第9讲光纤通信新技术1.ppt
第九讲(1),光通信新技术,2023/11/19,2,PDH系统 SDH系统波分复用 WDM 密集波分复用 DWDM副载波复用通信新型光纤研制光放大技术光交换技术 相干光通信光弧子通信,目前光纤通信的热点,研究方向最终实现全光通信!,2023/11/19,3,主要内容,一、波分复用WDM 二、光弧子通信三、全光通信网四、光接入技术,2023/11/19,4,波分复用 Wavelength Division Multiplexing WDM频分复用 Frequency Division Multiplexing FDM FDM与WDM在本质上是没有区别的。通常把光载波间隔在1nm以上的系统称为WDM或DWDM;当光载波间隔在1nm以下的系统称为FDM时分复用 Time Division Multiplexing TDM 将一帧时间T划分为n个时隙，每一个时隙只传输固定的信道，与TDM相比，OTDM中电光和光电转换分别位于复用之前和解复用之后，电子器件及E/O和O/E变换单元只工作于支路信号速率上。目前技术难点在于接收精确同步。空分复用 Space Division Multiplexing SDM副载波复用 Subcarrier Division Multiplexing SCM,第一节 波分复用WDM各种复用方式,2023/11/19,5,1.波分复用的基本概念 波分复用是光纤通信中的一种传输技术,它利用了一根光纤可以同时传输多个不同波长的光载波的特点,把光纤可能应用的波长范围划分成若干个波段,每个波段用作一个独立的通道传输一种预定波长的光信号。通常将波分复用缩写为WDM。光波分复用的实质是在光纤上进行光频分复用每个波长之间的间隔宽度也有差别。按照通道间隔的差异，WDM可以细分为:WWDM（Wide-WDM,通道间隔等于或者大于25nm）MWDM(Mid-WDM,通道间隔小于25 nm,而大于3.2 nm)DWDM(Dense-WDM,通道间隔小于或者等于3.2 nm)。通道可以是等间隔的，也可以是非等间隔的。,2023/11/19,6,2.单模光纤的频带资源,光纤的带宽很宽。如图所示，在光纤的两个低损耗传输窗口：波长为1.31um(1.251.35um)的窗口，相应的带宽为17700 GHz；波长为 1.55um(1.501.60um)窗口，相应的带宽为12500 GHz。两个窗口合在一起，总带宽超过30 THz。如果信道频率间隔为10GHz，在理想情况下，一根光纤可以容纳3000个信道。,2023/11/19,7,DWDM系统是在1550 nm波长区段内，同时用8，16或更多个波长在一对光纤上(也可采用单光纤)构成的光通信系统，其中各个波长之间的间隔为1.6 nm、0.8 nm或更低，约对应于200 GHz,100 GHz或更窄的带宽。WDM、DWDM和OFDM在本质上没有多大区别 以往技术人员习惯采用WDM 和DWDM来区分是1310/1550 nm 简单复用还是在1550 nm波长区段内密集复用，但目前在电信界应用时，都采用DWDM技术。由于1310/1550 nm的复用超出了EDFA的增益范围，只在一些专门场合应用，所以经常用WDM这个更广义的名称来代替DWDM。,2023/11/19,8,WDM技术对网络升级、发展宽带业务(如CATV，HDTV 和IP over WDM等)、充分挖掘光纤带宽潜力、实现超高速光纤通信等具有十分重要意义，尤其是WDM加上EDFA更是对现代信息网络具有强大的吸引力。目前，“掺铒光纤放大器(EDFA)+密集波分复用(WDM)+非零色散光纤(NZDSF，即G.655光纤)+光子集成(PIC)”正成为国际上长途高速光纤通信线路的主要技术方向。,2023/11/19,9,如果一个区域内所有的光纤传输链路都升级为WDM传输，我们就可以在这些WDM链路的交叉(结点)处设置以波长为单位对光信号进行交叉连接的光交叉连接设备(OXC)，或进行光上下路的光分插复用器(OADM)，则在原来由光纤链路组成的物理层上面就会形成一个新的光层。在这个光层中，相邻光纤链路中的波长通道可以连接起来，形成一个跨越多个OXC和OADM的光通路，完成端到端的信息传送，并且这种光通路可以根据需要灵活、动态地建立和释放，这就是目前引人注目的、新一代的WDM全光网络。,2023/11/19,10,光波分复用器和解复用器是WDM技术中的关键部件，将不同波长的信号结合在一起经一根光纤输出的器件称为复用器(也叫合波器)。反之，经同一传输光纤送来的多波长信号分解为各个波长分别输出的器件称为解复用器(也叫分波器)。从原理上讲，这种器件是互易的(双向可逆)，即只要将解复用器的输出端和输入端反过来使用，就是复用器。因此复用器和解复用器是相同的(除非有特殊的要求)。,3.WDM系统的基本形式,2023/11/19,11,WDM系统的基本构成主要有以下两种形式：1）双纤单向传输。单向WDM传输是指所有光通路同时在一根光纤上沿同一方向传送。如图所示，在发送端将载有各种信息的、具有不同波长的已调光信号1，2，n通过光复用器组合在一起，并在一根光纤中单向传输。由于各信号是通过不同光波长携带的，因而彼此之间不会混淆。在接收端通过光解复用器将不同波长的信号分开，完成多路光信号传输的任务。反方向通过另一根光纤传输的原理与此相同。,2023/11/19,12,WDM系统的基本形式(续),（2）单纤双向传输。双向WDM传输是指光通路在一根光纤上同时向两个不同的方向传输。如图所示，所用波长相互分开，以实现双向全双工的通信。(关键点）,2023/11/19,13,WDM系统的基本形式(续),双向WDM系统在设计和应用时必须要考虑几个关键的系统因素:为了抑制多通道干扰（MPI），必须注意到光反射的影响、双向通路之间的隔离、串扰的类型和数值、两个方向传输的功率电平值和相互间的依赖性、光监控信道（OSC）传输和自动功率关断等问题。同时要使用双向光纤放大器，所以双向WDM系统的开发和应用相对说来要求较高，但与单向WDM系统相比，双向WDM系统可以减少使用光纤和线路放大器的数量。,2023/11/19,14,四、光波分复用器的性能参数,另外，通过在中间设置光分插复用器（OADM）或光交叉连接器（OXC），可使各波长光信号进行合流与分流，实现波长的上下路（AddDrop）和路由分配，这样就可以根据光纤通信线路和光网的业务量分布情况，合理地安排插入或分出信号。光波分复用器是波分复用系统的重要组成部分，为了确保波分复用系统的性能，对波分复用器的基本要求是：插入损耗小，隔离度大，带内平坦，带外插入损耗变化陡峭，温度稳定性好，复用通路数多，尺寸小等。,2023/11/19,15,4.光波分复用器的性能参数,（1）插入损耗。插入损耗是指由于增加光波分复用器解复用器而产生的附加损耗，定义为该无源器件的输入和输出端口之间的光功率之比，即 a10lg Pi/P0(dB)其中Pi为发送进输入端口的光功率；P0为从输出端口接收到的光功率。（2）串扰抑制度。串扰是指其他信道的信号耦合进某一信道，并使该信道传输质量下降的影响程度，有时也可用隔离度来表示这一程度。对于解复用器 Cij=-10lg Pij/Pi(dB)其中Pi是波长为i的光信号的输入光功率，Pij是波长为i的光信号串入到波长为j信道的光功率。,2023/11/19,16,4.光波分复用器的性能参数(续),（3）回波损耗。回波损耗是指从无源器件的输入端口返回的光功率与输入光功率的比，即 RL10 lg Pr/Pj（dB）其中Pj为发送进输入端口的光功率，Pr为从同一个输入端口接收到的返回光功率。（4）反射系数。反射系数是指在WDM器件的给定端口的反射光功率P，与入射光功率A之比，即 R10 lg Pr/Pj（dB）（5）工作波长范围。工作波长范围是指WDM器件能够按照规定的性能要求工作的波长范围。（6）信道宽度。信道宽度是指各光源之间为避免串扰应具有的波长间隔。,2023/11/19,17,5.WDM系统的基本结构 实际的WDM系统主要由五部分组成：光发射机、光中继放大、光接收机、光监控信道和网络管理系统，如下图所示。,2023/11/19,18,光发射机位于WDM系统的发送端。在发送端首先将来自终端设备(如SDH端机)输出的光信号，利用光转发器(OTU)把符合ITU-T G.957建议的非特定波长的光信号转换成符合ITU-T G.692建议的具有稳定的特定波长的光信号。OTU对输入端的信号波长没有特殊要求，可以兼容任意厂家的SDH信号，其输出端满足G.692的光接口，即标准的光波长和满足长距离传输要求的光源；利用合波器合成多路光信号；通过光功率放大器(BA：Booster Amplifier)放大输出多路光信号。,2023/11/19,19,用掺铒光纤放大器(EDFA)对光信号进行中继放大。在应用时可根据具体情况，将EDFA用作“线放(LA：Line Amplifier)”,“功放(BA)”和“前放(PA：Preamplifier)”。在WDM系统中，对EDFA必须采用增益平坦技术，使得EDFA对不同波长的光信号具有接近相同的放大增益。与此同时，还要考虑到不同数量的光信道同时工作的各种情况，保证光信道的增益竞争不影响传输性能。在接收端，光前置放大器(PA)放大经传输而衰减的主信道光信号，分波器从主信道光信号中分出特定波长的光信号。接收机不但要满足一般接收机对光信号灵敏度、过载功率等参数的要求，还要能承受有一定光噪声的信号，要有足够的电带宽。,2023/11/19,20,光监控信道(OSC：Optical Supervisory Channel)的主要功能是：监控系统内各信道的传输情况，在发送端，插入本结点产生的波长为s(1510 nm)的光监控信号，与主信道的光信号合波输出；在接收端，将接收到的光信号分离，输出s(1510 nm)波长的光监控信号和业务信道光信号。帧同步字节、公务字节和网管所用的开销字节等都是通过光监控信道来传送的。网络管理系统通过光监控信道物理层传送开销字节到其他结点或接收来自其他结点的开销字节对WDM系统进行管理，实现配置管理、故障管理、性能管理和安全管理等功能，并与上层管理系统(如TMN)相连。,2023/11/19,21,目前国际上已商用的系统有：42.5 Gb/s(10 Gb/s),82.5 Gb/s(20 Gb/s),162.5 Gb/s(40 Gb/s),402.5 Gb/s(100 Gb/s),3210 Gb/s(320 Gb/s),4010 Gb/s(400 Gb/s)。实验室已实现了8240 Gb/s(3.28 Tb/s)的速率，传输距离达3100 km=300km。OFC2000(Optical Fiber Communication Conference)提供的情况有：Bell Labs:82路40 Gb/s=3.28 Tb/s在3100 km=300 km的True Wave(商标)光纤(即G.655光纤)上，利用C和L两个波带联合传输；日本NEC:16020 Gb/s=3.2 Tb/s，利用归零信号沿色散平坦光纤，经过增益宽度为64 nm的光纤放大器，传输距离达1500 km;,2023/11/19,22,1.充分利用光纤的巨大带宽资源 光纤具有巨大的带宽资源(低损耗波段)，WDM技术使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍甚至几百倍，从而增加光纤的传输容量，降低成本，具有很大的应用价值和经济价值。2.同时传输多种不同类型的信号 由于WDM技术使用的各波长的信道相互独立，因而可以传输特性和速率完全不同的信号，完成各种电信业务信号的综合传输，如PDH信号和SDH信号，数字信号和模拟信号，多种业务(音频、视频、数据等)的混合传输等。,6.WDM技术的主要特点,2023/11/19,23,3.节省线路投资 采用WDM技术可使N个波长复用起来在单根光纤中传输，也可实现单根光纤双向传输，在长途大容量传输时可以节约大量光纤。另外，对已建成的光纤通信系统扩容方便，只要原系统的功率余量较大，就可进一步增容而不必对原系统作大的改动。4.降低器件的超高速要求 随着传输速率的不断提高，许多光电器件的响应速度已明显不足，使用WDM技术可降低对一些器件在性能上的极高要求，同时又可实现大容量传输。,2023/11/19,24,5.高度的组网灵活性、经济性和可靠性 WDM技术有很多应用形式，如长途干线网、广播分配网、多路多址局域网。可以利用WDM技术选择路由，实现网络交换和故障恢复，从而实现未来的透明、灵活、经济且具有高度生存性的光网络。,2023/11/19,25,2023/11/19,26,随着光纤损耗不断下降，光信号幅度的衰减越来越不成为限制通信系统中继距离的主要制约因素。相反地，在Gb/s以上的高速光纤通信系统中，由于各种色散，即群速度色散（GVD）而造成的光脉冲在传播过程中的脉冲展宽却成为限制通信距离的关键制约因素。1834年英国海军工程师Scott Russel观察到河面上船过后隆起的水波可以保形传输，从此揭开了孤子理论的研究序幕。1973年，Hasegawa与Tappert一起从理论上证明了光孤子脉冲能在光纤中保形传输这一现象，这种发现诱发了人们将光孤子作为一种信息载体用于高速通信的遐想。,第二节 光孤子光纤通信 Soliton,2023/11/19,27,光孤子现象：用较大功率的长波激光（其波长大于零色散波长）在光纤中传播，产生非线性效应形成负色散，以抵消光纤本身的色散所引起的脉冲展宽现象。是一种孤立波，它在传播过程中没有能量弥散，特别是超短光脉冲即脉冲宽度达到ps量级，它通过光纤传输时将没有任何色散而保持脉冲形状不变。光孤子(Soliton)是经光纤长距离传输后，其幅度和宽度都不变的超短光脉冲(ps数量级)。,第二节 光孤子光纤通信 Soliton,2023/11/19,28,为了增加传输距离，在光纤线路上，每隔一定的距离，可设置一个光纤放大器，以周期地补充光功率的损耗。但是多个光纤放大器产生的噪声累积又妨碍了传输距离的增加，因而要求提高传输信号的光功率，这样便产生非线性效应。非线性效应对光纤通信有害也有利，事实表明，克服其害还不如利用其利。光纤非线性效应和色散单独起作用时，在光纤中传输的光信号都要产生脉冲展宽，对传输速率的提高是有害的。但是如果适当选择相关参数，使两种效应相互平衡，就可以保持脉冲宽度不变，因而形成光孤子。,2023/11/19,29,1.光孤子的形成 在讨论光纤传输理论时，假设了光纤折射率n和入射光强(光功率)无关，始终保持不变。这种假设在低功率条件下是正确的，获得了与实验良好一致的结果。然而，在高功率条件下，折射率n随光强而变化，这种特性称为非线性效应。光纤折射率n随光强|E|2而变化特性，称为克尔(Kerr)效应，这种变化虽然很小(10-10)，但对光纤传输特性的影响还是很大的。,2023/11/19,30,光强感应的折射率变化引起的相位变化使脉冲不同部位产生不同相移的特性，称为自相位调制(SPM)。,相移使脉冲频率改变分布，其前部(头)频率降低，后部(尾)频率升高。这种情况称脉冲已被线性调频，或称啁啾(Chirp)。,脉冲的光强频率调制,2023/11/19,31,图示出光脉冲在反常色散光纤中传输时，由于非线性效应产生的啁啾被压缩或展宽。对反常色散光纤，群速度与光载波频率成正比，在脉冲中载频高的部分传播得快，而载频低的部分则传播得慢。,2023/11/19,32,对正常色散光纤，结论正相反。因此，具有正啁啾的光脉冲通过反常色散光纤时，脉冲前部(头)频率低，传播得慢，而后部(尾)频率高，传播得快。这种脉冲形象地被称为“红头紫尾”光脉冲。在传播过程中，“紫”尾逐渐接近“红”头，因而脉冲被压缩。相反，具有负啁啾的光脉冲通过反常色散光纤时，前部(头)传播得快，后部(尾)传播得慢，“紫”头和“红”尾逐渐分离，结果脉冲被展宽。由此可见，适当选择相关参数，可以使光脉冲宽度保持不变。,2023/11/19,33,2.光孤子通信系统的构成和性能 光孤子源产生一系列脉冲宽度很窄的光脉冲，即光孤子流，作为信息的载体进入光调制器，使信息对光孤子流进行调制。被调制的光孤子流经掺铒光纤放大器和光隔离器后，进入光纤进行传输。为克服光纤损耗引起的光孤子减弱，在光纤线路上周期地插入EDFA，向光孤子注入能量，以补偿因光纤传输而引起的能量消耗，确保光孤子稳定传输。在接收端，通过光检测器和解调装置，恢复光孤子所承载的信息。,2023/11/19,34,孤子源,调制,脉冲源,EDFA,隔离器,探测,光纤传输系统,EDFA,EDFA,EDFA,光孤子通信系统构成方框图,2023/11/19,35,光孤子源是光孤子通信系统的关键。要求光孤子源提供的脉冲宽度为ps数量级，并有规定的形状和峰值。光孤子源有很多种类，主要有掺铒光纤孤子激光器、锁模半导体激光器等。目前，光孤子通信系统已经有许多实验结果。例如，对光纤线路直接实验系统，在传输速率为10 Gb/s时，传输距离达到1000 km；在传输速率为20 Gb/s时，传输距离达到350 km。对循环光纤间接实验系统，传输速率为2.4 Gb/s，传输距离达12 000 km；改进实验系统，传输速率为10 Gb/s，传输距离达106 km。,2023/11/19,36,循环光纤间接光孤子实验系统图,光隔离器,调制器,锁模激光器,EDFA,光隔离器,1 dB,耦合器,微波频谱分析仪,2023/11/19,37,事实上，对于单信道光纤通信系统来说，光孤子通信系统的性能并不比在零色散波长工作的常规(非光孤子)系统更好。循环光纤间接实验结果表明，零色散波长常规系统的传输速率为2.4 Gb/s时，传输距离可达21 000 km，而为5 Gb/s时可达14 300 km。然而，零色散波长系统只能实现单信道传输，而光孤子系统则可用于WDM系统，使传输速率大幅度增加，因而具有广阔的应用前景。,2023/11/19,38,1全光网的概念 全光网是指用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术，即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行，而其在各网络节点的交换则使用高可靠、大容量和高度灵活的光交叉连接设备（OXC）。2全光网的基本结构 可以分为光网络层和电网络层。光网络层的拓扑结构可以是环形、星形和网孔形等，交换方式各采用空分、时分或波分光交换。目前国际上所试验的全光网更注重于波分光交换的应用。,第三节 全光通信网,2023/11/19,39,全光网的基本结构,2023/11/19,40,3全光网络中的关键技术（1）光交叉连接设备（OXC）（2）光分插复用器（OADM）（3）掺铒光纤放大器（EDFA）（4）全光网的管理、控制和运作 网络层与传输层一致的问题。使用新的监控方法的问题。协调处理好不同系统、不同传输层之间关系的问题。,2023/11/19,41,4全光网的特点 全光网通过波长选择器来实现路由选择，即以波长来选择路由，对传输码率、数据格式以及调制方式具有透明性的优点。全光网不仅可以与现有的通信网络兼容，而且还可以支持未来的宽带综合业务数字网以及网络的升级。全光网络具备可扩展性。可同时扩展用户、容量和种类。全光网还具备可重构性，动态地改变网络结构，可为突发业务提供临时连接，从而充分利用网络资源。全光网的光网络层有许多光器件，可靠性高，维护费用低。,2023/11/19,42,
