传输系统基础知识-OTN

传输系统基础知识-OTN目录光纤介质特性及光通信原理WDM原理OTN原理

光纤介质特性及光通信原理

【工作原理】光纤通信：就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信之目的。发端将电信号转为光信号、通过光纤传送，到接收端再将光信号转为电信号。1、光发射机：即发端光端机，主要作用是将来自于电端机的电信号转变为光信号，并将光信号送入到光纤中传输。2、光纤光缆：光纤是光纤通信的传输介质，是光导纤维的简称。光纤是以光脉冲的形式来传输信号。3、光接收机：即收端光端机，其主要作用是将光纤传送过来的光信号转变为电信号，然后经进一步的处理在送到接收端的电端机去。4、光中继器：光信号在光纤中传输一定距离后，由于受到光纤损耗和色散的影响，光信号的能量会衰减，波形也会产生失真，从而导致通信质量恶化。为此，在光信号传输一定距离后就要设置光中继器，其作用是对衰减了的光信号进行放大，恢复失真了的波形。光纤及光通信原理光纤重要参数

光纤介质特性及光通信原理

【结构】1、纤芯：折射率较高；2、包层：折射率较低；3、涂覆层：聚丙烯酸盐；【尺寸】1、纤芯：单模光纤内径9µm；多模光纤内径50µm/62.5µm;2、包层：：

125µm3、涂覆层：245µm【材料】1、目前通信用的光纤主要是石英系光纤，其主要成分是高纯度石英玻璃

。2、如果在石英中掺入折射率高于石英的掺杂剂，就可以制作光纤的纤芯。同样，如果在石英中掺入折射率低于石英的掺杂剂，就可以作为包层材料。光纤及光通信原理光纤重要参数

光纤介质特性及光通信原理

n1n2n1>n2全反射θn1n2临界角θn1n2【关键知识点】全反射当光线由光密介质射向光疏介质，并且入射角大于全反射时的临界角时，就会产生全反射，光纤就是利用光的全反射现象来导光的。①③②n2n1折射全反射包层纤芯护套光纤及光通信原理光纤重要参数

光纤介质特性及光通信原理

光纤的分类光纤通信用光纤非通信用光纤单模光纤（SM）多模光纤（MM）特种光纤光纤信号处理光纤传感光纤测量其它光学系统【关键知识点】1、单模光纤

(1)只允许一种传播模式

(2)避免了模间色散，带宽宽，适用于大容量、长距离2、多模光纤

(1)存在多种传播模式。

(2)带宽较窄，传输距离及容量有限。光纤及光通信原理光纤重要参数

光纤介质特性及光通信原理

影响光传输的四大要素衰减

色散光信噪比

WDM网络组网基本要素非线性效应光纤及光通信原理光纤重要参数

光纤介质特性及光通信原理

光纤的重要参数——衰减衰减：【定义】当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐减小，这种现象即称为光纤的衰减，也称损耗。其包括吸收损耗、散射损耗、几何缺陷、弯曲损耗等。

【关键知识点】

损耗一般用损耗系数α表示，单位dB/km：如:@1310nm≤0.36dB/Km;@1550nm≤0.22dB/Km【影响】损耗大小影响光纤的传输距离长短和中继距离的选择，使传输距离受限，影响光纤通信系统的成本。近端远端信号传播光纤及光通信原理光纤重要参数

光纤介质特性及光通信原理

衰减波长特性1、波长不同，损耗不同2、1380nm附近由于氢氧根粒子吸收，光纤损耗急剧加大，俗称水峰3、ITU-T将单模光纤在1260nm以上的频带划分了O、E、S、C、L、U几个波段.4、在这6个波段中，C波段和L波段损耗最小.【解决措施】通过光放大器的使用，可以补偿信号在光纤中的衰减，延长传输距离光纤及光通信原理光纤重要参数90013001400150016001700波长:nm损耗dB/km23141200多模光纤（850~900nm）O波段E波段SCLUOH-

光纤介质特性及光通信原理

光纤的重要参数——色散【定义】1、模间色散：在多模光纤中由于各传输模式的传输路径不同，各模式到达出射端的时间不同，从而引起光脉冲展宽；2、色度色散：光源光谱中不同波长的光在光纤中的群延时差所引起的光脉冲展宽现象，包括材料色散和波导色散。3、偏振模色散：光源光谱中实际存在偏振方向互相正交的两个基模，光脉冲在光纤中传输时，两个垂直的偏振模间的时延差。色散对传输信号的影响：色散会使在光纤中传输的数字脉冲展宽，引起码间干扰，降低信号质量，导致传输距离受限。模间色散色度色散偏振模色散光纤及光通信原理光纤重要参数

光纤介质特性及光通信原理

衰耗+色散对光传输信号的影响【影响】1、光在光纤中传输一段距离后，在衰耗和色散的双重作用下，光脉冲信号逐渐变矮变宽。2、传输L1距离后，信号变宽产生交叠，但还能区分“0”“1”信号；3、传输L2距离后，信号畸变严重，难以区分“0”“1”，导致误码，影响传输质量。时间功率初始光脉冲信号传送L1(km)传送L2(km)光纤传输对信号的影响示意图传送L1距离后的光脉冲信号传送L2距离后的光脉冲信号t0光纤及光通信原理光纤重要参数

光纤介质特性及光通信原理

【解决措施】色度色散补偿目前降低色度色散的影响主要是采用色散补偿模块对光纤中的色散累积进行补偿,主要方式为使用DCF（色散补偿光纤）。色散补偿光纤与普通传输光纤的不同之处是它在1550nm处具有负的色散系数，DCF补偿法实际上就是利用这种负色散的光纤，抵消G.652/G.655光纤中的正色散。色散模块本身具有一定插损，会导致系统光功率下降光纤及光通信原理光纤重要参数Page12色散系数G.652普通色散补偿光纤DSCF:色散斜率补偿光纤波长

光纤介质特性及光通信原理

常用的几种光纤特性1、G652非色散位移光纤：该类光纤在1310波段同时拥有低的损耗和色散系数（零），因而在1310波段上兼有低损耗和大通信容量的特点；2、G.653色散位移光纤：针对衰减和零色散不在同一工作波长上的特点，20世纪80年代中期，人们开发成功了一种把零色散波长从1310nm移到1550nm的色散位移光纤；3、G654截止波长位移光纤：纤芯为纯二氧化硅来降低光纤衰减（1550nm窗口衰减可降至0.185dB/km），包层通过参F来得到所需的结构参数，主要用于超长距离传输（海缆）；4、G655非零色散位移光纤：相对于色散位移光纤在1550nm处色散不为零（用以平衡四波混频等非线性效应），在1550波段上兼有低的损耗和色散系数；5、G656未来导向光纤：相对于G655光纤拥有更宽的工作波长和更优化的色散值，其实也是非零色散位移光纤；6、G657弯曲不敏感光纤：弯曲损耗低，尤其适合于室内综合布线。G657又按照是否可同G652对接分为A、B两类，其中A类可与G652光纤兼容。光纤及光通信原理光纤重要参数

光纤介质特性及光通信原理

几种光纤的色散波长特性G652光纤：最佳工作波长为1310nm的单模光纤，色散值20ps/（nm.km）：G655光纤：在1550nm窗口给定波长区间内色散不为零的色散位移单模光纤，称为非零色散位移光纤。1550nm窗口色散典型值色散系数约为3.5ps/（nm.km）光纤及光通信原理光纤重要参数

光纤介质特性及光通信原理

光信噪比【定义】光信噪比，即OSNR（OpticalSignal

to

NoiseRatio），是衡量DWDM系统性能最重要的指标。光信噪比是指传输链路中的信号光功率与噪声光功率的比值。

根据ITU-T的定义：计算光信噪比时所采用信号功率为0.8nm带宽内的信号总功率（40波系统），噪声功率为0.1nm带宽内的噪声总功率。光纤及光通信原理光纤重要参数

光纤介质特性及光通信原理

光信噪比续【影响】对于多个级联线路光放大器的DWDM系统，采用光放大器对线路损耗进行功率补偿，会引入放大器辐射噪声，而噪声的光功率主要来自放大器的自发辐射噪声的累积，进而引起光信噪比降低，传输性能劣化，使传输距离受限【解决措施】线路中不能无限级联光放大器，必要时，可使用电中继。OSNR(dB)距离(km)M40M40OAOAOAOAM40D40OAOAOTUOTUOTUOTUOTS1OTS2OTS3OTS4OTS5距离(km)光功率(dBm)P信号P噪声（ASE）光纤及光通信原理光纤重要参数

光纤介质特性及光通信原理

Page17非线性效应

光纤及光通信原理光纤重要参数【定义】非线性效应是指强光作用下由于介质的非线性极化而产生的效应，从本质上讲，所有介质都是非线性的，只是一般情况下非线性特征很小，难以表现出来。当光纤的入纤功率不大时，光纤呈现线性特征，当光放大器和高功率激光器在光纤通信系统中使用后，光纤的非线性特征愈来愈显著。【影响】光纤中的非线性效应可能引起信道间串话（crosstalk），即一个信道的光强和相位将受到其他相邻信道的影响，形成非线性串话。【解决措施】

使用大有效面积光纤作为传输媒质控制信号光功率良好的色散管理先进的光源技术SRSXPMFWM…SPM

…光纤通信概述光纤通信的里程碑1966年高琨博士发表在PIEE上的文章《用于光频的光纤表面波导》从理论上分析和证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性，科学的预言了制造通信用的超低耗光纤的可能性。光通信研究的实质性突破1970年美国康宁公司根据高锟博士的文章研制出世界上第一根超低损耗光纤（20dB/km）。光器件1970年贝尔实验室研制出世界上第一只在室温下工作的连续波砷化镓铝半导体激光器，为光纤通信找到了合适的光源器件。大规模集成电路技术和微机处理技术带动了光纤通信技术从小容量到大容量，从短距离到长距离、从旧体制（PDH）

到新体制（SDH）发展。光纤通信发展的几个关键点光纤通信技术概述通信容量大中继距离长保密性能好抗电磁干扰能力强体积小、重量轻、便于是施工维护原材料来源丰富、潜在价格低廉光纤通信的特点光纤通信技术概述光纤通信系统的基本组成光发送机电端机（数字）光接收机电端机（数字）模拟信息模拟信息LDAPD数字光纤通信系统光纤光纤的结构纤芯n1包层n2纤芯用来导光包层为光的传输提供反射面和光隔离，同时起到一定的机械保护作用，实用的光纤还采用涂覆层进一步保护光纤的机械和传输性能光在光纤中传输的必要条件是n1>n2按光纤的制造材料分：玻璃（石英）光纤和塑料光纤按光纤剖面折射率分布分类：突变型光纤（SIF）和渐变型光纤（GIF）按光纤传输模式分：多模光纤（MMF）和单模光纤（SMF）按传输模式的数量和光纤剖面的折射率分布，实用光纤主要分为：突变型多模光纤（MMF/SIF）,渐变型多模光纤（MMF/GIF）和单模光纤按套塑类型分类有紧套光纤与松套光纤按工作波长分类有短波长光纤（如波长为850nm光纤）与长波长光纤（如：波长为1310nm、1550nm光纤）

光纤的分类光纤ITU-T（国际电联）将单模光纤按其损耗和色散特性又分为以下四种：G.652光纤：常规单模光纤，又称色散未位移单模光纤；也叫做1310nm性能最佳光纤。该光纤的零色散点在1310nm处。在DWDM技术所使用的1550nm窗口处，它有大约17ps/nm.km的色散，G.652光纤是目前我国使用量最大的光纤。对于DWDM技术而言,G.652光纤在1550nm处的较大色散限制了无电中继传输距离，在单信道传输速率较高时这种限制表现的尤为明显。G.653光纤：色散移位光纤，也叫做1550nm性能最佳光纤。这种光纤通过设计光纤折射率的剖面，使零色散点移到1550nm窗口，从而与光纤的最小衰减窗口获得匹配，使超高速超长距离光纤传输成为可能G.654光纤：截止波长移位光纤。与G652相比是在1550nm处损耗降低约20%，但其零色散点仍然在1310nm附近，因而1550nm的色散较高。G.654光纤造价昂贵，一般用于海底传输G.655光纤：非零色散移位单模光纤（NZDF），该种光纤主要应用于1550nm工作波长区，色散系数较小，色散受限距离达数百公里，并且可以有效减小四波混频的影响光纤光纤传输原理分析光纤中广的传播特性的主要方法有：光射线分析法和波动理论分析法；以光射线分析法为例进行说明：多模渐变型光纤射线传输模型多模突变型光纤射线传输模型光纤反射层内芯5-10um反射层内芯单模光纤射线传输模型损耗特性：光信号在光纤中传播，随着距离的增大，能量会越来越弱，其中一部分被吸收，一部分可能突破光纤纤芯的束缚，辐射到光纤外部，这就叫做光纤的传输损耗（或者传输衰减）；光纤的传输特性3dB增益对应光功率提高一倍3dB损耗对应光功率减少一半光纤传输损耗图色散特性：光信号沿着光纤传输过程中，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。色散反映了光脉冲延光纤传播时的展宽。光纤在传输过程中的脉冲展宽，导致了脉冲与脉冲之间相重叠现象，即产生了码间干扰，从而形成传输码的失误。光纤的色散主要有：模式色散、色度色散和偏振模色散。非线性效应：当传输介质受到光场的作用时，组成介质的原子或分子内部的电子相对于原子核发生微小的位移或振动，使介质极化。非线性效应会引起信号产生附加损耗、信道间产生串扰、信号频率产生搬移等后果。光纤的非线性效应有两类：受激散射和非线性折射光纤通信用光器件有源光器件无源光器件二者的主要区别在于器件在实现本身功能的过程中，其内部是否发生光电能量转换常见的无源光器件有：光纤连接器、光分路器、光耦合器、光衰减器、光波分复用器、光波长转换器、光放大器等常见的有源光器件有：光源和光电检测器。如LD,LED,DFB-LD,MQW-LD光纤连接器是光纤与光纤之间进行可拆卸（活动）连接的器件，它是把光纤的两个端面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去，并使由于其介入光链路而对系统造成的影响减到最小，这是光纤连接器的基本要求。在一定程度上，光纤连接器也影响了光传输系统的可靠性和各项性能。光纤连接器一般以连接器的接头来表示，例如：FC/PC型，其中前者FC代表其连接头的外部加强方式结构采用金属套，紧固方式为螺丝扣；PC代表其对接端面插针类型为球面。下面就我们常用的几种做简单介绍。光纤连接器按连接头结构形式可分为：FC、SC、ST、LC、MU、MT等等各种形式FC型光纤连接器

：FC是FerruleConnector的缩写，表明其外部加强方式是采用金属套，紧固方式为螺丝扣。最早，FC类型的连接器，采用的陶瓷插针的对接端面是平面接触方式（FC）。此类连接器结构简单，操作方便，制作容易，但光纤端面对微尘较为敏感，且容易产生菲涅尔反射，提高回波损耗性能较为困难。光纤连接器SC是SquareConnector的缩写，其外壳呈矩形，所采用的插针与耦合套筒的结构尺寸与FC型完全相同，其中插针的端面多采用PC或APC型研磨方式；紧固方式是采用插拔销闩式，不需旋转。此类连接器价格低廉，插拔操作方便，介入损耗波动小，抗压强度较高，安装密度高ST型光纤连接器：ST和SC接口比较类似，不同的是ST连接器的芯外露，SC连接器的芯在接头里面。对于10Base-F连接来说，连接器通常是ST类型的，对于100Base-FX来说，连接器大部分情况下为SC类型的光纤连接器MT-RJ型连接器

：MT-RJ是MultiTransmit－ReceiveJoint，是多芯发送接收一体的连接器，它带有与RJ-45型LAN电连接器相同的闩锁机构，通过安装于小型套管两侧的导向销对准光纤，为便于与光收发信机相连，连接器端面光纤为双芯（间隔0.75mm）排列设计，是主要用于数据传输的下一代高密度光纤连接器。LC型连接器

：LC是LucentConnector的缩写，顾名思义是由朗讯公司研究开发出来的，采用操作方便的模块化插孔（RJ）闩锁机理制成。其所采用的插针和套筒的尺寸是普通SC、FC等所用尺寸的一半，为1.25mm。这样可以提高光纤配线架中光纤连接器的密度。目前，在单模SFF方面，LC类型的连接器实际已经占据了主导地位，在多模方面的应用也增长迅速。光纤连接器MU型连接器

：MU是MiniatureUnitCoupling的缩写，是以目前使用最多的SC型连接器为基础，由NTT研制开发出来的世界上最小的单芯光纤连接器。该连接器采用1.25mm直径的套管和自保持机构，其优势在于能实现高密度安装。利用MU的l.25mm直径的套管，NTT已经开发了MU连接器系列。随着光纤网络向更大带宽更大容量方向的迅速发展和DWDM技术的广泛应用，对MU型连接器的需求也将迅速增长。按光纤端面形状分有FC、PC（包括SPC或UPC）和APCFC型—FlatConnect

：称为平面连接器，采用的陶瓷插针的对接端面是平面接触方式（FC）。此类连接器结构简单，操作方便，制作容易，但光纤端面对微尘较为敏感，且容易产生菲涅尔反射，提高回波损耗性能较为困难。回波损耗：40dB光纤连接器PC型—PhysicalConnect

：称为球面连接器，其对接端面呈球面的插针（PC），而外部结构没有改变，使得插入损耗和回波损耗性能有了较大幅度的提高。回波损耗：40dBAPC型—AnglePhysicalConnect

：称为研磨式球面连接器，与PC型类似。回波损耗：55dBSC/APCFC/APC光源是通信系统中的重要器件之一，它的作用是将电信号转换为光信号，并将此光信号送入光纤中进行传输。对通信用光源的要求是：发光波长与光纤的低损耗窗口相符，有足够的光输出功率，可靠性高、寿命长，温度特性好，光谱宽度窄，调制特性好，与光纤的耦合效率高，体积小、重量轻等。目前普遍采用的光源是半导体激光器（LD）与半导体发光二极管（LED）.在高速率、远距离传输系统中均采用光谱宽度很窄的分布反馈式激光器（DFB-LD）和量子阱激光器（MQW-LD）.光源几个基本概念原子能级半导体能带半导体的P-N结E3E2E1导带价带满带禁带光和物质的相互作用存在着三种不同的基本过程：自发辐射、受激辐射和受激吸收粒子数反转分布状态在同一种物质内，光和物质的相互作用的三个过程同时存在。为了使物质发光，就必须使其内部的自发辐射或受激辐射大于受激吸收的几率，这就要求高能级上的电子数多于低能级上的电子数，这种现象称为粒子数发转分布状态。实现能级之间粒子数反转分布状态的方法有：光激励法和电激励法光与物质的相互作用光电检测器是光纤通信系统中的另一个核心器件，主要完成光信号到电信号的转换功能，要具有灵敏度高、响应时间短、噪声小、功耗低、可靠性高等优点。常用的光电检测器有：PIN光电二极管（PIN-PD）和雪崩光电二极管（APD）PIN二极管主要用于短距离、小容量的通信系统，APD二极管主要用于长距离、大容量的通信系统。光电检测器按光模块的封装形式分SFF、SFP两种，对于以太网封装的光模块还有一种GBIC。按照波长分850nm、1310nm、1550nm波长光模块。按模式分为多模和单模，而传输距离也不一样，多模传输距离为275～550m，单模则可以达到2Km、10Km、15Km、40Km、70Km，甚至100Km或以上。光模块SFP（SmallForm－factorPluggable）光模块，其收发分开，采用LC光纤，支持热插拔。ESFP（EnhancedSmallForm－factorPluggable）光模块相比SFP增加了对光模块电流、电压等性能的监测功能。SFF与SFP一样，唯一区别只是SFF为固定式。SFPESFPGBIC（GigabitInterfaceConverter）以太网封装的光模块，其收发分开，采用SC光纤接头，多模的波长为850nm，单模有1310nm和1550nm，支持热插拔。GBIC光耦合器是将光信号进行分路或合路、插入或分配的一种器件。光耦合器按其结构不同可以分为棱镜式和光纤式两类。其中光纤式耦合器体积小，工作稳定可靠，与光纤连接比较方便，使目前比较常用的一种。按照光纤型号分，有多模耦合器和单模耦合器。从工作带宽的角度分，有单工作窗口的窄带耦合器、单工作窗口的宽带耦合器和双窗口的宽带耦合器。光耦合器光耦合器原理双锥耦合结构球透镜耦合结构自聚焦透镜耦合结构插入损耗：表示光耦合器损耗的大小。定义为输出光功率之和相对全部输入光功率的减少值。一般要求小于0.5dB。分光比：定义为各输出口的光功率之比。隔离度：指某一光路对其他光路的中的信号的隔离能力。隔离度越高意味着线路之间的“串话”越小。一般要求大于20dB。光耦合器的特性光耦合器输入输出0dBm-12dBm1：16光分路器原理光分路器每分一次光功率衰减3dBm光衰减器按照其工作原理可以分为：耦合型光衰减器、位移型光衰减器和衰减片型光衰减器。按其衰减量的变化方式可以分为固定式光衰减器和可变式光衰减器。可变式光衰减器通过人为调整衰减片的角度，改变反射光与透射光比例来改变光衰减的大小，可变衰减器有步进式和连续可调式两种。光衰减器光纤1光纤2光纤3（a）耦合型衰减器光纤1光纤1(b)横向移位和轴向移位型衰减器连接器连接器输入光纤输出光纤透镜透镜光衰减片(c)衰减片型光衰减器光接口类型一般是用代码表示，不同的字母和数字代表不同的含义，格式如：S1.1型光口

代码的第一位字母表示应用场合：I表示局内通信，传输距离0～2km；S表示短距离局间通信，传输距离2～15km；L表示长距离局间通信，1310nm波长传输距离为15～40km，1550nm波长传输距离为40～80km。字母后的第一位数字表示STM的速率等级，例如1表示STM-1，4表示STM-4，16表示STM-16。第二个数字（小数点后的第一个数字）表示工作的波长窗口和所有光纤类型：1和空白表示工作窗口为1310nm，所用光纤为G.652光纤；2表示工作窗口为1550nm，所用光纤为G..652或G.654光纤。光接口分类及接口指标平均发送光功率：发送机的发射光功率和所发送的数据信号中“1”占的比例有关，“1”越多，光功率也就越大。当发送伪随机信号时，“1”和“0”大致各占一半，这时测试得到的功率就是平均发送光功率。消光比：光数据全部为“1”时，平均光功率为A；光数据全部为“0”时，平均光功率为B，则消光比为：EX=10lg(A/B)

消光比太大，则引起啁啾声，频谱变宽，色散变大；消光比太小，则接收机很难将光的“1”和“0”分开，因此消光比不能太小，也不能很大，在协议上只规定了最小消光比。光发送机眼图：眼图把信号的上升时间、下降时间、脉冲过冲、脉冲下冲以及震荡等特性都反映出来了。这个眼图可以这样来理解：时间轴为一个周期的长度，眼图由四个部分组成：常“1”，“1”电平，“0”电平，常“0”电平。“1”电平和“0”电平并不是理想中的方波，而是有一定的上升和下降坡度，因此将这四种波形叠加起来，则就形成上面的眼图。光接口指标激光器工作波长

：激光器的工作波长不是光谱的峰峰值对应的波长，而是将光谱对应的波长进行加权平均得到的。最大均方根谱宽

：这是发光二极管（LED）和多纵摸（MLM）激光器的参数，根据协议，应该指光谱中比主峰小20dB的谱宽。最大-20dB谱宽：这是单纵摸（SLM）激光器的参数，是用中心波长的幅度下降到20dB处对应的波长宽度来表示。最小边模抑制比：这是单纵摸（SLM）激光器的参数，指主纵模的平均光功率与最显著边模的光功率之比的最小值，如果太小，那么经过长距离的传输，可能会引起比较大的色散。

光接口指标接收机灵敏度：这个参数指接收机在达到规定的比特差错率（对于STM1、STM4、STM16规定的比特差错率为10，对于STM64，规定的比特差错率为10）所能接收到的最低平均光功率，考虑到余度，一般要求出厂的灵敏度比要求的还要小3dB，比如：L-16.2接收机的灵敏度为-28dBm，余度为3dB，因此出厂的接收机的灵敏度的指标应该为-31dBm。接收机过载功率：这个参数指接收机在达到规定的比特差错率（STM1/STM4/STM16为10，STM64为10）；所能接收到的最高平均光功率。光通道代价：光通道代价代表了由于反射、符号间的干扰、模式分配噪声、激光器的啁啾声等引起的总的色散代价。由于发送机发出来的光不是理想的激光，而且在激光器处存在反射等等都引起了光的色散，在接收机处要对色散加以一定的处理，因此光通道代价是说明了发送机和接收机两个方面的性能。抖动漂移容限：简单地说，就是指：SDH分析仪在光的输入口对输入数据加抖动或者漂移，设备所能容忍最大的抖动或者漂移峰峰值应该不小于规范的数值。光输入口允许频偏：这个指标主要是测试接收机的锁相环能力，对光口输入频偏的允许能力。光纤通信系统设计的两大指标：中继距离和传输容量损耗受限系统：光纤通信的最大中继距离可能会受光纤损耗的限制色散受限系统：光纤通信的最大中继距离可能会受光纤色散的限制光纤通信系统设计T’,T:光端机和数字复接分接设备的接口；Tx：光发射机或中继器发射端；Rx：光接收机或中继器接收端；C1,C2:光纤连接器TTXRX中继器T’C1SRC2C1SRC2数字光纤线路系统S:靠近Tx的连接器C1的接收端；R:靠近Rx的连接器C2的发射端；SR:光纤线路，包括接头损耗受限系统中的中继距离可用下式计算：

L=(Pt-Pr-2Ac-Me-Pp)/(a+as+mc)Pt:光发送机平均发光功率。Pr：光接收机灵敏度。Ac：活动连接器的损耗，一般取Ac=0.5dB。Me:设备富余度，该指标主要考虑光终端设备在长期使用过程中会出现性能老化,一般取Me=3dB。Pp:光通道功率代价，该参数包括由于发射和由码间干扰、激光器的啁啾声引起的总色散代价，一般取Pp=1dB以下。a:光纤的损耗系数，典型值为1310nm波长，0.3~0.4dB/km；1550nm波长，0.15~0.25dB/km。as：平均每千米的接续损耗，在具体的施工中需要把一盘盘的光缆用熔接机连接起来才能形成较长的传输线路。每个熔接点的损耗可以保证在0.05dB以下。mc：光缆富裕度：光缆在长期运行过程中会产生老化，尤其随着温度的变化，其损耗系数会增加，故必须留出一定的裕量。一般取值为：0.1~0.2dB/km。光纤通信系统设计目录光纤介质特性及光通信原理WDM原理OTN原理

波分原理

光传送网络的发展PDH：准同步数字传输系统；SDH：同步数字传输系统；MSTP：多业务传送平台DWDM：密集波分复用系统；ASON：自动交换光网络（智能光网络）【关键知识点】1.不断提升光纤的带宽利用率2.技术演进使得设备更加智能化3.波分是提高带宽最好的技术

容量增加/业务多样化196680年代94年99年90年代初98年1976DWDM

开始建设SDH标准完善PDH仍为主力实用化产品出现SDH逐步成为传输主力设备PDH产品开始规模使用高锟提出光传输理论DWDM规模建设，全光网试验MSTP/ASON02年OTN/PTN/RTN21世纪粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念

波分原理

如何增加网络容量？系统扩容解决方案SDM铺设新光缆时间与成本TDM更高的比特速率STM-16→STM-64成本与复杂度WDM经济快速成熟SDM空分复用是靠增加光纤数量的方式线性增加传输的容量，传输设备也线性增加。TDM时分复用增加了线路比特速率，如STM-16到STM-64。对于更高速率的时分复用设备，成本较高，性价比差。WDM波分复用是将不同波长的光混合在一起进行传输，这些不同波长的光信号所承载的数字信号可以是相同速率、相同数据格式，也可以是不同速率、不同数据格式。粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念

波分原理

WDM系统概念引入这里可以将一根光纤看作是一个“多车道”的公用道路，传统的TDM系统只不过利用了这条道路的一条车道，提高比特率相当于在该车道上加快行驶速度来增加单位时间内的运输量。而使用DWDM技术，类似利用公用道路上尚未使用的车道，以获取光纤中未开发的巨大传输能力。Page47粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念1.高速公路:光纤

2.巡逻车:监控信号3.加油站:光中继（放大）站4.灰色汽车:不同的客户侧业务5.彩色汽车:不同通道（波长）内的承载业务

6.车道:光波长。高速公路加油站巡逻车

波分原理

WDM概念【工作原理】把不同波长的光信号复用到同一根光纤中进行传送，这种方式我们把它叫做波分复用（WavelengthDivisionMultiplexing）【优点】长距离、大容量DWDM技术是利用单模光纤的带宽以及低损耗的特性，采用多个波长作为载波，允许各载波信道在光纤内同时进行长距离传输。与通用的单信道系统相比，密集WDM（DWDM）不仅极大地提高了网络系统的通信容量，充分利用了光纤的带宽，而且它具有扩容简单和性能可靠等诸多优点，特别是它可以直接接入多种业务更使得它的应用前景十分光明。粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念IPSDHATMIPSDHATMλ1λ2λn

波分原理

波分系统结构【关键知识点】四大组成部分光波长转换单元（OTU）：由支路单元和线路单元构成，将非标准的波长转换为ITU-T所规范的标准波长，系统中应用光/电/光（O/E/O）的变换。光复用单元与解复用单元（OMU/ODU）：光复用器用于发送端，其每一个输入端口输入一个预选波长的光信号，输入的不同波长的光波由同一输出端口输出。光解复用器用于传输系统的接收端，正好与光合波器相反，它具有一个输入端口和多个输出端口，将多个不同波长信号分类开来光放大单元（OA）：可以对光信号进行直接放大，作为前置放大器、线路放大器、功率放大器使用。光监控信道（OSC)：是为WDM的光传输系统的监控而设立的，必须在EDFA之前下光路，而在EDFA之后上光路。粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念OTUOTUOTUOMUODUOTUOTUOTUOSCOSCOSCOAOAOA

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传输模式MUXDMUXM40M40OTUOTU【关键知识点】传输模式与应用场景单纤单向：单纤单向波分复用系统采用两根光纤，一根光纤只完成一个方向光信号的传输，反向光信号的传输由另一根光纤来完成。应用场景：现网波分主流方式单纤双向：只用一根光纤，在一根光纤中实现两个方向光信号的同时传输，两个方向光信号应安排在不同波长上。应用场景：PON，无线前传波分网络（节省光纤资源）等M40M40MUX/DMUXDMUX/MUXOTUOTU粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念

波分原理

粗细波分对比【定义】CWDM：稀疏波分复用（粗波分）DWDM：密集波分复用（细波分）【对比】1、传输距离：CWDM一般应用于距离相对较短的城域网，DWDM可用于国干、省干、地市等各级网络2、波长或频率间隔：CWDM为20nm，DWDM一般为50GHz或100GHz3、波道数量：CWDM一般使用8波，DWDM一般使用40波或80波4、带宽利用率：CWDM相对DWDM而言较低5、系统结构：CWDM相对DWDM而言较简单粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念扩展C波段192个波长,通道间隔25GHz196.075THz192.100THzC波段160个波长192.075THz扩展32个波长191.300THzITU-TG.694.1

波分原理

WDM中的关键技术光源技术光放大器技术监控技术关键技术光复用器与解复用器粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念

波分原理

【关键知识点】关于色散容限的说明：色散容限是光源对色散的容忍程度，光信号在光纤中传递时，实际色散值需在色散容限范围内，否则会影响信号质量。假设某10Gb/sOTU单板色散容限为800ps/nm，在G.652光纤中传输，其色散系数为20ps/nm.km（考虑到系统的色散冗余），其色散受限距离L=800/20=40km。也就是说：传输距离超过40km时就必须加入DCM进行补偿，所以色散容限越大越好。【功能描述】光源的作用是产生激光或荧光，它是组成光纤通信系统的重要器件【关键知识点】光源基本要求：1.输出标准且稳定的波长2.稳定的功率输出3.较大的色散容限粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念光源技术

波分原理

直接调制【工作原理】1、直接调制，又称为内调制，即直接对光源进行调制，通过控制半导体激光器的注入电流的大小来改变激光器输出光波的强弱。2、由于调制电流的变化将引起激光器发光谐振腔的长度发生变化，引起发射激光的波长随着调制电流线性变化，这种变化被称作调制啁啾，它实际上是一种直接调制光源无法克服的波长（频率）抖动。啁啾的存在展宽了激光器发射光谱的带宽，使光源的光谱特性变坏，限制了系统的传输速率和距离。【应用】在常规G.652光纤上使用时，传输距离≤100公里，传输速率≤2.5Gbit/s，常应用于CWDM系统中。粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念

波分原理

电吸收(EA)调制【工作原理】EA不直接调制光源，而是在光源的输出通路上外加调制器对光波进行调制，此调制器实际上起到一个开关的作用。恒定光源是一个连续发送固定波长和功率的高稳定光源，在发光的过程中，不受电调制信号的影响，因此不产生调制频率啁啾，光谱的谱线宽度维持在最小。光调制器对恒定光源发出的高稳定激光根据电调制信号以“允许”或者“禁止”通过的方式进行处理，而在调制的过程中，对光波的频谱特性不会产生任何影响，保证了光谱的质量。【应用】1、主要应用于传输速率2.5Gbit/s和10Gbit/s，传输距离超过300公里以上的系统；2、在使用光线路放大器的DWDM系统中，发射部分的激光器一般为EA调制方式的激光器。粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念

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PDM调制与相干接收【关键知识点】传统的波分调制采用的是对振幅的调制，PDM-QPSK调制方式是对相位的调制。【应用】PDM-QPSK调制，即偏振复用QPSK，是100G波分传送的最佳解决方案。【定义】1、PDM:PDM，把1个光信号分离成2个偏振方向，再把信号调制到这两个偏振方向上。2、QPSK:QPSK调制首先将两路28Gb/s的数字信号（2bit）转化成到光场的I-channel(实部)和Q-channel(虚部)两个分量，然后通过公式s(t)=I*Cosωt-Q*Sinωt=√2Cos(ωt+θ)转化成一个相位信号θ，这样一个相位信号θ就包含2比特的信息。θ的值为π/4，3π/4，5π/4和7π/4，分别代表00,01,11,10的信息。粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念IQ00011110映射关系转为图形(星座图)把信号矢量端点的分布图称为星座图。星座图完整、清晰的表达了数字调制的映射关系，数字调制也因此常被称为“星座调制”。θ3、相干光：两束满足相干条件的光称为相干光。在产生相干条件后，接收端可以比较方便的还原出经过“相位调制”的信号。相干条件(CoherentCondition)：这两束光在相遇区域：

①振动方向相同；

②振动频率相同；

③相位相同或相位差保持恒定。两束相干的光在相遇的区域内会产生干涉现象。

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PDM调制与相干接收【工作原理】第一步：在发送端，用偏振分束器，将激光分成x、y两个垂直的偏振方向。

x偏振方向已经经过QPSK调制的信号y偏振方向已经经过QPSK调制的信号粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念分离出y轴偏振信号b.经过偏振分束器a.

激光信号(电磁波)分离出x轴偏振信号光信号传播方向光子的偏振方向c.分离后的x、y信号分离出x轴偏振信号分离出y轴偏振信号第二步：用于发送端的激光被分成x、y两个偏振光后，x、y两个偏振光进行QPSK调制；调制后的信号，通过偏振合波器将x、y两个偏振方向上光信号合路到一根光纤上，然后进行合波与放大后上光缆传输。第三步：接收端将接收到的信号分离到x、y两个偏振方向上,利用相同频率的本振激光器与接收光信号进行相干，从接收信号中恢复幅度、相位及偏振状态信息。

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几种调制技术的对比类型直接调制电吸收调制相干调制色散容限(ps/nm)1200~40007200~1280040000成本适中贵昂贵波长稳定性好较好非常好应用场景2.5G波分10G40G波分40G100G波分粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念

波分原理

光放大器【功能描述】光放大器的工作不需要转换光信号到电信号，然后再转回光信号。这个特性导致光放大器比再生器有两大优势。1、光放大器支持任何比特率和信号格式，因为光放大器简单地放大所收到的信号。这种属性通常被描述为光放大器对任何比特率以及信号格式是透明的；2、光放大器不仅支持单个信号波长放大，而且支持一定波长范围的光信号放大。而且，只有光放大器能够支持多种比特率、各种调制格式和不同波长的时分复用和波分复用网络；3、目前现网中主流的光放大器为掺铒光纤放大器（EDFA）。粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念光放OA

波分原理

EDFA放大器的功能框图耦合器掺铒光纤隔离器泵浦源隔离器光电检测PINTAP信号输入TAP信号输出光电检测PIN粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念【EDFA特性】EDFA（ErbiumDopedFiberAmplifier）掺铒光纤放大器作为新一代光通信系统的关键部件，具有增益高、输出功率大、工作光学带宽较宽、与偏振无关、噪声指数较低、放大特性与系统比特率和数据格式无关等优点。它是大容量DWDM系统中必不可少的关键部件。【过程描述】1、输入光进入放大器后，由光电探测得到输入光功率值；2、隔离器隔离了掺铒光纤的自发辐射粒子，避免对输入信号产生干扰；3、信号光与泵浦源发出的泵浦光进过耦合器耦合后进入掺铒光纤放大；4、输出端隔离器隔离了输出端信号光的反射，避免反射对系统的影响；5、放大后的信号在输出端再次进行光电探测，得到输出端功率值。

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掺铒光纤放大器受激辐射Er3+离子能极图E2暂稳态E3激发态E1基态1550nm信号光子1550nm信号光子980nm泵浦光子【工作原理】掺铒光纤是光纤放大器的核心，它是一种内部掺有一定浓度Er3+的光纤。铒离子的外层电子具有三能级结构（图中E1、E2和E3），其中E1是基态能级，E2是亚稳态能级，E3是高能级。当用高能量的泵浦激光器来激励掺铒光纤时，可以使铒离子的束缚电子从基态能级大量激发到高能级E3上。高能级是不稳定的，因而铒离子很快会经历无辐射衰减（即不释放光子）落入亚稳态能级E2。E2能级是一个亚稳态的能带，在该能级上，粒子的存活寿命较长，受到泵浦光激励的粒子，以非辐射跃迁的形式不断地向该能级汇集，从而实现粒子数反转分布。由于掺铒光纤放大器的工作频率范围正好与1550nm窗口相匹配，当具有1550nm波长的光信号通过这段掺铒光纤时，亚稳态的粒子以受激辐射的形式跃迁到基态，并产生出和入射信号光中的光子一模一样的光子，从而大大增加了信号光中的光子数量，即实现了信号光在掺饵光纤传输过程中的不断被放大的功能。粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念

波分原理

EDFA的特性工作波长与单模光纤的最小衰减窗口一致耦合效率高能量转换效率高增益高、噪声指数较低、输出功率大良好的增益稳定性…增益区间固定受限，只能在1550nm窗口。EDFA的增益带宽很宽，但EDFA本身的增益谱不平坦。光浪涌问题,采用EDFA可使输入光功率迅速增大，但由于EDFA的动态增益变化较慢，在输入信号能量跳变的瞬间，将产生光浪涌。…优点缺点粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念

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光放大单元参数【关键知识点】输入标称光功率①输出标称光功率②单波最大输出标称光功率③增益OAPout②Pin①Pout③放大器作为一种有源光器件，其作用起到放大输入光的用途。增益作为放大器的重要指标，其单位是分贝。粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念OA

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光复用器与解复用器【功能描述】波分复用系统的核心部件是波分复用器件，即光复用器和光解复用器（有时也称合波器和分波器），实际上均为光学滤波器，其性能好坏在很大程度上决定了整个系统的性能。1、合波器的主要作用是将多个信号波长合在一根光纤中传输；2、分波器的主要作用是将在一根光纤中传输的多个波长信号分离。

WDM系统性能好坏的关键是WDM器件，其要求是复用信道数量足够、插入损耗小、串音衰耗大和通带范围宽等。粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念光复用器λ1λ2λn光解复用器λ1λ2λnλ1λ2λnλ1λ2λn

波分原理

波导阵列光栅(AWG)【工作原理】1、集成光波导型波分复用器是以光集成技术为基础的平面波导型器件，典型制造过程是在硅片上沉积一层薄薄的二氧化硅玻璃，并利用光刻技术形成所需要的图案并腐蚀成型。2、使用集成光波导波分复用器较有代表性的是日本NTT公司制作的阵列波导光栅（ArrayedWaveguideGrating）光合波分波器，具有波长间隔小、信道数多、通带平坦等优点，适用于超高速、大容量波分复用系统。M40/D40等均据此原理制作。【关键知识点】插损是无源光器件的重要指标。当光线经过无源光器件时，引起光功率的下降称为该器件的插损。粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念波导阵列光栅D40INMOND01………D40分光器

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光监控技术【基本描述】DWDM系统增加了一个波长信道专用于对系统的管理，这个信道就是所谓的光监控信道（OpticalSupervisingChannel－OSC）。OSC在进入光缆前与主光合路，从光缆入站后即与主光分离。【主要作用】1，站点之间及普通站点与网管间通信信息由OSC传递；2，可以快速判断光缆中断。【关键知识点】对光监控的要求：不应限制OA上的泵浦光波长。不应限制未来1310nm波长的业务；OSC监控波长：1510nm。OA失效时仍有效。可超长传输；具有分段双向传输功能。OSC的接收灵敏度可以达到-48dBm。OSC监控速率：2Mb/s。粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念FIUOTU1OTU2OTU3OTU4OTU1OTU2OTU3OTU4FIUOSCOSCSCCSCC

波分原理

OSC帧结构TS0TS1TS2TS3……TS14TS15TS16……TS31TS0 FA定帧字节TS17F2字节,同向数据透传TS1 E1字节,公务电话TS18F3字节,同向数据透传TS2F1字节,同向数据透传TS19E2字节,公务电话TS14ALC字节,自动光功率控制Others保留TS3-TS13,TS15D1-D12字节,DCC字节粗细波分对比光传输概念关键技术WDM概念目录光纤介质特性及光通信原理WDM原理OTN原理

OTN原理

OTN系统结构【关键知识点】与传统波分的对比1、强大的OAM：在传统波分系统中，OTU单元只是实现波长转换；在OTN系统中，OTU单元可以实现对客户数据的复用和封装，并加了对应开销和纠错技术，形成了OTN帧的形式，可以实现电层监控。2、灵活的电层交叉调度：引入交叉板，可以实现OTU单板间的电层交叉调度。现网用的比较多的把OTU单板进行拆分，分为支路板TU和线路板LU，他们之间也可以实现灵活的电层调度，并方便做电层保护。3、OTN系统还可以通过光层分叉复用单板实现光层的调度。帧结构与层次系统结构与电层交叉OM/OAOA/ODOSCOSCOSCOAXCSXCSTULULUTU……………………OTUOTUTULULUTU

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OTN中的关键技术帧结构与层次系统结构与电层交叉光源技术光放大器技术监控技术关键技术光复用器与解复用器光电交叉OTN帧

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光交叉基本概念帧结构与层次系统结构与光电交叉【定义】光交叉定义了波长业务的走向，光交叉就是可以动态创建的OCh（opticalchannel）级别的交叉，可实现波长调度【描述】1.以右图为例，NE1有东南西北四个出波方向，对于本地上波经过M40合波后，进入动态单板2.动态单板各分口（DMx）光均来自内部分光器，也就是说本地光被分成4份，这4份光性质相同，通过DM口送到4个方向上的动态单板3.假设要将本地第一波发往西向，此时西向上的动态单板通过内部器件WSS（波长选择开关）可以选择将第一波挑选出来，此时其他三个方向将不再选择这一波，这样第一波就被发往西向，如要发往东向，就由东向动态单板选择4.该选择由网管配置，由此可以进行波长级别的灵活调度

OTN原理

电交叉基本概念【作用】WDM设备的电交叉业务调度功能，将波分网络从一种静态网络发展成一种可以动态配置的网络。每个子业务均可以在任意站点独立执行穿通、上下、环回等操作，而不影响其他通道的业务，提供不同波长之间业务的汇聚和疏导。电交叉的分类按照交叉级别和粒度来分：包括GE、10GE、Any和ODUk等级别的交叉。按照交叉方式划分：包括集中交叉和分布式交叉。按照交叉位置划分：包括板内交叉和板间交叉。对于不同的设备类型和单板来说，支持交叉的级别和粒度是不同的。如OSN8800只支持集中交叉，OSN6800支持集中交叉和分布式交叉，当两种交叉同时存在时，系统优先使用分布式交叉。板内交叉：业务信号经交叉单元处理后仍然在本单板内部，交叉连接同一块单板内的客户侧RXTX端口1通道和波分侧201（LP1/LP1）端口1通道。板间交叉：业务信号经交叉单元处理后，经过背板发送至另一单板的交叉单元。帧结构与层次系统结构与光电交叉

OTN原理

N401N401T220T220电交叉业务信号流帧结构与层次系统结构与光电交叉【过程描述】1.以N401和T220单板为例，单板支持ODU2信号的交叉2.当要实现STM-64业务传送时，客户业务从T220客户侧进入，完成光电转换后，该电信号在T220内完成ODU2封装3.N401线路板通过集中交叉总线与T220支路板配合，完成ODU2业务的调度，经过调度和聚合后，该ODU2在N401单板内合入ODU4并封装成OTU4，最终在线路口上完成电光转换后输出。

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OTN信号帧结构382540801781415161738241234OPUk净荷OPUk

开销OPUk-光通道净荷单元ODUk开销ODUk–光通道数据单元客户信号客户信号OTUkFECOTUk开销OTUk–光通道传送单元

帧对齐帧对齐开销k:1－

2.5G2－10G3－

40G4－100G5－400G帧结构与层次系统结构与光电交叉【关键知识点】1、ODUk是前例中电交叉实现过程中的交叉单元。2、客户信号OPUkODUkOTUk依次递进，呈现包含关系。3、OTUk（k=1,2,3,4,5）帧为基于字节的4行4080列的块状结构。4、帧结构大致上可分为三大部分内容：帧头开销