讲座-光纤通信及其发展.ppt

光纤通信及其发展 光纤通信基本知识光波分复用光波网络 报告人 刘增基综合业务网国家重点实验室E mail zjliu 光纤通信基本知识光纤传输系统的基本组成 光纤通信 以光导纤维 光纤 为传输媒质 以光波为载波 实现信息传输 光纤传输系统的基本组成 光纤线路 光源 光调制器 光检测器 基带处理 基带处理 基带电信号 基带电信号 调制电信号 解调电信号 已调 光信号 光发射机 光接收机 光纤通信基本知识光纤的传光原理 构成光纤的材料是石英纤维 SiO2 光纤由内芯和包层组成 芯的折射率略大于包层 利用光在内芯的折射或在芯与包层界面上的全反射实现光的传播 n1 n2 n1 SIF GIF 光纤通信基本知识光纤基本类型 突变折射率型多模光纤 SIF 纤芯直径 50 60 m 光线以折射形状沿纤芯轴线方向传播 存在多条路径 并有较大的时延差 因而信号畸变大 渐变折射率型多模光纤 GIF 纤芯直径 50 m 光线以曲线形状沿纤芯轴线方向传播 各条路径时延差较小 因而信号畸变较小 单模光纤 SMF 纤芯很细 直径约10 m 光线以直线形状沿纤芯轴线方向传播 只有一种传播模式 信号畸变很小 光纤通信基本知识光纤传输特性 传输损耗 由材料吸收和杂质散射等因素引起 有三个低损耗窗口 1 0 85 m附近 损耗2 4dB km 2 1 31 m附近 损耗约0 5dB km 3 1 55 m附近 损耗约0 2dB km 色散 Dispersion 一般包括材料色散 模式色散 波导色散等 引起接收的信号脉冲展宽 从而限制了信息传输速率 中继器间距受损耗限制和色散限制 色散限制用距离带宽积 Mbps km 表示 三类光纤中SMF最高 GIF次之 SIF最低 光纤通信基本知识实用光纤标准 G 651 GIF型光纤 适用于中小容量和中短距离 G 652 常规单模光纤 第一代SMF 在波长1 31 m处色散为零 传输距离只受损耗限制 适用于大容量传输 G 653 色散移位光纤 第二代SMF 在波长1 55 m色散为零 损耗小 适用于大容量长距离传输G 654 1 55 m损耗最小的SMF 1 31 m处色散为零 G 655 非零色散光纤 是新一代的SMF 适用于波分复用系统 提供更大的传输容量 光纤通信基本知识光发射机 光源 发光二极管 LED 自发辐射 输出光功率小 谱宽 稳定 长寿命 107 价低 适用于小容量 短距离传输系统 激光二极管 LD 受激辐射 输出光功率大 谱窄 波长稳定 长寿命 105至106 价高 适用于大容量 长距离传输系统 光调制器 目前采用强度调制 由于光源频谱不纯 尚未实现相干光通信 分内调制和外调制 对于数字调制 用光脉冲的有无代表数字信息 0和1 光纤通信基本知识光接收机 光检测器的功能 光信号的解调 O E 光检测器的类型 PIN光电二极管 雪崩光电二极管 APD 光接收机的灵敏度取决于噪声特性 包括光检测器的噪声和电放大器的噪声 和误码率指标APD是有增益的光电二极管适用于灵敏度要求较高的场合 但需采用复杂的温度补偿电路 故成本高 在灵敏度要求不高的场合 宜采用PIN管 光接收机中还有电的放大器 自动增益控制电路 均衡再生电路等 光纤通信基本知识光纤通信发展阶段 1966年高琨指出了用光纤进行信息传输的可能性和技术途径 第一阶段 1966 1976年 从基础研究到商业应用的开发时期 实现了短波长 0 85 m 低速率 45或34Mb s 多模光纤通信系统 无中继距离约10km 第二阶段 1976 1986年 大发展时期 光纤从多模发展到单模 工作波长从短波长发展到长波长 1 31和1 55 m 实现了1 31 m 传输速率140 565Mb s的单模光纤传输系统 PDH 其无中继距离为50 100km 第三阶段 1986年 全面深入开展新技术研究 实现了1 55 m单模光纤通信系统 SDH 速率达2 5 10Gb s 无中继距离为100 150km 1996年后 研发波分复用光纤通信系统 每波长传输速率10或40G及光波网络 光纤通信基本知识光纤通信特点与应用 传输容量很大 2 5G 10G 波长 每光纤采用波分复用技术 可容纳几十至上百个波长 每根光缆可含几十至上百根光纤 传输质量很高 误码率很低 小于10 9 中继距离很长 50 150km 抗电磁干扰性能好泄漏小 保密性能好应用广泛 大容量骨干网 计算机局域网与广域网 光纤接入网 有线电视网等 波分复用 信道复用技术光波分复用原理点对点光波分复用传输系统光波分复用器件 信道复用技术 信道复用 在同一信道上同时传输N路或N个用户的信息 N 1 其基本方法是将该信道划分为N个子信道 频分复用 FDM 各子信道占用不同的频带 用滤波器分路 新发展的技术有正交频分复用 OFDM 编码正交频分复用 COFDM 时分复用 TDM 各子信道占用不同的时隙 用门分路 又有同步时分复用和异步时分复用 又称统计时分复用 之分 码分复用 CDM 各子信道采用不同的相互正交的码序列 用相关器分路 光波分复用 WDM 各子信道采用不同的光载波 用光滤波器分路 光波分复用原理 光波分复用 WDM WavelengthDivisionMultiplexing 是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的技术 发送端复用 OMUX 组合不同波长的光信号并耦合到同一根光纤中 接收端解复用 ODMX 分离不同波长的光信号并作进一步处理 中继放大 经过一定距离的传输后 要用宽带放大器对光信号进行放大 目前普遍采用掺铒光纤放大器 EDFA WDM原理图 波分复用技术的发展概况 BWDM 利用1 3和1 55 m附近两个低损耗窗口构成两个波长的WDM系统DWDM 在1 55 1 50 1 60 m窗口 同时用8 16或更多个波长 其中各波长之间的间隔约为1 6nm 0 8nm或更小 对应于200GHz 100GHz或更窄的频率间隔 得到广泛应用 以下用WDM表示 DWDM EDFA G 655光纤 光子集成 是长途光纤宽带传输的主要技术方向 目前水平 商用系统 40 10Gb s实验室 82 40Gb s 3 28Tb s基于WDM和波长选路的光传送网已成为主要的核心网 WDM的特点 利用多个波长并行传输 突破电子电路的速率极限 减小了光纤色散的影响 充分利用光纤的巨大带宽资源 使单根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍 几十倍甚至几百倍各波长的信道相对独立 可同时传输不同类型 不同速率的信号可降低对O E E O器件要求在光域传输的透明性好高度的组网灵活性 经济性和可靠性 光波分复用传输系统 双纤双向单纤双向 IP ITU TDWDM标称波长 频率 THz 波长 nm 频率 THz 波长 nm 频率 THz 波长 nm 196 1001528 77194 8001538 98193 5001549 32196 0001529 55194 7001539 77193 4001550 12195 9001530 33194 6001540 56193 3001550 92195 8001531 12194 5001541 35193 2001551 72195 7001531 90194 4001542 14193 1001552 52195 6001532 68194 3001542 94193 0001553 33195 5001533 47194 2001543 73192 9001554 13195 4001534 25194 1001544 53192 8001554 94195 3001535 04194 0001545 32192 7001555 75195 2001535 82193 9001546 12192 6001556 55195 1001536 61193 8001546 92192 5001557 36195 0001537 40193 7001547 72192 4001558 17194 9001538 19193 6001548 51192 3001558 98频率间隔 100GHz波长间隔约0 8nm192 2001559 79192 1001560 61 WDM系统波长信道中心频率 光波分复用器件 耦合器滤波器波分复用器 解复用器掺铒光纤放大器 EDFA 用于WDM的激光器 N 1 1 N N M 耦合器 1 功能 组合来自不同光纤的光信号或将光信号分离到不同的光纤中工作原理 分光纤型 微光学机械型 波导型 从性能和价格考虑 光纤型为最好 下面介绍光纤型耦合器的基本结构和工作原理 把两根或多根光纤排列 用熔拉双锥技术制作 在熔接区 光纤变细 相互靠近 发生了耦合 由于常规单模光纤中大约有20 的光是靠包层传输的 光纤变细就有更多的能量分布于芯线外 加之光纤相互靠近 于是在耦合区就发生了不同程度的耦合 耦合区 耦合器 2 性能参数 1 耦合比CR 一个指定输出端的光功率Poc与全部输出端光功率总和Pot的比值 用 表示CR Poc Pot Poc PO1 PON 功率分路损耗Ls 10lg CR dB光纤型耦合器的耦合比与耦合区光纤芯径的大小 芯间的距离以及波长有关 2 附加损耗Le 由散射 吸收和器件缺陷引起 是输入光功率总和Pit与输出光功率总和Pot的比值 用dB表示Le 10lg Pit Pot Pi1 PiN Po1 PoN Pot Pit 耦合器 3 性能参数 3 插入损耗Lt 是一个指定输入端的光功率Pic与一个指定输出端的光功率Poc的比值 用dB表示Lt 10lg Pic Poc Lt Ls Le 4 方向性DIR 隔离度 是一个输入端的光功率Pic与由耦合器反射到其它端的光功率Pr之比 用dB表示DIR 10lg Pic Pr 5 均匀性Uniformity dB Ltmax Ltmin 6 其它参数 热稳定度 极化稳定度 工作温度范围等性能参数的技术规范可看器件数据手册 耦合器 4 一般性能指标 光滤波器 光滤波器是WDM系统中的重要器件 常用来构成波分复用器和解复用器 主要要求 插入损耗小 并应该与输入光的偏振态无关 通带应对温度的变化不敏感 在整个工作温度范围 大约100 波长漂移应远小于相邻信道的波长间隔 为使级联滤波器的总特性满足通带要求 单个滤波器的通带特性应尽可能平直或矩形系数应尽可能接近于1 分类 光纤光栅型 干涉型 波导型 光滤波器 光栅型 光栅的工作原理 入射光 衍射光栅 影像面 1 i 1 2 1 2 1 2 影像面 入射光 反射光栅 以透射光栅为例 入射光 平面波 经缝隙产生衍射 球面波 波长 i的主波束的最大值方向满足方程dsin i m i 故可分离不同的波长 角度的分离可在影像面变成距离的分离 yi Ltan i 光滤波器 FBG型 FiberBraggGrating FBG 是衍射光栅概念的发展 其衍射是由光纤内部折射率的变化实现的 FBG好象一个窄带的反光镜 只反射一个波长而透射其余的波长 被反射的波长称为Bragg波长 满足条件 2 neff B 1 2 B N B 1 2 N 这里neff是纤芯的等效折射率 是光栅周期 相邻折射率最大点间的距离 光滤波器 F P型 Fabry Perot F P 滤波器又称F P干涉仪 是由两块平行的高反射率的镜面构成谐振腔 对特定波长 o的光波发生谐振而得到频率选择性 o 2L mm为整数F P滤波器的功率传递函数 参看图7 19 TFP f m 1 R 2 1 R m 2 4R msin2 2 f f0 L 式中R是腔壁的反射系数 m是内部损耗 L是腔体的长度 是腔体内的光速 c n谐振腔可多个串联 以改善选择性 入射 来回反射 同相相加的波输出 L mirror mirror 光滤波器 多层介质薄膜谐振腔 这是反射镜采用多层介质薄膜的F P干涉仪是一种带通滤波器 只允许特定波长的光通过结构用多腔使通带顶部更加平坦 改善矩形系数 参看图7 21 腔1 腔3 腔2 反射介质 光滤波器 MZI型 MZI Mach ZehnderInterferometer 通常以集成光波导的形式出现 用两个3dB定向耦合器连接两条不同长度的光通路 耦合器1将输入信号等分并引入两条光通路 长臂与短臂之间的行程差是 L 对应于两个波长引入不同的相移 i 2 neff L i L式中 是传播常数在耦合器2两路光线相互干涉 结果 1和 2的最大方向分别指向光纤1和光纤2 1 2 n 2 m L 1 2 1 2 光纤1 光纤2 P1 1 Pin cos2 1 2 P2 2 Pin sin2 2 2 C1 C2 光滤波器 阵列波导光栅AWG 输入波导 输出波导 阵列波导 输入耦合器 输出耦合器 AWG ArrayedWaveguideGrating 是MZI的推广形式 通常制作成平面结构 每一阵列波导的长度与其相邻波导差一个常数 L 输入耦合器将输入光等分到阵列波导 通过阵列波导的输入光的每一部分均包括光的所有波长 每一波长有一个相移 i 2 neff L i 此外 每一波长在输入和输出耦合器中受到相移 结果是一个波长的每一空间分量受到不同的相移 并在输出耦合器中相互干涉 形成一系列最大光强 它们的方向取决于波长值 1 N 1 N 可调谐光滤波器 用于光接收机前端或作为动态光交换网络的元件 上述固定光滤波器大多可做成可调谐的 主要有 FP 通过变F P滤波器谐振腔长度L调谐 衍射光栅 调反射光栅的角度 FBG 2 neff B 调 通过加热或用力拉伸 MZI i 2 neff L i 在一个臂变折射率 AOTF 声光可调谐光滤波器 通过可变频率的声表面波形成Bragg光栅 而声波由电声转换器件产生 EOTF 电光可调谐光滤波器 通过电光效应形成Bragg光栅 可调谐光滤波器的典型特性 可调谐光滤波器类型FP衍射光栅FBGMZIAOTFEOTF 调谐范围 nm 60100710400103dB带宽 nm 0 5110 0112信道数101001010调谐时间msms s s sns损耗 dB 240 1 565偏振损耗 dB 1 0 5旁瓣抑制比 dB 20分辨率 nm 0 02 波分复用器 解复用器 WDMMUX DEMUX 复用器 解复用器功能 组合 分离不同波长的光信号 有时一个器件同时完成复用和解复用功能 有时复用和解复用分别用不同的器件 主要性能参数 信道数 器件能复用 解复用的波长信道数 典型值是4 8 16 32 40 48 中心波长 频率 信道间隔 器件能够处理的最小信道间隔 标准值是50 0 4 100 0 8 200GHz 1 6nm 通带宽度 指一个波长的带宽 通常厂家给出按损耗1 3 20dB计的带宽 最大插入损耗 典型值1 5 6dB OM OD 1 2 N 1 2 N 1 N N 1 插入损耗均匀度 30dBDEMUX可低到18dB 波分复用器 解复用器举例 WDMMUX DEMUX MZI和AWG是可逆器件 既可作DEMUX 也可作MUX多层介质薄膜滤波器 DTMF 也是可逆的 基于它的一种MUX DEMUX如图所示 透镜 透镜 玻璃衬底 1 8 光纤 光纤 光纤 DTMF 2 4 6 8 1 3 5 7 光传送网 OTN 基于WDM和波长选路的光通道网络光分插复用设备 OADM 光交叉连接设备 OXC 路由与波长分配光通道网络的管理与控制光网络的生存性 OXC OpticalCross connect光交叉连接设备E XC ElectricalCross connect电的交叉连接设备A 如SONET或ATMVP网的交叉连接设备 OLT OpticalLineTerminal光线路终端 光通道连接不同OLT 光通道网络基本结构 NE NetworkElement网元 OpticalPath 光通道REP Repeater中继器MS MultiplexSection复用段 OMS OpticalMultiplexSection光复用段OTS OpticalTransmissionSection光传输段 光通道网络网元连接模型 光接口 数字化用户层 光通道层 光复用段层 光传输段层 ITU TG 872 光层 光传送网的功能 为透明传送SDH PDH ATM IP等业务信号提供光通道 光通道层 负责选路和波长分配 提供端到端的连接 负责光通道的运行 维护和管理 OAM 光复用段层 保证相邻两个波长复用设备间多波长复用光信号的完整传输 负责该段的OAM 光传输段层 为光信号在不同的媒质 如G 652 G 655光纤 上提供传输功能 光传送网络的分层结构 光通道是一个波长的端到端连接 根据结点是否提供波长转换功能 分为波长通道和虚波长通道 光分插复用设备 OADM OADM OpticalAdd DropMultiplexer 的功能 从OWDM系统中分下和插入一个或多个波长信道OADM的原理 在结点本地先分接后复接OADM的几种实现方法 1 平衡MZI FBG 2 FBG 环形器 3 DTMF 环形器见下页的图 输入 1 2 N 输出 1 2 N x x 多波长输入 多波长输出 Drop Add OD OM 光分插复用设备 续 FBGat s 平衡MZI FBG drop add 1 2 N 1 2 N 输入 输出 3dB耦合器 FBG 环行器 环行器 环行器 1 2 3 1 2 3 多个波长输入 多个波长输出 Drop Add DEMUX MUX 3dB耦合器 光分插复用设备 续 DTMF 环行器 环行器 环行器 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 2 2 2 2 多个波长输入 多个波长输出 DTMF DTMF 2 2开关 可变衰减器 Add 1 Add 2 Add 3 Add 3 Drop 1 Drop 2 Drop 3 Drop 4 1 1 2 2 2 3 3 4 4 环行器是一种特殊的定向耦合器 光分插复用设备 续 组网应用 s m OADM OADM OLT OLT 链形 OADM OADM OADM OADM 环形 光交叉连接设备 OXC 光纤 空分 交叉连接器波长选择交叉连接器WSXC波长变换交叉连接器WIXC 光纤 空分 交叉连接器 光开关 多光纤输入输出 每路光纤中可以是多波长信号 交换的基本单位是一路光纤的容量 基本开关单元 1 1 1 2 2 2 M M开关 光纤 光纤 1 1 2 2 M M 1 1 1 2 3 1 2 4 3 1 2 4 3 Bar Cross 光纤 空分 交叉连接器 续 电光开关 由光分支波导与半导体光放大器 SOA 组成微电子机械光开关 MEMS MEMS Micro Electro Mechanical System 是由半导体材料如Si等构成的微机械结构 将电 机械和光合为一块芯片 它通过静电的作用使可动的微镜面发生转动 从而改变入射光的传播方向 V SOA 1 1 2 2 1 2 3 GRINlens 光纤 空分 交叉连接器 续 用1 2或2 2开关单元可构成较大规模的开关矩阵 例 Gate SW在1 2Switch转换期间关闭 避免功率暂态传至下一结点 波长选择交叉连接器WSXC 波长变换交叉连接器WIXC 波长变换器 改变传输波长而保持其所载的信息不变两种基本类型 光电型和全光型 路由与波长分配 对于无波长变换能力的OXC构成的光网络 路由选择受到波长连续性限制 即一条光通道的各段链路必须采用相同的波长 这样的光通道称为波长通道 对于具有 或部分具有 波长变换能力的OXC构成的光网络 路由选择有更多的自由度 建立的光通道称为虚波长通道 波长选路算法 RWA 待进一步研究 光通道网络的管理与控制 作用 保证光通道的透明性和可重构性 从而提高网络运行的可靠性 生存性和资源利用的有效性 使静态网络变成动态网络 能依据业务量 网络状态的变化而改变网络配置 光的监控信道 OSC 在每条光纤中专设一个波长 SV 来传输管理控制信息 传输速率约2Mb s配置管理 自动搜寻网络拓扑 网管系统 NMSorNMC 通过查询各个网元和接收来自网元的报告 确定和更新各结点的连接表 建立光通道连接 通过网管系统协调各网元的路由选择和交叉连接功能 建立永久 半永久连接 光通道网络的管理与控制 续 故障管理对于网元 故障管理功能包括 监视和检测故障 联系内部与外部故障状况 向管理者报告故障 构成恢复机制对于管理者 必须 通过报警分析 诊断测试进行故障定位 找到可替换的设备或光纤 下达修复命令 存在问题 对于光网络来说 它不支持数字信号的监视 而仅靠光信号监