第6章-光纤通信新技术

光时分复用(OTDM)通信技术光码分复用(OCDMA)通信技术光副载波复用(OSCM)通信技术相干光纤通信技术光孤子通信技术全光网技术,第6章光纤通信新技术,光纤通信技术,1、光时分复用(OTDM)技术采用电的TDM提高单信道速率受“电子瓶径”效应限制(10Gb/s、40Gb/s)光时分复用(OTDM):用归零形式的超短光脉冲在不同时隙传送不同路的信号,提高传输容量光键技术复用/解复用技术、窄脉冲光源、传输技术、全光时钟提取技术等,目前水平:640Gb/s100km发展趋势:OTDM+WDM-下一代通信技术,2、光码分复用(OCDMA)技术,OCDMAOpticalCodeDivisionMultipleAccess,1）复用方式首先将多路信号分别调制到不同的微波（或射频）载频上，然后将多路微波信号混合后调制到光载波上再沿光纤传输,3、光副载波复用(OSCM)通信技术,特点信号经过两次调制，第一次调制的载波（可以是射频信号，也可以是微波信号）称为副载波传输信号可以是模拟也可以是数字，或两者的混合，各信道的调制方式独立多路副载波对光载波的调制，目前普遍采用模拟调制方式，也可以采用数字调制可以充分利用现有的射频或微波通信技术和设备,应用：SCM-CATV光纤传输系统,发展方向：波分复用SCM系统,1）强度调制/直接检测（IM/DD）光通信方式具有结构简单、成本低的优点，但不能充分发挥光纤通信的优越性，频带利用率很低，接收灵敏度不高，传输距离较短，它相当于早期无线通信的马可尼时代。采用在无线电通信方面早已实现的相干通信方式，则可充分利用光纤的带宽，提高接收机的灵敏度,4、相干光纤通信技术,2)相干光是由两个激光器产生的具有空间叠加、相互干涉特性的激光。相干光通信在发射端对光载波进行幅度、频率或相位调制，在接收端，则采用零差检测或外差检测等相干检测技术进行信息接收的通信方式。,2)相干检测原理,光接收机接收的信号光和本地振荡器产生的本振光经混频器作用后，光场发生干涉，由光检测器输出的光电流经处理后以基带信号形式输出。由于混频输出光信号的中频信号功率分量带有信号光的幅度、频率或相位信息，因此发端不管采用哪种调制方式，均可以在中频功率分量反映出来，所以相干光接收方式适合于所有调制方式的通信。,光检测器,电信号处理,本地光振荡器,信号光,混频器,基带信号,s,L,4)相干检测的方式,零差检测选择L=s,即IF=0。零差检测接收光功率可以放大几个数量级，虽然噪声也增大，但仍能使灵敏度大幅提高，但技术复杂，必须严格控制相位变化，使sL保持不变，同时要求L=s。外差检测选择Ls,即IF=sL0。外差检测也能提高灵敏度，信噪比改善比零差检测低3dB，但因无需实现相位锁定，接收机设计相对简单。注：s信号光频率，L振荡光频率，IF差频,5)调制方式,模拟信号的三种调制方式：幅度调制频率调制相位调制数字信号的三种调制方式：幅移键控频移键控相移键控,光检测器,带通,本地光振荡器,信号光,混频器,s,L,光检测器,本地光振荡器,信号光,混频器,s,L,低通,载波恢复,带通,包络检波,低通,(a)外差同步解调接收机方框图,(b)外差异步解调接收机方框图,6)相干光通信的特点,灵敏度提高1020dB，线路功率损耗可增加到50dB。若在系统中周期性加入EDFA，即可实现长距离传输，适合于干线网使用。具有出色的信道选择性和灵敏度，和光频分复用相结合，可以实现大容量传输，适合于CATV分配网使用。必须使用频率稳定度和频谱纯度很高的激光器作信号光源和本振光源。要求信号光与本振光混频时满足严格的匹配条件以获得高混频效率。,1）基本概念孤子的形成：SPM产生的啁啾效应与GVD产生的脉冲展宽相互抵消，从而使光脉冲保持其形状不变的传输，成为孤子其幅度和波形宽度都不变的超短光脉冲（ps数量级）。,光纤中孤子的概念是1973年由Hasegawa提出，1980年Mollenaner在实验上首次证实了光纤中孤子的存在。,5、孤子通信技术,2)光孤子通信是利用光孤子作为载体的通信方式。,光孤子的形成是光纤的色散与非线性效应相互平衡的结果。色散使经过光纤传输一定距离后的光信号出现波形展宽的现象。非线性效应在入射光功率较强的条件下，光纤折射率随光强度变化的现象。,3)光孤子通信系统的构成框图,孤子源,调制,脉冲源,探测,EDFA,EDFA,EDFA,EDFA,光纤传输系统,隔离器,发送端，光孤子源产生一系列脉冲宽度很窄的光脉冲（即光孤子流）,作为信息载体进入光调制器，使信息对光孤子进行调制。被调制的光孤子流经掺铒光纤放大器和光隔离器后，进入光纤中传输。为克服光纤损耗带来的光孤子减弱，在光纤线路上周期性地插入EDFA，向光孤子注入能量，以补偿光纤传输而引起的能量损耗，确保光孤子稳定传输。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。,目前的光孤子通信实验研究水平：单路2.5Gb/s21000km单路5Gb/s14300km两路2.5Gb/s9000km具有非常好的应用前景！,专题讲座：全光网技术,1、全光网络的概念2、全光网络的关键技术3、全光网络的关键设备4、三种典型的全光网络5、全光交换,20世纪曾经是电网络的时代21世纪将会是光网络的时代,1)全光网络概念的提出面对INTERNET宽带接入需求，通信容量成为关注的焦点。现有体制动态调整网络困难较大。光纤通信具有30THz的潜在带宽容量；,未来信息网络的核心全光网,2)全光网络概念,所谓全光网络，是指网络中直到用户端节点之间的信号通路仍保持着光的形式，即：端到端的链路中间没有光电转换。换句话说，只有信号在进入和离开网络时才进行电/光（E/O）和光/电（O/E）转换，而在网络中的传输和交换过程始终以光的形式存在。,3)全光网络特性,开放的、能够支持各种业务的光网络；光网络灵活、易升级；由于没有电/光（E/O）和光/电（O/E）转换，允许存在各种不同的传输协议和编码形式，使信息传输更具透明性，并突破“电子瓶颈”的限制。具有更高效的保护和恢复能力；具有简单、有效的网络控制和管理功能。,1、电网络2、光电混合网3、全光网络,为充分利用光子学的宽带性，传输系统的走向为:电子型光电混合型全光型,4)三代通信网络比较,三代通信网络电网络,(1)传统的电传输系统,(2)光电混合型光纤传输系统,O/E/O,光缆,EMUX,光发送,再生中继,再生中继,EDMUX,电复用电解复用,光接收,三代通信网络光电混合型,三代通信网络全光网络,(3)DWDM光纤传输系统,OMUX,ODMUX,OA,OA,OA,光发送,光发送,光发送,，,光接收,光接收,光接收,TX,EDFA,EDFA,TX,TX,TX,TX,TX,TX,TX,40km,40km,40km,40km,40km,40km,40km,40km,40km,TX,TX,TX,TX,TX,TX,TX,TX,MUX,120km,120km,120km,WDM+EDFA革新了光纤传输,DEM,5)全光网络的关键技术,光多址技术；全光变换技术光插/分复用技术（OADM）；光交叉连接技术（OXC）；波长变换技术（W-C）；信道争夺解决技术；进入数据信号的同步技术；前端识别技术；全光信息再生技术；网络的管理与控制技术。,光多址技术（复用技术）,1、光波分多址（WDM)；2、光时分多址（OTDM)；3、副载波多址（OCSM)。,全光交换,1）传统光交换Vs全光交换：,电/光,光/电,IN,OUT,节点1,节点2,光放大,光放大,IN,OUT,端点1,端点2,2）全光交换的几种方式：空分（SD）光交换、时分（TD）光交换、波分（WD）光交换、码分光交换、光分组光交换、自由空间光交换,空分（SD）光交换,空间划分的交换。基本原理是将光交换元件组成门阵列开关，并适当控制门阵列开关。即：可在任一路输入光纤和任一路输出光纤之间构成通路。,时分（TD）光交换,时分光交换的原理与现行电子程控交换中的时分交换完全相同在时间轴上将复用的光信号的时间位置ti转换成另一时间tj.时分光交换系统能与传输系统很好地配构成全光网。时分光交换网由时分型交换模块和空分型交换模块构成。,波分（WD）光交换,信号不同的波长（或频率）选择不同的通路来实现光交换。优点：能充分利用光路的宽带特性。,Attention在理想的全光网中，信号的交换、选路、传输、恢复等功能均是以光的形式进行。然而目前的全光网络并非整个网络的全部光学化，而是指光信息在传输和交换过程中以光的形式存在，用电学方法实现控制部分。,光插/分复用技术,1)光插/分复用器（OADM）是全光网络的核心技术之一。它可以处理任何格式和速率的信号，能够提高网络的可靠性、降低节点成本、提高网络运行效率，是组建全光网络必不可少的关键设备。,2)该器件位于多节点光纤通信网中间节点处，作用是下载（Drop)光通道中通往本地信号，同时上载（Add)本地用户发往其他节点用户的信号进入复用光通道。使所需波长上/下路的同时，保证其他波长无阻塞的通过！,3)光插/分复用器是以波长为基本操作单位，使用户可以方便地在节点处加载和下载信号，从而大大地提高整个光网络的吞吐量，增加网络的灵活性。4)分类：非重构型重构型,DEM,MUX,Drop,Add,光监控信道（OSC）,OA,OA,OADM的节点结构,W-C,开关阵列,光交叉连接技术,1）OXC是用于光纤网络节点的设备，通过它对光信号进行交叉连接，能够灵活有效地管理光纤传输网络。2）OXC是实现可靠的网络保护/恢复以及自动配线和监控的重要手段。,3）OXC主要由光交叉连接矩阵、输入/输出接口管理控制单元等模块组成。为了增加OXC的可靠性，每个模块都具有主用和备用的冗余结构，OXC自动进行主/备倒换。输入/输出接口直接与光纤链路相连，分别对输入/输出信号进行适配、放大。,1234,1234,1234,1,2,3,4,1,2,3,4,动态交叉连接,光开关,波长变换技术,WC是指：将一个调制在载波上信息变换成不同波长的光载波的技术，这样的变换可以允许在几个全光网段中的波长得到重新使用。,为什么需要波长变换？,信道争夺解决技术,1）在全光网络中，急需解决的问题是输出端的信道争夺问题。2）信道争夺往往发生在从两个输入口进入的同一波长的数据信息要求从同一输出端口输出时。三种解决方案：本地缓冲、偏转迂回、波长变换,Ch.1,1,Ch.1,1,Ch.2,1,Ch.2,1,节点1,节点2,缓冲器,方案一本地缓冲,方案二偏转迂回,Ch.1,1,Ch.1,1,Ch.2,1,Ch.2,1,节点1,节点2,节点3,方案三波长变换,Ch.1,1,Ch.1,1,Ch.2,1,Ch.2,1,节点1,节点2,进入数据信号的同步技术,是保证光网络中有效开关和路由以及传输信息正确复原的关键技术。,前端识别技术,1）光网络和电网络都需要在中间节点处进行前端识别。2）典型代表：,使用光纤中孤子的相位依赖的相互作用；使用进入的信息包地址来探测并给开关发送控制信号；使用延迟线译码器、时隙交换执行开关等；TOAD高速光解复用器读出地址比特；空间频率处理；可调谐Bragg光栅。,全光信息再生技术,1)光纤的损耗和色散严重影响通信的质量：损耗导致光信号幅度随传输距离按指数规律衰减；色散导致光脉冲展宽，造成码间干扰，使系统的误码率增大，严重影响通信质量。因此，必须采取措施对光信号进行再生。,2)目前对光信号的再生利用光电中继器(装置复杂、体积大、耗能多）;全光信息再生技术不仅能从根本上消除色散等不利影响，而且克服了光电中继器的缺点，使之成为全光信息处理的基础技术之一。,3）其中一种技术是：在光纤链路上每隔几个放大器的距离接入一个光调制器和滤波器，从链路传输的光信号中提取同步时钟信号并输入到光调制器中，对光信号进行周期性同步调制，从而使光脉冲变窄，并使光脉冲位置得到校准和重新定时，从根本上消除色散等不利因素影响。,网络管理和控制技术,1）为了充分发挥全光网的优势，必须具有行之有效的网络管理和控制系统（网络配置管理、信道的分配管理、控制协议管理、网络性能测试）。2）否则，全光网无法商用，只能进行实验室的相关试验。,全光网络的关键器件,基于DWDM的全光网络的关键器件，除了光源、光放大器和光探测器外，还包括以下新型光无源器件：,1.波分复用/解复用器,2.光插/分复用器,3.光交叉连接器,4.波长变换器,5.滤波器,全光网的四大功能与对应的四类关键器件,功能一：能够超高速、大容量载入和传递信息比特解决方案采用密集波分复用技术实现Tbit/s，关键器件高速响应的单频光源和波长可调谐光源、波分复用/解复用器,功能二：光子网络能够提供用户信息上/下话路与灵活的插/分复用解决方案采用全光形式的上下话路器，关键器件光分插复用器(OADM),功能三：能够提供信息的快速交换与共享解决方案实现光交叉连接关键器件光交叉互连器(OXC),功能四：具有高效经济的路由选择解决方案波长变换是重要的解决方案关键器件波长变换器(OWC),三种典型的全光网络光波分复用（OWDM）网络(略）光时分复用（OTDM）网络光码分复用（OCDMA）网络,内容提要,TDM；OTDM概念；比特间插、分组间插原理；全光时分系统原理；OTDM发展前景。,光时分复用技术及网络,光时分复用技术及网络,提高速率和增大容量是光纤通信的目标。电子器件的极限速率大约在20Gbit/s左右，现在通过电时分复用(TDM)已经达到这个极限速率。若要继续提高速率一般有两种途径：波分复用(WDM)，特别是DWDM光时分复用(OTDM),光时分复用技术及网络,时分复用(TDM)TimeDivisionMultiplexTDM是通信系统通用的实现高速率等级的调制方式，单个波长通道光通信系统也能实现多路TDM通道。但是，当数据速率达到10Gbit/s时，TDM调制就很困难。一个解决的办法OTDM,光时分复用技术及网络,所谓OTDM技术就是用多个电信道信号调制具有同一个光频的不同光信道，经复用后在一根光纤中传输的扩容技术。这种方法使用宽带光电器件代替高速电子器件，是一种构成高比特率传输的很有效的技术。,光时分复用技术及网络,如今WDM技术研究非常热，其技术已经成熟并实用化；而OTDM技术还处于实验研究阶段，许多关键技术还有待解决。OTDM是在光域上进行时间分割复用，一般有两种复用方式：比特间插(Bitinterleaved)信元间插(Cellinterleaved)比特间插是目前广泛被使用的方式，信元间插也称为光分组(OpticalPacket)复用。,光时分复用技术及网络,OTDM关键器件及技术,超短脉冲光源；光时分复用/解复用技术；光定时提取技术；光时分交换网络,光时分复用技术及网络,OTDM和DWDM区别,OTDM用多个电信道信号调制具有同一个光频的不同光通道，经复用后在同一根光纤中传输。DWDM在同一根光纤中传输多波长光信号的技术。,光时分复用技术及网络,利用光纤延迟线实现全光时分复用（比特间插）,全光时分复用的方法,全光时分解复用在OTDM传输方式中，将低速光信号复用成超高速光信号的光时分复用技术及将超高速光信号解复用成低速率光信号的光时分解复用技术是实现高速OTDM传输所必须的技术。,光时分复用系统框图,原理描述：系统光源是超短光脉冲光源，由光分路器分成N束，各支路电信号分别被调制到各束超短光脉冲上，然后通过光延迟线阵列，使各支路光脉冲精确地按预定要求在时间上错开，再由合路器将这些支路光脉冲复接在一起，于是便完成了在光时域上的间插复用。接收端的光解复用器是一个光控高速开关，在时域上将各支路光信号分开。,光时分复用技术及网络,超短光脉冲源,光时分复用要求光源产生高重复率（520GHz）、占空比相当小的超窄光脉冲。那么，为什么要如此“窄”？,锁模环形光纤激光器MLFRL；锁模半导体激光器MLSL；DFB激光器+电吸收调制器（EAM）；增益开关DFB激光器；超连续（SC）脉冲发生器。,光时分复用技术及网络,全光定时提取为了使节点接收电路与接收光脉冲数据流同步，需时钟恢复。当数据流速率达到几十Gbit/s到100Gbit/s时，就需要光时钟恢复技术。,可变光纤延迟线TOFL同步，即是两个脉冲流在时间上的对准。一个脉冲流与另一个脉冲流不同步无非是时间超前（or滞后）于另一个脉冲流T。因此，同步的目的就是使一个脉冲相对另一个脉冲流延迟T。这可以采用光纤延迟线来实现。,光时分复用技术及网络,OTDM的应用前景,由于OTDM的应用是在一根光纤中只传输单一波长的光信号，通过提高信号的传输速率来提高传输容量，具有很多优点：1、对EDFA的增益平坦度要求不高；2、不存在四波混频串扰及拉曼散射问题；3、便于利用OXC进行上/下话路。缺点：设备复杂、带宽宽、色散影响大,光时分复用技术及网络,近几年发展国外：研究进展很快，目前NTT公司可以实现166.3Gbit/s200Km实验国内：清华、北邮、天大等可以实现：82.5Gbit/s100Km传输实验；武汉邮电、天大还进行了410Gbit/s200Km,光时分复用技术及网络,未来发展：无论DWDMorOTDM，由于各自本身技术的限制，都不可能将信道数做的很大，因此容量和总速率受到一定限制。如果将二者结合使用，发挥各自优势，则可以改变这一限制。NTT公司进行的3Tbit/sOTDM/WDM传输实验就是利用这一方法。对于光纤其带宽可达100Tbit/s，如何充分利用之，单靠OTDM、DWDM或二者结合是不行的。如果利用OCDM/OTDM/DWDM方式，总速率可达几十Tbit/s，则接近可利用的带宽。Question:什么是OCDM，如何使用？,光码分复用技术及网络,1、OCDMA简介；2、OCDMA应用；3、OCDMA发展概况和趋势。4、三种复用方式比较；,OCDMAOpticalCodeDivisionMultipleAccess光码分复用,光码分复用技术及网络,光纤通信中主要的多址通信方式,1、波分多址WDMA2、光时分多址OTDMA3、空分多址SDMA4、光码分多址OCDMA,光码分复用技术及网络,码分多路复用（CDMA）CDMA技术不是一项新技术，作为一种多址方案它已经成功地应用于卫星通信和蜂窝电话领域，并且显示出许多优于其他技术的特点。但是，由于卫星通信和移动通信中带宽的限制，所以CDMA技术尚未充分发挥优点。光纤通信具有丰富的带宽，能够很好地弥补这个缺陷。近年来，OCDMA已经成为一项备受瞩目的热点技术。OCDMA技术在原理上与电码分复用技术相似。OCDMA通信系统给每个用户分配一个唯一的光正交码的码字作为该用户的地址码。在发送端，对要传输的数据该地址码进行光正交编码，然后实现信道复用；在接收端，用与发端相同的地址码进行光正交解码。,光码分复用技术及网络,典型OCDMA系统框图,光码分多址（OCDMA）是利用光纤的丰富带宽和高速的光信息处理技术，将数据信号扩频成光脉冲序列，经光纤传输后，再利用光学相关技术实现解码的技术；是将扩频多址射频同轴连接与大容量的光纤通信技术相结合的通信方式，能更有效地弥补微波通讯带宽不足的缺陷。,光码分复用技术及网络,光电混合编解码OCDMA通信,光纤CDMA,光码分复用技术及网络,全光OCDMA、相干OCDMA,光码分复用技术及网络,OCDMA关键技术,OCDMA扩频码；素数码；光正交码。OCDMA编解码原理；光纤延迟线（TDL）光编/解码器；可调式TDL光编/解码器；相干光相关编/解码器。OCDMA的传输特性。,光码分复用技术及网