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东南大学硕士学位论文 c wd m网络研究 摘要 随着波分复用 ( wd m) 技术在长途骨干网的广泛应用，限制网络瓶颈的 关键转移到了 城域网和局域网 ( 接入网) ，它们己 愈来愈难以满足当今日 益增长 的对带宽的需求。研究表明，稀疏波分复用 ( c wd m)技术是解决这一问题的 最佳方案。 本文主要研究 c wd m 的关键技术，如多模光纤技术、光源技术和复用器/ 解复用器技术等的要求及特点，以及它在局域网和城域网的应用。 在第一章中，对c wd m关键技术及发展状况进行了 评述。 在第二章中， 推导了基于慢变包络近似的有限差分束传输方程， 并进一步将 交替隐式迭代法( a d i m ) 和综合道格拉斯格式 ( g d ) 应用于该方程， 得到具有较 高稳定性和较高精度的差分方程， 并对边界条件和激励源作了详细分析。 然后运 用wk b法来研究多模光纤中的模式特性。 在第三章中，主要研究c wd m系统的关键技术。 对各种提高多模光纤带宽 的技术进行了比较， 重点用g d格式有限差分束传输法对多模光纤不同注入条件 下光场分布进行偶尔模拟和分析， 探讨了其与带宽的关系， 推导了差分模时延与 折射率剖面分布关系:接着， 分析了垂直腔面发射激光器一v c s e l的特性对多 模光纤带宽的影响;最后对 c wd m 系统使用的复用器/ 解复用器技术进行了分 析。 在第四章中， 研究了c wd m技术在局域网和城域网的应用， 提出了分别采 用广播及选择和波长路由c wd m网络对由终端节点和中间节点构成的局域网实 现带宽的升级。 r 关 键 词 】 c w d m多 模 光 纤局域网城 域网 ab s t r a c t w i t h t h e w i d e u s e o f wd m t e c h n o l o g y i n l o n g h a u l b a c k b o n e n e t w o r k s , t h e m a i n p r o b l e m s o f t h e n e t w o r k h a v e t r a n s f e r e d t o m e t r o p o l i t a n a r e a n e t w o r k ( m a n ) a n d l o c a l a r e a n e t w o r k ( l a n ) . t h e r e c e n t r e s e a r c h in d ic a t e s t h a t c o a r s e w a v e le n g t h d iv i s io n m u lt ip l e x i n g ( c w d m ) i s a n i d e a s o l u t i o n f o r t h i s p r o b l e m. i n t h i s p a p e r , k e y t e c h n o l o g i e s o f c wd m s y s t e m s a r e s t u d i e d i n d e t a i l , s u c h a s l i g h t s o u r c e t e c h n o l o g i e s , m u l t i m o d e f i b e r t e c h n o l o g i e s a n d m u l t ip l e x e r / d e m u l t i p l e x e r t e c h n o l o g i e s , t h e n i t s a p p l i c a t i o n s i n l a n a n d ma n a r e d i s c u s s e d . i n t h e f i r s t c h a p t e r , k e y t e c h n o l o g i e s o f c wd m s y s t e m s a n d d e v e l o p m e n t a r e r e v i e w e d . i n t h e s e c o n d c h a p t e r , b a s e d o n s l o w ly v a r y i n g e n v e l o p a p p r o x i m a t i o n ( s v e a ) , a m o d e l o f f i n i t e d i ff e r e n c e s c a l a r b e a m p r o p a g a t i o n e q u a t i o n ( f d - b p m ) ) i s d e d u c e d . t h e n b y u s i n g a l t e rn a t i n g d i r e c t i o n i m p l i c i t m e t h o d ( a d i m) a n d g e n e r a l d o u g l a s ( g d ) m e t h o d , d i ff e r e n t i a l e q u a t i o n s w i t h h i g h s t a b i l i t y a n d p r e c i s i o n h a v e b e e n o b t a i n e d a t t h e s a m e t i m e , m o d e c h a r a c t e r i s t i c s i n m u l t i m o d e f i b e r ( mmf ) a r e a n a l y z e d b y u s i n g wk b m e t h o d . i n t h e t h i r d c h a p t e r , c w d m s y s t e m a n d i t s k e y t e c h n o l o g i e s a r e s t u d i e d . u s i n g t h e b e a m p r o p a g a t i o n m e t h o d , a n o f f s e t l a u n c h i n g t e c h n i q u e i s a n a ly z e d t h e o r e t i c a l l y a n d n u m e r i c a l l y . t h e r e s u lt s s h o w t h a t a p p r o p r i a t e l a u n c h i n g c o n d i t i o n s b e t w e e n t h e o p t i c a l s o u r c e a n d m m f c a n i m p r o v e t h e b a n d w i d t h s i g n i f i c a n t l y . t h e r e l a t i o n s h ip b e t w e e n d i ff e r e n t i a l m o d e d e l a y a n d r e f r a c t iv e i n d e x p r o f i l e i n m mf i s g i v e n b y wk b m e t h o d . t h e i m p a c t o f v c s e l s m o d e o n m m f b a n d w i d t h i s d i s c u s s e d . t h e n t h e m u l t i p l e x e r / d e m u l t i p l e x e r u s e d i n c wd m s y s t e m s a r e a n a l y z e d . i n t h e f o u r t h c h a p t e r , c w d m s a p p l i c a t i o n s i n l a n a n d w a n a r e s t u d i e d . l k e y wo r d s c o a r s e wa v e l e n g t h d i v i s i o n mu lt i p l e x i n g ( c wd m) mu l t i m o d e f i b e r l o c a l a r e a n e t w o r k ( l a n ) me t r o p o l i t a n a r e a n e t w o r k ( ma n ) 东南大学学位论文独创性声明及使用授权的说明 一、学位论文独创性声明 本人声明 所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的 研究工作及取得的 研究成果。 尽我所知， 除了 文中特别加以 标注和致谢的地方外， 论文中 不包含其他人已 经发表或撰写过 的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 签 名;日期: 3 3 二、关于学位论文使用授权的说明 东南大学、 中国科学技术信息研究所、 国家图 书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电 子文档， 可以 采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。 本人电 子文档的内容和纸质 论文的内 容 相一 致。 除在保密期内的 保密论文外， 允 许论 文被查阅和借阅， 可以 公布 ( 包括 刊登) 论文的全部 或部分内 容。 论文的公 布( 包括刊 登 授权东南大学研究 生院办 理。 签名 : yi导师签名 咚 哗 日 ” 东南大学硕学位论文第一章 绪论 第一章绪论 当前，光通信技术正以 超乎人们想象的速度发展，波分复用 ( w d m) 技术 已 成为高速率、 大容量光通信系统发展的主流方向。 局域网为了满足用户不断提 出的带宽和距离的需求， 建立高速光局域网势在必行， 骨千网的建设改造己 经完 成， 长途骨干网的容量问题已经基本解决， 限制网络瓶颈的关键问题已从长途骨 干网上转移到城域网，而c wd m技术是解决这一问题的最佳方案. 本章第一节 主要概述光纤网络技术的发展， 重点介绍局域网和城域网的发展和研究现状; 第 二节介绍波分复用技术的原理及特点; 第三节介绍 c wd m技术的特点、 关键技 术及发展状况，重点讨论了光纤技术、光源技术、复用器/ 解复用器技术;第四 节介绍了本文研究的主要内容。 夸 1 . 1光纤网络技术的发展 1 9 6 0 年， 美国物理学家m a i m a n 成功地使红宝石振荡产生激光， 拉开了现代 光通信的序幕。1 9 6 6年，英国标准电话研究所的高馄博士提出， 利用带有包层 材料的石英玻璃光学纤维， 其损耗可低于 2 0 d b / k m ，可用作通信的媒质。1 9 7 0 年，美国康宁公司宣布研制成功传输损耗为 2 0 d b / k m的光导纤维，同年该公司 又成功地使砷化稼铝( g a a l a s ) 半导体激光器在室 温下连续运行， 这两项发明奠定 了 现代光通信实用化的 基础。 w 当前，光通信技术正以超乎人们想象的速度发展。一方面，在过去的 1 0年 里 ， 光传输速率提高了1 0 0 倍， 预计在未来1 0 年里还将提高1 0 0 倍左右。 另一 方面， 随着计算机和多媒体技术的快速发展， 人们的生活和工作方式发生了重大 改变， i n t e rn e t 正日 益成为人们生活中必不可少的一部分。 传输信息的不断丰富， 使得网络传输技术、 网络容量和网络传输速度等都在不断更新， 网络的传输速率 从l o m b p s 过 渡到1 g b p s ， 甚 至到l o g b p s , 4 0 g b p s 或 更 高. 同 时 网 络中 传 输 的 业务种类和数量也日 益丰富， 迫切需要一种高容量， 低损耗的传输媒质担负 起数 据传输任务。而目 前 i p业务持续的指数式增长，对光通信的发展带来了新的机 遇和挑战， 一方面i p 巨 大的业务量刺激了波分复用( wd m) 技术的应用和迅猛发 展， 另一方面i p 业务与电 路交换的差异也对基于电 路交换的同步数字体系( s d h ) 提出了挑战。 光通信本身也正处在深刻的变革之中， 特别是“ 光网络” 的兴起和 东南大学硕士学位论文 第一章 绪论 发展， 在光域上可进行复用、 解复用、 选路和交换， 可以 充分利用光纤的巨 大带 宽资 源， 增加网 络容量， 实现各种业务的“ 透明” 传输， 这些都毫无疑问 地使得 光纤成为一种主干网 上最主要的 传输媒质。i? ii3 1 同时， 局域网技术的发展也非常迅速。1 9 8 5 年， i e e e 8 0 2 .3 委员会通过了工 作速度为i o m b / s 的 第一个正式的以 太网局域网标准， 传输所用的 媒介主要为同 轴电 缆和双绞线， 光纤只主要应用在需要长距离， 抗噪音或安全性很高而成本是 次要的场合; 随后在1 9 9 5 年和 1 9 9 8 年， 百兆速度的快速以太网和千兆以太网分 别具有了i e e e 8 0 2 .3 标准， 传输媒介主要为双绞线和光纤， 并且随 着光纤价格的 下降，慢慢成为主要媒介。到1 9 9 8 年为止，以太网占据了所有己 安装的局域网 节点份额的8 5 %， 并且由于千兆以 太网标准的建立和应用， 将继续加大这一市场 份额。4 1 到2 0 0 0 年止，以 太网占 据所有企业局域网的9 1 %。目 前，随 着人们对 局域网速度和带宽的要求越来越高，迫切需要在局域网中实现高速度如2 . 5 g b / s 甚至 i o g b / s 的连接，这样一方面迫使能传送高容量信息的光纤代替双绞线，成 为最主要的传输媒介， 另一方面也促使了一些最初用在主干网上的光通信技术逐 渐用在局域网中。比如要构成 1 0 g b / s 局域网就可利用wd m技术， 采用四个波 长构成四个数据通道，每个通道以2 . 5 g b / s 传输数据，就能在一根光纤中以1 0 g b / s 的 速度传输。 2 0 0 2 年6 月，i o g以 太网的 标准终于获得批准。 此标准的全 名是 “ l o g b it / s工作的媒体接入控制参数、物理层参数” 。值得注意的是随着以 太网速率的不断提高，以 太网的工作距离也随之增大。现在 l o g以太网的工作 距离己经增大到4 0 k m。因此以 太网不仅在局域网中占据绝对优势，而且最近还 进入了城域网和广域网的范围。i o g以太网的主要特点:保留8 0 3 .3 以 太网的帧 格式;保留8 0 3 .3以太网的最大帧长和最小帧长:只使用全双工工作方式，完全 改变了传统以 太网的半双工的广播工作方式: 只使用光纤作为传输媒体而不使用 铜线;使用点对点链路，支持星型结构的局域网;l o g以太网数据速率非常高， 不 直 接 和 端 用 户 相 连; 创 造了 新 的 光 物 理 媒 体 ( p m d ) 子 层。 15 1 可见， 为了满足用户不断提出的带宽和距离的需求， 建立高速光局域网 势在 必行。 组建光局域网最基本的要素无非是传输媒介， 光源和探测器。 但是局域网 的市场特性决定了组网的低成本是赢得市场竞争的关键因素。 由于i n t e rne t 的驱动及i p业务的长足发展，促使长途骨干网wd m的容量 东南大学硕士学位论文第一章 绪论 一再扩大和i p接入带宽爆发增长，从而将城域光传送网的发展推到一个交叉路 口。 在激烈竞争的城域市场环境下， 要提高竞争力需要全面的解决方案， 如提供 所需带宽、不同等级的服务、 降低成本等。 显然， 在整个传输网结构建设上， 既 要寻求在短期内扩大通信网容量、 充分利用现有光缆资源， 又要降低成本的网络 扩容方案。 在传输距离较短的城域网中， 波分复用不必受e d f a的放大波段的限 制，可以在 1 3 1 0 n m - 1 5 6 0 n m的整个传输窗口上，以比d wd m系统宽得多的波 长间 隔 进 行波 分复 用， 即 可 采用c w d m ( c o a r s e w a v e le n g t h m u lt ip le x in g d iv i s i o n ) 技术。6 1 1 .2 波分复用技术 近年来，随着通信业务量的激增，原有通信系统的低容量己 成为当前和未 来信息业务发展的 “ 瓶颈” ，急需对原有光纤传输系统进行扩容、升级改造，以 及建设新的高速、大容量通信网络。 wd m技术以其优异特征，成为最佳的技术 选择: ( d wd m器件是光无源器件， 结构简单， 体积小， 稳定可靠， 在网络设计 和施工中有很大的灵活性: ( 2 ) 可充分利用光纤的巨 大带宽资源， 使同一根光纤 的 传输容量增加数倍， 因而在大容量长途传输中， 可节省大量光纤: ( 3 ) w d m通 道对数据格式是透明， 可承载多种格式的 “ 业务” 信号: ( 4 ) 在网络扩容、升级 中， wd m技术给系统提供 “ 在线升级、平滑过渡” 的技术支持，是理想的扩容 手 段; ( 5 ) 利用w d m技 术选路实 现网 络交换和恢复， 从而 可实 现未 来透明的、 具有高度生存性的全光网络。随着 wd m 技术日 臻成熟和不断发展，尤其是 wd m器件价格不断下降， 它必将全面、深入地应用于通信各个领域。 波分复用 ( wd m) 技术是在一根光纤中同时传输多波长光信号的一项技 术， 其基本原理是在发送端将不同 波长的光信号复合起来( 复用) ， 送入同 一根光 纤中传输， 在接收端又将复合的光信号波长分开( 解复用) ， 接收解调， 恢复出原 信号送入不同的终端。 早期的wd m是指在单根光纤中实 现 1 3 1 0 / 1 5 5 0 n m简单 复用，以对己 铺设的 1 3 1 0 n m系统进行扩容。 密集波分复用( d w d m ) 是指在 1 5 5 0 n m波长区段内， 8 , 1 6 , 3 2 , 6 4 或更多长复用后在一根光纤上同时传输( 如 图1 . 1 ) ，每个波长之间的间隔为0 . 8 n m , 0 .4 n m或更小。 每个波长上的传输速率 为2 . 5 g b / s , l o g b / s 、甚至4 0 g b / ， 总速率最高已 达l o t b / s 以上。 d wd m系统已 成为当 代高 速大 容量 光纤 通 信系 统的 主 流。7 1 东南大学硕士学位论文 第一章 绪论 赞 图1 . 1 1 5 5 0 n m窗口的d w d m系统 1 .3 c wd m的发展及特点 1 . 3 . 1 c wd m技术 按照以太网协议建设的光纤局域网的传输速率正迅速升级到 1 g b i t / s和 i o g b i t/ s ， 这对光纤提出了 更高的要求。随着局域网的速率升级， 其传输距离受 到多模光纤带宽的限制。例如，千兆比特以太网规定的短波长带宽距离积 2 0 0 m h z k m的6 2 . 5 / 1 2 5 u m光纤的 最大传输距离为2 7 5 m ， 长波长带宽距离积 5 0 0 m h z的 6 2 .5 / 1 2 5 a m光纤的最大传输距离为 5 5 0 m 。当 速率达到或超过 1 g b i t/ s时，多模光纤的带宽距离积已接近极限，至于考虑到 i o g b i t/ s以太网， 传输距离受到多模光纤带宽限制的问题就更突出了， 限制多模光纤带宽的主要原 因是模式色散。当数据速率提高时， 能传输的距离就减少。 采用c wd m技术可 将多模光纤带宽升级到原来的4 -1 6 倍。 从目前情况来看， 长途骨干网的建设改造己经完成， 长途骨干网的容量问题 己经基本解决， 限制网络瓶颈的关键问题已从长途骨千网上转移到城域网与接入 网， 网络设备供应商及网络运行商们一致认为， 未来几年内网络建设的重点将转 移到城域网与接入网的改造中。 在将d wd m技术应用到城域与接入网中时， 网 络设备供应商及网络运行商遇到了一个难题:成本。 d wd m系统是一种昂贵的 系统。在长途骨千网中，由于大容量， 高速率等一系列严格的品质要求， 必须选 择采用d wd m系统， 这导致系统成本很高， 但是由于长途骨千网使用客户群极 其庞 大， 所以 成 本 分 摊 下 来 还 是 可以 接 受 的。 而 在 城 域网 及 接 入网 的 应 用 上， 由 于终端客户相较长途骨干网的客户群要少得多， 也就是说平均分摊成本的人要少 得多， 从而限制了d w d m在城域网 及接入网上的应用。 因此降低设备成本是建 设城域网及接入网的必然要求。为此，出 现了多种解决方案， 其中c wd m系统 正是在这种环境下才得到重视。 东南大学硕士学位论文第一章 绪论 稀疏波分复用( c wd m) 光纤通信系统的波长间隔与d wd m系统相比 要大得多， 在 1 0 到2 5 n m左右，典型值为2 0 n m。图1 .2 为一个典型的8 5 0 n m波段c wd m 系统的波长分布图，共四个波长，中心波长分别为8 2 0 , 8 3 5 , 8 5 0 , 8 6 5 n m ，波 长间隔为 1 5 n m 。 8 ，气，目研语jj硕j月j.j飞咨子1 、1、飞 ij了护f犷 胜r卜ll卜.工l 目儿 口只仁。一5月脚u巴卜 . 8 g w . 曰 比 . 曰 .妇 翻 . 臼 口 . . 三 . 日 j.习 jj . . 曰 j 上j. 目j 目 j j .目 j . . 月门 . . . . . . . 山 3 时曲 翻 日 i s曲 s o幻口困a石 m. 的扭 为. 胭匆 翻 ) wa v e le n g t h ( n m ) 图1 . 2 四 波长c wd m系统的波长分布图 在同一根光纤中 传输的不同波长之间的间距是区分d wd m和c wd m的主 要参数。根据国际电信联盟( i t u ) 的标准规定， d w d m 系统的波长间距一般为 2 0 0 g h z ( 1 .6 n m ) , 1 0 0 g h z ( 0 .8 n m ) 或5 0 g h z ( 0 .4 n m ) 。 将来， 可能 会 有 更窄的 间 距2 5 g h z ( 0 .2 n m ) 。 对于g h z , g 6 9 4 . 2 规定g h z 系统的 波长间距为2 0 n m， 之 所以采用这个距离主要是综合考虑了激光器、复用/ 解复用器等器件的性能与成 本。在g 6 9 4 . 2 规定中，c wd m支持在6 5 2 / 6 5 3 / 6 5 5 等光纤中传输5 0 k m，波长 范围从1 2 7 0 n m到1 6 1 0 n m，共计1 8 个波长。 1 .3 . 2 c wd m的特点 与d wd m相比， c wd m能有效降 低营运和用户成本， 这主要表现在:收 发器的成本低;复用器解 复用器成本低;功耗低、尺寸小;无需使用放大器。 c wd m还具有其它一些优越性;( 1 ) 透明性。 c wd m是一个对协议透明的 传输系统， 它可以 传输己 有的s d h / s o n e t , a t m, i p , f d d i , g b i t ( 1 o m - 1 g ) 等， 也支持新兴的i o g b i t 以太网、 r p r等;( 2 ) 易维护性。 d wd m技术目 前己 经非 常成熟， c wd m由于省去和简化了许多d wd m中应用的设备，较之 s d h与 d wd m更易维护，尤其是c wd m器件对温度等外界环境变化的敏感性低， 从 而提高了系统的稳定性，使系统更易维护;( 3 )弹性。 支持各种网络结构。 如 点到点、 环网 和网 状网等， 其中 环网 还能提供自 愈环功能; 基于c w d m的网络能 5 东南大学硕士学位论文 第一章 绪论 通过o a d m提供动态的业务配置; c w d m也可以 直接和路由 交换机相连， 由 路 由 交换机直接驱动光传输设备， 路由 交换机对各波长和数据流都可以进行分 嘱; ( 4 )兼容性。不仅能应用己有的旧光纤而且提供多业务接口，能实现 i p / e t h e m e t / s d h , r p r / f i b e r , a t ws d h ;基于c wd m的宽带i p 城域骨于系统 能和现有的 l o w l 0 0 m 接入网络无缝连接，而无需格式转换; 通过 o x c和 o a d m, c w d m能直接接入d wd m系统; c w d m可以 兼容在城域网己 得到广 泛应用的 1 3 1 0 n m的老的s d h系统，而目 前的d wd m还做不到这点。 c wd m 由于在价格、性能及维护性等诸多方面相较d wd m系统具有更大 的优势， 为城域网与接入网的改造提供了最佳解决方案。 事实上， 鉴于以上优点， 使得c wd m在城域网和接入网中能够广泛应用，替代d wd m系统。目 前，支 持4 , 8 个波长通道的c w d m系统己 经商用， 4 . 8 个波长基本上能满足大多数 小型城域网与接入网的带宽需求. 1 .3 .3 c wd m关键技术 1 、光源技术 目 前在 c wd m 系统中使用的光源主要是:垂直腔面发射激光器( v c s e l v e rt i c a l - c a v i t y s u r f a c e - e m i tt i n g l a s e r ) 和d f b 激光器。 v c s e l及其阵列是一种新型的半导体激光器， v c s e l与常规的侧向出光 的端面发射激光器在结构上不同， v c s e l的发光束垂直于芯片表面。这种光腔 取向 的不同导 致v c s e l 具有有别于常规的 端面发 射激光 器的 突出 特点 19 1 。 这 种 性能独特的v c s e l易于实现二维平面列阵; 小发射角和圆形对称的远、 近场分 布， 使其与光纤的藕合效率大大提高， 现己 证实与多模光纤的祸合效率大于9 0 %; 由 于v c s e l 的光腔长极短， 导致纵模间距拉大， 可在较宽的 温度范围内 得到单 纵模工作: v c s e l结构非常适合大批量生产， 因而价格低。 由 于v c s e l 光源的 这些特点，它得到了 越来越广泛的 应用， 特别是在低成本千兆以 太网中的 应用。 虽然v c s e l输出功率较低， 但对于短距离应用l a n不是什么重要限制。 现在 8 5 0 n m的v c s e l 最为成熟，1 3 0 0 , 1 5 5 0 n m的v c s e l 技术也己 有突破 u y c wd m技术进入传统上由长距离技术统治的ma n市场时，由于传输距离 较长，光源通常用无致冷的d f b激光器。在d wd m系统中，采用d f b激光器 作为光源时，其温度漂移系数为。 .o s n m / 0c ，它需要采用致冷技术来稳定波长， 东南大学硕士学位论文第一章 绪论 以防止由于温度变化使波长漂移到复用器和解复用器的滤波器通带之外0 1 1 c wd m系统采用的d f b激光器不需要冷却，当c wd m系统工作在0 到7 0 c 的温度范围内，其激光器的波长一般会有 6 1 n n的漂移。这个波长漂移再加上激 光器生产过程造成的f 3 m n波长变化，总共大约有 1 2 n m的变化。这样就要求光 滤波器的通带和激光器信道间距必须足够宽。 在这些系统中， 在信道带宽为1 3 n m 的情况下信道间距一般为2 0 n m o 2 0 n m的信道间距允许利用廉价的不带致冷器的 激光发射机和宽带光滤波器，同时，它也躲开了12701n高损耗波长，并且使相 邻波段之间保持了3 0 n m的间隙。因此对激光器的要求大大降低。 无论是对输出 功率要求， 还是对温度的敏感度要求和对色散容忍度的要求， 乃至对封装的要求 都远低于d w d m用的 激光器， 使系统成本明 显下降 1 2 1 2 、光纤技术 常 用的多 模光纤， 主要是i e c - 6 0 7 9 3 - 2 光纤产品 规范中的a l a 类 ( 5 0 / 1 2 5 u m ) 和a l b 类 ( 6 2 .5 / 1 2 5 6 1 m ) 两 种类型 13 。 总的 来 说， 由 于6 2 .5 / 1 2 5 1 1 m光 纤 芯 径 和数值孔径较大，具有较强的集光能力和抗弯曲特性，因此得到最广泛的应用。 这两种多模光纤具有同样的包层直径和机械性能， 都能提供如以 太网、 令牌环和 f d d i 协议在标准规定的距离内所需的带宽， 其性能己 被过去十几年的应用所证 明。而且，二者都能升级到g b i t / s 的速率，都已得到各个标准化组织的认可。 短 波长系统， 用8 5 0 n m激光器作发射机光源， 长波长系统， 用1 3 0 0 n rn 激光器作发 射机光源。 表1 . 1 示出千兆以 太网 标准i e e e 8 0 2 .3 z 规定的光纤类型、 带宽和传输 距离。 l a n的速率升级， 其传输距离受到多模光纤带宽的限制。 例如，千兆比 特以 太网规定的短波长带宽距离积2 0 0 m h z k m的6 2 .5 / 1 2 5 u m光纤的最大传 输距离为2 7 5 m，长波长带宽距离积s o o m h -z . k m的6 2 . 5 / 1 2 5 u m光纤的最大传 输距离为5 5 0 m 。 至于考虑到l o g b i t / s 以 太网， 传输距离受到多模光纤带宽限 制 的 问 题 就更 突出 t 14 1 为了克服多模光纤的带宽限制。 朗讯、 康宁、 阿尔卡特等著名公司大力研 究多模光纤通信技术。美国 康宁、 朗 讯等公司 联合向 各个标准体提出了 新一 代 多模光纤概念。 例如， 美国 康宁公司的多模光纤， 能以i g b it / s 的速率传输3 k m , 以1 o g b i t / s 的速率传输6 0 0 m:美国朗讯贝尔实验室己 经在 1 9 9 9 年1 0 月用多模 光纤以l o g b i t / s 的速率传输了1 . 6 k m，如果采用c wd m技术，总传输速率将达 到4 0 g b it / s ，同时仍保持2 k m的传输距离: 今后还将发展 1 0 0 0 b i u s - 2 k m的多模 东南大学硕士学位论文第一章 绪论 光纤通信系统 1 5 。 人们确信， 多 模光纤系统不仅能够满足当前网 络需求， 也能保 证将来的网络升级需求。 表 1 . 1 i e e e 8 0 2 . 3 z规定采用的光纤型式、带宽和距离指标 系统型式光纤型式及芯径/ 玻 璃包层直径勺 州 带宽距离积/ mhz . k m 传输距离/ m 00n甘n曰nnll11 16204050504050 i 0 0 0 ba s e - s x 1 0 0 0 ba s e - s x 1 0 0 0 ba s e - s x 1 0 0 0 ba s e - s x 1 0 0 0 ba s e - l x i 0 0 0 ba s e - l x 1 0 0 0 ba s e - l x 多模6 2 . 5 / 1 2 5 多模 6 2 .5 / 1 2 5 多模5 0 / 1 2 5 多模5 0 / 1 2 5 多模6 2 . 5 / 1 2 5 多模5 0 / 1 2 5 多模5 0 / 1 2 5 2 2 2 0 2 2 7 5 2 - - 5 0 0 2 5 5 0 2 - 5 5 0 2 5 5 0 2 5 5 0 ( - s x短波长系统， 用8 5 0 n c n激光器作发射机光源 - l x长波长系统.用1 3 0 0 i u n 激光器作发射机光源) 限制g 6 5 2 光纤和g6 5 3光纤工作波长范围的原因是1 3 8 5 m n 处存在水吸收 峰和第3 波段( 1 5 3 0 - 1 5 6 5 m n ) 色散系数大。因 此城域网w d m系统需开发出 一种 工作波长范围更宽的新型光纤。朗讯公司和康宁公司分别研制出 全波光纤( a l l w a v e) 和城域网光纤( m e t r o c o r光纤) 。两种城域网光纤的工作波长范围均为 1 2 8 0. 1 6 2 5 n m。通过光纤工作波长范围的拓宽，就可以 将不同的业务安排在最 适合它们的工作波段内进行c wd m传输。 近几年随局域网 传输速率不断升级，自1 9 9 7 年开始， 局域网向1 g b / s 发 展， 以l e d作光 源的6 2 . 5 / 1 2 5 p m多 模光纤几百 兆的 带宽 显然不能 满足要求。 与 6 2 .5 / 1 2 5 i.l m相比， 5 0 / 1 2 5 l m光纤数值孔径和芯径较小， 带宽比6 2 .5 / 1 2 5 1 m光纤 高， 制作成本也可降 低 1 / 3 。因 此， 各国 业界纷纷提出重 新启用5 0 / 1 2 5 p .m多 模 光纤。 康宁公司1 9 9 8 年9 月宣布推出两种新的多模光纤。 第一种为i n f in i c o r 3 0 0 型， 按6 2 . 5 / 1 2 5 w =标准，可在1 g b / s 速率下，8 5 0 n n i 波长传输3 0 0 米，1 3 0 0 n m 波长传输5 5 0 米。 第二种是i n f i n i c o r 6 0 0 型， 按5 0 / 1 2 5 g m标准， 在i g b / s 速率 下， 8 5 0 n m波长和 1 3 0 0 m n 波长均可传输6 0 0 米。 各大公司在最近一两年开发推 出了几种新品种多模光纤，如康宁的i n f m i c o r c l 1 0 0 0 和i n f i n i c o r c l 2 0 0 0 , 朗讯的l a z r -s p e e d，阿尔卡特的g i g a l i t e 等。 8 东南大学硕士学位论文第一章 绪论 新一代多模光纤是一种5 0 / 1 2 5 u m ， 渐变折射率分布的多模光纤。 采用5 0 u m 芯径是因为这种光纤中传输模的数目大约是6 2 . 5 a m 多模光纤中传输模的 1 / 2 . 5 。 这可有效降低多模光纤的模色散， 增加带宽。 对8 5 0 n m 波长， 5 0 / 1 2 5 u m 比6 2 . 5 / 1 2 5 u m 多模光纤带宽可增加三倍 ( 5 0 0 m h z . k m 比1 6 0 m h z . k m )。 以往传统的多模光纤网络使用发光二极管 ( l e d )做光源。在低速网络中这 是一种经济合理的选择。 但l e d 是自 发辐射发光， 激光器是受激发射发光， 前者 载流子寿命比后者长， 因而l e d 的调制速率受到限制， 在千兆比 及其以上网络中 无法使用。 另外， l e d 与激光器相比， 其光束发散角大， 光谱宽 度宽。 注入多模 光纤后， 激励起更多的高次 模， 引入更多 波长成份， 使光纤带宽下降。 新一代多 模光纤标准将采用8 5 0 n m v c s e l 做光源。 新一代多 模光纤的带宽 以前用l e d做光源， 是过满注入( o f l -o v e r f i l l e d l a u n c h ) ， 光纤的全部模式 ( 几百个) 都被激励， 每个模携带自己的一部分功率。 光纤中心折射率的畸变只影响少数模式的时延特性，对光纤带宽的影响相对有 限。 所测出的多模光纤带宽，对于用 l e d做光源的系统是正确的。也就是说可 以 用这样测出的带宽数据估算系统的传输速率和距离。 但是， 当 用激光器做光源 时，激光器的光斑仅几微米，发散角也比l e d小，因而只激励在光纤中心传输 的少数模式， 每个模式都携带相当大的一部分功率， 光纤中心折射率畸变对这些 仅有的、 少数模式时延特性的影响， 使多模光纤带宽明显下降。 因此不能用传统 的过满注入 ( o f l )方法来测量用激光器做光源的多模光纤的带宽。 新标准将使用限 模注入法 ( r m l -r e s t r i c t e d m o d e l a u n c h ) 测量新一代 多模光纤的带宽。 用这种方法测出的带宽叫“ 激光器带宽” 或“ 限模带宽” ，以前用 l e d做光源测出的带宽叫“ 过满注入带宽” 。两者分别表示用激光器和l e d做光 源注入时的多模光纤带宽。限模注入和多模光纤激光器带宽的标准由 t i a f o -2 .2 . 1 任务组起草。目 前已 完成 6 2 .s p m多 模光纤 检测规 程 f o t p -2 0 3和 f o t p -2 0 4 ( f o t p -f i b e r o p t i c t e s t p r o c e d u r e ) . 3 、复用器2 解复用器技术 光波分复用器/ 解复用器是wd m 系统中的关键部件。在 wd m系统中用 的典型光波分复用器/ 解复用器主要有光栅型、 介质膜滤波器型、 阵列波导 ( a wg ) 型。其中介质薄膜滤波器是使用最广泛的一种滤波器。 在c wd m网络中， 薄膜 东南大学硕士学位论文 第一章 绪论 滤光器技术也是目 前最为有实用价值的选择。 介质膜滤波器型光波分复用器的基本原理是利用多层介质膜滤光作用进行 复用和解复用，即对一个或多个波长反射率高 ( 或透过率高) ，对其他波长则反 射率低 ( 或透过率低) 。也就是说通过介质膜材料或结构的不同选择可以构成长 波通、短波通和带通滤光器。 基于薄膜滤波技术的d wd m和 c wd m 复用器/ 解复用器的造价差别主要是由于c wd m的滤波器包含的层数少，工艺要求低， 故 c wd m 滤波器的成本比 d wd m 滤波器的成本低。d wd m 系统中使用的 1 0 0 g h z 滤波器一般大约有 1 5 0 层，而c wd m系统的2 0 n m滤波器大约只有5 0 层。 c wd m滤波器的成本比d wd m滤波器的 成本要少5 0 %. r 6 1 1 .3 . 4 c wd m发展状况 c wd m系统在8 5 0 n m正走向实用， 利用8 5 0 n m v c s e l 在己 铺设的传统 6 2 . 5 t m光纤可实现 4 x l o g b / s的 传输速率， 其传输距离超过 l o o m 。 若利用 1 3 1 0 n m d f b 激光器其传输距离可达3 0 0 m 。 目 前利用新型高带宽5 0 g m多模光纤， 可实现4 x l o g b / : 的 传输速率，传输距离超过3 1 0 m 1 7 1 城域网w d m技术:厂家已 能够提供2 到8 个波长的商用c wd m系统， 将来这些系统有望在1 2 8 0 n m到1 6 2 5 n m的频谱内 扩展到1 6 个复用波长。目 前， 大多数c wd m系统工作在从1 4 7 0 n m到1 6 2 5 n m的范围内， 其信道间距为2 0 n m. 此外， 在1 3 1 0 n m窗口 附 近系统也在开发之中。 2 0 0 2 年6 月1 3 日，业界盼望已 久的c wd m技术标准终于出台，国际电 信 联盟 ( i t u )将这项标准命名为g .6 9 4 .2 。 草案考虑的c wd m系统波长栅格分为 三个波段。如图1 . 3 分别是: o波段“ 包括五个波长:1 2 7 0 , 1 2 9 0 , 1 3 1 0 , 1 3 3 0 和 1 3 5 0 n m; e波段， 包括五个波长:1 3 7 0 , 1 3 9 0 , 1 4 1 0 , 1 4 3 0和 1 4 5 0 n m; s +c + l 波段包括从1 4 7 0 n m到 1 6 1 0 n m的范围， 间距为2 0 n m的八个波长: 1 4 7 0 , 1 4 9 0 , 1 5 1 0 , 1 5 3 0 , 1 5 5 0 , 1 5 7 0 , 1 5 9 0 , 1 6 1 0 n m e 2 0 n m的 信道间 距允许利用廉 价的不带冷却 器的 激 光发 射机和宽 带光 滤 波器，这 些波 长利 用了 光纤的 全 部 光 谱， 从而既 增加了 复用的 信道数， 又可与传统的s d h系统进行互通。 l i s 同时， 随着光纤制造技术的发展， 很多光纤厂商能提供城域网 用的 广谱光纤。 该类光纤通过采用新工艺去掉了1 3 8 5 n m附近的水吸收峰， 从而大大扩展了光纤 可用频谱( 可增加约1 0 0 n m ) 。 由于这种光纤可以提供完整的光谱频段( 从 1 2 6 0 n m 东南大学硕士学位论文第二章 光在多 模光纤中的 传输 第二章 光在多模光纤中的传输 随着局域网的速率升级，其传输距离受到多模光纤带宽的限制，限制多模 光纤带宽的主要原因是模式色散，当数据速率提高时， 能传输的 距离就减少。 多 模光纤是c wd m的关键技术之一，多模光纤的带宽也与光纤中的模功率分布或 注入状态有关。本章主要探讨光在多模光纤中传输的理论模型，首先推导基于 g d格式有限差分束传输法 ( b p m ) ， 然后运用wk b法来研究多模光纤中的模式 特 性。 第一 节了 从 标 量 亥 姆 霍 兹 方 程出 发， 推 导 基 于 慢变 包 络 近 似 (