29426805998
包装：平装
开本：16
出版时间：2018-05-01
页数：182
字数：277000
具体描述
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内容介绍
新型光调制与全光再生将成为未来光纤通信网络的两大核心支撑技术，主要涉及通信原理、物理光学、光学非线性等知识。全书共分7章，第1章简述光纤通信的发展历程和未来趋势；第2～4章为光调制部分，以光信号收发技术为基础，从数字调制和模拟调制两个角度梳理信息传输所采用的光调制格式和复用方式，阐述光调制与解调的基本规律、具体实现方法和相关器件结构原理；第5～7章为全光再生部分，从方案优化、器件创新等角度探讨单波长、多波长以及高阶调制信号的再生技术。 目录
目录
第1章 绪论 1
1.1 光纤通信的发展 1
1.1.1 四个发展阶段 1
1.1.2 未来发展趋势 3
1.2 光调制与接收 5
1.3 信号再生技术 6
1.3.1 光纤非线性效应 7
1.3.2 全光再生实现 8
1.4 本书内容安排 8
参考文献 9
第2章 光信号收发技术 11
2.1 光纤通信 11
2.2 光发送机 13
2.2.1 半导体光源 13
2.2.2 光发送机组成 16
2.2.3 直接调制特性 17
2.2.4 自动控制电路 19
2.3 间接光调制器 21
2.3.1 电光调制器 21
2.3.2 电吸收调制器 27
2.3.3 声光调制器 28
2.3.4 磁光调制器 29
2.4 光接收机 30
2.4.1 光电检测器 30
2.4.2 光接收机组成 33
2.4.3 信噪比特性 35
2.4.4 相干光接收机 36
2.5 光通信性能参数 38
2.5.1 信号的光谱特性 38
2.5.2 传输信号的眼图 41
2.5.3 数字传输性能参数 43
2.5.4 性能参数的关系 45
参考文献 48
第3章 光场的数字调制 49
3.1 信号分析基础 49
3.1.1 确定信号的功率谱密度 49
3.1.2 常用的傅里叶变换关系 50
3.1.3 随机信号的数值特征 52
3.2 数字基带信号的特性 54
3.2.1 二进制线路码型 54
3.2.2 数字基带信号的功率谱 55
3.2.3 奈奎斯特滤波器和匹配滤波器 58
3.2.4 数字基带信号的误码率 61
3.3 光场信号的带通特性 62
3.3.1 带通信号的频谱 62
3.3.2 光场调制的复包络表示 64
3.3.3 光场的外差解调过程 65
3.4 二进制光场调制与解调 69
3.4.1 NRZ-OOK信号 69
3.4.2 BPSK/DPSK信号 72
3.4.3 FSK/MSK信号 75
3.4.4 SC-RZ信号 78
3.5 多进制光场调制与解调 80
3.5.1 QAM信号 80
3.5.2 QPSK/DQPSK信号 81
3.5.3 多进制带通信号的传输带宽 84
3.5.4 多进制频带传输的误码性能 85
参考文献 87
第4章 光场的模拟调制 88
4.1 模拟光调制的分类 88
4.2 模拟基带直接光强调制 89
4.3 光场的射频调制 90
4.4 光载无线（ROF）技术 93
4.4.1 ROF的兴起 93
4.4.2 ROF与关键技术 94
4.4.3 ROF性能参数 96
4.5 光正交频分复用 100
4.5.1 正交频分复用原理 100
4.5.2 相干检测光OFDM 103
4.5.3 直接检测光OFDM 106
参考文献 107
第5章 单波长信号的全光再生 109
5.1 全光再生结构 109
5.2 基于FOPO的全光时钟提取 110
5.2.1 FOPO结构及原理 111
5.2.2 稳定性因素分析 112
5.2.3 闲频反馈控制技术 115
5.3 基于FWM的非线性光判决门 119
5.3.1 光纤FWM效应 119
5.3.2 FWM再生方案对比 121
5.3.3 再生性能分析 122
5.4 磁控全光再生技术 127
5.4.1 磁光非线性理论模型 127
5.4.2 全光纤磁光萨格纳克干涉仪 131
5.4.3 磁控3R再生器结构 133
5.4.4 磁场对再生性能的影响 136
参考文献 137
第6章 多波长全光再生技术 139
6.1 多波长再生结构 139
6.2 串扰分类及其技术 140
6.2.1 串扰分类 140
6.2.2 串扰方案 141
6.3 基于时钟泵浦FWM效应的多波长再生 144
6.3.1 再生结构 144
6.3.2 再定时性能分析 145
6.4 基于数据泵浦FWM效应的多波长再生 149
6.4.1 实验结构与原理 150
6.4.2 再生性能与讨论 151
6.5 再生波长数量的提升 155
6.5.1 占空比优化 155
6.5.2 色散管理 157
参考文献 159
第7章 高阶调制信号的全光再生 160
7.1 基于NOLM的多电平幅度再生 160
7.1.1 NOLM再生原理 160
7.1.2 工作点的确定 162
7.1.3 幅度再生性能分析 164
7.2 基于PSA的多电平相位再生 168
7.2.1 PSA再生原理 168
7.2.2 相位再生性能分析 169
7.3 幅度和相位信息的同时再生 171
7.3.1 具有相位保持功能的多电平幅度再生 171
7.3.2 相位和幅度的同时再生 173
7.4 多波长高阶调制信号再生技术 175
7.4.1 偏振辅助PSA方案 175
7.4.2 多波长再生性能分析 175
7.5 集成光学器件中的全光再生 177
7.5.1 基于MRR的时钟提取 178
7.5.2 基于硅线波导的相敏再生 179
参考文献 181 在线试读
第1章 绪论
光纤通信经过近半个世纪的发展，单波长上传递的信息速率已由*初的数十Mb/s提升到100Gb/s，甚至更高[1，2]。网络应用也从基本的语言服务扩展到在线高清视频、4K互动游戏等方面。光纤通信的发展离不开核心器件与技术的进步，本章首先回顾光纤通信的发展历程，并展望其未来发展趋势；然后简要介绍光纤通信的核心收发组件，不同调制格式对光收发机的具体要求，以及全光再生技术在光交换与中继中的作用，科尔非线性效应的物理本质与现象，及其在全光再生过程中的应用；*后对本书各章节的主要内容加以说明。
1.1 光纤通信的发展
信息传递是人类社会的基本需求。自进入21世纪的信息时代以来，信息传递的重要性更是不言而喻。目前热门的5G、人工智能、物联网、机器学习等热点问题都伴随着通信及其相关技术的发展，成为人们日常生活不可或缺的一部分。信息传递的核心是信息的采集、传输与接收，如何高效、无误地将信息从发出者传送到接收者，吸引了大量科研工作人员不断地创新与探索。从古代的烽火到近代的电报，都在不同历史进程中扮演了重要的角色。伴随着人类对电磁波的深入研究，1940年正式建立了第*条同轴电缆通信，其所能传递的信息内容与速度都是过去任何技术无法比拟的。然而随着传输距离的不断增加，电信号快速衰减直至无法使用，因此需要大量的中继器应用于该通信之中，这无疑增加了的复杂程度和信息传递成本。如何更加有效、低成本地传递电磁波信号，成为科研工作者的共同课题。1966年高锟博士提出低损耗光纤概念[1]，成为解决上述问题的关键。正因为这一概念对光纤通信的开创性贡献，2009年高锟博士获得了诺贝尔物理学奖[2]。随后的数年间，激光器、探测器等核心器件相继问世，光纤通信正式进入高速发展时期。光纤通信的发展离不开核心器件的推动[3]，下面介绍不同时期的光纤通信技术特征与相关核心器件，并进一步探讨未来通信网络的发展趋势。
1.1.1 四个发展阶段
图1.1简要描绘了一个现代光纤通信的组成。由于目前传递的信息仍然是电信号，因此首先需要对电信号进行复用并调制到光载波上；随后，光信号耦合进入光纤后进行长距离传输，并根据需要进行交换与中继；在接收端，利用光接收机重新将光信号转换为电信号，从而完成信息的传递任务。
图1.1 光纤通信示意图
目前光纤通信经历了四个发展时期，并在高阶调制信号、超低损耗光纤的推动下向单波长传输速率400Gb/s甚至是1Tb/s方向进发。
第*阶段为多模光纤通信。从1966年到1980年，光纤通信技术由基础研究领域向商业应用迈出成功的一步。在此期间，使用砷化镓（GaAs）材料的半导体激光器被发明出来，同时康宁公司也拉制出高品质的低衰减光纤，其损耗系数已经低于高锟博士所提出的光纤损耗关卡：20dB/km。1976年，第*条速率为44.7Mbit/s的光纤通信在美国亚特兰大的地下管道中诞生。经过5年的发展，第*个商用于1980年问世，它采用800nm波长的光载波，通过多模光纤提供45Mb/s的信息传递速率，每10km需要一个中继器来增强信号。由于多模光纤的模间色散大、传输损耗高，第*代光纤通信的传输性能被限制。
第二阶段为1300nm单模光纤通信。20世纪80年代早期，为克服第*代通信中多模光纤引入的色散和损耗问题，1981年成功研制出单模光纤。而波长为1300nm的铟镓砷磷激光器（InGaAsP）则提供了有效光源，它位于单模光纤的低损耗传输窗口。这使得商用光纤通信的传输速率高达1.7Gb/s，比第*代的速率快了近40倍。此时单模光纤的损耗已降至约0.5dB/km，中继距离大幅提升至50km。
第三阶段为1550nm单模光纤通信。20世纪80年代末到90年代初，光纤通信采用波长为1550nm的激光器作为光源，该工作波长位于单模光纤传输损耗*低的通信窗口，损耗特性已降至0.2dB/km。此后的光纤通信也一直沿用该工作波长窗口。与此同时，随着传输速率的进一步提高，高速光信号受到光纤色散的影响开始突显，信号光脉冲的宽度随着传输距离的增加而逐渐变宽，会导致码间串扰问题。于是，科研人员又设计出色散移位光纤，使得1550nm处的色散几乎为零。第三代光纤通信速率达到2.5Gb/s，而中继距离进一步增加到100km。
第四阶段为波分复用光纤通信。20世纪90年代以后，如何进一步提高速率成为研究热点。继续沿用之前的设计思路，采用更窄的脉冲虽然可以有效提高速率，但该方法对调制器和探测器的带宽提出了更高的要求，并需要使用昂贵的电信号处理器件。波分复用（WDM）技术提供了另外一种解决方案，它通过使用不同的光载波并行传递数据，达到提升速率的目的。复用后的信息在时域上互相交叠，而在频域上是相互独立的，利用解复用器件可以容易地提取出原始的单路信号。掺铒光纤放大器（EDFA）的研制进一步推动了基于WDM技术的第四代光纤通信的发展。EDFA器件可以同时对多个波长的信号在光域进行全光放大，极大地减少了中电中继器的应用数量。联合使用WDM和EDFA技术，2001年商用通信的传输容量已可达256×40Gb/s=10Tb/s，而中继距离也提高到160km。
从上述光纤通信的四个发展阶段来看，通信容量的提升离不开核心光器件与技术的发展。通信光纤从多模转向单模、通信波长由800nm推进到1550nm，再到WDM与EDFA等技术的广泛应用，都极大地推动了商用光纤通信网络的升级换代。下一代光纤通信网络如何发展成为该领域科研人员共同关注的问题之一。从2000年开始，人们不断提出多种方案，如光孤子通信技术等，来进一步升级现有光纤通信。利用光纤的非线性效应与色散之间的平衡关系，可实现光孤子的传输，光孤子经过长距离光纤传输后仍然能够保持其波形不变。孤子方案的局限性主要体现在功率和色散的控制方面，多波长孤子传输过程中，不同信道之间的相互作用会劣化性能。从通信容量的发展趋势来看，光孤子通信较低的频谱效率也是一个很大的不足。到2010年前后，各大通信网络运营商开始将单波长10G/40G的骨干通信网络升级到100G，信号调制格式则采用正交相移键控（QPSK）等高阶调制格式，标志着相干光通信技术正式进入大规模商业化应用时代。
1.1.2 未来发展趋势
互联网的高速发展，推动了一系列基于网络应用的新型产业的兴起。在市场需求的拉动下，新一代网络技术的研发从高校、研究所等传统科研单位，扩展到通信设备、网络运营商的研发部门，后者借助于自身的资金和设备优势，越发表现出更强的创新能力。下面从低损耗新型光纤，高频谱效率的信号调制格式，以及全光再生技术三个方面探讨新一代网络的发展趋势。
1.低损耗新型光纤
降低光纤损耗可以从两个方面来努力，一方面是消除目前通信波段附近OH离子引起的“水吸收峰”，使光纤通信工作窗口扩展到1280～1625nm的全波段范围，该类光纤又称为“零水峰光纤”（G.652.C/D光纤）；另一方面，设计超低损耗和大模场直径的光纤，能够使目前通信波段的传输损耗降低至0.16dB/km以下，在100km的跨段上可比现有标准单模光纤（损耗0.2dB/km以上）节省4dB的功率预算，这有助于大幅提升的光信噪比（OSNR）和传输距离。长飞公司于2017年在美国OFC会议上公布的G.654.E光纤的宏观弯曲损耗测量结果如图1.2所示[4]。实测结果显示，使用此类光纤可以使100G商用光纤网络的传输距离提高70%～，这将为未来400G和1T光纤通信网络提供有力支撑。
2.高频谱效率的信号调制格式
伴随着相干光通信技术的商业化应用，频谱效率成为衡量光纤通信网络性能的重要指标之一。频谱效率定义为净比特率除以通信信道的带宽。因此，在相同符号速率的情况下，采用更高阶的调制格式意味着更高的频谱效率。高频谱效率调制格式的应用，还使得的互信息接近加性高斯白噪声信道（AWGN）的容量极限。图1.3给出了正交幅度调制（QAM）信号的互信息结果。从目前的技术发展来看，400G骨干网络将采用QAM16调制格式，而当速率推进到1T时，更高阶调制格式的信号成为必然的选择。在逼近香农极限的传输中，网络性能除了考虑上述速率之外，还要考虑无中继传输距离、OSNR、信号处理算法等一系列因素。这些因素之间并不是独立存在的，而是具有相关性。例如，OSNR会限制信号的无中继传输距离，而信号处理算法的优劣在一定程度上也将影响中继距离的长短。采用G.654.E等新型光纤，可以有效提高中继距离，而下面介绍的全光再生技术可从另外一种角度扩展的传输能力。
图1.2 G.654.E光纤的损耗特性
图1.3 不同QAM信号的信道容量
3.全光再生技术
在目前的商用光纤通信中，诸多信息处理器件仍采用电信号处理方式，该方式不仅存在带宽瓶颈问题，而且在多波长通信中需要对每个信道进行独立处理，又离不开信道复用与解复用过程，增加了复杂程度。另外，利用具有全光放大功能的EDFA可有效延长信号传输距离，但这类器件仅能完成功率补偿，同时又会引入放大自发辐射（ASE）噪声。全光整形再生技术则可以直接在光域实现噪声压缩，延长传输距离[5]；进一步地，还可以利用串扰技术，实现波分复用信号的多路同时再生[6]。研究表明，在通信信道内考虑全光再生器这种非线性转换器件，可获得比线性噪声信道更高的传输容量，称为非线性香农极限[7]。图1.4分别给出了矩形和星形QAM信号通过级联再生器获得的互信息量提升效果[8]。对应某一类型的信号，再生器无法突破其互信息的*值，但能够在低信噪比环境下（正是通信过程所处的信道环境）提高其容量。另外，通过增加传输信道中的再生器数量R，可进一步获得容量增益。当输入信噪比为10dB时，可获得的容量增益如图1.4（a）中箭头所示。研究还表明，所需的再生器数量与信噪比有关，因此需根据实际的通信网络情况，规划再生器级联分布，以获得*佳传输效果。总之，使用全光再生器可以有效提升传输容量。
图1.4 非线性香农极限
1.2 光调制与接收
光发射机和光接收机是光纤通信的核心组件，如图1.5所示。光发射机主要用于将电信号转换为光信号，并注入光纤中进行传输，一般由光源、调制器、信道耦合器组成。光接收机的作用是将光纤输出的光信号转换为电信号，主要包括信道耦合器、光电探测器以及信号处理单元。根据调制信号的性质不同，其各个单元的具体构成器件差异较大[9]。下面结合高阶调制信号，从直接检测和相干检测两个方面简述光收发的组成部件及其主要功能。第2章将详细介绍光信号的收发技术，具体介绍光纤通信的组成以及评价性能的主要参数。
图1.5 光收发
传统商用光纤通信采用二进制开关键控（OOK）信号格式，光发射部分使用强度调制，电信号通过射频功率放大后驱动调制器，以获得相应的光信号（有时可采用直调激光器取代外调制方案，进一步降低复杂度）；信号的接收主要采用直接检测方案。近几年来，为满足短距离或城域的高带宽通信需求，基于脉冲幅度调制（PAM）信号的光纤通信成为研究的热点，目前已成功利用直调激光器实现PAM信号的传输[10]。在PAM方案中，需要采用码型变换单元将二进制信号映射为多进制信号，而射频放大部分则需要线性放大器，以避免劣化PAM信号的线性度。在相应的接收部分，需要采用功率放大器稳定多电平幅度调制信号的平均光功率，该放大器并不提供瞬时的功率控制，仅用于维持注入探测器的平均光功率水平。图1.6列举了PAM8信号的眼图结果。
相干通信作为新一代光纤通信的主流技术，利用高频谱效率的调制格式，可以在有限的带宽范围内传输更高速的信号，图1.6给出了QAM256信号的星座图。发射端需要采用I/Q调制，包括窄线宽激光器、I/Q调制器、码型变换器以及线性射频放大器。在电信号一侧，同样需要使用码型变换器将二进制信号映射为多电平PAM信号，并利用线性放大器驱动I/Q调制器，以获得所需的光QAM信号。此外，随着调制阶数的不断提升，激光器线宽的影响越发明显，为减少激光器线宽对调制后输出信号的影响，需要采用窄线宽激光器。在接收端使用相干探测器，并需要注入本振光与接收到的信号光进行混频处理，探测后的电信号经过解调和补偿算法*终获得基带信号。第3章和第4章将详细介绍数字和模拟信号的光场调制和解调实现方案。
图1.6 PAM8眼图与QAM256星座图
1.3 信号再生技术
经过光纤长距离传输的光信号质量会受到光纤非线性效应和EDFA的ASE噪声等影
| 光调制与再生技术 | ||
| 曾用价 | 68.00 | |
| 出版社 | 科学出版社 | |
| 版次 | 1 | |
| 出版时间 | 2018年05月 | |
| 开本 | 16 | |
| 作者 | 武保剑,文峰 | |
| 装帧 | 平装 | |
| 页数 | 182 | |
| 字数 | 277000 | |
| ISBN编码 | 9787030570154 | |
新型光调制与全光再生将成为未来光纤通信网络的两大核心支撑技术，主要涉及通信原理、物理光学、光学非线性等知识。全书共分7章，第1章简述光纤通信的发展历程和未来趋势；第2～4章为光调制部分，以光信号收发技术为基础，从数字调制和模拟调制两个角度梳理信息传输所采用的光调制格式和复用方式，阐述光调制与解调的基本规律、具体实现方法和相关器件结构原理；第5～7章为全光再生部分，从方案优化、器件创新等角度探讨单波长、多波长以及高阶调制信号的再生技术。 目录
目录
第1章 绪论 1
1.1 光纤通信的发展 1
1.1.1 四个发展阶段 1
1.1.2 未来发展趋势 3
1.2 光调制与接收 5
1.3 信号再生技术 6
1.3.1 光纤非线性效应 7
1.3.2 全光再生实现 8
1.4 本书内容安排 8
参考文献 9
第2章 光信号收发技术 11
2.1 光纤通信 11
2.2 光发送机 13
2.2.1 半导体光源 13
2.2.2 光发送机组成 16
2.2.3 直接调制特性 17
2.2.4 自动控制电路 19
2.3 间接光调制器 21
2.3.1 电光调制器 21
2.3.2 电吸收调制器 27
2.3.3 声光调制器 28
2.3.4 磁光调制器 29
2.4 光接收机 30
2.4.1 光电检测器 30
2.4.2 光接收机组成 33
2.4.3 信噪比特性 35
2.4.4 相干光接收机 36
2.5 光通信性能参数 38
2.5.1 信号的光谱特性 38
2.5.2 传输信号的眼图 41
2.5.3 数字传输性能参数 43
2.5.4 性能参数的关系 45
参考文献 48
第3章 光场的数字调制 49
3.1 信号分析基础 49
3.1.1 确定信号的功率谱密度 49
3.1.2 常用的傅里叶变换关系 50
3.1.3 随机信号的数值特征 52
3.2 数字基带信号的特性 54
3.2.1 二进制线路码型 54
3.2.2 数字基带信号的功率谱 55
3.2.3 奈奎斯特滤波器和匹配滤波器 58
3.2.4 数字基带信号的误码率 61
3.3 光场信号的带通特性 62
3.3.1 带通信号的频谱 62
3.3.2 光场调制的复包络表示 64
3.3.3 光场的外差解调过程 65
3.4 二进制光场调制与解调 69
3.4.1 NRZ-OOK信号 69
3.4.2 BPSK/DPSK信号 72
3.4.3 FSK/MSK信号 75
3.4.4 SC-RZ信号 78
3.5 多进制光场调制与解调 80
3.5.1 QAM信号 80
3.5.2 QPSK/DQPSK信号 81
3.5.3 多进制带通信号的传输带宽 84
3.5.4 多进制频带传输的误码性能 85
参考文献 87
第4章 光场的模拟调制 88
4.1 模拟光调制的分类 88
4.2 模拟基带直接光强调制 89
4.3 光场的射频调制 90
4.4 光载无线（ROF）技术 93
4.4.1 ROF的兴起 93
4.4.2 ROF与关键技术 94
4.4.3 ROF性能参数 96
4.5 光正交频分复用 100
4.5.1 正交频分复用原理 100
4.5.2 相干检测光OFDM 103
4.5.3 直接检测光OFDM 106
参考文献 107
第5章 单波长信号的全光再生 109
5.1 全光再生结构 109
5.2 基于FOPO的全光时钟提取 110
5.2.1 FOPO结构及原理 111
5.2.2 稳定性因素分析 112
5.2.3 闲频反馈控制技术 115
5.3 基于FWM的非线性光判决门 119
5.3.1 光纤FWM效应 119
5.3.2 FWM再生方案对比 121
5.3.3 再生性能分析 122
5.4 磁控全光再生技术 127
5.4.1 磁光非线性理论模型 127
5.4.2 全光纤磁光萨格纳克干涉仪 131
5.4.3 磁控3R再生器结构 133
5.4.4 磁场对再生性能的影响 136
参考文献 137
第6章 多波长全光再生技术 139
6.1 多波长再生结构 139
6.2 串扰分类及其技术 140
6.2.1 串扰分类 140
6.2.2 串扰方案 141
6.3 基于时钟泵浦FWM效应的多波长再生 144
6.3.1 再生结构 144
6.3.2 再定时性能分析 145
6.4 基于数据泵浦FWM效应的多波长再生 149
6.4.1 实验结构与原理 150
6.4.2 再生性能与讨论 151
6.5 再生波长数量的提升 155
6.5.1 占空比优化 155
6.5.2 色散管理 157
参考文献 159
第7章 高阶调制信号的全光再生 160
7.1 基于NOLM的多电平幅度再生 160
7.1.1 NOLM再生原理 160
7.1.2 工作点的确定 162
7.1.3 幅度再生性能分析 164
7.2 基于PSA的多电平相位再生 168
7.2.1 PSA再生原理 168
7.2.2 相位再生性能分析 169
7.3 幅度和相位信息的同时再生 171
7.3.1 具有相位保持功能的多电平幅度再生 171
7.3.2 相位和幅度的同时再生 173
7.4 多波长高阶调制信号再生技术 175
7.4.1 偏振辅助PSA方案 175
7.4.2 多波长再生性能分析 175
7.5 集成光学器件中的全光再生 177
7.5.1 基于MRR的时钟提取 178
7.5.2 基于硅线波导的相敏再生 179
参考文献 181 在线试读
第1章 绪论
光纤通信经过近半个世纪的发展，单波长上传递的信息速率已由*初的数十Mb/s提升到100Gb/s，甚至更高[1，2]。网络应用也从基本的语言服务扩展到在线高清视频、4K互动游戏等方面。光纤通信的发展离不开核心器件与技术的进步，本章首先回顾光纤通信的发展历程，并展望其未来发展趋势；然后简要介绍光纤通信的核心收发组件，不同调制格式对光收发机的具体要求，以及全光再生技术在光交换与中继中的作用，科尔非线性效应的物理本质与现象，及其在全光再生过程中的应用；*后对本书各章节的主要内容加以说明。
1.1 光纤通信的发展
信息传递是人类社会的基本需求。自进入21世纪的信息时代以来，信息传递的重要性更是不言而喻。目前热门的5G、人工智能、物联网、机器学习等热点问题都伴随着通信及其相关技术的发展，成为人们日常生活不可或缺的一部分。信息传递的核心是信息的采集、传输与接收，如何高效、无误地将信息从发出者传送到接收者，吸引了大量科研工作人员不断地创新与探索。从古代的烽火到近代的电报，都在不同历史进程中扮演了重要的角色。伴随着人类对电磁波的深入研究，1940年正式建立了第*条同轴电缆通信，其所能传递的信息内容与速度都是过去任何技术无法比拟的。然而随着传输距离的不断增加，电信号快速衰减直至无法使用，因此需要大量的中继器应用于该通信之中，这无疑增加了的复杂程度和信息传递成本。如何更加有效、低成本地传递电磁波信号，成为科研工作者的共同课题。1966年高锟博士提出低损耗光纤概念[1]，成为解决上述问题的关键。正因为这一概念对光纤通信的开创性贡献，2009年高锟博士获得了诺贝尔物理学奖[2]。随后的数年间，激光器、探测器等核心器件相继问世，光纤通信正式进入高速发展时期。光纤通信的发展离不开核心器件的推动[3]，下面介绍不同时期的光纤通信技术特征与相关核心器件，并进一步探讨未来通信网络的发展趋势。
1.1.1 四个发展阶段
图1.1简要描绘了一个现代光纤通信的组成。由于目前传递的信息仍然是电信号，因此首先需要对电信号进行复用并调制到光载波上；随后，光信号耦合进入光纤后进行长距离传输，并根据需要进行交换与中继；在接收端，利用光接收机重新将光信号转换为电信号，从而完成信息的传递任务。
图1.1 光纤通信示意图
目前光纤通信经历了四个发展时期，并在高阶调制信号、超低损耗光纤的推动下向单波长传输速率400Gb/s甚至是1Tb/s方向进发。
第*阶段为多模光纤通信。从1966年到1980年，光纤通信技术由基础研究领域向商业应用迈出成功的一步。在此期间，使用砷化镓（GaAs）材料的半导体激光器被发明出来，同时康宁公司也拉制出高品质的低衰减光纤，其损耗系数已经低于高锟博士所提出的光纤损耗关卡：20dB/km。1976年，第*条速率为44.7Mbit/s的光纤通信在美国亚特兰大的地下管道中诞生。经过5年的发展，第*个商用于1980年问世，它采用800nm波长的光载波，通过多模光纤提供45Mb/s的信息传递速率，每10km需要一个中继器来增强信号。由于多模光纤的模间色散大、传输损耗高，第*代光纤通信的传输性能被限制。
第二阶段为1300nm单模光纤通信。20世纪80年代早期，为克服第*代通信中多模光纤引入的色散和损耗问题，1981年成功研制出单模光纤。而波长为1300nm的铟镓砷磷激光器（InGaAsP）则提供了有效光源，它位于单模光纤的低损耗传输窗口。这使得商用光纤通信的传输速率高达1.7Gb/s，比第*代的速率快了近40倍。此时单模光纤的损耗已降至约0.5dB/km，中继距离大幅提升至50km。
第三阶段为1550nm单模光纤通信。20世纪80年代末到90年代初，光纤通信采用波长为1550nm的激光器作为光源，该工作波长位于单模光纤传输损耗*低的通信窗口，损耗特性已降至0.2dB/km。此后的光纤通信也一直沿用该工作波长窗口。与此同时，随着传输速率的进一步提高，高速光信号受到光纤色散的影响开始突显，信号光脉冲的宽度随着传输距离的增加而逐渐变宽，会导致码间串扰问题。于是，科研人员又设计出色散移位光纤，使得1550nm处的色散几乎为零。第三代光纤通信速率达到2.5Gb/s，而中继距离进一步增加到100km。
第四阶段为波分复用光纤通信。20世纪90年代以后，如何进一步提高速率成为研究热点。继续沿用之前的设计思路，采用更窄的脉冲虽然可以有效提高速率，但该方法对调制器和探测器的带宽提出了更高的要求，并需要使用昂贵的电信号处理器件。波分复用（WDM）技术提供了另外一种解决方案，它通过使用不同的光载波并行传递数据，达到提升速率的目的。复用后的信息在时域上互相交叠，而在频域上是相互独立的，利用解复用器件可以容易地提取出原始的单路信号。掺铒光纤放大器（EDFA）的研制进一步推动了基于WDM技术的第四代光纤通信的发展。EDFA器件可以同时对多个波长的信号在光域进行全光放大，极大地减少了中电中继器的应用数量。联合使用WDM和EDFA技术，2001年商用通信的传输容量已可达256×40Gb/s=10Tb/s，而中继距离也提高到160km。
从上述光纤通信的四个发展阶段来看，通信容量的提升离不开核心光器件与技术的发展。通信光纤从多模转向单模、通信波长由800nm推进到1550nm，再到WDM与EDFA等技术的广泛应用，都极大地推动了商用光纤通信网络的升级换代。下一代光纤通信网络如何发展成为该领域科研人员共同关注的问题之一。从2000年开始，人们不断提出多种方案，如光孤子通信技术等，来进一步升级现有光纤通信。利用光纤的非线性效应与色散之间的平衡关系，可实现光孤子的传输，光孤子经过长距离光纤传输后仍然能够保持其波形不变。孤子方案的局限性主要体现在功率和色散的控制方面，多波长孤子传输过程中，不同信道之间的相互作用会劣化性能。从通信容量的发展趋势来看，光孤子通信较低的频谱效率也是一个很大的不足。到2010年前后，各大通信网络运营商开始将单波长10G/40G的骨干通信网络升级到100G，信号调制格式则采用正交相移键控（QPSK）等高阶调制格式，标志着相干光通信技术正式进入大规模商业化应用时代。
1.1.2 未来发展趋势
互联网的高速发展，推动了一系列基于网络应用的新型产业的兴起。在市场需求的拉动下，新一代网络技术的研发从高校、研究所等传统科研单位，扩展到通信设备、网络运营商的研发部门，后者借助于自身的资金和设备优势，越发表现出更强的创新能力。下面从低损耗新型光纤，高频谱效率的信号调制格式，以及全光再生技术三个方面探讨新一代网络的发展趋势。
1.低损耗新型光纤
降低光纤损耗可以从两个方面来努力，一方面是消除目前通信波段附近OH离子引起的“水吸收峰”，使光纤通信工作窗口扩展到1280～1625nm的全波段范围，该类光纤又称为“零水峰光纤”（G.652.C/D光纤）；另一方面，设计超低损耗和大模场直径的光纤，能够使目前通信波段的传输损耗降低至0.16dB/km以下，在100km的跨段上可比现有标准单模光纤（损耗0.2dB/km以上）节省4dB的功率预算，这有助于大幅提升的光信噪比（OSNR）和传输距离。长飞公司于2017年在美国OFC会议上公布的G.654.E光纤的宏观弯曲损耗测量结果如图1.2所示[4]。实测结果显示，使用此类光纤可以使100G商用光纤网络的传输距离提高70%～，这将为未来400G和1T光纤通信网络提供有力支撑。
2.高频谱效率的信号调制格式
伴随着相干光通信技术的商业化应用，频谱效率成为衡量光纤通信网络性能的重要指标之一。频谱效率定义为净比特率除以通信信道的带宽。因此，在相同符号速率的情况下，采用更高阶的调制格式意味着更高的频谱效率。高频谱效率调制格式的应用，还使得的互信息接近加性高斯白噪声信道（AWGN）的容量极限。图1.3给出了正交幅度调制（QAM）信号的互信息结果。从目前的技术发展来看，400G骨干网络将采用QAM16调制格式，而当速率推进到1T时，更高阶调制格式的信号成为必然的选择。在逼近香农极限的传输中，网络性能除了考虑上述速率之外，还要考虑无中继传输距离、OSNR、信号处理算法等一系列因素。这些因素之间并不是独立存在的，而是具有相关性。例如，OSNR会限制信号的无中继传输距离，而信号处理算法的优劣在一定程度上也将影响中继距离的长短。采用G.654.E等新型光纤，可以有效提高中继距离，而下面介绍的全光再生技术可从另外一种角度扩展的传输能力。
图1.2 G.654.E光纤的损耗特性
图1.3 不同QAM信号的信道容量
3.全光再生技术
在目前的商用光纤通信中，诸多信息处理器件仍采用电信号处理方式，该方式不仅存在带宽瓶颈问题，而且在多波长通信中需要对每个信道进行独立处理，又离不开信道复用与解复用过程，增加了复杂程度。另外，利用具有全光放大功能的EDFA可有效延长信号传输距离，但这类器件仅能完成功率补偿，同时又会引入放大自发辐射（ASE）噪声。全光整形再生技术则可以直接在光域实现噪声压缩，延长传输距离[5]；进一步地，还可以利用串扰技术，实现波分复用信号的多路同时再生[6]。研究表明，在通信信道内考虑全光再生器这种非线性转换器件，可获得比线性噪声信道更高的传输容量，称为非线性香农极限[7]。图1.4分别给出了矩形和星形QAM信号通过级联再生器获得的互信息量提升效果[8]。对应某一类型的信号，再生器无法突破其互信息的*值，但能够在低信噪比环境下（正是通信过程所处的信道环境）提高其容量。另外，通过增加传输信道中的再生器数量R，可进一步获得容量增益。当输入信噪比为10dB时，可获得的容量增益如图1.4（a）中箭头所示。研究还表明，所需的再生器数量与信噪比有关，因此需根据实际的通信网络情况，规划再生器级联分布，以获得*佳传输效果。总之，使用全光再生器可以有效提升传输容量。
图1.4 非线性香农极限
1.2 光调制与接收
光发射机和光接收机是光纤通信的核心组件，如图1.5所示。光发射机主要用于将电信号转换为光信号，并注入光纤中进行传输，一般由光源、调制器、信道耦合器组成。光接收机的作用是将光纤输出的光信号转换为电信号，主要包括信道耦合器、光电探测器以及信号处理单元。根据调制信号的性质不同，其各个单元的具体构成器件差异较大[9]。下面结合高阶调制信号，从直接检测和相干检测两个方面简述光收发的组成部件及其主要功能。第2章将详细介绍光信号的收发技术，具体介绍光纤通信的组成以及评价性能的主要参数。
图1.5 光收发
传统商用光纤通信采用二进制开关键控（OOK）信号格式，光发射部分使用强度调制，电信号通过射频功率放大后驱动调制器，以获得相应的光信号（有时可采用直调激光器取代外调制方案，进一步降低复杂度）；信号的接收主要采用直接检测方案。近几年来，为满足短距离或城域的高带宽通信需求，基于脉冲幅度调制（PAM）信号的光纤通信成为研究的热点，目前已成功利用直调激光器实现PAM信号的传输[10]。在PAM方案中，需要采用码型变换单元将二进制信号映射为多进制信号，而射频放大部分则需要线性放大器，以避免劣化PAM信号的线性度。在相应的接收部分，需要采用功率放大器稳定多电平幅度调制信号的平均光功率，该放大器并不提供瞬时的功率控制，仅用于维持注入探测器的平均光功率水平。图1.6列举了PAM8信号的眼图结果。
相干通信作为新一代光纤通信的主流技术，利用高频谱效率的调制格式，可以在有限的带宽范围内传输更高速的信号，图1.6给出了QAM256信号的星座图。发射端需要采用I/Q调制，包括窄线宽激光器、I/Q调制器、码型变换器以及线性射频放大器。在电信号一侧，同样需要使用码型变换器将二进制信号映射为多电平PAM信号，并利用线性放大器驱动I/Q调制器，以获得所需的光QAM信号。此外，随着调制阶数的不断提升，激光器线宽的影响越发明显，为减少激光器线宽对调制后输出信号的影响，需要采用窄线宽激光器。在接收端使用相干探测器，并需要注入本振光与接收到的信号光进行混频处理，探测后的电信号经过解调和补偿算法*终获得基带信号。第3章和第4章将详细介绍数字和模拟信号的光场调制和解调实现方案。
图1.6 PAM8眼图与QAM256星座图
1.3 信号再生技术
经过光纤长距离传输的光信号质量会受到光纤非线性效应和EDFA的ASE噪声等影
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