光通讯基础理论

1、宋 甲 伟中兴通讯培训中心光通信技术发展概述光通信技术发展现状和趋势 第一年第二年第三年第四年第五年光带宽9 个月存储器12 个月 摩尔定律18 个月随着INTERNET业务的发展，人们对通信带宽的需求越来越大，有专家统计光通信的带宽每9个月翻一倍，比用来形容半导体科技的摩尔定律还快，称为“超摩尔定律”。近几年：光通信技术发展的两大方向从应用范围来说: 主干传输向高速率、超大容量、超长距离 的OTN光传送网发展，最终实现全光网； 接入向低成本、综合接入、宽带化的光纤 接入网发展，最终实现光纤到户和光纤到 桌面。OTN的基础是密集波分复用DWDM，DWDM的基础是电或光的TDM技术。国际上实验室

2、水平TDM已达100Gbs，DWDM已达总容量7Tbs(176x40Gb/s)。 1996年DWDM系统在北美进入大规模 应用阶段。 国际上目前的商用产品 以（816）2.5Gbs系统为主流。 现40个波道的系统已投入商用， 16010Gbs系统也已投放市场 （由Nortel提供）。DWDM在国际上应用情况DWDM系统的发展趋势 充分利用目前使用的C波段 （1530nm1560nm）的能力， 尽可能增加波道数。 向L波段（1570nm1610nm） 甚至更宽发展。 将C、L波段连起来使用， 使DWDM的波道数更多。1996200020042008OADM点对点DWDM固定波长上下的DWDM网络

3、OADMOADMOADMOADMDWDM环网,可重构波长上下 OXCOXCOXCOXCOXC光交叉连接、互联的光环网和格型网络容量增大,光纤减少灵活带宽分配、光层保护波长转换、波长选路、端对端波长业务光网络发展趋势自动交换光网络ASON诞生?!国内光通信应用的发展现状全国已敷设光缆的总长度已超过100万公里。近两年我国在长达3万公里、18条光缆干线上主要 采用了82.5Gbs以上的波分复用技术进行扩容 改造。目前国内电信一级骨干网的建设一般已开始采用 32X2.5Gbs和32X10Gb/s的DWDM系统,而二级骨干 网的建设一般也至少是162.5GbsDWDM系统。 中兴通讯从1995年进入光

4、通讯领域至今，光通讯产品不断的发展壮大，现已与移动、数据等一起成为公司三大重点发展的战略性产品。 光通讯在中兴通讯中战略地位光通讯产品连续三年销售额大幅增涨光通讯产品的销售额在公司中的份额迅速扩大国内光通讯产品中市场占有率和综合排名为第三中兴光通讯的现状现有开发人员500余人，其中80%以上具有硕士及以上学历；与众多著名大学有着技术和人才等各方面的合作关系，如清华、北邮、电子科大等。中兴通讯光通信人才济济深圳研究所：主要从事如STM-1、STM-4、STM-16、STM-64及STM-256等等级的SDH和及相关的综合业务节点设备的研发和改进工作；北京研究所：主要从事光电子器件及模块、DWDM

5、、OADM、OXC等产品和研发工作；联合实验室（中兴北邮）：从事OADM、OXC、波长路由器WR、ASON等的研究中兴通讯光通信雄厚的研发实力无锡合资公司：主要从事光放大器件（EDFA、Raman放大器）等光电器件的生产；技术中心研究部：主要从事SDH等专用ASIC系列、新型光器件的研发及对最新技术如光时分复用OTDM、光孤子O-Soliton等的跟踪研究。中兴通讯光通信雄厚的研发实力中兴通讯光通信的核心技术中兴通讯研制的系列光传输产品完全拥有自主知识产权，并积累了大量的核心技术；其中自主开发的专用ASIC芯片和光电器件得到规模应用，极大地提高了产品的技术含量和性价比；无锡合资公司研发成功的系

6、列放大器件（EDFA、Raman放大器），不仅使产品更加完善，而且掌握了大量在光网络方面的核心技术，为以后的光网络发展打下了坚实基础。中兴通讯现有光通信产品线ZXSM-10GZXSM-2500EZXSM-150/600/2500ZXSM- 600CZXSM-150CZXSM-10ZXWM-8/16ZXWM-32/40/80/160多波长系统单波长系统中兴通讯现有光通信产品线ZXSM-OADMZXSM-OXCZXSM- ASONZXSM-ITG自由波长系统中兴光通讯的发展方向在单波长系统方面重点发展10G、40G产品及其所属的综合业务节点设备等；加强对光时分复用OTDM、光孤子O-Soliton

7、等方面的研究。在多波长系统方面重点发展1600G/160、OADM、OXC及ASON等在器件部分加强高速、超高速光电器件和超大规模专用芯片的研发与应用。2001.42001.62002.42002.9紧凑型SDH高端SDH6222.5G10G40G增强2.5Gb/s融合节点DWDM/OTN322.5G3210GOADMOXC低端融合节点高端融合节点80波DWDM160波DWDM中兴通讯光通信产品Roadmap广义的光通信：3000年前的烽火台；1791年，法国人发明了信号灯。光通讯史话光通信就是利用光波来载送信息，实现通信1880年贝尔发明光话，他以日光为光源，大气为传输媒介，传输距离是200

8、米；1881年贝尔发表了论文关于利用光线进行声音的复制与产生；贝尔的光话始终没有实用化： 1、没有可靠的、高强度的光源； 2、没有稳定的、低损耗的传输媒介。光纤通讯史现代光通信-光话1960年，第一台单色相干振荡光源-红宝石激光器问世；1962年，半导体激光器问世；1970年贝尔实验室制作出可以在常温下连续工作的铝镓砷（AlGaAs）半导体激光器。美国林肯实验室首先利用氦氖激光器通过大气传输一路彩色电视信号（大气传输试验）光通讯史话1970年光纤通信元年气候对通信的影响非常严重。（如雾、雨等）大气的不稳定性，当气温变化时，其密度和折射率发生变化，气流的影响使光线发生抖动和漂移，使通信的信噪比劣

9、化，传输不稳定。大气传输系统要求通信的收发两地在视距范围内，限制了使用范围。光通讯史话大气传输系统直到60年代中期，优质光学玻璃的损耗仍高达1000dB/km。英国标准电信研究所的华裔科学家高锟博士于1966年发表了一篇论文，提出利用带有包层材料的石英玻璃光纤作为光通信媒介；1970年美国康宁（Corning）公司制成损耗为20dB/km的低损耗石英光纤。光纤通讯史1970年光纤通信元年0=0.85um多模光纤通信系统（1977年）；0=1.3um多模光纤通信系统； 0=1.3um单模光纤通信系统（1984年）；0=1.55um单模光纤通信系统（80年代中后期）； 光纤通讯史光纤通信分代反射：

10、1=1 折射：n 1 sin 1 =n 2 sin 2 全反射： sin 1 = n 2 / n 1 平面波的反射和折射n 2n 1112在光纤的数值 孔径角内，以某一角度射入光纤端面，并能在光纤的纤芯到包层界面上形成全反射的传播光线就可称为一个光的传输模式。光纤光纤的传播模式 高次模 基模 低次模多模光纤：阶越型光纤 渐变型光纤（G.651）单模光纤：标准常规光纤（G.652） 色散位移光纤（G.653） 非零色散位移光纤（G.655） 色散补偿光纤 大有效面积光纤光纤光纤的传播模式光纤色散脉冲展宽T光脉冲信号中的不同频谱成份在光纤中的传输速度不同，导致脉冲信号传输后展宽甚至离散。 光纤色散

11、效应对传输的影响1 0 1 0 1 0 1 1 0 11 0 1 0 1 0 1 1 0 1InputOutput脉冲展宽 (ps) = D(ps/ nm*km) * S(nm) * L(km)TimeTime脉冲展宽 1/4 比特周期时会引起误码 产生信号间干扰;当偏振相关损耗产生的二次效应可能产生PMD与色度色散之间的耦合从而增加色散的统计分量;解决办法之一是改进光纤工艺或在系统输入输出端插入偏振控制器。光纤偏振模色散PMD由光纤的双折射引起,诸如应力、弯曲、扭绞、温度等随机引入吸收损耗本征吸收紫外吸收（电子谐振）红外吸收（分子谐振）非本征吸收（金属杂质、氢氧根）散射损耗瑞利散射光纤损耗光

12、纤光纤类型和损耗谱 EDFA带宽1.21.31.41.51.61.7波长 (mm)损耗 (dB/km)0.10.20.40.81.00-20-101020色散 (ps/nm-km)损耗 (各类光纤)SMFDSFNZDF+NZDF-G.652G.653G.655+G.655-光纤色散受限距离B2 * D * L 105(Gb/s)2ps/nm假设光源无啁啾的情况下: 2.5 Gb/s 10 Gb/sSMF (G.652) 960 km 60 km (D=17ps/km/nm)NZDF(G.655) 4800 km 300 km (D=2ps/km/nm)在光源有啁啾的情况下:啁啾对系统传输距离的

13、影响由色散容限参数值表示。如色散容限值为12800ps/nm,SMF（G.652）光纤的色散参量值取D=20ps/km/nm，则该光源的色散受限距离为640 公里。 L = CDT/D km光源的色散容限CDT ps/nm光纤的色散参量值 D ps/nm.km G.652 1550nm 1720 ps/nm 1310nm 3.55 ps/nm G.655 1550nm 26 ps/nm光纤色散受限距离简单计算光纤光接头色散代价光线路光功率损耗冗余光端设备光功率冗余光纤光功率损耗色散受限距离的计算L=(PsPrPpCMc)/( f+ s) 衰耗受限的中继距离计算方法最坏值法式中 L 再生段距离

14、Ps S点寿命终了时的最小平均发送功率; Pr R点寿命终了时的最差灵敏度(BER10-12); Pp L16.2光通道代价2dB，其余取1dB; C 所有活动连接器衰减之和,每个连接器衰减0.5dB。 Mc 光缆富余度, （通常取3dB）; f 光纤衰减系数（通常取0.20dB/Km或0.22dB/Km）; s 光纤熔接接头每公里衰减系数(通常取0.05dB/Km)。通常认为光纤是线性的媒质，即光纤的各项特征参量不随光场的变化而变化，实际上，这仅仅是在光场较弱的情况下的现象。当在强光场作用下，光纤介质对光场会呈非线性响应，这种非线性响应会产生很强的频率变换和许多其他效应。在小芯径，损耗低的单

15、模光纤中尤其如此。光纤光纤非线性效应受激散射受激拉曼散射 （SRS）受激布里渊散射（SBS）光纤克尔(折射率引起)效应自相位调制（SPM）交叉相位调制（XPM）四波混频（FWM）光纤光纤非线性效应受激散射：当光场很强时，光子的能量很大，使光纤介质“激发”，产生拉曼散射（SRS）和布里渊散射（SBS)。与瑞利散射不同，瑞利散射是一种弹性散射，被散射的光频率保持不变，拉曼散射（SRS）和布里渊散射（SBS)散射的光频率降低，因此使得传输的能量降低，在光纤中形成一种损耗机制。拉曼散射（SRS）的剩余能量转化为频率高的分子震动，布里渊散射（SBS）的剩余能量转化为频率很低的声子震动。光纤光纤非线性效应

16、在很高功率作用下，受激拉曼散射（SRS）和受激布里渊散射（SBS)散射可以导致较大的光损耗，当入射光功率超过一定阈值时，两种散射的散射光强都随入射光功率呈指数增加。对于拉曼散射（SRS），工作在1550nm波长的单模光纤的散射阈值功率为570mw，而光通信系统中的光发射功率一般小于10mw，因此拉曼散射的影响可忽略不计。布里渊散射（SBS）的散射阈值功率为1mw，对光纤的损耗有明显得影响。受激散射效应可在光通信系统中得到利用，如通过它们将特定的泵浦光能量转化成信号光能量，实现光放大。光纤光纤非线性效应光纤克尔(折射率引起)效应在功率较低的情况下，石英介质的折射率与作用的光功率无关。但在光功率较

17、高的情况下，出现非线性，即折射率随光功率的变化而变化。光纤光纤非线性效应自相位调制（SPM）由于克尔效应，光在介质中传播时将产生一个非线性相移，由于这种相移是由光场自身引起的，所以这种非线性机理称为自相位调制（SPM）。自相位调制（SPM)可导致光纤中传播的光脉冲的光谱大大的展宽。光纤光纤非线性效应交叉位调制（XPM）当两个或两个以上的光使用不同的载频同时在光纤中传输时，由于克尔效应可以导致交叉相位调制（XPM）的非线性现象，也就是某一个信道的非线性相移不仅与本信道的功率有关，还与其他信道的功率有关。光纤光纤非线性效应光纤四波混频FWM效应信道间相互作用产生新的频率如果有三个频率为w1、 w2

18、、 w3的光同时在光纤中传输，由于非线性将引起频率为w4 w1 w2 w3的光场。w1w2ww1w3w1 w2 w3w光纤w3w1 w2 w3w2FWM是影响系统性能的主要非线性效应：当FWM产生的新频率落入信道带宽范围内时，会引起信道强度起伏和信道间串扰。补偿措施：采用非零色散位移光纤（G.655）和常规单模光纤（G.652）采用大有效纤芯面积光纤（LEAF）控制入纤功率直接调制EA调制LiNbO3调制M-Z(-族)调制光调制 DWDM技术是在波长1550nm窗口附近，EDFA能提供增益的波长范围内，选用密集的但相互又有一定波长间隔的多路光载波，各自受不同数字信号的调制，复合在一根光纤上传输

19、，提高了每根光纤的传输容量。DWDM技术原理1545nm1560nm光波长 DWDM技术 EDFA1535nmWDM系统结构 O T U SDH(155M，622M2.5G、10G)、PDH、ATM、IP G.692开放式集成式 SDH(155M，622M2.5G、10G)、PDH、ATM、IP G.957OMU(OAD)WDM光谱特性波长相对功率要求：信道间功率均衡良好的光谱特性（顶平而沿陡）DWDM复用/解复用器 滤波器型阵列波导光栅型耦合器型34衍射光栅型 34 1234。343434 34 EDFA结构铒掺杂光纤隔离器WDM耦合器PinPoutlNl2l1lNl2l1隔离器泵浦激光器980nm,1480