第七章-光纤通信新技术课件

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年商用化年商用化的的EDFA出现后，出现后，DWDM和和EDFA相结合取得了巨大成功，引起了光纤通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。信技术的革命性变化。1l lml ll lt1tnt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的概念的概念光光波波分分复复用用(WDM：WavelengthDivisionMultiplexing)技技术术是是在在一一根根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术。光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术。光光波波分分复复用用（WDM）的的基基本本原原理理是是：在在发发送送端端将将不不同同波波长长的的光光信信号号组组合合起起来来(复复用用)，并并耦耦合合到到光光缆缆线线路路上上的的同同一一根根光光纤纤中中进进行行传传输输，在在接接收收端端又又将将组组合合波波长长的的光光信信号号分分开开(解解复复用用)，并并作作进进一一步步处处理理，恢恢复复出出原原信信号号后后送送入入不同的终端，因此将此项技术称为不同的终端，因此将此项技术称为光波长分割复用光波长分割复用，简称简称光波分复用技术光波分复用技术。7.2光波分复用技术光波分复用技术图图中心波长在中心波长在1.3m和和1.55m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1.55m传输窗口的多信道复用传输窗口的多信道复用)80001.02.03.04.0100012001400160018001 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？如如上上图图所所示示，在在光光纤纤的的两两个个低低损损耗耗传传输输窗窗口口：波波长长为为1.31m(1.251.35m)的的窗窗口口，相相应应的的带带宽宽(|f|=|c/|f|=|c/2 2|,和和分分别别为为中中心心波波长长和和相相应应的的波波段段宽宽度度，c为为真真空空中中光光速速)为为17700GHz；波波长长为为1.55m(1.501.60m)的窗口，的窗口，相应的带宽为相应的带宽为12500GHz。两两个个窗窗口口合合在在一一起起，总总带带宽宽超超过过30THz。如如果果信信道道频频率率间间隔隔为为10GHz，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。由由于于目目前前一一些些光光器器件件与与技技术术还还不不十十分分成成熟熟，因因此此要要实实现现光光信信道道十十分分密密集集的的光光频频分分复复用用(OFDM)还还较较为为困困难难。在在这这种种情情况况下下，人人们们把把在在同同一一窗窗口口中中 信信 道道 间间 隔隔 较较 小小 的的 波波 分分 复复 用用 称称 为为 密密 集集 波波 分分 复复 用用(DWDM：DenseWavelengthDivisionMultiplexing)。目目前前该该系系统统是是在在1550nm波波长长区区段段内内，同同时时用用8，16或或更更多多个个波波长长在在一一对对光光纤纤上上(也也可可采采用用单单光光纤纤)构构成成的的光光通通信信系系统统，其其中中各各个个波波长长之之间间的的间间隔隔为为1.6nm、0.8nm或更低，约对应于或更低，约对应于200GHz,100GHz或更窄的带宽。或更窄的带宽。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以往往技技术术人人员员习习惯惯采采用用WDM和和DWDM来来区区分分是是1310/1550nm简简单单复复用用还还是是在在1550nm波波长长区区段段内内密密集集复复用用，但但目目前前在在电电信信界界应应用用时时，都都采采用用DWDM技术。技术。由由于于1310/1550nm的的复复用用超超出出了了EDFA的的增增益益范范围围，只只在在一一些些专专门门场场合合应用，所以应用，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技技术术对对网网络络升升级级、发发展展宽宽带带业业务务(如如CATV，HDTV和和IPoverWDM等等)、充充分分挖挖掘掘光光纤纤带带宽宽潜潜力力、实实现现超超高高速速光光纤纤通通信信等等具具有有十十分分重重要要意义，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。目目前前，“掺掺铒铒光光纤纤放放大大器器(EDFA)+密密集集波波分分复复用用(WDM)+非非零零色色散散光光纤纤(NZDSF，即即G.655光光纤纤)+光光子子集集成成(PIC)”正正成成为为国国际际上上长长途途高高速速光光纤纤通通信线路的主要技术方向。信线路的主要技术方向。如如果果一一个个区区域域内内所所有有的的光光纤纤传传输输链链路路都都升升级级为为WDM传传输输，我我们们就就可可以以在在这这些些WDM链链路路的的交交叉叉(结结点点)处处设设置置以以波波长长为为单单位位对对光光信信号号进进行行交交叉叉连连接接的的光光交交叉叉连连接接设设备备(OXC)，或或进进行行光光上上下下路路的的光光分分插插复复用用器器(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。在在这这个个光光层层中中，相相邻邻光光纤纤链链路路中中的的波波长长通通道道可可以以连连接接起起来来，形形成成一一个个跨跨越越多多个个OXC和和OADM的的光光通通路路，完完成成端端到到端端的的信信息息传传送送，并并且且这这种种光光通通路路可可以以根根据据需需要要灵灵活活、动动态态地地建建立立和和释释放放，这这就就是是目目前前引引人人注注目目的的、新新一代的一代的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光波波分分复复用用器器和和解解复复用用器器是是WDM技技术术中中的的关关键键部部件件，将将不不同同波波长长的的信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)。反反之之，经经同同一一传传输输光光纤纤送送来来的的多多波波长长信信号号分分解解为为各各个个波波长长分分别别输输出出的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)。从从原原理理上上讲讲，这这种种器器件件是是互互易易的的(双双向向可可逆逆)，即即只只要要将将解解复复用用器器的的输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系系统统的的基基本本构构成成主主要要有有以以下下两两种种形形式式：双双纤纤单单向向传传输输和和单单纤纤双双向传输。向传输。(1)双纤单向传输。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。如如下下图图所所示示，在在发发送送端端将将载载有有各各种种信信息息的的、具具有有不不同同波波长长的的已已调调光光信信号号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。在在接接收收端端通通过过光光解解复复用用器器将将不不同同波波长长的的信信号号分分开开，完完成成多多路路光光信信号号传传输的任务。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(2)单单纤纤双双向向传传输输。双双向向WDM传传输输是是指指光光通通路路在在一一根根光光纤纤上上同同时时向向两两个个不不同同的的方方向向传传输输。如如下下图图所所示示，所所用用波波长长相相互互分分开开，以以实实现现双双向向全全双工的通信。双工的通信。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：如如为为了了抑抑制制多多通通道道干干扰扰(MPI)，必必须须注注意意到到光光反反射射的的影影响响、双双向向通通路路之之间间的的隔隔离离、串串扰扰的的类类型型和和数数值值、两两个个方方向向传传输输的的功功率率电电平平值值和和相相互互间间的的依依赖赖性性、光光监监控控信信道道(OSC)传传输输和和自自动动功功率率关关断断等等问问题题，同同时时要要使使用双向光纤放大器。用双向光纤放大器。所所以以双双向向WDM系系统统的的开开发发和和应应用用相相对对说说来来要要求求较较高高，但但与与单单向向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量。系统可以减少使用光纤和线路放大器的数量。另另外外，通通过过在在中中间间设设置置光光分分插插复复用用器器(OADM)或或光光交交叉叉连连接接器器(OXC)，可可使使各各波波长长光光信信号号进进行行合合流流与与分分流流，实实现现波波长长的的上上下下路路(Add/Drop)和和路路由由分分配配，这这样样就就可可以以根根据据光光纤纤通通信信线线路路和和光光网网的的业业务务量量分布情况，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光波波分分复复用用器器是是波波分分复复用用系系统统的的重重要要组组成成部部分分，为为了了确确保保波波分分复复用用系系统的性能，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)插插入入损损耗耗插插入入损损耗耗是是指指由由于于增增加加光光波波分分复复用用器器/解解复复用用器器而而产产生生的附加损耗，定义为该无源器件的输入和输出端口之间的光功率之比，即的附加损耗，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。(dB)(2)串串扰扰抑抑制制度度串串扰扰是是指指其其他他信信道道的的信信号号耦耦合合进进某某一一信信道道，并并使使该该信信道道传传输输质质量量下下降降的的影影响响程程度度，有有时时也也可可用用隔隔离离度度来来表表示示这这一一程程度度。对对于于解解复复用器用器其其中中Pi是是波波长长为为i的的光光信信号号的的输输入入光光功功率率，Pij是是波波长长为为i的的光光信信号号串串入入到到波长为波长为j信道的光功率。信道的光功率。其其中中Pj为为发发送送进进输输入入端端口口的的光光功功率率，Pr为为从从同同一一个个输输入入端端口口接接收收到到的返回光功率。的返回光功率。(3)回回波波损损耗耗回回波波损损耗耗是是指指从从无无源源器器件件的的输输入入端端口口返返回回的的光光功功率率与与输入光功率的比，即输入光功率的比，即(4)反反射射系系数数反反射射系系数数是是指指在在WDM器器件件的的给给定定端端口口的的反反射射光光功功率率Pr与与入射光功率入射光功率Pj之比，即之比，即(5)工工作作波波长长范范围围工工作作波波长长范范围围是是指指WDM器器件件能能够够按按照照规规定定的的性性能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应具有的波长间隔。(7)偏偏振振相相关关损损耗耗偏偏振振相相关关损损耗耗(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。是指由于偏振态的变化所造成的插入损耗的最大变化值。7.2.2WDM系统的基本结构系统的基本结构 实实际际的的WDM系系统统主主要要由由五五部部分分组组成成：光光发发射射机机、光光中中继继放放大大、光光接接收收机、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。光发射机光发射机光发射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ITUTG.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ITUTG.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。OTUOTU对输入端的信号波长没有特殊要求，可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信信号，其输出端满足号，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要的光接口，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；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：BoosterAmplifier)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。在在应应用用时时可可根根据据具具体体情情况况，将将EDFA用用作作“线线放放(LA：LineAmplifier)”,“功放功放(BA)”和和“前放前放(PA：Preamplifier)”。在在WDM系系统统中中，对对EDFA必必须须采采用用增增益益平平坦坦技技术术，使使得得EDFA对对不不同同波波长长的的光光信信号号具具有有接接近近相相同同的的放放大大增增益益。与与此此同同时时，还还要要考考虑虑到到不不同同数数量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。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。在在接接收收端端，光光前前置置放放大大器器(PA)放放大大经经传传输输而而衰衰减减的的主主信信道道光光信信号号，分分波波器器从从主主信信道道光光信信号号中中分分出出特特定定波波长长的的光光信信号号。接接收收机机不不但但要要满满足足一一般般接接收收机机对对光光信信号号灵灵敏敏度度、过过载载功功率率等等参参数数的的要要求求，还还要要能能承承受受有有一一定定光光噪噪声的信号，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：OpticalSupervisoryChannel)的主要功能是：的主要功能是：监监控控系系统统内内各各信信道道的的传传输输情情况况，在在发发送送端端，插插入入本本结结点点产产生生的的波波长长为为s(1510nm)的的光光监监控控信信号号，与与主主信信道道的的光光信信号号合合波波输输出出；在在接接收收端端，将将接接收到的光信号分离，输出收到的光信号分离，输出s(1510nm)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。帧帧同同步步字字节节、公公务务字字节节和和网网管管所所用用的的开开销销字字节节等等都都是是通通过过光光监监控控信信道道来传送的。来传送的。网网网网络络络络管管管管理理理理系系系系统统统统通通过过光光监监控控信信道道物物理理层层传传送送开开销销字字节节到到其其他他结结点点或或接接收收来来自自其其他他结结点点的的开开销销字字节节对对WDM系系统统进进行行管管理理，实实现现配配置置管管理理、故故障障管管理理、性能管理和安全管理性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。目目前前国国际际上上已已商商用用的的系系统统有有：42.5Gb/s(10Gb/s),82.5Gb/s(20Gb/s),162.5Gb/s(40Gb/s),402.5Gb/s(100Gb/s),3210Gb/s(320Gb/s),4010Gb/s(400Gb/s)。实实验验室室已已实实现现了了8240Gb/s(3.28Tb/s)的的速速率率，传传输输距距离离达达3100km=300km。OFC2000(OpticalFiberCommunicationConference)提提供供的的情况有：情况有：Bell Labs:82路路40 Gb/s=3.28 Tb/s在在3100 km=300 km的的TrueWave(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；日日本本NEC:16020Gb/s=3.2Tb/s，利利用用归归零零信信号号沿沿色色散散平平坦坦光光纤纤，经过增益宽度为经过增益宽度为64nm的光纤放大器，传输距离达的光纤放大器，传输距离达1500km;日日本本富富士士通通(Fujitsu):128路路10.66Gb/s，经经过过C和和L波波带带（注注：C波波带带为为15251565nm，L波波带带为为15701620nm），用用分分布布喇喇曼曼放放大大(DRA:DistributedRamanAmplification),传输距离达传输距离达6140km=840km;日日本本NTT：30路路42.7Gb/s，利利用用归归零零信信号号，经经过过增增益益宽宽度度为为50nm的光纤放大器，传输距离达的光纤放大器，传输距离达3125km;美美国国LucentTech:100路路10Gb/s=1Tb/s，各各路路波波长长的的间间隔隔缩缩小小到到25GHz,利用利用L波带，沿波带，沿NZDF光纤光纤(G.655光纤光纤)传输传输400km;美美国国Mciworldcom和和加加拿拿大大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200km;美美国国Qtera和和Qwest:两两个个波波带带4路路10Gb/s和和2路路10Gb/s沿沿NZDF光光纤纤传传输输23105km=2415km,这这个个试试验验虽虽然然WDM路路数数不不多多，但但在在陆陆地地光光缆缆中却是最长距离。中却是最长距离。武武汉汉邮邮科科院院：12160公公里里的的单单根根光光纤纤（G.652）上上每每秒秒传传输输数数据据达达到到了了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8040Gbit/s系统（系统（国家国家“863”项目），该系统容量相当于四项目），该系统容量相当于四千万对人同时通话。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1Tbit/s后，由于受光信噪比、非后，由于受光信噪比、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）光通信基础研究的热点。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数流量为例，则一根光纤所能支持的最大用户数量为量为4万户。而对于万户。而对于1Tb/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。7.2.3WDM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。7.2.3WDM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随着着传传输输速速率率的的不不断断提提高高，许许多多光光电电器器件件的的响响应应速速度度已已明明显显不不足足，使使用用WDM技技术术可可降降低低对对一一些些器器件件在在性性能能上上的的极极高高要要求求，同同时时又又可可实实现现大大容容量量传输。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。光光滤滤波波器器在在WDM系系统统中中是是一一种种重重要要元元器器件件，与与波波分分复复用用有有着着密密切切关关系，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(WavelengthAdd/DropMultiplexer,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l1 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l1,l2,l3,l4l,l,l234 波分复用器波分复用器l1l2l3l4图图波分复用器中应用波分复用器中应用l1,l2,l3,l4 图图波长路由器波长路由器 波长路由器l1,l2,l3,l4l1,l2,l3,l411112222l1,l2,l3,l42112l1,l2,l3,l41221波波长长路路由由器器是是波波长长选选路路网网络络(WavelengthRoutingNetwork)中中的的关关键键部件，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它有有两两个个输输入入端端口口和和两两个个输输出出端端口口，每每路路输输入入都都载载有有一一组组1,2,3和和4WDM信号。信号。如如果果一一个个波波长长路路由由器器的的路路由由方方式式不不随随时时间间变变化化，就就称称为为静静态态路路由由器器；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。波波长长分分插插复复用用器器可可以以看看成成是是波波长长路路由由器器的的简简化化形形式式，它它只只有有一一个个输输入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)一一个个好好的的光光滤滤波波器器应应有有较较低低的的插插入入损损耗耗，并并且且损损耗耗应应该该与与输输入入光光的的偏振态无关。偏振态无关。在在大大多多数数系系统统中中，光光的的偏偏振振态态随随机机变变化化，如如果果滤滤波波器器的的插插入入损损耗耗与与光光的的偏偏振振有有关关(PDL:PolarizationdependentLoss),则则输输出出光光功功率率将将极极其其不不稳稳定。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。温温度度系系数数是是指指温温度度每每变变化化1的的波波长长漂漂移移。一一个个WDM系系统统要要求求在在整整个个工工作作温温度度范范围围(大大约约100)内内，波波长长漂漂移移应应该该远远小小于于相相邻邻信信道道的的波波长长间间隔。隔。(3)在在一一个个WDM系系统统中中，随随着着级级联联的的滤滤波波器器越越来来越越多多，系系统统的的通通带带就变得越来越窄。就变得越来越窄。为为了了确确保保在在级级联联的的末末端端还还有有一一个个相相当当宽宽的的通通带带，单单个个滤滤波波器器的的通通带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，如下图所示。图图光滤波器的光滤波器的1dB带宽带宽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 l411 3光纤布喇格光栅光纤布喇格光栅l l1l l3l l4l l l l l l42l l23l 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 l23l l1l l2l l3l l41光纤布喇格光栅光纤布喇格光栅2l2l1l3l4耦合器耦合器l27.3OTDM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，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(Bitinterleaved)信元间插信元间插(Cellinterleaved)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Mod1Mod2Modn合合路路器器光光分分路路器器T(n1)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（520GHz）、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。能满足这超窄光脉冲，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（些要求的光源主要有锁模环形光纤激光器（MLFRL）、锁模半导体激光）、锁模半导体激光器、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激光器和超连激光器和超连续脉冲发生器。其中续脉冲发生器。其中MLFRL的特点是产生的脉冲几乎没有啁啾，在的特点是产生的脉冲几乎没有啁啾，在40GHz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级的超短变级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。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。是将超高速光信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、四波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（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解）及太赫兹光学非对称解复用器（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（1ps）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，它的信）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，不同信道之间相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发送或接收信号，不需要网际规模的时钟同步。互独立地发送或接收信号，不需要网际规模的时钟同步。OCDMOCDM的异步操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一定的安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，全性，从其潜在的优势及应用前景来看，OCDMOCDM能满足目前及将来通信发能满足目前及将来通信发展的要求，即异步、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。原因是在在现现有有通通信信网网络络中中，高高速速光光纤纤通通信信系系统统仅仅仅仅充充当当点点对点的传输手段，网络中重要的交换功能还是采用电子交换技术。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。传传统统电电子子交交换换机机的的端端口口速速率率只只有有几几Mb/s到到几几百百Mb/s，不不仅仅限限制制了了光光纤纤通通信信网网络络速速率率的的提提高高，而而且且要要求求在在众众多多的的接接口口进进行行频频繁繁的的复复用用/解解复复用用，光光/电电和和电电/光光转转换换，因因而而增增加加了了设设备备复复杂杂性性和和成成本本，降降低低了了系系统统的的可可靠靠性。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交换波分光交换虽虽然然采采用用异异步步转转移移模模式式(ATM)可可提提供供155Mb/s或或更更高高的的速速率率，能能缓缓解解这这种种矛矛盾盾，但但电电子子线线路路的的极极限限速速率率约约为为20Gb/s。要要彻彻底底解解决决高高速速光光纤纤通通信网存在的矛盾，只有实现全光通信，而光交换是全光通信的关键技术。信网存在的矛盾，只有实现全光通信，而光交换是全光通信的关键技术。7.5.1空分光交换空分光交换空分光交换空分光交换的功能是：的功能是：使光信号的传输通路在空间上发生改变。使光信号的传输通路在空间上发生改变。空空分分光光交交换换的的核核心心器器件件是是光光开开关关。光光开开关关有有电电光光型型、声声光光型型和和磁磁光光型型等等多多种种类类型型，其其中中电电光光型型光光开开关关具具有有开开关关速速度度快快、串串扰扰小小和和结结构构紧紧凑凑等优点，有很好的应用前景。等优点，有很好的应用前景。典典型型光光开开关关是是用用钛钛扩扩散散在在铌铌酸酸锂锂(Ti:LiNbO3)晶晶片片上上形形成成两两条条相相距距很很近的光波导构成的，并通过对电压的控制改变输出通路。近的光波导构成的，并通过对电压的控制改变输出通路。下下图图是是由由4个个12光光开开关关器器件件组组成成的的22光光交交换换模模块块。12光光开开关关器器件件就就是是Ti:LiNbO3定向耦合器型光开关，定向耦合器型光开关，只是少用了一个输入端而已。只是少用了一个输入端而已。图图 空分光交换空分光交换(a)2(a)22 2光交换单元光交换单元12光交换器件光交换器件(a)这种这种22光交换模块是最基本的光交换单元，它有两个输入端和两个光交换模块是最基本的光交换单元，它有两个输入端和两个输出端，通过电压控制，可以实现平行连接和交叉连接，如图输出端，通过电压控制，可以实现平行连接和交叉连接，如图(b)所示。所示。图图a a 空分光交换空分光交换 图图b b 平行连接和交叉连接平行连接和交叉连接平行联接平行联接交叉联接交叉联接(b)图图c是是由由16个个12光光开开关关器器件件或或4个个22光光交交换换单单元元组组成成的的44光光交交换换单单元。元。图图 空分光交换空分光交换 图图c 4c 44 4光交换单元光交换单元 定向定向耦合器耦合器光波导光波导光信号输出光信号输出光信号输入光信号输入(c)7.5.2时分光交换时分光交换时分光交换时分光交换是以时分复用为基础，用时隙互换原理实现交换功能的。是以时分复用为基础，用时隙互换原理实现交换功能的。时时分分复复用用是是把把时时间间划划分分成成帧帧，每每帧帧划划分分成成N个个时时隙隙，并并分分配配给给N路路信信号号，再再把把N路路信信号号复复接接到到一一条条光光纤纤上上。在在接接收收端端用用分分接接器器恢恢复复各各路路原原始始信信号，号，如下图所示。如下图所示。1复复接接器器2N分分接接器器12N12N时隙时隙帧帧(a)图图时分光交换时分光交换时分复用原理时分复用原理所所谓谓时时隙隙互互换换，就就是是把把时时分分复复用用帧帧中中各各个个时时隙隙的的信信号号互互换换位位置置。如如下下图图，首首先先使使时时分分复复用用信信号号经经过过分分接接器器，在在同同一一时时间间内内，分分接接器器每每条条出出线线上上依依次次传传输输某某一一个个时时隙隙的的信信号号；然然后后使使这这些些信信号号分分别别经经过过不不同同的的光光延延迟迟器器件件，获得不同的延迟时间；最后用复接器把这些信号重新组合起来。获得不同的延迟时间；最后用复接器把这些信号重新组合起来。1234分分接接器器1延迟延迟1延迟延迟22延迟延迟33延迟延迟44(b)复复接接器器输入输入输出输出4132图图 时分光交换时分光交换 时隙互换原理时隙互换原理图图 时分光交换等效的空分交换时分光交换等效的空分交换12341234(c)下图示出时分光交换的下图示出时分光交换的空分等效空分等效。7.5.3波分光交换波分光交换波波分分光光交交换换(或或交交叉叉连连接接)是是以以波波分分复复用用原原理理为为基基础础，采采用用波波长长选选择择或或波长变换的方法实现交换功能的。波长变换的方法实现交换功能的。图图7.33(a)和和(b)分别示出分别示出波长选择法交换波长选择法交换波长选择法交换波长选择法交换和和波长变换法交换波长变换法交换波长变换法交换波长变换法交换的原理框图。的原理框图。图图7.33(a)波分交换的原理框图：波长选择法交换波分交换的原理框图：波长选择法交换l l1空分交换空分交换l l2空分交换空分交换l l3空分交换空分交换l lW空分交换空分交换l l1,l l2l lW12NN21WDMXWMUX分波器分波器合波器合波器(a)l l1,l l2l lWl l1,l l2l lWl l1,l l2l lWl l1,l l2l lWl l1,l l2l lWl l1l l2l lWNW NW空分交换空分交换l l1l l2l lWl l1l l2l lWl l1l l2l lWl l1l l2l lWl l1l l2l lWl l1l l2l lWl l1l l2l lW12N12NWDMXWMUX波长变换器波长变换器(b)图图7.33(b)波分交换的原理框图：波长变换法交换波分交换的原理框图：波长变换法交换设设波波分分交交换换机机的的输输入入和和输输出出都都与与N条条光光纤纤相相连连接接，这这N条条光光纤纤可可能能组组成一根光缆。成一根光缆。每每条条光光纤纤承承载载W个个波波长长的的光光信信号号。从从每每条条光光纤纤输输入入的的光光信信号号首首先先通通过分波器过分波器(解复用器解复用器)WDM分为分为W个波长不同的信号。个波长不同的信号。所所有有N路路输输入入的的波波长长为为i(i=1,2,W)的的信信号号都都送送到到i空空分分交交换换器器，在在那那里里进进行行同同一一波波长长N路路(空空分分)信信号号的的交交叉叉连连接接，到到底底如如何何交交叉叉连连接接，将将由由控制器决定。控制器决定。然然后后，以以W个个空空分分交交换换器器输输出出的的不不同同波波长长的的信信号号再再通通过过合合波波器器(复复用用器器)WMUX复复接接到到输输出出光光纤纤上上。这这种种交交换换机机当当前前已已经经成成熟熟，可可应应用用于于采采用用波波长长选选路路的的全全光光网网络络中中。但但由由于于每每个个空空分分交交换换器器可可能能提提供供的的连连接接数数为为NN,故故整整个个交交换换机机可可能能提提供供的的连连接接数数为为NW，比比下下面面介介绍绍的的波波长长变变换换法法少。少。波波长长变变换换法法与与波波长长选选择择法法的的主主要要区区别别是是用用同同一一个个NWNW空空分分交交换换器器处处理理NW路路信信号号的的交交叉叉连连接接，在在空空分分交交换换器器的的输输出出必必须须加加上上波波长长变变换换器器，然然后后进进行行波波分分复复接接。这这样样，可可能能提提供供的的连连接接数数为为N2W2，即即内内部部阻阻塞塞概率较小。概率较小。波长变换器将在波长变换器将在7.7节介绍。节介绍。7.6光光孤孤子子通通信信“孤子孤子”是是soliton的译名，最早是英国海军工程师的译名，最早是英国海军工程师1834偶然发现的船偶然发现的船舶在河流中航行时形成一种特殊的形状不变的水波，当时称之为孤波舶在河流中航行时形成一种特殊的形状不变的水波，当时称之为孤波（solitorywave）。）。光学中孤波现象的研究起始于光学中孤波现象的研究起始于1965年，在光学中孤子这个词描述光脉年，在光学中孤子这个词描述光脉冲包络在非线性介质中传播时不仅不失真，而且象粒子那样经受碰撞仍保冲包络在非线性介质中传播时不仅不失真，而且象粒子那样经受碰撞仍保持原形而继续存在，称之为光学孤子或光孤子（持原形而继续存在，称之为光学孤子或光孤子（opticalsoliton）1973年在理论上推断光纤中能够形成孤子。年在理论上推断光纤中能够形成孤子。1980年用实验性方法在光纤中观察到孤子。并且当年提出了将光孤子用作年用实验性方法在光纤中观察到孤子。并且当年提出了将光孤子用作信息载体，构建一种新的光纤通信方案，称之为光纤孤子通信，或简称光信息载体，构建一种新的光纤通信方案，称之为光纤孤子通信，或简称光孤子通信。孤子通信。光孤子光孤子(Soliton)是经光纤长距离传输后，其幅度和宽度都不变的超短是经光纤长距离传输后，其