第九章光纤通信复用技术.ppt

9 1光纤通信复用技术的概念9 2光波分复用技术9 3密集光波分复用 DWDM 技术9 4光波分复用系统的应用举例 第9章光纤通信复用技术 光时分复用 OTDM 光码分复用 OCDM 光波分复用 WDM 光频分复用 OFDM 光空分复用 OSDM 光副载波复用 OSCM 9 1光纤通信复用技术的概念 9 1 1光时分复用 OTDM 技术 定义 OTDM是用多路电信号调制具有同一个光频的不同光通道 时隙 经复用后在同一根光纤中传输的技术 它在系统发送端对多个低速率数据流在光域进行复用 在接收端用光学方法进行解复用 电TDM和光TDM系统的比较 电时分复用光时分复用 OTDM技术是电时分复用技术在光学领域的延伸和扩展 使用高速光电器件代替了电子器件 完全在光域上实现从低速率到高速率的复用 克服了电TDM所固有的电子瓶颈问题 比特间插 分组间插 OTDM可分为比特间插OTDM和分组间插OTDM 比特间插OTDM主要用于电路交换业务 分组间插OTDM主要用于分组交换业务 比特间插OTDM的实现如下 复用解复用 光时分复用的特点 1 各光网络单元是在不同时隙依次进入光功率分配器 并合成一路光信号 其信号按时间既紧凑又不重叠地排列着 与各光网络单元的输入信号相比 提高了传输速率 2 OTDM系统采用的归零码完全适合于比特级的全光信号处理 从而使超高速帧头处理成为可能 3 光时分复用只利用一个光载波就可传送多路光脉冲信号 因此 可大幅度提高系统容量 如与DWM相结合 即利用多个光载波来实现时分多路光脉冲信号的传送 可成倍地提高系统容量 4 采用光时分复用技术比较容易实现信道的按需分配 9 1 2光码分复用 OCDM 技术 光码分复用OCDM的工作原理与电码分复用相似 都是利用地址码调制和扩展频谱的原理来实现多址通信 OCDM系统给每个信道分配一个唯一的光正交码作为该信道的地址码 对要传输的数据信息用该地址码进行光编码 将多路光编码信号调制在同一光波上在光纤信道中传输 实现多信道复用 接收端用与发送端相应的地址码进行光解码 即可恢复出原信道的信号 OCDM系统与传统的电域CDMA系统比较 OCDM系统采用单极性正交码作为地址码 它与传统的电域CDMA系统所采用的扩频序列有着本质区别 传统的扩频序列为双极性扩频码 取值为 1 1 具有良好的自相关和互相关特性 而这种双极性扩频序列不能应用于现有的强度调制直接检测光纤通信中 这种双极性扩频码在二值域 1 0 上取值 其互相关峰很大 对系统的性能有致命影响 OCDM系统所采用的单极性正交码是在二值域 1 0 上取值 具有尖锐的自相关峰和弱的互相关性 OCDM系统的编解码方式 时域编码 时域编码利用时域的光序列进行编码 也称为扩频编码 频域编码 它对光脉冲的光谱进行编码 又称为光谱编码 空域编码 是利用空间光纤进行编码 技术上最成熟的是时域编码 OCDM系统时域编码的原理 光纤延迟线编解码器是一种实现时域编解码的基本器件 利用短脉冲激励不同长度的光纤可获得不同的延迟 固定光纤延迟线编解码器可调光纤延迟线编码器 定义 为支持较多的用户同时接入 必须增加地址码的码长 这样光纤延迟线的数目 长度会相应增加 编解码器的结构比较复杂 为此 可采用跳频OCDM系统 它采用二维的光正交码 即每个地址码序列同时在时域和频域上扩展 跳频OCDM系统 OCDM技术具有如下优势 能实现光信号的直接复用与交换 实现点到点 点到多点的通信 并且一个节点的故障不影响系统中的其他节点 具有很高的保密性 安全性 光信号处理简单 大大降低了收发设备的成本 9 1 3光波分复用 WDM 技术 定义 在一根光纤中传输多个波长信道的技术就是波分复用 WDM 技术 又称为光波长分割复用 特点 大量不同的波长信道可以同时在一芯光纤中传输 使通信容量成倍或数十倍 数百倍地增长 波分复用分类 根据相邻信道波长之间的间隔不同粗波分复用 CWDM 相邻信道中心波长的间隔为50 100nm密集波分复用 DWDM 相邻信道中心波长的间隔为1 10nm 9 1 4光频分复用 OFDM 技术 定义 光频分复用是指光频率的细分 当多个光信道在光频域内排列非常密集时 不适于用波长来表征而更适于用频率来衡量 这时称之为光频分复用 一般将相邻光载波间隔小于1nm的系统 称为OFDM系统 9 1 5光空分复用 OSDM 技术 定义 空分复用 SDM 是指利用空间的分割实现复用的一种方式 将多根光纤组合成束实现空分复用 或者在同一根光纤中实现空分复用 空分复用包括光纤复用和波面分割复用 光纤复用是指将多根光纤组合成束 组成多个信道 相互独立传输 波面分割复用是指在同一根光纤中的纤芯区域光束沿空间进行波面分割复用 9 1 6光副载波复用 OSCM 技术 光副载波复用 OSCM 技术是多路信号经不同的载波调制后 经由同一光波长在光纤上传输的一种复用方式 SCM系统具有以下特点 实现较为简单 成本较低 可以传输模拟信号 也可以传输数字信号 还可以同时传输 接收灵敏度较高 信道之间相互独立 不需要复杂的定时同步技术 9 1光纤通信复用技术的概念9 2光波分复用技术9 3密集光波分复用 DWDM 技术9 4光波分复用系统的应用举例 第9章光纤通信复用技术 光波分复用原理光波分复用技术的主要特点WDM系统的分类 9 2光波分复用技术 9 2 1光波分复用原理 在发送端采用复用器 合波器 将不同波长的光信号进行合并 在接收端利用解复用器 分波器 将合并的光信号分开并送入不同的终端 9 2 2光波分复用技术的主要特点 超大容量传输 传输多种不同类型信号 多种网络应用形式 扩充网络容量 减少投资 组网灵活可靠 实用高效 性能优良 业务透明 降低器件的超高速要求 光波分复用器结构简单 体积小 可靠性高 9 2 3WDM系统的分类 集成式WDM系统要求复用终端的光信号的波长符合系统的规范开放式WDM系统复用终端光接口没有特别的要求 9 1光纤通信复用技术的概念9 2光波分复用技术9 3密集光波分复用 DWDM 技术9 4光波分复用系统的应用举例 第9章光纤通信复用技术 9 3密集光波分复用 DWDM 技术 DWDM系统构成DWDM系统的关键技术DWDM复用器光波长转换器 OTU 9 3 1DWDM系统构成 DWDM系统主要由六部分组成 即光发射机 光中继放大器 光接收机 光监控信道 网络管理系统和光纤 其基本结构和工作原理如下图 在发送端 光发射机将来自终端设备符合G 957协议的非特定波长的光信号经光波转发器 OTU 转换为G 692定义的稳定的特定波长的光信号 然后利用光合波器将多个不同波长的光信号合成多通路光信号 再通过光功率放大器放大后送入光纤信道 光中继放大器把单根光纤中多个波长的光信号同时放大以补偿线路损耗 从而延长通信距离 目前一般使用EDFA 对不同波长增益平坦 在接收端 经传输而衰减的主信道光信号由光前置放大器放大后 利用分波器从主信道光信号中分出各个特定波长的光信号 再经OTU转换成原终端设备所具有的非特定波长的光信号 光监控信道主要用以监控系统内各信道的传输情况 在发送端插入本节点产生的波长为 s 1510nm 的光监控信号 与主信道的光信号合波输出 在接收端 从接收到的光信号中分离出光监控信号 帧同步字节 公务字节和网管所用的开销字节等都能通过光监控信道传输 由于光监控信号是利用EDFA工作波段以外的波长 所以光监控信号不能通过EDFA 只能在EDFA后面插入 在EDFA前面取出 网络管理系统通过光监控信道传送开销字节到其他节点或者接收其他节点的开销字节对DWDM系统进行管理 实现配置管理 故障管理 性能管理 安全管理等功能 并与上层管理系统 如TMN 相连 DWDM系统的基本构成主要有三种基本形式双纤单向传输单纤双向传输光分路插入传输 双纤单向DWDM传输如图所示 单纤双向DWDM传输如图所示 光分路插入传输结构如下图所示 DWDM系统中的主要设备DWDM激光器光波复用器光接收器光放大器 DWDM激光器几乎所有的DWDM系统都工作在1550nm的低耗波长区 光传输功耗小 能保证尽可能大的传输距离和更好的信号完整性 光波复用器光复用器是双向可逆的 将一个光复用器的输入和输出调换过来 就是解复用器 光接收器负责检测进入的光波信号 并将它转换为一种适当的电信号 以便接收设备处理 光放大器用来提升光信号 补偿由于长距离传输而导致光信号的功耗和衰减 9 3 2DWDM系统的关键技术 DWDM系统需要很多与其功能相适应的高新技术和器件 DWDM的关键技术包括三个方面光源技术光滤波技术光放大技术 1 光源技术 DWDM系统中光源的突出特点是 有比较大的色散容纳值和标准而稳定的波长 DWDM系统中常用的光源主要有分布反馈激光器 DFB 量子阱 QW 半导体激光器掺铒光纤激光器波长可调谐激光器 分布反馈激光器 DFB 是一种典型的单纵模激光器 SLM 其产生单纵模的机制是利用布喇格反射原理 布喇格反射是指光波在两种不同介质的交界面上具有周期性的反射点 当光入射时将产生周期性的反射 反射光的波长与光栅的距离A有关 通过调整光栅的距离即可得到所需工作波长的激光 量子阱 QW 半导体激光器是一种窄带隙有源区夹在宽带隙半导体材料中间或交替重叠的半导体激光器 如图9 17所示 掺铒光纤激光器利用光纤光栅技术 把掺铒光纤相隔一定长度的两处写入光栅 两光栅之间相当于谐振腔 光波的传输由光纤承担 泵浦光从掺铒光纤激光器左边光栅耦合进入光纤 由于光栅的选频作用 谐振腔只能反馈某一特定波长的光 输出单频激光 再经过隔离器输出线宽窄 功率高 噪声低的激光 2 光滤波技术 光滤波器只允许特定波长 频率 的光顺利通过 也称为滤光器 其作用是在接收机前从多信道复用的光信号中选择出一定波长的信号 以供接收机进行接收 F P光腔型滤波器光栅型滤波器介质膜滤波器波导型滤波器 F P光滤波器 三种介质由一对高度平行的高反射率镜面分割开 形成一个波长选择性的F P光滤波器腔体 谐振腔腔长为L 材料折射率为n 当光波入射左镜子的角度为 时 其中部分入射光透过镜子射向右镜子 光波在右镜子处部分透射 T1 部分反射 反射的光波在左镜子处部分透射 R1 部分反射 然后新的反射光波在右镜子处又一次部分透射 T2 部分反射 这样一直持续下去 以至于右镜子处有无数多的透射波 与激光的相干长度相比 镜子间的距离非常小 所有这些波可以看作来自同一相干激光光源 如果这些波之间的相位差为2 的整数倍 即同相 那么它们相干相加 这些波都将发送出去 确定波长的因素是L n和 通过设计这三个参数 即可实现波长的可调谐 F P光腔型滤波器又分多种形式 电致伸缩型 通外加电压改变压电陶瓷的伸缩性 使谐振腔的腔长发生变化 从而实现波长的调谐电可调液晶光滤波器 用外加直流电场改变液晶分子的取向 从而改变腔中填充材料的折射率来实现谐振频率的微调 角度可调F P光腔型滤波器 其中的基本元件是装在一个可旋转支架上的F P标准具 F P谐振腔 通过转动支架改变F P谐振腔的激光束的入射角来调整谐振波长 电可调液晶光滤波器 角度可调F P光腔型滤波器 3 光放大技术 定义 光放大器是一种不需要经过光 电 光变换而直接对光信号进行放大的有源器件 能高效补偿光功率在光纤传输中的损耗 延长通信系统的传输距离 作用 光放大器不但可以对光信号进行放大 同时还具有实时 高增益 宽带 在线 低噪声 低损耗的全光放大功能 是长距离 大容量 高速率光通信系统不可缺少的关键器件 光放大器在DWDM系统中主要有三种用途 在发射机端 用作功率放大器以提高发射机功率 称为功率放大 在接收机端 用作光预放大器以提高光接收机灵敏度 称为前置放大 在光纤线路中 用作中继放大器以补偿传输损耗延长传输距离 称为中继放大或线路放大 在DWDM系统中 应用最多的是掺铒光纤放大器 EDFA 特点 EDFA具有高增益 低噪声 大输出功率 宽频带等优点 为确保传输质量 DWDM系统中需要增益平坦和增益锁定的EDFA 为改善EDFA的增益平坦性 目前采用的解决技术主要有两种 增益均衡技术 利用损耗特性与放大器的同一波长特性相反的增益均衡器来抵消增益不均匀性光纤技术 采用改变光纤材料或者利用不同光纤的组合来改变掺铒光纤的增益特性 噪声特性和扩展增益带宽 9 3 3DWDM复用器 波分复用 解复用器件可实现将多个不同波长的光信号结合在一起送入一根光纤中传输 或者将一根光纤中传输的多个不同波长的光信号分解后送入不同接收机 也称为光合波器 分波器 波分复用器件提出的基本要求 主要是插入损耗及其偏差小 隔离度大 带内平坦 带外插入损耗变化陡峭 温度稳定性好 工作稳定 可靠 复用通路数多和尺寸小等 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 定义为波分复用器件的输入和输出端口之间的光功率之比 即 串扰抑制度 串扰抑制度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 回波损耗 回波损耗是指从波分复用器件的输入端口返回的光功率与输入光功率的比 即 反射系数 反射系数是指在波分复用器件的给定端口的反射光功率Pr与入射光功率Pj之比 即 工作波长范围 指波分复用器件能够按照规定的性能要求工作的波长范围 min到 max 信道宽度 指各光源之间为避免串扰应具有的波长间隔 偏振相关损耗 偏振相关损耗 PDL PolarizationdependentLoss 是指由于偏振态的变化所造成的插入损耗的最大变化值 波分复用器的分类 熔锥光纤型光波分复用器Mach Zahnder滤波器型光波分复用器光栅型光波分复用器多层介质膜干涉滤光片 MI 型波分复用器光纤布拉格光栅 FBG 型波分复用器阵列波导光栅 AWG 型波分复用器 1 熔锥光纤型光波分复用器的制作与结构如下图 利用消逝波耦合原理进行分波或合波 当通过熔拉两根单模光纤使两根光纤的纤芯相互充分靠近时 单模光纤中的两个基模 LP01横电横磁混合模 会通过瞬逝波产生相互耦合 在一定的耦合系数和耦合长度下 不同波长成分的光功率可互易地由一根光纤转移到另一根光纤 从而实现分波 合波效果 熔锥光纤型光波分复用器 优点 制作容易 使用方便 插入损耗非常低 缺点是尺寸稍大 复用波长数少 隔离度较差 复用的两光信号的波长差较大 一般不适合在DWDM系统中应用 2 Mach Zahnder滤波器型光波分复用器 使用两条不同长度的干涉路径来决定不同的波长输出 MZI作为一个解复用器假设多波长信号从输入端口1输入 经过第一个定向耦合器后 输入光功率分成功率相等的两束分别进入两波导臂 但是在两臂上的信号有了 2的相差 下臂上信号的相位比上臂滞后 2 如果下臂与上臂的长度差为 L 则下臂信号的相位进一步滞后 L 2 n n为介质折射率 为光波长 在第二个定向耦合器的输出端口1处 来自下臂的信号又比来自上臂的信号延迟了 2 因此 在输出端口1处 两信号总的相位差为 2 L 2 在输出端口2处 两信号总的相位差为 2 L 2 L 输出端口1 L 的奇数倍输出端口2 L 的偶数倍 基于MZI的集成的四波分复用 解复用器 3 光栅型光波分复用器 定义 光栅是指在一块能够透射或反射的平面上刻出一系列平行且等距的槽痕 形成许多具有相同间隔的狭缝 可使入射的多波长复合光分散为各个波长分量的光 或者相反 使入射的多个不同波长的光聚集为复合光 光栅对不同波长光的衍射角不同 不同波长成分的光信号将以不同的角度出射 光栅型光波分复用器原理图 传统的透镜作准直器件 自聚焦透镜作准直器件 光栅种类较多 但用于DWDM系统中的主要是闪耀光栅 闪耀光纤能使入射光方向矢量几乎垂直于光栅表面上执行反射的沟槽平面 形成所谓的利特罗 Littow 结构 可以提高衍射效率 降低插入损耗 Littow结构的光栅方程为 对于Littrow安装方式 i 因而器件的角色散本领为 光栅的总槽数N和k成正比 因此 要得到性能好的光栅 总槽数N应尽量多 光栅常数d尽量小 并尽量选用高的衍射级数 4 多层介质膜滤波器 利用多层介质膜的滤光作用选择波长 使某波长的光通过 其他波长的光被反射 介质膜滤波器由多层不同折射率的介质膜组合而成 一层为高折射率一层为低折射率相间组成 通过选择薄膜层的几何结构及折射系数 两层之间的多个反射引起的干涉就会把需要传输的波长透射出去 并把其余的波长通过介质膜反射回来 4 介质膜滤波器 当光程差等于光波长的整数倍时 A1和A2同相相长而形成强的透射波 将多个波长的滤波器以一定的结构如图所示组合起来 可构成所需信道数的解复用器 MI滤波器优缺点 优点是可实现结构稳定的小型化器件 信号通带较平坦 与极化无关 温度特性很好 可达0 001nm 缺点是插入损耗随复用通路数增多而加大 所以通路数不会很多 5 光纤布喇格光栅 FBG 型波分复用器 定义 是一种反射型光纤光栅 可以用作一个波长选择性的反射镜 使正向传输模同反向传输模之间发生耦合 这种光纤光栅只对在布喇格波长及其附近很窄的波长范围内的光发生反射 而不影响其他波长的光通过 光栅实际上就成为一个窄带的反射滤波器 设两列波沿着同一方向传播 其传播常数分别为 0和 1 布喇格相位匹配条件为 假设传播常数为 0的光波从左向右传播 如果满足相位匹配条件 则这个光波的能量可以耦合到沿它相反的方向传播的具有相同波长的反射光中去 0 2 neff 0 其中 0为输入光的波长 neff为波导或光纤的有效折射率 也就是说 如果 0 2neff 光波将发生反射 这个波长 0就称为布喇格波长 随着入射光波的波长偏离布喇格波长 其反射率就会降低 如图所示 利用光纤光栅的选择反射作用可以制作出光环形器 OpticalCirculator 环形器的工作原理是任何一路光波信号从其一个端口输入 将从其下一个环绕环形器的相邻接口输出 FBG解复用器 在光纤中多波长的光从左到右进行传输 经过了环形器的端口1和 2 波长 2在FBG中被反射进入端口2 之后就从端口3下路 6 阵列波导光栅 AWG 型波分复用器 阵列波导光栅 AWG ArrayWaveguideGrating 集成阵列波导光栅是一种平面光波导的无源器件 由输入波导 两个聚集平面耦合波导 阵列波导光栅和输出波导构成 构成阵列波导光栅的是许多长度按 L依次线性递增的光臂构成 利用相邻的波导的长度差别来产生在输出端耦合器处所需的相位关系 AWG结构和工作原理 当多波长信号被激发进某一输入波导时 此信号将在第一个平面波导中发生衍射而耦合进阵列波导 光经过不同的波导路径到达第二个平面耦合波导时 产生不同的相位延迟 在第二个耦合波导中相干叠加 在不同通路中选路的波长之间的相位差可以使这些从同一个输入端来的信号选路到不同的输出端 在输出端的各光纤上可获得具有一定排列顺序的单波长信号 如果输入端只有单路的多波长信号 则构成1 N的解复用器 如果输入端为M路多波长信号 则构成M N的光路由器 AWG型光波分复用器的优点 AWG型光波分复用器具有波长间隔小 信道数多 适于批量生产 重复性好 可以和有源器件集成组成OEIC等优点 9 3 4光波长转换器 OTU 开放式DWDM系统的特点是复用终端光接口没有特别的要求 为了把SDH系统接入开放式DWDM复用系统中 开放式DWDM系统必须依靠波长转换器这一关键器件来实现波长转换 将复用终端的光信号转换成指定的波长 定义 光波长转换器 OTU 是把某一个波长的输入光信号转换成另一个波长或者同一个波长的输出光信号的器件 光电型 O E O 波长转换器全光型 O O 波长转换器 1 光电型波长转换器 主要作用 是把非标准的波长转换为ITU T所规范的标准波长 以满足系统的波长兼容性 先用光电检测器 光电二极管PIN或APD 把接收到的光信号转换成电信号 经定时再生 3R 后 产生再生的电信号和时钟信号 再用该电信号对标准波长的激光器重新进行调制 从而实现波长变换 光电型波长转换器优点 系统原理简单 对信号具有再生能力 输入光功率动态范围较大 无需光滤波器件 对输入偏振不敏感 技术上较为成熟 比较容易实现 性能稳定 应用