第七章-光纤通信新技术

1、光纤通信技术光纤通信技术 南昌航空大学南昌航空大学 万生鹏万生鹏 第七章第七章 光纤通信新技术光纤通信新技术 7.1 光复用技术光复用技术 随着人类社会信息时代的到来，对通信的需求呈现加速增长的趋势。随着人类社会信息时代的到来，对通信的需求呈现加速增长的趋势。 发展迅速的各种新型业务发展迅速的各种新型业务(特别是高速数据和视频业务特别是高速数据和视频业务)对通信网的带对通信网的带 宽宽(或容量或容量)提出了更高的要求。提出了更高的要求。 为了适应通信网传输容量的不断增长和满足网络交互性、灵活性的要为了适应通信网传输容量的不断增长和满足网络交互性、灵活性的要 求，产生了各种复用技术。求，产生了各

2、种复用技术。 在光纤通信系统中复用方式主要有：在光纤通信系统中复用方式主要有： l光时分复用光时分复用(OTDM) l光波分复用光波分复用(WDM) l光频分复用光频分复用(OFDM) l副载波复用副载波复用(SCM) l光码分复用光码分复用(OCDM) 7.1 光复用技术分类光复用技术分类 第一个商用的第一个商用的IM/DD系统完成于系统完成于1977年。在年。在1992年商用年商用IM/DD系统系统 的比特速率提高到的比特速率提高到2.5Gb/s（当时是采用电的（当时是采用电的SDH复用）。为了进一步提复用）。为了进一步提 高传输容量，可以采用两条发展方向。一是采用电的或光的时分复用高传输

3、容量，可以采用两条发展方向。一是采用电的或光的时分复用 （ETDM或或OTDM）技术继续提高单一波长信道的传输比特速率，但是）技术继续提高单一波长信道的传输比特速率，但是 采用采用ETDM会受到电子瓶颈的限制，因此人们偏向采用会受到电子瓶颈的限制，因此人们偏向采用OTDM技术。另技术。另 一是采用波分复用（一是采用波分复用（WDM）技术。）技术。 WDM技术的提出比较早，在上个世纪技术的提出比较早，在上个世纪80年代就已经开始研究年代就已经开始研究 DWDM技术了，但是因为没有合适的光放大器补偿光纤损耗，而当时采技术了，但是因为没有合适的光放大器补偿光纤损耗，而当时采 用电中继的方法是非常不经

4、济的，因此当时影响不大。直到用电中继的方法是非常不经济的，因此当时影响不大。直到1990年商用年商用 化的化的EDFA出现后，出现后，DWDM和和EDFA相结合取得了巨大成功，引起了光纤相结合取得了巨大成功，引起了光纤 通信技术的革命性变化。通信技术的革命性变化。 1 l l m l l l l t 1 t n t 表表 三种复用技术的比较三种复用技术的比较 波长控制波长控制 全网同步全网同步用户数用户数其它其它 WDM 需要精确的需要精确的 波长控制波长控制 不需要不需要 由可用波长由可用波长 数决定数决定 网络协议复杂，目前技网络协议复杂，目前技 术比较成熟术比较成熟 OTDM 不需要波长

5、不需要波长 控制控制 需严格的全需严格的全 网同步网同步 由可用时隙由可用时隙 段决定段决定 网络协议复杂，目前光网络协议复杂，目前光 存储器发展不成熟存储器发展不成熟 OCDMA 不需要波长不需要波长 控制控制 不需要不需要 由地址码容由地址码容 量决定量决定 网络协议简单，随机接网络协议简单，随机接 入，网络具有软容量，入，网络具有软容量， 目前技术不成熟目前技术不成熟 7.2.1 光波分复用原理光波分复用原理 1. WDM的概念的概念 光波分复用光波分复用(WDM： Wavelength Division Multiplexing)技术是在一根技术是在一根 光纤中同时传输多个波长光信号的

6、一项技术。光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术。 光波分复用（光波分复用（WDM）的基本原理是：的基本原理是：在发送端将不同波长的光信号在发送端将不同波长的光信号 组合起来组合起来(复用复用)，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收 端又将组合波长的光信号分开端又将组合波长的光信号分开(解复用解复用)，并作进一步处理，恢复出原信号，并作进一步处理，恢复出原信号 后送入不同的终端，因此将此项技术称为后送入不同的终端，因此将此项技术称为光波长分割复用光波长分割复用， 简称简称光波分复光波分复 用技术用技术。 7.2 光波分复用技术光波分

7、复用技术 图图 中心波长在中心波长在1.3 m和和1.55 m的硅光纤低损耗传输窗口的硅光纤低损耗传输窗口 (插图表示插图表示1.55 m传输窗口的多信道复用传输窗口的多信道复用) 800 0 1.0 2.0 3.0 4.0 1000 1200140016001800 1 10 GHz 波长 / nm 衰减 (dB/km 信道间隔 载波频率 光纤的带宽有多宽？光纤的带宽有多宽？ 如上图所示，在光纤的两个低损耗传输窗口：如上图所示，在光纤的两个低损耗传输窗口： 波长为波长为1.31 m(1.25 1.35m)的窗口，相应的带宽的窗口，相应的带宽(, 和和分别为中心波长和相应的分别为中心波长和相应

8、的 波段宽度，波段宽度， c为真空中光速为真空中光速)为为17700 GHz； 波长为波长为1.55 m(1.501.60 m) 的窗口，的窗口， 相应的带宽为相应的带宽为12500 GHz。 两个窗口合在一起，总带宽超过两个窗口合在一起，总带宽超过30THz。如果信道频率间隔为。如果信道频率间隔为10 GHz， 在理想情况下，在理想情况下， 一根光纤可以容纳一根光纤可以容纳3000个信道。个信道。 由于目前一些光器件与技术还不十分成熟，因此要实现光信道十分密由于目前一些光器件与技术还不十分成熟，因此要实现光信道十分密 集的集的光频分复用光频分复用(OFDM)还较为困难。在这种情况下，人们把在

9、同一窗口还较为困难。在这种情况下，人们把在同一窗口 中信道间隔较小的波分复用称为中信道间隔较小的波分复用称为密集波分复用密集波分复用(DWDM：Dense Wavelength Division Multiplexing)。 目前该系统是在目前该系统是在1550 nm波长区段内，同时用波长区段内，同时用8，16或更多个波长在一或更多个波长在一 对光纤上对光纤上(也可采用单光纤也可采用单光纤)构成的光通信系统，其中各个波长之间的间隔构成的光通信系统，其中各个波长之间的间隔 为为1.6 nm、 0.8 nm或更低，约对应于或更低，约对应于200 GHz, 100 GHz或更窄的带宽。或更窄的带宽。

10、 WDM、 DWDM和和OFDM在本质上没有多大区别在本质上没有多大区别 以往技术人员习惯采用以往技术人员习惯采用WDM 和和DWDM来区分是来区分是1310/1550 nm 简单简单 复用还是在复用还是在1550 nm波长区段内密集复用，但波长区段内密集复用，但目前在电信界应用时，都采用目前在电信界应用时，都采用 DWDM技术。技术。 由于由于1310/1550 nm的复用超出了的复用超出了EDFA的增益范围，只在一些专门场的增益范围，只在一些专门场 合应用，所以合应用，所以经常用经常用WDM这个更广义的名称来代替这个更广义的名称来代替DWDM。 WDM技术对网络升级、发展宽带业务技术对网络

11、升级、发展宽带业务(如如CATV， HDTV 和和IP over WDM等等)、充分挖掘光纤带宽潜力、实现超高速光纤通信等具有十分重要、充分挖掘光纤带宽潜力、实现超高速光纤通信等具有十分重要 意义，尤其是意义，尤其是WDM加上加上EDFA更是对现代信息网络具有强大的吸引力。更是对现代信息网络具有强大的吸引力。 目前，目前，“掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)+密集波分复用密集波分复用(WDM)+非零色散光非零色散光 纤纤(NZDSF，即，即G.655光纤光纤)+光子集成光子集成(PIC)”正成为国际上长途高速光纤通正成为国际上长途高速光纤通 信线路的主要技术方向。信线路的主要技术方向。

12、如果一个区域内所有的光纤传输链路都升级为如果一个区域内所有的光纤传输链路都升级为WDM传输，传输， 我们就我们就 可以在这些可以在这些WDM链路的交叉链路的交叉(结点结点)处设置以波长为单位对光信号进行交处设置以波长为单位对光信号进行交 叉连接的叉连接的光交叉连接设备光交叉连接设备(OXC)，或进行光上下路的，或进行光上下路的光分插复用器光分插复用器 (OADM)，则在原来由光纤链路组成的物理层上面就会形成一个新的光层。，则在原来由光纤链路组成的物理层上面就会形成一个新的光层。 在这个光层中，相邻光纤链路中的波长通道可以连接起来，形成一在这个光层中，相邻光纤链路中的波长通道可以连接起来，形成一

13、 个跨越多个个跨越多个OXC和和OADM的光通路，完成端到端的信息传送，并且这种的光通路，完成端到端的信息传送，并且这种 光通路可以根据需要灵活、动态地建立和释放，这就是目前引人注目的、光通路可以根据需要灵活、动态地建立和释放，这就是目前引人注目的、 新一代的新一代的WDM全光网络。全光网络。 2. WDM系统的基本形式系统的基本形式 光波分复用器和解复用器是光波分复用器和解复用器是WDM技术中的关键部件，将不同波长的信技术中的关键部件，将不同波长的信 号结合在一起经一根光纤输出的器件称为号结合在一起经一根光纤输出的器件称为复用器复用器(也叫合波器也叫合波器)。 反之，经同一传输光纤送来的多波

14、长信号分解为各个波长分别输出的反之，经同一传输光纤送来的多波长信号分解为各个波长分别输出的 器件称为器件称为解复用器解复用器(也叫分波器也叫分波器)。 从原理上讲，从原理上讲， 这种器件是互易的这种器件是互易的(双向可逆双向可逆)，即只要将解复用器的输，即只要将解复用器的输 出端和输入端反过来使用，出端和输入端反过来使用， 就是复用器。就是复用器。 因此复用器和解复用器是相同的因此复用器和解复用器是相同的(除非有特殊的要求除非有特殊的要求)。 WDM系统的基本构成主要有以下两种形式：系统的基本构成主要有以下两种形式：双纤单向传输双纤单向传输和和单纤双单纤双 向传输。向传输。 (1) 双纤单向传

15、输。双纤单向传输。 单向单向WDM传输是指所有光通路同时在一根光纤上沿同一方向传送。传输是指所有光通路同时在一根光纤上沿同一方向传送。 如下图所示，在发送端将载有各种信息的、具有不同波长的已调光信如下图所示，在发送端将载有各种信息的、具有不同波长的已调光信 号号1,2,n通过光复用器组合在一起，并在一根光纤中单向传输。通过光复用器组合在一起，并在一根光纤中单向传输。 由于各信号是通过不同光波长携带的，因而彼此之间不会混淆。由于各信号是通过不同光波长携带的，因而彼此之间不会混淆。 在接收端通过光解复用器将不同波长的信号分开，在接收端通过光解复用器将不同波长的信号分开， 完成多路光信号传完成多路光

16、信号传 输的任务。输的任务。 反方向通过另一根光纤传输的原理与此相同。反方向通过另一根光纤传输的原理与此相同。 图图 双纤单向双纤单向WDM传输传输 光发射机 光发射机 复用器光纤放大器解复用器 光接收机 光接收机 1 n l1 ln l1ln 1 n 光接收机 光接收机 解复用器光纤放大器复用器 光发射机 光发射机 1 n l1ln l1 ln 1 n (2) 单纤双向传输。单纤双向传输。 双向双向WDM传输是指光通路在一根光纤上同时向传输是指光通路在一根光纤上同时向 两个不同的方向传输。如下图所示，所用波长相互分开，两个不同的方向传输。如下图所示，所用波长相互分开， 以实现双向全以实现双向

17、全 双工的通信。双工的通信。 光发射机 光发射机 光接收机 光接收机 1 n l1 ln l1ln 1 n 光接收机 光接收机 复用/解复用器 光纤 放大器 光发射机 光发射机 1 n ln 1l2n 1 n 复用/解复用器 ln 1 l2n 图图 单纤双向单纤双向WDM传输传输 双向双向WDM系统在设计和应用时必须要考虑几个关键的系统因素：系统在设计和应用时必须要考虑几个关键的系统因素： 如为了抑制如为了抑制多通道干扰多通道干扰(MPI)，必须注意到光反射的影响、，必须注意到光反射的影响、 双向通双向通 路之间的隔离、串扰的类型和数值、两个方向传输的功率电平值和相互路之间的隔离、串扰的类型和

18、数值、两个方向传输的功率电平值和相互 间的依赖性、间的依赖性、光监控信道光监控信道(OSC)传输和自动功率关断等问题，同时要使传输和自动功率关断等问题，同时要使 用双向光纤放大器。用双向光纤放大器。 所以双向所以双向WDM系统的开发和应用相对说来要求较高，但与单向系统的开发和应用相对说来要求较高，但与单向 WDM系统相比，双向系统相比，双向WDM系统可以减少使用光纤和线路放大器的数系统可以减少使用光纤和线路放大器的数 量。量。 另外，通过在中间设置另外，通过在中间设置光分插复用器光分插复用器(OADM)或或光交叉连接器光交叉连接器 (OXC)，可使各波长光信号进行合流与分流，实现波长的，可使各

19、波长光信号进行合流与分流，实现波长的上下路上下路 (Add/Drop)和和路由分配路由分配，这样就可以根据光纤通信线路和光网的业务量，这样就可以根据光纤通信线路和光网的业务量 分布情况，合理地安排插入或分出信号。分布情况，合理地安排插入或分出信号。 插入损耗小插入损耗小 隔离度大隔离度大 带内平坦，带外插入损耗变化陡峭带内平坦，带外插入损耗变化陡峭 温度稳定性好温度稳定性好 复用通路数多复用通路数多 尺寸小等尺寸小等 3. 光波分复用器的性能参数光波分复用器的性能参数 光波分复用器是波分复用系统的重要组成部分，为了确保波分复用光波分复用器是波分复用系统的重要组成部分，为了确保波分复用 系统的性

20、能，系统的性能，对波分复用器的基本要求是：对波分复用器的基本要求是： (1) 插入损耗插入损耗 插入损耗是指由于增加光波分复用器插入损耗是指由于增加光波分复用器/解复用器而产生解复用器而产生 的附加损耗，定义为该无源器件的输入和输出端口之间的光功率之比，的附加损耗，定义为该无源器件的输入和输出端口之间的光功率之比， 即即 其中其中Pi为发送进输入端口的光功率；为发送进输入端口的光功率；Po为从输出端口接收到的光功率。为从输出端口接收到的光功率。 o i P P lg10 (dB) (2) 串扰抑制度串扰抑制度 串扰是指其他信道的信号耦合进某一信道，并使该信道串扰是指其他信道的信号耦合进某一信道

21、，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。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。 对于解复对于解复 用器用器 其中其中Pi是波长为是波长为i的光信号的输入光功率，的光信号的输入光功率，Pij是波长为是波长为i的光信号串入的光信号串入 到波长为到波长为j信道的光功率。信道的光功率。 )(lg10dB p p C i ij ij )(lg10dB p p R j r L 其中其中Pj为发送进输入端口的光功率，为发送进输入端口的光功率，Pr为从同一个输入端口接收到为从同一个输入端口接收到 的返回光功率。的返回光功率。 (3) 回波损耗回波损耗 回波损耗是

22、指从无源器件的输入端口返回的光功率与回波损耗是指从无源器件的输入端口返回的光功率与 输入光功率的比，即输入光功率的比，即 (4) 反射系数反射系数 反射系数是指在反射系数是指在WDM器件的给定端口的反射光功率器件的给定端口的反射光功率Pr与与 入射光功率入射光功率Pj之比，即之比，即 j r p p Rlg10 (5) 工作波长范围工作波长范围 工作波长范围是指工作波长范围是指WDM器件能够按照规定的性能器件能够按照规定的性能 要求工作的波长范围要求工作的波长范围(min到到max)。 (6) 信道宽度信道宽度 信道宽度是指各光源之间为避免串扰应具有的波长间隔。信道宽度是指各光源之间为避免串扰

23、应具有的波长间隔。 (7) 偏振相关损耗偏振相关损耗 偏振相关损耗偏振相关损耗(PDL: Polarizationdependent Loss) 是指由于偏振态的变化所造成的插入损耗的最大变化值。是指由于偏振态的变化所造成的插入损耗的最大变化值。 7.2.2 WDM系统的基本结构系统的基本结构 实际的实际的WDM系统主要由五部分组成：系统主要由五部分组成：光发射机、光中继放大、光接收光发射机、光中继放大、光接收 机、光监控信道和网络管理系统机、光监控信道和网络管理系统，如下图所示。，如下图所示。 光转发器 1 光 合 波 器 光转发器 n BA l1 ln 1 n 光 纤 光监控信道 接收/发

24、送 LA 光 纤 接收 1 光 分 波 器 接收 n PA l1 ln 1 n 光监控信 道发送器 ls l s ls ls 光监控信 道接收器 网络管理系统 光中继放大光接收机光发射机 位于位于WDM系统的发送端。系统的发送端。 在发送端首先将来自终端设备在发送端首先将来自终端设备(如如SDH端机端机)输出的光信号，利用输出的光信号，利用光转光转 发器发器(OTU)把符合把符合ITU-T G.957建议的非特定波长的光信号转换成符合建议的非特定波长的光信号转换成符合 ITU-T G.692建议的具有稳定的特定波长的光信号。建议的具有稳定的特定波长的光信号。 对输入端的信号波长没有特殊要求，可

25、以兼容任意厂家的对输入端的信号波长没有特殊要求，可以兼容任意厂家的SDH 信号，其输出端满足信号，其输出端满足G.692的光接口，即标准的光波长和满足长距离传输的光接口，即标准的光波长和满足长距离传输 要求的光源；利用合波器合成多路光信号；要求的光源；利用合波器合成多路光信号； 通过通过光功率放大器光功率放大器(BA： Booster Amplifier)放大输出多路光信号。放大输出多路光信号。 用用掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)对光信号进行对光信号进行中继放大中继放大。 在应用时可根据具体情况，在应用时可根据具体情况， 将将EDFA用作用作“线放线放(LA： Line Amplif

26、ier)”, “功放功放(BA)”和和“前放前放(PA： Preamplifier)”。 在在WDM系统中，对系统中，对EDFA必须采用必须采用增益平坦技术增益平坦技术，使得，使得EDFA对不对不 同波长的光信号具有接近相同的放大增益。与此同时，还要考虑到不同数同波长的光信号具有接近相同的放大增益。与此同时，还要考虑到不同数 量的光信道同时工作的各种情况，保证光信道的增益竞争不影响传输性能。量的光信道同时工作的各种情况，保证光信道的增益竞争不影响传输性能。 在接收端，在接收端，光前置放大器光前置放大器(PA)放大经传输而衰减的主信道光信号，分放大经传输而衰减的主信道光信号，分 波器从主信道光信

27、号中分出特定波长的光信号。波器从主信道光信号中分出特定波长的光信号。 接收机不但要满足一般接收机不但要满足一般 接收机对光信号接收机对光信号灵敏度、过载功率灵敏度、过载功率等参数的要求，还要能承受有一定光噪等参数的要求，还要能承受有一定光噪 声的信号，要有足够的电带宽。声的信号，要有足够的电带宽。 光监控信道光监控信道(OSC： Optical Supervisory Channel)的主要功能是：的主要功能是： 监控系统内各信道的传输情况，在发送端，插入本结点产生的波长为监控系统内各信道的传输情况，在发送端，插入本结点产生的波长为 s(1510 nm)的光监控信号，与主信道的光信号合波输出；

28、在接收端，将接的光监控信号，与主信道的光信号合波输出；在接收端，将接 收到的光信号分离，输出收到的光信号分离，输出s(1510 nm)波长的光监控信号和业务信道光信号。波长的光监控信号和业务信道光信号。 帧同步字节、公务字节帧同步字节、公务字节和和网管所用的开销字节网管所用的开销字节等都是通过光监控信道等都是通过光监控信道 来传送的。来传送的。 通过光监控信道物理层传送开销字节到其他结点或接收来通过光监控信道物理层传送开销字节到其他结点或接收来 自其他结点的开销字节对自其他结点的开销字节对WDM系统进行管理，系统进行管理， 实现实现配置管理、故障管理、配置管理、故障管理、 性能管理和安全管理性

29、能管理和安全管理等功能，并与上层管理系统等功能，并与上层管理系统(如如TMN)相连。相连。 目前国际上已商用的系统有：目前国际上已商用的系统有：42.5 Gb/s(10 Gb/s), 82.5 Gb/s(20 Gb/s), 162.5 Gb/s(40 Gb/s), 402.5 Gb/s(100 Gb/s), 3210 Gb/s(320 Gb/s), 4010 Gb/s(400 Gb/s)。 实验室已实现了实验室已实现了8240 Gb/s(3.28 Tb/s)的速率，传输距离达的速率，传输距离达3100 km=300 km。OFC2000(Optical Fiber Communication

30、Conference)提供的提供的 情况有：情况有： Bell Labs: 82路路40 Gb/s=3.28 Tb/s在在3100 km=300 km的的True Wave(商标商标)光纤光纤(即即G.655光纤光纤)上，利用上，利用C和和L两个波带联合传输；两个波带联合传输； 日本日本NEC: 16020 Gb/s=3.2 Tb/s， 利用归零信号沿色散平坦光纤，利用归零信号沿色散平坦光纤， 经过增益宽度为经过增益宽度为64 nm的光纤放大器，传输距离达的光纤放大器，传输距离达1500 km; 日本富士通日本富士通(Fujitsu): 128路路10.66 Gb/s， 经过经过C和和L波带（

31、注：波带（注：C 波带为波带为15251565 nm，L波带为波带为15701620 nm），）， 用分布喇曼放大用分布喇曼放大 (DRA: Distributed Raman Amplification), 传输距离达传输距离达6140 km=840 km; 日本日本NTT： 30路路42.7 Gb/s， 利用归零信号，利用归零信号， 经过增益宽度为经过增益宽度为50 nm的光纤放大器，传输距离达的光纤放大器，传输距离达3125 km; 美国美国Lucent Tech: 100路路10 Gb/s=1 Tb/s，各路波长的间隔缩小到，各路波长的间隔缩小到 25 GHz, 利用利用L波带，沿波带

32、，沿NZDF光纤光纤(G.655光纤光纤)传输传输400 km; 美国美国Mciworldcom和加拿大和加拿大Nortel: 100路路10 Gb/s=1 Tb/s， 沿沿 NZDF光纤在光纤在C和和L波带传输波带传输4段，段， 约约200 km; 美国美国Qtera 和和Qwest: 两个波带两个波带4路路10 Gb/s和和2路路10 Gb/s沿沿NZDF 光纤传输光纤传输23105 km=2415 km, 这个试验虽然这个试验虽然WDM路数不多，但在陆地路数不多，但在陆地 光缆中却是最长距离。光缆中却是最长距离。 武汉邮科院：武汉邮科院：12160公里的单根光纤（公里的单根光纤（G.65

33、2）上每秒传输数据达到）上每秒传输数据达到 了了1.031T 采用密集波分复用（采用密集波分复用（DWDM）技术，）技术，武汉邮科院武汉邮科院于于2005年在上海到年在上海到 杭州开通了杭州开通了80 40Gbit/s系统（系统（ 国家国家“ 863” 项目），该系统容量相当于项目），该系统容量相当于 四千万对人同时通话。四千万对人同时通话。 近两年，国际上也有公司开通或测试通过了单通道速率为近两年，国际上也有公司开通或测试通过了单通道速率为100Gbit/s 的系统。的系统。 但是当单通道速率达到但是当单通道速率达到400Gbit/s或或1-Tbit/s后，由于受光信噪比、非后，由于受光信噪

34、比、非 线性和色散等因素制约，需要采用新的技术。线性和色散等因素制约，需要采用新的技术。 无线移动通信与光通信技术的发展也不断出现交叉和融合，原来在宽无线移动通信与光通信技术的发展也不断出现交叉和融合，原来在宽 带无线移动通信系统中广泛使用的带无线移动通信系统中广泛使用的OFDM（正交频分复用）和（正交频分复用）和LDPC（低（低 密度校验码）等编码技术，已成为超高速、超大容量、超长距离（密度校验码）等编码技术，已成为超高速、超大容量、超长距离（3U） 光通信基础研究的热点。光通信基础研究的热点。 武汉邮科院：武汉邮科院：12160公里的单根光纤（公里的单根光纤（G.652）上每秒传输数据达到

35、了）上每秒传输数据达到了 1.031T 以现在铺设的以现在铺设的40Gb/s网络为例，家庭用户所使用的信号流量一般网络为例，家庭用户所使用的信号流量一般 在在Mb/s级左右。以级左右。以1Mb/s流量为例，则一根光纤所能支持的最大用户流量为例，则一根光纤所能支持的最大用户 数量为数量为4万户。而对于万户。而对于1 Tb/s骨干传输网络，在不改变光纤链路的同时，骨干传输网络，在不改变光纤链路的同时， 则可支持最大用户则可支持最大用户100万户，是原有的万户，是原有的25倍。倍。 为了实现这种超高速、超大容量、超长距离（为了实现这种超高速、超大容量、超长距离（3U）光传输，）光传输，正交正交 频分

36、复用频分复用、编码编码、先进调制格式先进调制格式、数字信号处理数字信号处理、数模转换数模转换、色散补色散补 偿偿等技术的进一步研究就显得非常必要。等技术的进一步研究就显得非常必要。 7.2.3 WDM技术的主要特点技术的主要特点 1. 充分利用光纤的巨大带宽资源充分利用光纤的巨大带宽资源 光纤具有巨大的带宽资源光纤具有巨大的带宽资源(低损耗波段低损耗波段)，WDM技术使一根光纤的传输容技术使一根光纤的传输容 量比单波长传输增加几倍至几十倍甚至几百倍，量比单波长传输增加几倍至几十倍甚至几百倍， 从而增加光纤的传输容量，从而增加光纤的传输容量， 降低成本，具有很大的应用价值和经济价值。降低成本，具

37、有很大的应用价值和经济价值。 2. 同时传输多种不同类型的信号同时传输多种不同类型的信号 由于由于WDM技术使用的各波长的信道相互独立，因而可以传输特性和速率技术使用的各波长的信道相互独立，因而可以传输特性和速率 完全不同的信号，完成各种电信业务信号的综合传输，如完全不同的信号，完成各种电信业务信号的综合传输，如PDH信号和信号和SDH信信 号，数字信号和模拟信号，多种业务号，数字信号和模拟信号，多种业务(音频、视频、数据等音频、视频、数据等)的混合传输等。的混合传输等。 3. 节省线路投资节省线路投资 采用采用WDM技术可使技术可使N个波长复用起来在单根光纤中传输，也可实现单根个波长复用起来

38、在单根光纤中传输，也可实现单根 光纤双向传输，在长途大容量传输时可以节约大量光纤。另外，对已建成的光纤双向传输，在长途大容量传输时可以节约大量光纤。另外，对已建成的 光纤通信系统扩容方便，只要原系统的功率余量较大，就可进一步增容而不光纤通信系统扩容方便，只要原系统的功率余量较大，就可进一步增容而不 必对原系统作大的改动。必对原系统作大的改动。 7.2.3 WDM技术的主要特点技术的主要特点 4. 降低器件的超高速要求降低器件的超高速要求 随着传输速率的不断提高，许多光电器件的响应速度已明显不足，使随着传输速率的不断提高，许多光电器件的响应速度已明显不足，使 用用WDM技术可降低对一些器件在性能

39、上的极高要求，同时又可实现大容量技术可降低对一些器件在性能上的极高要求，同时又可实现大容量 传输。传输。 5. 高度的组网灵活性、高度的组网灵活性、 经济性和可靠性经济性和可靠性 WDM技术有很多应用形式，如长途干线网、广播分配网、多路多址技术有很多应用形式，如长途干线网、广播分配网、多路多址 局域网。可以利用局域网。可以利用WDM技术选择路由，实现网络交换和故障恢复，从而实技术选择路由，实现网络交换和故障恢复，从而实 现未来的透明、现未来的透明、 灵活、经济且具有高度生存性的光网络。灵活、经济且具有高度生存性的光网络。 7.2.4 光滤波器与光波分复用器光滤波器与光波分复用器 在前面介绍耦合

40、器时，已经简单地介绍了在前面介绍耦合器时，已经简单地介绍了波分复用器波分复用器(WDM)。 在这一部分我们将介绍各种各样的波长选择技术，在这一部分我们将介绍各种各样的波长选择技术， 即即光滤波技术光滤波技术。 光滤波器在光滤波器在WDM系统中是一种重要元器件，系统中是一种重要元器件， 与波分复用有着密切关与波分复用有着密切关 系，常常用来构成各种各样的系，常常用来构成各种各样的波分复用器和解复用器波分复用器和解复用器。 波分复用器和解复用器主要用在波分复用器和解复用器主要用在: WDM终端终端 波长路由器波长路由器 波长分插复用器波长分插复用器(Wavelength Add/Drop Mult

41、iplexer, WADM) 光滤波器的三种应用：光滤波器的三种应用： 单纯的滤波应用单纯的滤波应用 波分复用波分复用/解复用器中应用解复用器中应用 波长路由器中应用波长路由器中应用 l 1 光滤波器光滤波器 图图 (a) 单纯的滤波应用单纯的滤波应用 l 1 ,l 2 ,l 3 ,l 4 l,l,l 2 34 波分复用器波分复用器 l 1 l 2 l 3 l 4 图图 波分复用器中应用波分复用器中应用 l 1 ,l 2 ,l 3 ,l 4 图图 波长路由器波长路由器 波长路由器 l 1, l 2, l 3, l 4 l 1 ,l 2 ,l 3 ,l 4 1111 2222 l 1, l 2,

42、 l 3, l 4 2112 l 1 ,l 2 ,l 3 ,l 4 1221 波长路由器波长路由器是是波长选路网络波长选路网络(Wavelength Routing Network)中的关键中的关键 部件，部件， 其功能可由下图的例子说明其功能可由下图的例子说明 它有两个输入端口和两个输出端口，每路输入都载有一组它有两个输入端口和两个输出端口，每路输入都载有一组1,2,3和和4 WDM信号。信号。 l1 l2 l3 l4 l1,l2,l3,l4 1111 l1,l2,l3,l4 2222 l1,l2,l3,l4 2112 l1,l2,l3,l4 1221 解复用器复用器 如果一个波长路由器的路

43、由方式不随时间变化，就称为如果一个波长路由器的路由方式不随时间变化，就称为静态路由器静态路由器； 路由方式随时间变化，则称之为路由方式随时间变化，则称之为动态路由器动态路由器。 静态路由器可以用波分复用器来构成，如下图所示。静态路由器可以用波分复用器来构成，如下图所示。 波长分插复用器可以看成是波长路由器的简化形式，它只有一个输入波长分插复用器可以看成是波长路由器的简化形式，它只有一个输入 端口和一个输出端口，再加上一个用于分插波长的本地端口。端口和一个输出端口，再加上一个用于分插波长的本地端口。 对光滤波器的主要要求有：对光滤波器的主要要求有： (1) 一个好的光滤波器应有较低的插入损耗，并

44、且损耗应该与输入光的一个好的光滤波器应有较低的插入损耗，并且损耗应该与输入光的 偏振态无关。偏振态无关。 在大多数系统中，光的偏振态随机变化，如果滤波器的插入损耗与在大多数系统中，光的偏振态随机变化，如果滤波器的插入损耗与光光 的偏振有关的偏振有关(PDL: Polarization dependent Loss), 则输出光功率将极其不稳则输出光功率将极其不稳 定。定。 (2) 一个滤波器的通带应该对温度的变化不敏感。一个滤波器的通带应该对温度的变化不敏感。 温度系数是指温度每变化温度系数是指温度每变化1的波长漂移。一个的波长漂移。一个WDM系统要求在整系统要求在整 个工作温度范围个工作温度

45、范围(大约大约100 )内，波长漂移应该远小于相邻信道的波长间内，波长漂移应该远小于相邻信道的波长间 隔。隔。 (3) 在一个在一个WDM系统中，随着级联的滤波器越来越多，系统中，随着级联的滤波器越来越多， 系统的通带系统的通带 就变得越来越窄。就变得越来越窄。 为了确保在级联的末端还有一个相当宽的通带，单个滤波器的通带为了确保在级联的末端还有一个相当宽的通带，单个滤波器的通带 传输特性应该是平直的，传输特性应该是平直的， 以便能够容纳激光器波长的微小变化。以便能够容纳激光器波长的微小变化。 单个滤波器的通带的平直程度常用单个滤波器的通带的平直程度常用1dB带宽来衡量，如下图所示。带宽来衡量，

46、如下图所示。 图图 光滤波器的光滤波器的1 dB带宽带宽 40 0.996 0.99811.0021.004 30 20 10 0 通 带 边 缘 20-dB 带 宽 串 扰 能 量 3-dB 带 宽 1-dB 带 宽 相 邻 信 道1 dB3 dB l0 / l 滤 波 器 的 幅 度 传 输 特 性 / dB 下面将介绍一些下面将介绍一些波长选择技术波长选择技术及其在及其在WDM系统中的应用。系统中的应用。 1. 光栅光栅 光栅光栅(Grating)广泛地用来将光分离为不同波长的单色光。广泛地用来将光分离为不同波长的单色光。 在在WDM系统中，光栅主要用在解复用器中，以分离出各个波长。系统

47、中，光栅主要用在解复用器中，以分离出各个波长。 图图 基于光纤光栅结构的光分插复用器基于光纤光栅结构的光分插复用器 l l1l l2l l3l l4 1 1 3 光纤布喇格光栅光纤布喇格光栅 l l1l l3l l4 l l l l l l4 2 l l2 3 l l2 图图 基于光纤光栅结构的光分插复用器光分插基于光纤光栅结构的光分插复用器光分插 l l 2 3 l l1l l2l l3l l4 1 光纤布喇格光栅光纤布喇格光栅 2 l 2 l 1 l 3 l 4 耦合器耦合器 l 2 7.3 OTDM技术技术 1、概述、概述 OTDM是在光域上进行时间分割复用，是在光域上进行时间分割复用，

48、 一般有两种复用方式：一般有两种复用方式： 比特间插比特间插(Bit interleaved) 信元间插信元间插(Cell interleaved) 2、OTDM的原理和系统基本结构的原理和系统基本结构 图图 OTDM技术原理示意图技术原理示意图 锁模激光器锁模激光器 分路器分路器 调制器调制器 合束器合束器 支路支路i 延时延时 i 图图 光时分复用光路示意图光时分复用光路示意图 图图 光时分复用系统框图光时分复用系统框图 Mod 1 Mod 2 Mod n 合合 路路 器器 光光 分分 路路 器器 T (n 1)T 超短脉冲超短脉冲 发生器发生器 帧同步时钟帧同步时钟 E/OMUX 接收机

49、接收机 误码检测误码检测 光带通滤波器光带通滤波器 全光开关全光开关 DEMUX 光波时钟光波时钟 产生产生 时钟提取时钟提取 电路电路 EDFA 延时线阵列延时线阵列 待传数据输入待传数据输入 复用信号输入复用信号输入 分路器或分路器或 星形耦合器星形耦合器 门限判决器门限判决器 与门与门 j 延迟延迟 图图 光时分解复用示意光路图光时分解复用示意光路图 OTDM的关键技术的关键技术 （1）超短光脉冲光源）超短光脉冲光源 光时分复用要求光源产生高重复率（光时分复用要求光源产生高重复率（520 GHz）、占空比相当小的）、占空比相当小的 超窄光脉冲，脉宽越窄可以复用的路数越多，且谱宽也就越宽。

50、能满足超窄光脉冲，脉宽越窄可以复用的路数越多，且谱宽也就越宽。能满足 这些要求的光源主要有锁模环形光纤激光器（这些要求的光源主要有锁模环形光纤激光器（ML-FRL）、锁模半导体）、锁模半导体 激光器、激光器、DFB激光器加电吸收调制器（激光器加电吸收调制器（EAM）、增益开关）、增益开关DFB激光器和激光器和 超连续脉冲发生器。其中超连续脉冲发生器。其中ML-FRL的特点是产生的脉冲几乎没有啁啾，的特点是产生的脉冲几乎没有啁啾， 在在40 GHz的高频范围不需要进行啁啾补偿或脉冲压缩，就能产生的高频范围不需要进行啁啾补偿或脉冲压缩，就能产生ps级的级的 超短变换极限光脉冲，输出波长较灵活，稳定

51、性好，是一种很有前途的超短变换极限光脉冲，输出波长较灵活，稳定性好，是一种很有前途的 光时分复用光源。光时分复用光源。 （2）超短光脉冲的长距离传输和色散抑制技术）超短光脉冲的长距离传输和色散抑制技术 （3）光缓存）光缓存 （4）全光解复用技术）全光解复用技术 相对于全光时分复用技术，解复用实现起来更困难。是将超高速光相对于全光时分复用技术，解复用实现起来更困难。是将超高速光 信号解复用成低速率光信号，它是实现高速信号解复用成低速率光信号，它是实现高速OTDM传输所必须的技术。传输所必须的技术。 OTDM对全光解复用的要求是：快速稳定的无误码工作、控制功率低、对全光解复用的要求是：快速稳定的无

52、误码工作、控制功率低、 与偏振无关、定时抖动值小。与偏振无关、定时抖动值小。 目前已研究出的结构有：光克尔开关、交叉相位调制频移开关、四目前已研究出的结构有：光克尔开关、交叉相位调制频移开关、四 波混频（波混频（FWM）开关和非线性光环路镜（）开关和非线性光环路镜（NOLM）及太赫兹光学非对称）及太赫兹光学非对称 解复用器（解复用器（TOAD）等。）等。 NOLM解复用器具有超高速、高稳定性及低功耗等特点，是全光解解复用器具有超高速、高稳定性及低功耗等特点，是全光解 复用的优良器件。复用的优良器件。 （5）全光时钟提取）全光时钟提取 全光时钟恢复指的是用全光学方法从归零码光脉冲信号中提取出低时

53、全光时钟恢复指的是用全光学方法从归零码光脉冲信号中提取出低时 间抖动（间抖动（1 ps）的同步时钟信号，以便把它分配到）的同步时钟信号，以便把它分配到OTDM通信系统的解通信系统的解 复用器、路由选择器、信道选择器和接收器等，超远距干线传输系统的光复用器、路由选择器、信道选择器和接收器等，超远距干线传输系统的光 信号再生也要用到它。因此时钟恢复对未来超高码率网络节点至关重要。信号再生也要用到它。因此时钟恢复对未来超高码率网络节点至关重要。 全光时钟提取器的机理一般基于两路光波互作用，其中一路波是信号码流全光时钟提取器的机理一般基于两路光波互作用，其中一路波是信号码流 （波长（波长s），另一路波

54、是预定标准钟信号（波长），另一路波是预定标准钟信号（波长c），因此首先必须要找），因此首先必须要找 到一个适当的光学非线性介质，鉴别或检测二路光波之间的相位误差。发到一个适当的光学非线性介质，鉴别或检测二路光波之间的相位误差。发 生在这种非线性介质中的多波互作用的基本原理是通过交叉相位调制生在这种非线性介质中的多波互作用的基本原理是通过交叉相位调制 （XPM）产生相移或四波混频（）产生相移或四波混频（FWM）信号，从而检测出两路波之间的）信号，从而检测出两路波之间的 相位误差信息，并通过锁相环纠正信号的相位抖动。相位误差信息，并通过锁相环纠正信号的相位抖动。 （6）全光）全光3R技术技术 全光

55、全光 3R 再生再生(retiming、reshaping、reamplifying) 传统的电锁相环基本结构传统的电锁相环基本结构 OCDMA 中的全光中的全光 时钟提取时钟提取 时钟信号时钟信号 基于受激布里渊散射的时钟恢复基本结构图基于受激布里渊散射的时钟恢复基本结构图 7.47.4光码分复用（光码分复用（OCDMOCDM）技术）技术 光码分复用（光码分复用（OCDMOCDM）技术是一种全新的频率资源利用思路，它的）技术是一种全新的频率资源利用思路，它的 信道占据同一个宽频带，从而原则上不需要光滤波器件，不同信道之信道占据同一个宽频带，从而原则上不需要光滤波器件，不同信道之 间相互独立地

56、发送或接收信号，不需要网际规模的时钟同步。间相互独立地发送或接收信号，不需要网际规模的时钟同步。OCDMOCDM的的 异步操作模式能支持突发性业务，码分多址本身的特性同时也提高了异步操作模式能支持突发性业务，码分多址本身的特性同时也提高了 一定的安全性，从其潜在的优势及应用前景来看，一定的安全性，从其潜在的优势及应用前景来看，OCDMOCDM能满足目前及能满足目前及 将来通信发展的要求，即异步、将来通信发展的要求，即异步、 高速、高速、 宽带、宽带、 可靠。可靠。 7.4 光码分复用光码分复用 9.4.1OCDM的基本原理的基本原理 光码分复用技术和电码分复用技术在原理上并没有根本的区别，只光

57、码分复用技术和电码分复用技术在原理上并没有根本的区别，只 是在是在OCDM通信系统中，每个用户都拥有一个唯一的地址码，该码是一通信系统中，每个用户都拥有一个唯一的地址码，该码是一 组光正交码中的一个。在发送端，对要发送的数据地址码进行正交编码，组光正交码中的一个。在发送端，对要发送的数据地址码进行正交编码， 然后进行信道复用。在接收端，用与发送端相同的地址码进行光正交解然后进行信道复用。在接收端，用与发送端相同的地址码进行光正交解 码。码。OCDM通过光编码和光解码实现光信道的复用、通过光编码和光解码实现光信道的复用、 解复用及信号交解复用及信号交 换，在光通信中具有极大的应用前景。换，在光通

58、信中具有极大的应用前景。OCDM的典型原理图如下图所示。的典型原理图如下图所示。 图图 OCDMA的数据格式的数据格式 比特数据比特数据 地址码地址码 经地址码编码经地址码编码 后的比特数据后的比特数据 时间时间 时间时间 时间时间 比特周期比特周期 用户用户1电电 信号信号 调制器调制器 光源光源 光光CDMA 编码器编码器1 用户用户2电电 信号信号 调制器调制器 光源光源 光光CDMA 编码器编码器2 光源光源 用户用户N电信电信 号号 调制器调制器 光光CDMA 编码器编码器N 光光CDMA 解码器解码器1 探测器探测器 在时判决在时判决 用户用户1电信电信 号号 光光CDMA 解码器

59、解码器2 探测器探测器 在时判决在时判决 用户用户2电电 信号信号 光光CDMA 解码器解码器N 探测器探测器 在时判决在时判决 用户用户N电信电信 号号 图图 OCDMA系统原理框图系统原理框图 NN 星形星形 耦合器耦合器 7.5 光光 交交 换换 技技 术术 目前的商用光纤通信系统，单信道传输速率已超过10 Gb/s， 实验 WDM系统的传输速率已超过3.28 Tb/s。 但是，由于大量新业务的出现和国际互联网的发展，今后通信网络 还可能变得拥挤。原因是在现有通信网络中，高速光纤通信系统仅仅充当点在现有通信网络中，高速光纤通信系统仅仅充当点 对点的传输手段，网络中重要的交换功能还是采用电

60、子交换技术。对点的传输手段，网络中重要的交换功能还是采用电子交换技术。 传统电子交换机的端口速率只有几传统电子交换机的端口速率只有几Mb/s到几百到几百Mb/s，不仅限制了光，不仅限制了光 纤通信网络速率的提高，而且要求在众多的接口进行频繁的复用纤通信网络速率的提高，而且要求在众多的接口进行频繁的复用/解复用，解复用， 光光/电和电电和电/光转换，因而增加了设备复杂性和成本，降低了系统的可靠光转换，因而增加了设备复杂性和成本，降低了系统的可靠 性。性。 7.5 7.5 光光 交交 换换 技技 术术 光交换光交换主要有三种方式：主要有三种方式： 空分光交换空分光交换 时分光交换时分光交换 波分光