（通信与信息系统专业论文）光网络在下一代小区网络建设中的应用探讨.pdf

上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：呻6 住 日期：口晕年考月孓日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密叭 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：音6 日期：o 年孓月黟日 指导教师签名： 日期：年月曰 上海交通大学硕士论文：光网络在下一代小区网络建设中的应用探讨 光网络在下一代小区网络建设中的应用探讨 摘要 光网络自诞生以来，其近乎无限的带宽就开始被广泛关注，而从 w d m 技术的实用化开始，光网络更是以惊人的速度在发展。其一，各 种新兴的光纤不断被研发出来，作为整个光通信技术的基础，光纤的 适用范围越来越广，可提供的带宽越来越高，可传送的距离越来越远； 其二，各种光器件的技术也在不断翻新，以这些光器件为基础而设计、 生产完成的光通信设备的性能也在稳步提升，这些设备配合新兴的光 纤使得传输的质量在不断提高，而相应的，设备本身的功耗和成本却 在不断地下降；其三，在一些优秀的网络理论的引导下，光网络的应 用领域越来越广，从最初仅限于点对点远距离传输的实验线路，到现 在占统治地位的覆盖领域广大的主干d w d m 网络，光网络的结构不断 在优化，并衍生出许多不同的类别；其四，光网络的管理系统也日趋 完善。 下一代小区网络是网络的热点之一。人们希望能在家里享受越来 越多的高品质网络服务，尤其是大量的多媒体业务。而传统的小区网 络明显不能承受多媒体业务的带宽消费冲击。面对多媒体业务惊人的 带宽需求量，光网络必然是网络设计者当仁不让的选择。 上海交通大学硕士论文：光网络在下一代小区网络建设中的应用探讨 论文从三个方面进行了研究和设计工作。首先是从下一代小区网 络的形态入手，结合实际的工作要求和工作经验，研究了下一代小区 网络所应有的特点，并提炼、优化出了一个网络模型；其次，用了相 当的时间来研究光网络方面的相关知识，并通过研究工作，对光网络 中各种技术的来龙去脉有了一定的认识；最后，结合上诉这两个方面 的努力，设计了一个适用于下一代小区网络的光传输网络的模型，并 创新地提出了对于小区网可以不需要光放大器的设计理念，可以大大 降低城域全光网的建设成本。 在下一代小区网络中应用光网络是一个必然的趋势。不仅如此， 随着光网络技术的不断发展，设备性能的不断提高，以及成本的不断 下降，光网络将进入越来越多的领域。 关键词：全光网、小区网、带宽、成本、多媒体业务 上海交通大学硕士论文：光网络在下一代小区网络建设中的应用探讨 t h eo p t i c a in e t w o r ki n n e x tg e n e r a t i o nr e s i d e n t i a in e t w o r k a b s t r a c t o p t i c a ln e t w o r kh a sb e e ng r o w i n gr a p i d l ye v e rs i n c et h ew d m t e c h n o l o g yw a si n t r o d u c e d f i r s t l y , r & dp e o p l eh a v ed e v e l o p e dd i f f e r e n t t y p e so f n e w o p t i c a lf i b e r s ，w h i c he i t h e rh a v el a r g e rb a n d w i d t h ，o rc a l l h e l ps i g n a l sp r o p a g a t e f a r t h e r s e c o n d l y , t h et e c h n o l o g y o f o p t i c a l c o m p o n e n t s h a si m p r o v e dal o t b a s eo nt h e s ec o m p o n e n t s ，w en o w h a v e e q u i p m e n t sw i t hb e t t e rq u a l i t y , w h i l et h ec o s ta n dp o w e rc o n s u m p t i o n b e i n gl o w e ra n dl o w e r t h i r d l y , u n d e rs e v e r a ln e t w o r k i n gt h e o r i e s ，t h e a p p l i c a t i o nf i e l d so fo p t i c a ln e t w o r kh a v ee x p a n d e dw i d e l y f r o mt h e p o i n t _ - t o - p o i n tc o n n e c t i o nt o w i d e l yd e p l o y e d d w d mb a c k b o n e t r a n s m i s s i o nn e t w o r k s ，t h ea r c h i t e c m mo fo p t i c a ln e t w o r k sh a sb e e n k e e p i n go p t i m i z e d f o u r t h l y , t h em a n a g e m e n ts y s t e mo f o p t i c a ln e t w o r k s a l s ok e e p s i m p r o v i n g n e x tg e n e r a t i o nr e s i d e n t i a ln e t w o r k si s o n eo ft h e h o t - s p o t s i n n e t w o r k d e v e l o p m e n t p e o p l ew a n tt oh a v em o r ea n dm o r eh i 。g hq u a l i t y n e t w o r k i n gs e r v i c ei nh o m e ，e s p e c i a l l ym o r em d f i m e d i as e r v i c e b u t t r a d i t i o n a lr e s i d e n t i a ln e t w o r k sa l eu n a b l et of a c et h eb a n d w i d t h i m p a c t 1 上海交通大学硕士论文；光网络在下一代小区网络建设中的应用探讨 b r o u g h tb yt h em u l t i m e d i as e r v i c e o p t i c a ln e t w o r kw i l ls u r e l yb et h e s o l u t i o nt ot h i sk i n do f b a n d w i d t h r e q u i r e m e n t t h i sp a p e rs t a r t e dt h ew o r kf r o mt h r e e a s p e c t s f i r s t l y , a l o n gw i t h m yw o r k i n ge x p e r i e n c e ，s t u d y t h ec h a r a c t e r i s t i co fn e x t g e n e r a t i o n r e s i d e n t i a ln e t w o r k s ，a n dh a v ea b s t r a c t e dao p t i m i z e dm o d e lo f t h i sk i n d o fn e t w o r k so fm y o w n s e c o n d l y , t h i sp a p e rh a sd i s c u s s e dal o to f k n o w l e d g e o f o p t i c a ln e t w o r k i n g t h e n ，i nt h ee n d ，t h i sp a p e rd r a w so u t a no p t i c a lt r a n s m i s s i o nm o d e ls u i t a b l e f o rn e x t g e n e r a t i o nr e s i d e n t i a l n e t w o r k s a n d g i v e so u ta n i r m o v a t i v e i d e a o f o p t i c a l n e t w o r k s w i t h o u t o p t i c a la m p l i f i e r t or e d u c et h ec o s ti nam e t r o o p t i c a ln e t w o r k i th a sb e e nat r e n dt h a t o p t i c a l n e t w o r k sw i l l s t e p i n t om o r e a p p l i c a t i o nf i e l d sw i t hr e d u c i n gc o s ta n di m p r o v i n g q u a l i t y k e yw o r d s ：o p t i c a ln e t w o r k s ，r e s i d e n t i a ln e t w o r k s ，b a n d w i d t h ， c o s t ，m u l t i m e d i as e r v i c e 4 a d m a d s l a g c c o m e t c p 】 c w d m d f b d s l d w d m e d f a h d s l i s d n l e d m s h p m s z p o a d m o c - x o x c p o n i t a d s l s d h s d s l s o n e t s p m t d m t p o n v d s l v o d w p o n 、 碾p o n 缩略语表 a d d d r o pm u l t i p l e x e r a s y m m e t r i c a ld i 西t a ls u b s c r i b e rl i n e a u t o m a t i cg a i nc o n t r o j c o m p l e t eo p d e a lm u l t i s e r v i c ee d g ea n d t r a n s p o r t c r o s s p h 笛em o d u l a t i o n c o a r s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g d i s t r i b u t e df e e d b a c k d i 百t a ls u b s c r i b e r l i n e d e n s e w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g e r b i u m - d o p e d f i b e r a m p l i f i e r h i g h - r a t ed i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k l i g h te m i t t i n gd i o d e m u l t i s e r v i c eh o m ep l a t f o r m m u l t i s e r v i c ez o n ep l a t f o r m o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r o p t i c a lc a m e r - x ( x 2 l ，3 ，1 2 , 4 8 ，1 9 2 ，7 6 8 ，) o p t i c a lc r o s s c o n n e c t p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k r a t e a d a p t i v ed i s i t a ls u b s c r i b e rl i n e s y n c h r o n o u sd i 垂t a lh i e r a r c h y s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e s y n c h r o n o u so p t i c a ln e t w o r k s e l f - p h a s em o d u l a t i o n t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g p o nf o r t e l e p h o n y v e r y - h i g h - b i t - r a t ed i g i t a ls u b s c r i b e r l i n e v i d e oo nd e m a n d w a v e l e n g t hp o n w a v e l e n g t h - r o u t e dp o n 7 分叉复用器 非对称数字用户线 自动增益控制 c i s c o 公司城域光网络解决 方案 互相位调制 粗波分复用 分布反馈 数字用户线路 密集波分复用 掺铒光放大器 高比特率数字用户线 综合业务数字网 发光二极管 家庭综合服务平台 小区综合服务平台 光分叉复用器 光运输单元 光交换器 无源光网络 速率自适应数字用户线 同步数字序列 对称数字用户线 同步光网络 自相位调制 时分复用 用于电话网的无源光网络 超高速数字用户线 视频点播 波长无源光网络 波长路由无源光网络 上海交通大学硕士论文：光网络在下一代小区网络建设中的应用探讨 第一章绪论 网络技术的发展步伐从来没有停息，时时刻刻都存在着各式各样的机遇和挑 战。最近几年，传统的网络在面对很多新兴的需求时，明显显得力不从心。这一 切，都从带宽开始的。 1 1 带宽灾难 i n t e r a c t 刚诞生的时候，其目的只是在校园之中传送容量有限的文件。这种 需求所需要的带宽相当地少，可以用微量来形容。而在随后的发展过程中，网络 中各种信息的数据量在不断地上升，随着视频的加入，带宽的需求更是上了一个 台阶。 一份包括数据和图表的6 0 页左右的硕士论文的w o r d 文件大小大约是几兆字 节( m b ) ，这样的一小本论文足够细心的读者看一天。而一部图像质量一般的、 长两小时左右的v c d 影片，却要用整整两张光盘，每张光盘的容量约 5 0 0 - - 6 0 0 m b 。仅这样看来，带宽的需求就上涨了几百倍。 当然，在实际应用中可以采用一些有效的方法将视频流进行压缩，使得所需 要的带宽下降，以适应已有的网络。但是，这并不能根本地解决问题，一旦人们 要求更清晰的图像，或者是单位时间更高的帧数，带宽就马上又不够用了。 更加严峻的是，人们对视频的要求不是逐步增加的，而几乎是全面爆发出来 的。对于传统网络来说，这就像是一场灾难。如果没有一个从根本上的带宽提升 方案的话，视频服务的提供只能是一种有限的尝试，或者甚至只是一个口号，根 本不能满足用户的需求。 1 2 第二代光网络的概况 多年以前，当人们试图有效地传送信息的时候，他们只有两种选择：通过电 线或者是通过无线电。这种情况一直持续了几十年，直到2 0 世纪6 0 年代中期； 光纤光学的革命开始了，人们发现通过光纤传播数据信息不再是一个梦想，而且 光纤那近乎无限的信息承载量是电线所远远不能比拟的。在随后的越来越多的应 用中，光纤取代了电线的位置。而波分复用( w d m ) 技术的出现更是使得光纤的 优势凸现。 初期的光网络，或者说是第一代的光网络，主要是解决点对点的传输问题。 但是近些年来，人们意识到光网络有能力提供更多的功能，而不只是简单的点对 上海交通大学硕士论文：光网络在下一代小区网络建设中的应用探讨 点。研究者开始将越来越多的原来由电信号来完成的一部分交换和路由的功能放 到光信号领域来完成。具有这种功能的光网络，称之为第二代光网络，或者是全 光网，是本文讨论的重点对象。而本文中提到的“光网络”如没有特别说明，则 指的都是这种网络。 在这里，需要对全光网这个概念加以说明，全光网并不是指所有的事情都在 光领域来完成，毕竟从目前看来这是不可能的。电信号在全光网中依旧有相当重 要的比重。所谓全光网，是一种近似，在这样的网络中，绝大部分的信号传输工 作是由光信号来完成的。为了避免歧义，本文将尽量少地使用“全光网”的提法。 1 3 小区网的新发展 数字网络刚开始进入家庭的时候，人们在家中上网的目的只是在i n t e r n e t 上 收发e - m a i l 、浏览信息、或是玩游戏。而且，家庭网络的使用者也大部分集中在 善于使用电脑的年轻一代上。基于这种情况，运营商在小区网提供的主要业务局 限在p c 接入i n t e m e t 这种有限的形式上。大众所熟悉的拨号上网、i s d n 、a d s l 这几种方式，也多是为这种需求而服务的。 而近两年，家庭用户已经不再简单地满足于上i n t c m e t 。人们开始希望通过 网络能收看到自己点播的视频节目，或是通过网络和异地的亲友打视频电话、开 电话会议。这种新需求不光只是传统上网一族所专有的，众多不会或不愿使用 p c 的家庭成员也希望通过网络得到足够的便利和享受。 这样的需求对网络运营商来说，无疑会成为一个相当有吸引力的市场，但是 面临的挑战也是巨大的。目前所采用的小区网建设方案在新需求前明显显得力不 从心，人们迫切地需要创建一种下一代小区模型。对此，本文将在以后的章节中 作详细说明。 在这里，借用一个目前很流行的说法一三网合一，来描绘下一代小区网络 所应该具有的功能。所谓三网，也就是： 数字电视网 下一代小区网络中，电视的作用将不再只是接受广播，或者播放碟片。它将 是视频点播( v o d ) 和视频电话会议( d e ot e l e p h o n y c o n f e r e n c e ) 的主要载 体。用户将通过电视获得绝大多数的视、音频信息。而运营商则可以通过这个网 络进行真正的收费管理。几乎可以肯定的是，这会是一种全新的网络。 电脑网 提供传统的i n t e m e t 接入服务，仍将是电脑网最主要的作用。另外，新兴的 各种数据业务将主要由它来完成。同时，一部分的视、音频业务也将由电脑网来 提供。 9 上海交通大学硕士论文：光网络在下一代小区网络建设中的应用探讨 电话网 虽然说v i d e oc o n f e r e n c e 的出现会在一定程度上影响传统的电话业务。但出 于对便捷性和业务覆盖率以及人们长期使用习惯的考虑，传统电话网仍将在相当 长的时间内存在并作为通信的重要手段。从运营商的角度来说，传统电话网的收 费也是其收入的重要来源。 1 4 本文所作的具体工作 首先，文章就笔者通过学习和工作所掌握的光网络各个相关方面的情况进行 介绍，以期展现一个光网络最新的发展图景，并且提出光网络中的几个关键问题。 随后，本文将分析目前小区网的情况，并提出一个崭新的下一代小区模型。 最后，本文将对利用光网络来实现这个小区模型的各种可能问题进行分析， 并且根据实际的工作要求和工作经验研究和设计了一个适用于下一代小区网络 的光传输网络的模型。 1 0 上海交通大学硕士论文：光网络在下一代小区网络建设中的应用探讨 第二章光网络 在研究光网络的应用之前，必须先对光网络的一些基本问题有一定认识。在 本章中就论述了这样一些与光网络最终组网和应用有着密切关系的问题。首先， 论述的是现代光网络的基础：光纤的一些相关问题。 2 1 光信号在光纤中传播的若干问题 与其他的通信传输媒介相比较，光纤是一种非凡的传输媒介。一根光纤可以 提供至少2 5 t h z 的带宽用于低损耗的信号传输。对于一些特殊的光纤来说，可 以提供更高于此的传输带宽。相比较电缆和其他的传输媒介来说，光纤可以提供 高几个数量级的带宽。举个例子来说，这样的带宽足够同时传送上亿路电话，或 者是每秒传送上千万个网页。同时，光纤的低损耗特性使得信号可以在高速率下 传播很长的距离而不用放大或再生。正是由于高带宽和低损耗这两种特性，使得 光纤通信系统在当今得到了广泛的应用。 当光纤传输系统向长距离和高比特率进化的时候，色散成为一个重要的限制 因素。信号的不同部分在光纤中传输时会有不同的速率，这就是色散现象。特别 的是，光信号的不同频率( 或波长) 部分会在光纤中以不同的速率传播，这就称 为色散。在大多数的情况下，色散导致信号脉冲的展宽，进而，相邻比特对应的 脉冲会互相干涉。在一个通信系统中，这会引起比特脉冲的交叠，致使误码。这 种现象称为码间干扰( i s i ) 。当系统继续向大量的波长数、更高的比特率、更远的 距离进化的时候，光纤中的非线性效应将开始造成严重的限制。可以看到，在色 散和非线性效应中有一种复杂的相互关系。 在这节中，首先讨论一些光在光纤中传输的基本问题。然后，在剩余的小节 中，将研究色散和光纤非线性效应的基本原理，以及在实际工程中如何针对这些 因素进行优化。 2 1 1 光线在光纤中的传播 一根光纤由一个圆柱状的内芯和一个外覆层组成。内芯和外覆层都是以氧化 硅( s i 0 2 ) 为原料制成的。这种原料具有约1 4 5 的折射系数。在制造光纤的过程中， 特定的杂质会被分别加入到内芯和外覆层中，使得内芯的折射系数会比外覆层的 折射系数高一些。诸如锗和磷化物这样的物质会提高氧化硅的折射率，因而被用 于内芯的添加料；而像硼和氟这样的物质因为可以降低氧化硅的折射率而被作为 上海交通大学硕士论文：光网络在下一代小区网络建设中的应用探讨 外覆层的添加料。相对较高的内芯折射率使得光线可以被内芯所引导，进而在整 个光纤中传播。 光是一种电磁波，其在媒质中的传播特性可以用麦克斯韦方程来表示。在光 纤中传播的光在满足麦克斯韦方程的同时，也要满足一定的边界条件。简单地来 说，方程式的每一对满足边界条件的解，就是一种模式。 一种模式可以理解为光波在光纤中一条可能的传播路径。在光纤中传播的光 信号的能量会被分配到该光纤支持的几种模式中。由于在光纤中不同模式的传播 速度是不一样的，所以在光纤输入端存在于一个狭窄脉冲中的能量会在输出端被 展开，这就是模式间散射现象。因此，设计一种只支持一种模式的光纤就有相当 的价值。这样的光纤称为单模光纤，他们所支持的模式则称为基模。相对的，支 持多种模式的光纤就称为多模光纤，一根典型的多模光纤中支持约数百种传播模 式。 在一定条件下，可以把一束以基模在光纤中传播的光信号分解成两束正交的 偏振光。在实际应用中，光纤不是完美对称的，因而两个正交的偏振模式会有些 微不同的传播常数；或者说，实际的光纤略有些双折射率的特性。由于在光纤中 传播的光信号的能量会分散在这两个偏振模式中，所以这种双折射率的特性会导 致脉冲的展宽。这种现象称为偏振模式散射( p m d ) 。从原理上来讲，这与多模光 纤中的脉冲展宽有些类似，不过相对来说，这种效应是比较微弱的。 2 1 2 损耗和可用带宽 光纤的两大损耗机制分别是材质吸收和瑞利散射1 1 l 。材质吸收包括由氧化 硅导致的吸收和光纤中杂质导致的吸收两部分。在光通信系统中，采用的是波长 为0 8 1 6 微米的波段，在这整个波段中，纯氧化硅导致的吸收是可以忽略不计 的。另一方面，人们在降低由杂质吸收所造成的光纤损耗上付出了相当的努力。 而这些努力在很大程度上造就了光纤如今在传播媒介中的地位。现如今，在光通 信系统所感兴趣的的波长段中，材质吸收导致的损耗已经被降到几乎可以忽略不 计的程度。也因此，在光通信领域所采用的三个波段：0 8 微米、1 3 微米、1 5 5 微米上，光纤损耗的绝大部分都是瑞利散射所造成的。在这三个波段上，典型的 损耗分别为2 5 、0 4 、0 2 5 d b k m 。 光纤所能提供的带宽可以用这样一个约等式来描述： f a 入* e l 九2 来看一下1 3 微米和1 5 微米这两个光通信系统常用的长波段。在1 3 微米 上，大约有8 0 n m 的可用宽度；而在1 5 微米上，大约有1 8 0 r i m 的可用宽度。应 用上面的等式，从光频率的角度来看，带宽总共可以有3 5 ，0 0 0 g h z l 多么惊人的 1 2 上海交通大学硕士论文；光网络在下一代小区网络建设中的应用探讨 数字。 在如今的长距离网络中，光纤实际可用的带宽不仅被氧化硅光纤的带宽所限 制，更是被广泛采用的掺饵光放大器( e d f a ) 的带宽所限制。根据放大器的特点， 1 5 5 微米的低损耗波段被分成三个区域： 1 低于15 3 0 r i m 的波段，称为s - b a n d 。在这个波段中，光纤拉曼放大器提 供放大功能； 2 1 5 3 0 n m 到1 5 6 5 n m 波段，称为c b a n d 。可以使用传统e d f a ； 3 1 5 6 5 n m 到1 6 2 5 n m 波段，称为l b a n d 。使用增益位移的e d f a 。 目前，还有一种称为全波光纤的新型光纤，它实际消除了水峰效应( 指的是 由于光纤中的水蒸气而导致的在1 3 微米和1 5 5 微米之间的吸收损耗高峰) 。可 以应用于不需要e d f a 的城域网中而获得更大的带宽。 2 1 3 色散 在光纤中，光信号的不同组成部分会以各自不同的速率传播，进而会在不同 的时间到达接收器，这样一种现象就称为散射。在前面的文章中已经提到了模式 间散射现象和偏振模式散射( p m d ) 现象。这个小节的重点是描述色散现象以及它 所带来的传输系统限制。 所谓的色散现象指的是光脉冲的不同频率分量会在光纤中以不同的速率传 播。这里，讨论将只针对单模光纤进行，这是因为多模光纤中的模式间散射会掩 盖色散的效应。 色散由两个原因造成。首先，作为光纤材质的氧化硅的折射系数是与频率相 关的。因而不同的频率分量在氧化硅中具有不同的传播速率。这部分的色散称为 材质色散。在绝大多数的光纤中，材质色散是色散的主要组成部分。其次，还有 另一种称之为波导色散的效应也是色散的一个组成部分。这部分的色散可以这样 来理解：光信号的能量是分布在内芯和外覆层上的，当光波长变化时，分布的比 率将发生变化，进而等效折射率或者传播常数就会有相应的变化，这样的话，也 会导致不同的频率分量之间的散射效应。 一般使用d 来表示色散系数。d 的单位是p s n m k m ，它的具体意义是每单 位谱宽( 以脚计) 的脉冲信号传播单位距离( 以妇l 计) 后，造成的时间展宽( 以p s 计) 。d 可以被写成d = d m + d w ，d m 代表材质色散，d w 代表波导色散。对于标 准的单模光纤来说，d m 随 单调上升并在 = 1 2 7 6 t t m 时等于0 ；同时，d w 随 k 单调下降，且总是负值。总色散d 在x = 1 3 1 9 i n 左右约等于0 。在零色散波 长附近 2 】，d 可以由一条直线来近似，这条直线的斜率称为光纤的色散斜率。 一般情况下色散斜率都为正值。 上海交通大学硕士论文：光网络在下一代小区网络建设中的应用探讨 对于标准的单模光纤，色散效应在1 3 p r o 波段较小，但是于此波段工作的系 统会被损耗所限制。另一方面，目前，几乎所有的光通信系统都工作在1 5 5 p m 波段，这是由于在这个波段上较小的损耗以及e d f a 技术的存在。但是根据前面 的叙述，在这个段工作的光通信系统都会受到色散的限制。如果可以把零色散波 长位移到1 5 5 p m 波段的话，那这种限制就会被降低。 虽然通过掺入杂质可以轻微改变d m ，但对于材质色散还是缺乏有效的控制 手段。不过，还是可以在相当程度上改变波导色散d 。以使零色散波长位移到 1 5 5 9 m 波段上。具有这种特性的光纤称为色散位移光纤( d s | ) 。这种光纤在 1 5 5 i i m 波段上有最多不超过3 3 p s n m - k r n 的色散并且在1 5 5 0 r i m 具有典型的零色 散。 改变波导色散d w 的方法一般是改变光纤的折射率剖面图。折射率剖面图指 的是从光纤中心到外覆层的折射率变化状况。 在实际应用中，具有相当大色散( 符号与系统造成的色散相反) 的光纤通常 被用来补偿长距离传输下来所累积的色散。例如，当系统中累积的是正色散的情 况下，可以采用一种具有较大负色散的光纤来补偿，这是通过改变折射率剖面图 来达到的。甚至，通过改变折射率剖面图，还可以制造出一种具有负的色散斜率 的光纤。这种光纤在系统进行色散补偿的时候，具有重要的价值。 2 1 4 非线性效应 在前面的描述中，都基于这样的一个假设，即，光通信系统是线性的。这样 的假设对于工作在中等功率( 几毫瓦) 和比特率最高为2 5 g b s 的系统都是可行 的。然而，在更高的比如1 0 g b s 的比特率和或更高的传输功率的条件下，考虑 光纤的非线性特性所带来的影响就交得相当的重要。在w d m 系统中，非线性效 应甚至在中等的功率和比特率下，就变得重要。 非线性效应可以大致分为两大类。第一类是由于光波与氧化硅介质中的声子 ( 分子振动) 相互作用而造成的。在这个大类中，有两种主要的效应，一种是受 激布里渊散射( s b s ) p l ，另一种是受激拉曼散射( s r s ) 。 第二大类的非线性效应是由于折射系数对于电场强度的依赖关系而造成的。 电场强度是与电场幅度的平方成正比的。这大类中最重要的非线性效应是自相位 调制( s p m ) 和四波混合( f w m ) 。 在散射效应中，能量从一个光波转换到另一个具有更长波长( 或者说更低能 量) 的光波中。失去的那一部分能量被介质中的分子振动或者是声子所吸收( 在 s b s 和s r s 中参与作用的是不同类型的声子) 。这第二个光波被称为斯托克斯波。 相应的，第一个光波可以被想象成一种泵浦波，它的作用是使斯托克斯波得以放 大、强化。当泵浦波在光纤中传播时，它失去能量而斯托克斯波获得能量。在 1 4 上海交通大学硕士论文：光网络在下一代小区网络建设中的应用探讨 s b s 的情况中，泵浦波是信号光波，斯托克斯波是由于散射过程而产生的杂波。 在s r s 的情况中，泵浦波是高功率的光波，斯托克斯波是因泵浦波的消耗而得 以放大的信号光波。 在自相位调制中，被传送的脉冲波发生啁啾( c h i r p ) 现象。这种感应产生的啁 啾因素在高功率水平上变得非常地显著。由于s p m 所引起的啁啾会由于色散现 象的存在而显著加深脉冲展宽的负面影响。在高比特率的系统中，即使系统只是 处在中等功率水平，s p m 所引起的啁啾也会显著加深脉冲展宽。 在一个具有多个通道的w d m 系统中，任意一个通道中发生的电场强度变化 所引起的折射系数变化都会在其他通道上引起啁啾。这种现象称为交叉相位调制 ( c p m ) 。值得注意的是，s p m 其实是c p m 的一种特例。 在w d m 系统中，另一个重要的非线性效应是四波混合( f w m ) 。如果w d m 系统中有n ，丘1 几个频率，那么四波混合就会导致新的频率为2 f i 自和t i + o ，n c 的信号出现。对于系统中已有的信号来说，这些新诞生的信号就像串音一样。这 种串音效应在通道间距变得紧密时尤为严重。同时，降低的色散也会加剧f w m 所引起的通道串音。因此采用色散位移光纤的系统将比采用标准单模光纤的系统 更容易受到f w m 的影响。 就像为解决1 5 5 9 m 波段的色散问题而开发的色散位移光纤【4 】一样，人们开 发了多种新型的光纤以减轻光通信系统中的非线性效应。比如，非零色散位移光 纤，这种光纤在1 5 5 t t m 波段中具有1 到6 p s r i m k m 的色散系数，避免了零色散 的出现而使得f w m 在w d m 系统中的影响大大降低，同时它的色散系数也维持 在一个比较低的水平上，有利于长距离传输。 其他还有很多种新型的光纤，它们分别解决了不同传输要求下的不同问题。 针对具体的工程情况，往往是需要不同的光纤组合的。譬如，在路上系统中，一 般是采用正色散的光纤作为传输，负色散的光纤作为补偿；而在海底系统中，又 正好相反。这其实是经过仔细权衡的结果，是需要依具体情况具体分析的。 2 2 光器件 在现代光网络中使用的光器件包括耦合器、激光器、光探测器、光放大器、 光开关以及滤波器和复用器等。其中，耦合器是用来合并或分离光信号的简单器 件：滤波器和复用器是用来在w d m 系统中对不同波长的信号进行复用和解复用 的器件；光放大器是用来克服光纤和其它器件损耗的关键器件，在多数场合可以 被用来放大多个波长上的信号；半导体激光器是在光通信系统中主要的发射设 备；光探测器是主要的接收设备，它将光信号转回到电信号领域；光开关在使光 网络变得更灵活的过程中起到了相当重要的作用；最后是波长转换器，可以将输 上海交通大学硕士论文：光网络在下一代小区网络建设中的应用探讨 入波长转化为系统所需要的输出波长。 在本节中，将对其中的几种光器件进行一定的讨论，以方便本文以后的论述。 2 2 1 光放大器 在一个光通信系统中，由发射设备产生的光信号在光纤中传播时会逐渐地被 削弱。其他的光学器件，比如复用器和耦合器，也会引入损耗。当传播了一定距 离后，信号的累积损耗会使得信号减弱到不能被探测的地步。在这发生之前，信 号的能量必须被复原。在光放大器到来之前，唯一的选择是对信号进行再生，那 也就是将信号收下再中继发出。完成这一过程的称为再生器。再生器的原理是将 光信号转换成电信号，去除干扰，然后再把信号转回成光信号并发出。 与再生器相比，光放大器提供了很多优势。再生器要遵循通信系统中使用的 特定比特率和调制方式。而光放大器对比特率和信号模式并不敏感。因而，一个 使用光放大器的系统更容易被升级，就譬如升到一个更高的比特率上，而不用更 换放大器。相反的，对于一个使用再生器的系统来说，这样的一种升级是需要把 所有的再生器都更换的。更进一步来说，光放大器具有相当大的增益带宽，因而， 一个光放大器可以同时放大多路w d m 信号。而若使用再生器，则每个波长就需 要一个再生器。正因为这些原因，光放大器成为高性能光通信系统的必要组成部 分。 但是，光放大器也不是完美的器件。它们会引入噪声，并且这些噪声会因为 放大器的模拟特性，随着信号通过多个放大器而逐渐累加。同时，在系统应用中， 放大器的增益谱形状、输出功率和瞬态效应都是重要的考虑因素。下面，来看看 几种不同的光放大器。 掺铒光放大器( e d f a ) e d f a 的主要工作部分是一段特殊的氧化硅光纤，在其内芯中掺入了正三阶 的铒离子。这段光纤由一个波长为9 8 0 n m 或1 4 8 0 r i m 的泵浦激光源进行泵浦。为 了把泵浦源的输出信号和放大器输入信号合并在一起，在掺铒光纤之前有一个波 长选择耦合器。在尾端也相应地有一个波长选择耦合器将多余的泵浦信号从有用 信号中去除。e d f a 的基本工作原理是基于高能阶铒离子的受激辐射的。 有这样的一些因素使得e d f a 成为现今光通信系统中放大器的首选： 1 紧凑的、可靠的半导体泵浦激光已经可以大量交付使用； 2 e d f a 作为一种真正的全光纤设备，可以非常方便地将光信号耦合进或 出： 3 器件较为简单； 4 在放大w d m 信号时，不会引入串音。 上海交通大学硕士论文：光网络在下一代小区网络建设中的应用探讨 一般来说，e d f a 是工作在c - b a n d ( 1 5 3 0 - 1 5 6 5 n m ) 的。但现在，工作在 l - b a n d ( 1 5 6 5 1 6 2 5 n m ) 的e d f a 5 也在研发之中。 拉曼放大器 在2 1 4 中提到受激拉曼散射( s r s ) ，这种非线性特性是可以用来对信号进行 放大的。而这就是拉曼放大器的基本原理。简单地说，通过使用一个高功率的泵 浦激光，可以对信号进行放大，而最高的增益点在泵浦源频率的1 3 t h z 以下。 举例来说，使用1 4 6 0 1 4 8 0 n m 的泵浦源可以在1 5 5 0 1 6 0 0 r i m 的频率窗口中提供 拉曼放大。 拉曼放大器不同于e d f a 的重要一点是它可以在任何的波长上提供增益，而 不像e d f a 样局限在c - b a n d 和一部分的l b a n d 上。而且，可以同时使用不同 频率、不同功率的多个泵清源以达到一个令人满意的增益曲线。 拉曼放大器的另一个优势是只需要对传输数据的普通氧化硅光纤进行泵浦 就可以达到放大的要求。这使得放大的手段变得相当的灵活。 但是拉曼放大器也有它自己的缺点。比较显著的有几点： 1 需要很高功率的泵浦源，需要在某个特定的波长达到1 w 或更高： 2 拉曼增益对于泵浦功率相当的敏感，如果没有一个稳定泵浦源，很容易 在线路上引起串扰。反向的泵浦源可以在相当程度上缓解这个问题； 3 拉曼放大会在w d m 信号之间引起串扰。同样，反向泵浦源也可以在相 当程度上缓解这个问题。 不过，符合要求的商用泵浦源最近开始增多，价格也有所下降。这使得拉曼 放大器的使用价值得以上升。一般来说，拉曼放大器是使用在超长距离传输中作 为e d f a 的补充的。 除了以上提到的两种主要的线路放大器，还有一种半导体光学放大器，它主 要是用在光开关和波长转换器中的。 2 2 2 发射嚣 在光通信系统中，光源是一个相当重要的组成部分。各种光源中，最重要的 是激光器。它不仅能作为信号发射源，还可以作为放大器的泵浦源。激光也有很 多种。 在使用激光作为w d m 系统的光源时，需要考虑以下几个重要的特性。 1 激光必须能提供一定的高输出功率。对于w d m 系统来说，典型的激光 输出功率在0 - 1 0 d b m ( 1 1 0 m w ) 的范围内。与之相关的参数是启动电流和 转化效率。启动电流指的是使得激光器开始发射光功率的最小驱动电流。 转化效率指的是输出光功率和驱动电流之间的比率。 1 7 上海交通大学硕士论文：光网络在下一代小区网络建设中的应用探讨 2 激光器需要在特定的工作波长下，有一个较窄的频谱宽度。这样的话， 信号就能通过中间的滤波器并且多个通道可以彼此靠得更近。边模抑制 比是一个与这种要求相关的参数。 3 波长稳定度是一个重要的评判标准。当激光器处在一个稳定的温度下， 其由于寿命周期而发生的频率漂移相对于w d m 系统中的信道间隔必须 ，j 、。 4 对于受调制的激光器，色散是一个限制其传播距离的重要因素。 泵浦激光器相对于作为w d m 信号源的激光器来说，具有高很多的功率等 级。一般来说e d f a 的泵浦源应该有1 0 0 2 0 0 r o w 的输出功率。而拉曼放大器的 泵浦源的输出功率则要到几瓦。 目前，广泛使用在高速传输系统和w d m 系统中作为信号发射源的激光器是 分部反馈式激光器珊l a s e r ) 。而在短距离数据传输中使用的一般是 f a b r y - p e r o t 激光器( f p l a s e r ) 。另外，一种称为垂直腔表面发射激光器( v c s e l ) 的激光器 6 i e 在不断发展中，并且在低端市场已经有了相当的应用。 除了激光器之外，另一种发射器光源是电光二极管( l e d ) 。相比较起来，l e d 相当的简单，也便宜得多。在一部分的低端应用，比如说一些低速率接入网业务 中，l e d 是一个便宜的备选方案。 同时要提到的是，将信号调制到光源上有两种方法：直接调制和外调制。直 接调制相比较起来简单且便宜，除了光源之外不需要额外的器件。但是，直接调 制会导致2 1 4 中提到的啁啾现象。在高速、长距离系统中，会严重加剧色散效 应的不良影响。因而，在高比特率的，色散受限的系统中是需要使用外调制激光 器。外调制激光器除了一个持续稳定工作的光源外，在光源输出端有一个外调制 器对光信号进行调制，这样的方法可以将不想要的效应降至最低程度，尤其是啁 啾。 2 2 3 光探测嚣 接收器的作用是将一个光信号转换成一个可用的电信号。接收器分成两个部 分：光探测器能根据光功率的大小，按比例产生输出电流；前级放大器将电信号 的功率提升到一个可用的等级。在数字通信系统中，前级放大器之后是一个判决 电路。该判决电路依据前级放大器的输出进行数据位( o 或1 ) 的判断。 目前使用较多的光探测器有两类：p i n 光电二极管和雪崩二极管( a p d ) 。 上海交通大学硕士论文：光网络在下一代小区网络建设中的应用探讨 2 2 4 光开关 光开关在光网络的多种应用中都有使用。不同的应用会对切换时间和开关端 口数有不同的要求。光开关的应用之一是提供光路