光通信与光网络技术课件

光通信与光网络技术光通信与光网络技术清华大学电子工程系 李 艳 和 2000年11月20日1光通信与光网络技术清华大学电子工程系1Howcouldwegetthephotons“Smart”Howcouldweachievethebitrate“limit”-Petabit/s2Howcouldwegetthephotons“光通信基本概念什么是通信？什么是通信？“通”传送，“信”信息；信息的传送基本组成：发送、传输、接收什么是光通信？什么是光通信？用光波载运信息，实现通信什么是光纤通信？什么是光纤通信？以光波载运信息，用光纤作传输媒体，实现通信3光通信基本概念什么是通信？3光纤通信器件的发展过程光纤通信器件的发展过程雏形：古代烽火、手旗、灯光雏形：古代烽火、手旗、灯光1880年年 贝尔的光电话贝尔的光电话激光器激光器光纤光纤1960 Maiman发明红宝石激光器发明红宝石激光器1962 半导体激光器诞生（半导体激光器诞生（GaAs 870nm)70 年代室温工作年代室温工作LD(GaAsAl 850nm)1300、1550nm 多模多模LD静态单模静态单模LD动态单模动态单模LD1951 医用玻璃纤维（损耗医用玻璃纤维（损耗1000dB/km）1965 E.Miller 透镜光波导透镜光波导1966 高锟高锟 理论预言理论预言1970 康宁制出低损耗光纤康宁制出低损耗光纤(20dB/km)1300、1550nm低损耗窗口光纤开发低损耗窗口光纤开发单模光纤单模光纤4光纤通信器件的发展过程雏形：古代烽火、手旗、灯光1880年光纤通信系统的发展历程光纤通信系统的发展历程70年代，室内光纤通信实验年代，室内光纤通信实验76年后，实用光纤通信系统出现年后，实用光纤通信系统出现80年美国电报电话公司年美国电报电话公司45Mb/s光纤通信系统光纤通信系统FT-3商用商用光纤通信的发展经历了短波长光纤通信的发展经历了短波长-长波长、多模光纤长波长、多模光纤-单单模光纤、低速率模光纤、低速率-高速率，大体上可分为四代：高速率，大体上可分为四代：第一代：多模光纤、工作波长第一代：多模光纤、工作波长850nm第二代：多模及单模光纤、多模激光器、工作波长第二代：多模及单模光纤、多模激光器、工作波长1330nm第三代：单模光纤第三代：单模光纤、单模激光器、工作波长、单模激光器、工作波长1550nm第四代：采用掺铒光纤放大器（第四代：采用掺铒光纤放大器（EDFA）铺设光纤：几千万公里铺设光纤：几千万公里 传输速率：从传输速率：从565Mb/s10Gb/s，甚至，甚至40Gb/s.5光纤通信系统的发展历程70年代，室内光纤通信实验铺设光纤光纤通信的优点光纤通信的优点频带宽、信息容量大频带宽、信息容量大传输损耗低、无中继距离远传输损耗低、无中继距离远材料丰富材料丰富抗电磁干扰抗电磁干扰光纤间串话小，保密性好光纤间串话小，保密性好耐腐蚀、耐高压耐腐蚀、耐高压体积小、质量轻体积小、质量轻6光纤通信的优点频带宽、信息容量大6光纤通信的发展趋势光纤通信的发展趋势基本目标：基本目标：发挥光纤带宽潜力发挥光纤带宽潜力克服光纤损耗、色散克服光纤损耗、色散限制限制延长中继距离延长中继距离扩大传输容量扩大传输容量减低成本减低成本光纤通信新技术光纤通信新技术光电集成技术（光电集成技术（OEIC）密集波分复用密集波分复用（DWDM）光时分复用（光时分复用（OTDM）全光网络技术全光网络技术光接入网光接入网孤子通信技术孤子通信技术7光纤通信的发展趋势基本目标：光纤通信新技术7通信技术通信技术波段及频率的划分波段代号频率范围(GHz)L12S24C48X812Kv1218K1827Ka2740通信技术波段及频率的划分波段代号SDH复用等级和接口速率SDH中国、欧洲STM1STM4STM16STM64速率Mb/s155.520622.0802448.3209953.280话路数SDH（SONET）1920768030720122880SDH(SONET)OC3OC12OC48OC192话路数SDH中国、欧洲20168064322561290249SDH复用等级和接口速率SDHSTM1STM4光纤通信系统概述光纤通信系统概述拓扑结构12N32111111点对点系统一点对多点系统光纤网络系统组成电信号光发射机光接收机电信号光纤电信号光发射机光接收机电信号光纤中继器无中继系统中继系统O-E-O中继器EDFA10光纤通信系统概述拓扑结构12N32111111点对点系统一点全国光纤总用量截止到1998年底1540万公里其中中国电信占74.40%广播电视占13.00%中国联通占4.90%中国铁道占3.40%中国电力占1.10%其他占3.20%11全国光纤总用量截止到1998年底1540万公里11全国光缆总用量截止1998年底共138万公里其中中国电信占65.22%广播电视占18.84%中国联通占1.74%中国铁道占4.71%中国电力占1.09%其他占8.40%12全国光缆总用量截止1998年底共138万公里12中国电信光缆建设历程从九十年代初开始到1995年底共敷设长途光缆约11万公里,基本建成PDH网到1998年底共敷设长途光缆约17万公里,基本建成“八纵八横”采用SDH技术的省际干线网1998年开始采用DWDM技术扩容13中国电信光缆建设历程从九十年代初开始13“八五”期间干线光缆建设简况建设省际光缆干线22条，约3.8万公里采用PDH技术传输速率:140Mbit/s、565Mbit/s设备供应厂家：武汉院、韩国三星、日本FUJITSU、澳大利亚NEC、美国LUCENT、PKI、意大利ITALTEL按每条干线设置网管设备14“八五”期间干线光缆建设简况建设省际光缆干线22条，约3.8“八五”期间干线光缆建设简况系统工作波长1310nmG.652光纤中继距离6070公里光缆芯数1224除拉萨外,各个省会均有干线光缆联通,树形网,没有保护15“八五”期间干线光缆建设简况系统工作波长1310nm15“九五”期间干线光缆建设简况建设省际光缆干线28条，约4万公里采用SDH和DWDM技术传输速率:622Mbit/s、2.5Gbit/s、10Gbit/s设备供应厂家：SDH：FUJITSU、NEC、LUCENT、SIEMENS、GPT、ALCATEL、NORTEL、ERICSSON、ECI、武汉院DWDM：LUCENT、NEC、ALCATEL16“九五”期间干线光缆建设简况建设省际光缆干线28条，约4万公“九五”期间干线光缆建设简况按省设置网管设备系统工作波长1550nmG.652光纤及G.653光纤中继距离7080公里光缆芯数3648所有省会均有干线光缆联通除拉萨外,各个省会均有两个以上干线光缆出口格形网，缺乏必要的保护措施17“九五”期间干线光缆建设简况按省设置网管设备17“九五”期间干线光缆建设简况八纵牡丹江上海广州；齐齐哈尔北京三亚；呼和浩特太原北海；哈尔滨天津上海；北京九江广州；呼和浩特西安昆明；兰州西宁拉萨；兰州贵阳南宁18“九五”期间干线光缆建设简况18“九五”期间干线光缆建设简况八横天津呼和浩特兰州；青岛石家庄银川；上海南京西安；连云港乌鲁木齐伊宁；上海武汉重庆；杭州长沙成都；广州南宁昆明；上海广州昆明19“九五”期间干线光缆建设简况19国际光缆建设情况自1989年开始参与中日光缆，全长1200km，565Mbit/s，1993年12月15日开通中韩光缆，全长546km，565Mbit/s，1996年2月9日开通FLAG，全长27000km，10Gbit/s，1997年11月22日开通20国际光缆建设情况自1989年开始参与20国际光缆建设情况亚欧陆地光缆，全长27000km，622Mbit/s，1998年10月开通中国东南亚陆地光缆，全长6900km，2.5Gbit/s，正在建设亚欧海底光缆，全长38000km，40Gbit/s，预计1999年9月开通中美海底光缆，全长26000km，20Gbit/s，预计1999年底开通21国际光缆建设情况亚欧陆地光缆，全长27000km，622MbDWDM干线建设情况使用DWDM技术的干线:京汉广；京津沪；京太西；沪福穗；汉宁沪；成渝；济青；广汕采用82.5Gbit/s全长约13000公里，居世界第二设备供应厂家：LUCENT、NEC、NORTEL、ALCATEL、武汉院和大唐22DWDM干线建设情况使用DWDM技术的干线:京汉广；京波分复用波分复用(WDM)通信技术通信技术23波分复用(WDM)通信技术23第三传输窗口第三传输窗口第三传输窗口第三传输窗口第二传输窗口第二传输窗口第二传输窗口第二传输窗口第一传输窗口第一传输窗口第一传输窗口第一传输窗口13001550850紫外吸收紫外吸收紫外吸收紫外吸收红外吸收红外吸收红外吸收红外吸收瑞利散射瑞利散射瑞利散射瑞利散射0.22.5损损 耗耗(dB/km)波波 长长(nm)光光光光 纤纤纤纤 损损损损 耗耗耗耗 谱谱谱谱 特特特特 性性性性OHOH离子吸收峰离子吸收峰离子吸收峰离子吸收峰光纤带宽：光纤带宽：1300nm窗口约窗口约100nm，1550nm窗口约窗口约100nm，共共200nm，约，约30THz24第三传输窗口第二传输窗口第一传输窗口13001550850紫2、时分复用（、时分复用（TDM）存在的问题：）存在的问题：“电子瓶颈电子瓶颈”限制：限制：10Gb/s40Gb/s光纤色散限制光纤色散限制单波长通信系统远不能有效利用光纤带宽单波长通信系统远不能有效利用光纤带宽signal1signal21011100111001011TDMsignal问题的提出问题的提出252、时分复用（TDM）存在的问题：signal1signal3、波分复用（、波分复用（WDM）一根一根 光纤光纤 同时传输几个不同波长的光载波，每个光载同时传输几个不同波长的光载波，每个光载波携带不同的信息波携带不同的信息-波分复用（波分复用（WDM）1234WDM二、发展历程二、发展历程1977年首先提出年首先提出1300/1550双波长复用系统双波长复用系统波长间隔波长间隔=200GHz(1.6nm)复用系统复用系统波长间隔为波长间隔为100GHz、50GHz密集波分复用系统密集波分复用系统WDM技术成为目前光纤通信最具代表性的先进技术技术成为目前光纤通信最具代表性的先进技术光纤光纤问题的提出问题的提出263、波分复用（WDM）1234W光发射机中继器中继器中继器光接收机光发射机中继器中继器中继器光接收机光发射机中继器中继器中继器光接收机光发射机中继器中继器中继器光接收机光发射机光发射机光发射机光发射机N123光接收机光接收机光接收机光接收机N123复用器解复用器EDFA波长稳定、窄线宽高速、小啁啾调制窄带、小串话、稳定滤波增益平坦、宽带、较高输出功率高灵敏度宽动态范围系统构成系统构成27光发射机中继器中继器中继器光接收机光发射机中继器中继器中继器关键器件与关键技术关键器件与关键技术复用复用/解复用器解复用器光放大器（光放大器（EDFA）光发射机光发射机28关键器件与关键技术复用/解复用器281、复用、复用/解复用器解复用器功用：功用：在波分复用（WDM）系统中，将不同波长的光信号复合注入到一根光纤（复用复用），或者相反地把复合的不同波长信号分离开来（解复用解复用）类型：类型：多层介质膜多层介质膜 阵列波导光栅（阵列波导光栅（array-waveguide-grating AWG）衍射光栅型衍射光栅型关键器件与关键技术关键器件与关键技术291、复用/解复用器功用：关键器件与关键技术29 解复用器的传输特性解复用器的传输特性对解复用器件的要求对解复用器件的要求3-dB带宽小于信道间隔的一半带宽小于信道间隔的一半交叉点损耗（相对于峰值损耗）大于交叉点损耗（相对于峰值损耗）大于20dB30解复用器的传输特性对解复用器件的要求3-dB带宽小于信道间多层介质膜解复用器多层介质膜解复用器特点：特点：利用具有不同透射波长的多层介质薄膜实现解复用利用具有不同透射波长的多层介质薄膜实现解复用 信道间隔（目前信道间隔（目前=0.8nm）端口数（达端口数（达32 康宁）康宁）有色散滤波有色散滤波 无源无源 可通过级联的方法扩展端口可通过级联的方法扩展端口24687531玻璃基片12.831多层介质膜解复用器特点：24687531玻璃阵列波导光栅（阵列波导光栅（AWG array-waveguide-grating）输入波导输入波导输出波导输出波导阵列波导阵列波导片状波导片状波导工作原理：工作原理：2、通道间隔、通道间隔 dLf x片状波导片状波导半波片半波片,偏振补偿偏振补偿1、多光束干涉、多光束干涉32阵列波导光栅（AWGarray-waveguide-gra4、特点：、特点：信道间隔（信道间隔（1.6 0.8 0.4nm）端口（端口（1 8 1 16 1 32 1 64)需要温控（需要温控（0.01nm/C0)无色散滤波（图无色散滤波（图15）3、通带特性、通带特性 会聚光点的大小，通常取会聚光点的大小，通常取45 mf0334、特点：3、通带特性会聚光点的大小，通常取衍射光栅型解复用器：衍射光栅型解复用器：输入光纤输出光纤1N1.N单模光纤单模光纤光波导光波导InP材料材料光栅光栅工作原理工作原理:光栅衍射34衍射光栅型解复用器：输入光纤输出光纤1N1.N关键器件与关键技术关键器件与关键技术复用复用/解复用器解复用器光放大器（光放大器（EDFA）光发射机光发射机35关键器件与关键技术复用/解复用器352、EDFA要求要求:增益平坦较高的输出功率增益特性增益特性15441569典型的EDFA增益谱固有的增益不平坦增益差随级联放大而积累增大各信道的信噪比差别增大各信道的接收灵敏度不同关键器件与关键技术关键器件与关键技术362、EDFA要求:增益特性15441569典型的EDFA增益光发射机光发射机光发射机光发射机N123光接收机光接收机光接收机光接收机N123EDFA光功率光功率BER接收光功率波长波长37光发射机光发射机光发射机光发射机N123光接收机光增益平坦增益平坦/均衡技术均衡技术滤波器均衡滤波器均衡：采用透射谱与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器使增益平坦,如：紫外写入长周期光纤光栅、周期调制的双芯光纤等。只能实现静态增益谱的平坦，在信道功率突变时增益谱仍会发生变化EDFA+均衡器合成增益38增益平坦/均衡技术滤波器均衡：EDFA新型宽谱带掺杂光纤：新型宽谱带掺杂光纤：如掺铒氟化物玻璃光纤（30nm平坦带宽）、铒/铝共掺杂光纤（20nm）等，静态增益谱的平坦，掺杂工艺复杂声光滤波调节声光滤波调节：根据各信道功率，反馈控制放大器输出端的多通道声光带阻滤波器，调节各信道输出功率使之均衡，动态均衡需要解复用、光电转换、结构复杂，实用性受限39新型宽谱带掺杂光纤：声光滤波调节：39EDFA输出功率输出功率WDM系统要求系统要求EDFA具有足够高的输出功率，以保具有足够高的输出功率，以保证各信道获得足够的光功率证各信道获得足够的光功率方法：多级泵浦方法：多级泵浦221916输出功率（dBm）1540157040EDFA输出功率WDM系统要求EDFA具有足够高的输出功率，关键器件与关键技术关键器件与关键技术复用复用/解复用器解复用器光放大器（光放大器（EDFA）光发射机光发射机41关键器件与关键技术复用/解复用器41光发射机光发射机波长稳定性要求波长稳定性要求WDM系统对光源发射系统对光源发射波长波长 的稳定性具有较高的稳定性具有较高的要求的要求波长的漂移将导致信道波长的漂移将导致信道之间的串扰之间的串扰42光发射机波长稳定性要求WDM系统对光源发射波长的稳定性具有影响发射波长的因素影响发射波长的因素对于对于DFB 激光器，影响发射波长的因素：管芯温度、工作电流、激光器，影响发射波长的因素：管芯温度、工作电流、光反射（利用隔离器减小）光反射（利用隔离器减小）管芯温度与激射光频的关系：呈单调直线下降，管芯温度与激射光频的关系：呈单调直线下降，工作电流与激射光频的关系：工作电流与激射光频的关系：电流注入载流子变化有源区折射率下降大电流结温升高，正常工作时，起主导作用一般为-1GHz/mA左右B为DFB激光器的布拉格波长，为光栅周期，为场限制因子，n为折射率，为载流子浓度，为载流子寿命比较而言，温度变化是波长漂移的主要因素比较而言，温度变化是波长漂移的主要因素43影响发射波长的因素对于DFB激光器，影响发射波长的因素：管波长稳定技术波长稳定技术温度控制温度控制：温控电路DFB-LD组件温控电路通常由比例放大、PID（比例-积分-微分）电路、电流放大组成控制精度可到0.01C波长稳定性可达200MHz/24小时目前N2.5Gb/s系统中，主要采用这一技术44波长稳定技术温度控制：温控电路DFB-LD组件温控电路通常由波长控制波长控制工作原理：工作原理：将激光器输出波长与一标准波长（参考波长）进行比较，测得波长漂移信息，反馈控制管芯温度，由此控制激光器的输出波长WDMsignalWavelengthReference.TemperatureControllerPin-PDLogAmp.Errorsignal波长稳定性：100MHz/12小时45波长控制工作原理：将激光器输出波长与一标准波长（参考波长）进在在WDM系统中，最重要的一个性能就是系统中，最重要的一个性能就是信道串扰，信道串扰，信道串扰包括：信道串扰包括：线性串扰线性串扰非线形串扰非线形串扰 线性串扰：线性串扰：起源起源：解复用器（或光滤波器）对带外信道有限：解复用器（或光滤波器）对带外信道有限的损耗、信道波长的漂移的损耗、信道波长的漂移非线性串扰：非线性串扰：源于光纤非线性效应引起的信道串扰，源于光纤非线性效应引起的信道串扰，包括：包括：XPM(交叉相位调制交叉相位调制)、SRS(受激喇曼散射受激喇曼散射)、FWM(四波混频四波混频)WDM系统性能系统性能46在WDM系统中，最重要的一个性能就是信道串扰，线性串扰：非线WDM系统的发展趋势单路超高速40Gb/s,160Gb/s,640Gb/s超密信道间距10GHz even Zero信道数攀升1022 Channel展宽波长范围C-Band,L-Band,S-Band超长无中继450km with remote Amp超长传输距离单路 27,000km(Loop)104*10G over 10000km 80*10G over 3400km网络化47WDM系统的发展趋势单路超高速40Gb/s,160Gb/s光网络技术光网络技术48光网络技术48一，为什么这时候提出光网络的问题一，为什么这时候提出光网络的问题二，WDMWDM光网络是怎样的一个概念光网络是怎样的一个概念三，三，WDMWDM通信光网络的光节点通信光网络的光节点(OADM/OXC)(OADM/OXC)方案方案四，四，WDMWDM光网络实验系统及其关键网络技术光网络实验系统及其关键网络技术49一，为什么这时候提出光网络的问题49一、为什么这时候提出一、为什么这时候提出光网络的问题光网络的问题 通信业务量急剧增长与格式多样化的需求 点对点的WDM传输系统已接近每光纤太比特、为组成高速宽带通信网提供了强大的基础 对新型网络有迫切要求、组网应运而生 光网络能满足网络扩展、重构、及IP兼容 光网络所需的新型光电子器件有显著进展 光网络本身的基础系统现场演示试验有进展50一、为什么这时候提出光网络的问题通信业务量急剧增长与格第一年第一年第二年第二年第三年第三年第四年第四年第五年第五年光带宽光带宽9 个月个月 几种关键技术的发展速度几种关键技术的发展速度性能价格比翻番速度性能价格比翻番速度近几年：近几年：近几年：近几年：51第一年第二年第三年第四年第五年光带宽9个月几种关键技术的网络时代的三大基本定律摩尔定律(MOORE):CPU性能18个月翻番，10年100倍。所有电子系统（包括电通信系统、计算机、图象）光定律（GILDER）：超摩尔定律，骨干网带宽9个月翻番，10年10000倍。带宽需求无限制增加迈特卡尔夫定律（Metcalfe）:网络价值随用户数平方成正比。以前未联网设备增加N倍，效率只增加N倍。现在联网设备数增加N倍，效率增加N2倍52网络时代的三大基本定律摩尔定律光定律迈特卡尔夫52网络业务的数据化趋势网络业务的数据化趋势数据业务总量何时超过传统电话业务量？-1995年：PacificBell-1996年：Worldcom,1997年：MCI-1998年：Ameritech,Telstra等，日本国际IP流量为电话两倍，美日太平洋海缆数据为电话3倍-2001-2002年：AT&T，DT，日本，BT据A.D.L公司较保守的预测，2010年全球国际业务中数据约占50，2010年数据约占7553网络业务的数据化趋势数据业务总量何时超过传统电话业务量？5我国网络业务量变化的趋势我国网络业务量变化的趋势根据初步预测，今后5到10年中国网上的数据业务量也将会超过话音业务量（全网78年最有可能，干线网可能仅3年）业务总量将有大幅度增加(几十倍)IP业务将最终成为主导的联网协议未来5年内IP用户年增长速度54%,接近摩尔定律未来5年内省际干线网带宽增长200%，相当12个月翻番，远高于摩尔定律54我国网络业务量变化的趋势根据初步预测，今后5到10年中对新型网络有迫切要求对新型网络有迫切要求(1)(1)传统上，在设计传输网络时，一般都是用光纤把一些数字交叉连接节点和分插复用节点连接起来，就组成了网络。在每一个局站，所有的大容量通道（Gb/s，即STM-16、STM-64量级）都被解复用到更低的速率（如STM-1或更低），这些低速率的信道还可能被分成更细的支路，然后在本地下路，或被交叉连接到它们所要到的终端，然后再传往下一站。在这个处理过程中，需要进行一系列的光电光转换和多级的复用和解复用，还要对所有出入该局的业务（包括要在本地处理或仅仅通过该局的业务）都要进行交叉连接，这样就使节点设备复杂、昂贵，同时限制了网络速率和容量的进一步提高。55对新型网络有迫切要求(1)传统上，在设计传输网络时，一般都是对新型网络有迫切要求对新型网络有迫切要求(2)(2)而随着点点的WDM系统的普及，如果在节点处依旧采用电交叉连接设备（如：DXC）和电分插复用设备，会造成速率上越来越严重的失配，即：WDM巨大的线路传输速率（容量）与速率（容量）严重滞后的电交叉连接设备、电分插复用设备之间的失配56对新型网络有迫切要求(2)而随着点点的WDM系统的普及，如对新型网络有迫切要求对新型网络有迫切要求(3)(3)光纤通信网络的WDM光上/下路设备和交叉连接设备可以充分解决相应电子设备的“电子瓶颈”。WDM网络的光节点（如：光上/下路复用节点，OADM和光交叉连接节点，OXC），是基于波长路由的设备。OADM和OXC目的是在光域上实现光波长信道上/下路和交叉连接的功能，不需要进行光电转换。这样就使WDM网络可以基于波长路由对业务、阻塞率、网络扩展和生存性进行优化和设计 57对新型网络有迫切要求(3)光纤通信网络的WDM光上/下路设备二、WDMWDM通信光网络是怎样的通信光网络是怎样的一个概念一个概念 WDM光网络充分利用光纤传输带宽 WDM光网络概念的图示 WDM光网络的特点 WDM光网络的拓扑结构与分层结构58二、WDM通信光网络是怎样的一个概念WDM光网络充分利 WDM WDM光网络充分利用光纤光网络充分利用光纤(损耗损耗)传输带宽传输带宽(1)(1)光纤具有约50Tb/s的潜在带宽，而波分复用（WDM）可以较好地利用光纤的宽带能力，是一种比较经济实用的扩大传输容量的方法，因而在近年来得到越来越广泛的应用。在成功地应用到点点的光学传输系统后，WDM正向更复杂的结构、功能和更大地域跨度发展59WDM光网络充分利用光纤(损耗)传输带宽(1)光纤具 WDM WDM光网络充分利用光纤光网络充分利用光纤(损耗损耗)传输带宽传输带宽(2)(2)第三传输窗口第三传输窗口第三传输窗口第三传输窗口第二传输窗口第二传输窗口第二传输窗口第二传输窗口第一传输窗口第一传输窗口第一传输窗口第一传输窗口13001550850紫外吸收紫外吸收紫外吸收紫外吸收红外吸收红外吸收红外吸收红外吸收瑞利散射瑞利散射瑞利散射瑞利散射0.22.5损损 耗耗(dB/km)波波 长长(nm)光光光光 纤纤纤纤 损损损损 耗耗耗耗 谱谱谱谱 特特特特 性性性性60WDM光网络充分利用光纤(损耗)传输带宽(2)第三 WDM光网络概念的图示光网络概念的图示(1)61WDM光网络概念的图示(1)61The optical network layer is all optical.It includes backbone transport layer and local distribution layer.The later is more flexible in network structure.It can be ring,bus,star and mesh.The electronic switching layer provides access and switching functions of various services in the form of ATM,SDH,etc.The applications layer is service-oriented.WDM 光网络的层次模型光网络的层次模型 WDM光网络概念的图示光网络概念的图示(3)62Theopticalnetworklayerisa WDM WDM光网络的定义光网络的定义(1)(1)国际电信联盟（ITU-T）在1997年4月公布了的关于光传输网络的G.otn协议草案中对光学网络有这样的建议：光学网络由一些功能块组成，这些功能块实现对业务信号的传输、复用、路由、监控管理和自愈保护，而这些功能都完全在光域中进行，从网络级的观点对光传送网的功能结构进行了描述。63WDM光网络的定义(1)国际电信联盟（ITU-T）在19 WDM WDM光网络的定义光网络的定义(2)(2)目前的光网络是指，在光传送网中存在一个链路骨干光层。链路信息可以光信息的形式直接通过网络节点，因此又称为全光网。光网络将（以光接入的形式）与现有的传统通信网包括SDH网、ATM网、有线电视网（Cable-TV）等、以及计算机互连协议网（即IP网）兼容64WDM光网络的定义(2)目前的光网络是指，在光传送网中存 WDM WDM光网络的定义光网络的定义(3)(3)1、网络的节点(上下路节点、交叉互连节点)以(全)光工作方式运作,不需以现有的光-电-光传统方式工作，压缩了工作量及设 备规模2、以光波长n(可以辅以信道开销标志、或 光包标志)实现路由运作、及节点站名运作；现有WDM系统中、光波长n没有这样的职 能，增加为n个波长时，容量增为n倍65WDM光网络的定义(3)1、网络的节点(上下路节点、交叉WDMWDM光网络的特点光网络的特点(0)(0)WDM技术使光纤通信传输容量大大提高，以WDM传输和光波长路由为物理平台，实现信息在光层内的光上下路和光交叉互连的WDM光网络在新世纪来临时提到日程。和传统的传送网比，光网络的特点集中在几点：66WDM光网络的特点(0)WDM技术使光纤通信传输容量大大提高 WDM WDM光网络的特点光网络的特点(1)(1)1）透明性：全光网的OADM和OXC与光信号的内容无关，对于信息的调制方式、传送模式和传输速率透明。目前相互独立的SDH传送网、PDH传送网、ATM网络及模拟视频网络都可以建立在同一光网络上，共享底层资源，并提供统一的监测和恢复等网管能力，降低网络运营成本。在全光网中，各上/下路节点只需要对属于本地的波长信道信息进行处理，而其余大部分波长信道均可直通传输，从而大大减小节点工作量和对设备的需求。同时克服了在传统的交换系统中，电子线路的有限带宽造成的“电子瓶颈”限制 67WDM光网络的特点(1)1）透明性：全光网的OADM和 WDM WDM光网络的特点光网络的特点(2)(2)2）波长路由：波长路由是指在实际的光纤物理连接的WDM网络上通过不同的波长在各个进行交换数据业务的节点之间建立的一种拓扑连接，具体是通过波长选择性器件实现路由选择。这是目前全光网的主要方式68WDM光网络的特点(2)2）波长路由：波长路由是指在实际 WDM WDM光网络的特点光网络的特点(3)(3)3）重构性：全光网通过OXC灵活地实现光信道的动态重构功能，根据传送网中业务流量的变化（也可能是几个月的统计结果）和需要、动态地调整光层中的波长资源和光纤路径资源分配，使网络资源得到最有效的利用69WDM光网络的特点(3)3）重构性：全光网通过OXC灵活 WDM WDM光网络的特点光网络的特点(4)(4)4）可扩展性：全光网具有分区、分层的拓扑结构，OADM及OXC节点采用模块化设计，在不改变原有网络结构和OXC结构时就能方便地增加网络的波长数、光纤路径数和节点数，实现网络的扩充。同时当发生器件失效、断线及节点故障时，可以通过波长信道的重新（迂回）配置或切换保护开关运作，为发生故障的信道重新寻找路由，完成网络连接的重构，使网络迅速达到自愈，上层用户业务不受影响，因此全光网具有很强的生存能力(Survivability)70WDM光网络的特点(4)4）可扩展性：全光网具有分区、分 WDM WDM光网络的特点光网络的特点(5)(5)5）兼容性：全光网络和传统传送网是完全兼容的。它作为一个新的网络层加入到传统传送网的分层结构中而满足高速率、大容量、多媒体B-ISDN的需求71WDM光网络的特点(5)5）兼容性：全光网络和传统传送网三、三、WDMWDM通信光网络的光节点通信光网络的光节点 (OADM/OXC)(OADM/OXC)方案方案(1)(1)光上下路节点(OADM)其节点功能是从传输中、选择性地下路或上路某（一个或两三个）波长信号，同时不影响其余波长信道的传输。也就是说OADM在光域内实现了传统的电SDH分插复用器在时域内完成的功能，而且具有透明性，可以处理任何格式和速率的信号，这一点比电ADM更优越。这是克服传统网络中节点的电子瓶颈问题的关键器件之一，目前已有多种OADM方案。72三、WDM通信光网络的光节点(OADM/OX三、三、WDMWDM通信光网络的光节点通信光网络的光节点OADMOADM方案方案(1)-A(1)-A1，分波器+波长交换单元+合波器在这种方案中分波器是 多层介质膜型或 阵列波导光栅(AWG)等解复用器，波长交换单元一般采用开关阵列，合波器可以采用耦合器或复用器，如图1，OADM的串扰水平主要决定于解复用器，一般30/25dB甚至更好（通道间隔1.6/0.8nm），复用器再度采用同种器件时，窜扰可达到5060dB，因此可以满足系统窜扰要求。OADM的损耗水平约为510dB，开关时延 110ms73三、WDM通信光网络的光节点OADM方案(1)-A1，分三、三、WDMWDM通信光网络的光节点通信光网络的光节点OADMOADM方案方案(1)-B(1)-B74三、WDM通信光网络的光节点OADM方案(1)-B74三、三、WDMWDM通信光网络的光节点通信光网络的光节点OADMOADM方案方案(2)(2)2，耦合单元+滤波单元+合波器在这种类型的方案中，耦合单元是个一般性的概念，根据具体实现的OADM的方案不同而有一定的差别，一般为普通的耦合器(Coupler)或光环行器(Optical Circulator)等，滤波单元有光纤光栅(FBG)、珐-泊腔(F-P)或带通滤波器等，合波器为普通的耦合器或复用器。这类方案的OADM性能主要取决于滤波单元的性能，目前，光纤光栅的隔离度可以做到20dB以上（通道间隔0.8nm），而F-P腔隔离度性能更好，甚至可以达到40dB。但是前者温度性能比较好，特别是可以很容易做到温度补偿，而后者的波长随温度的漂移比较大。图3、图4和图5给出了此类方案的三个典型例子。75三、WDM通信光网络的光节点OADM方案(2)2，耦合单三、三、WDMWDM通信光网络的光节点通信光网络的光节点OADMOADM方案方案(2)(2)干线干线WDMWDM信号经开关选路，每路的光栅对准一个波长，信号经开关选路，每路的光栅对准一个波长，被光栅反射的波长经环型器下路到本地，其他的干被光栅反射的波长经环型器下路到本地，其他的干线信号波长通过光栅经环型器跟本地节点的上路信线信号波长通过光栅经环型器跟本地节点的上路信号波长合波，继续在干线上传输。这个方案同样可号波长合波，继续在干线上传输。这个方案同样可以根据开关和光栅来任意选择上下话路的波长。以根据开关和光栅来任意选择上下话路的波长。76三、WDM通信光网络的光节点OADM方案(2)干线WDM信三、三、WDMWDM通信光网络的光节点通信光网络的光节点 OXC OXC方案方案(0)(0)OXC节点更主要的是要能完成网间信道的交叉互连（兼具实现上/下路功能），即具有波长路由选择、动态重构，具有可扩充性、波长分区重用等特点，它是全光网的核心，也是目前最迫切需要研究和取得突破的课题。当前国外众多的对OXC的研究中，需要的器件除了已有的用于WDM传输的发射、接收、解复用器、增益平坦的放大器以外，最重要的器件是具有空间光开关、可调谐滤波器和波长转换器。77三、WDM通信光网络的光节点OXC方案(0)OXC节点更三、三、WDMWDM通信光网络的光节点通信光网络的光节点 OXC OXC方案方案(0)(0)(1)支持波长通道（wavelengthpath）与支持虚波长通道（virtualwavelengthpath）：根据OXC节点能否提供波长转换，光通道可以分为两种。波长通道是指OXC节点没有波长转换功能，为了建立一条波长通道，光层必须找到一条路由，在这条路由的所有光纤中，有一个共同的波长是空闲的。如果找不到这样一条路由，就会发生波长阻塞。虚波长通道是指OXC节点具有波长转换功能，光通道在不同的光纤可以占用不同的波长，从而提高了波长的利用率，降低了阻塞概率。78三、WDM通信光网络的光节点OXC方案(0)(1)支三、三、WDMWDM通信光网络的光节点通信光网络的光节点 OXC OXC方案方案(0)(0)(2)阻塞特性：交换网络的阻塞特性可分为严格无阻塞型、可重构无阻塞型和阻塞型三种。若干年后，由于Backbone(骨干)光Mesh网的传输容量很大，阻塞问题需要严重关切，因此实用的国家骨干网的OXC结构要求严格无阻塞。当不同输入链路中同一波长的信号要连接到同一输出链路时，只支持波长通道的OXC结构会发生阻塞，当然这种阻塞可以通过选路算法来一定程度解决。79三、WDM通信光网络的光节点OXC方案(0)(2)三、三、WDMWDM通信光网络的光节点通信光网络的光节点 OXC OXC方案方案(0)(0)已提出的OXC结构中，波长解复用的方法主要采用阵列波导光栅(ArrayWaveguideGrating，即AWG)或多层介质膜滤波器等，此外还有体光栅等其他方法。完成交换功能的光开关器件有：机械（含光学转镜等）光开关，聚合物波导开关、硅波导开关、微光机开关，及半导体光放大器开关等。实现波长转换的技术方案有利用半导体光放大器(SOA)中的交叉增益调制(XGM)、交叉相位调制(XPM)及四波混频效应(FWM)等。目前功能完备的OXC产品还不太成熟，正在快速研发中。80三、WDM通信光网络的光节点OXC方案(0)已提出的OX三、三、WDMWDM通信光网络的光节点通信光网络的光节点 OXC OXC方案方案(0)(0)对OXC节点的要求 OXC是全光网络的基本网络单元。它有两个主要功能：光通道的交叉连接功能和本地上下路功能。需要在本地终结的光通道经过光电变换后送入上层的DXC，由DXC对其中的电通道进行处理。除了实现这两个主要功能外，OXC还应具有可扩展性和模块性等。81三、WDM通信光网络的光节点OXC方案(0)对OXC节点四、波分复用四、波分复用(WDM)应用示例应用示例82四、波分复用(WDM)应用示例82各种协议接入到各种协议接入到DWDM系统系统83各种协议接入到DWDM系统83DWDM密集波分复用密集波分复用84DWDM密集波分复用84波长信道的划分波长信道的划分1530 nm to 1560 nm(C band)1565 nm to 1595 nm(L band)1460 nm to 1490 nm(S band)85波长信道的划分1530nmto1560nm1565 不同光纤类型的衰减和色散不同光纤类型的衰减和色散+Disp 输入脉冲输入脉冲 输出脉冲输出脉冲0.10.20.30.40.50.6衰减衰减(dB/km)1600170014001300120015001100波长波长(nm)EDFA频带频带 20 10 0-10-20色散色散(ps/nm.km)G.652&G.654G.653G.65586不同光纤类型的衰减和色散+Disp输入脉波分复用技术现状和发展波分复用技术现状和发展u 目前商用系统主要为目前商用系统主要为(16-40)x 2.5/10Gb/s(16-40)x 2.5/10Gb/s。u Corvis Corvis的的160 x2.5G160 x2.5G在芝加哥在芝加哥-西雅图西雅图32003200公里线路公里线路上试验。上试验。QteraQtera的的ULTRAULTRA系统可以将系统可以将10G WDM10G WDM系统的全光系统的全光传输距离进一步提高到传输距离进一步提高到4000km4000km之远。之远。u 150/160 x10G(150/160 x10G(阿阿/北电北电)系统已试验成功系统已试验成功u 1022x37M(LT)1022x37M(LT)已试验成功已试验成功u 48x10G 48x10G传传4000km(4000km(阿阿)已试验成功已试验成功u 实验室最高水平：实验室最高水平：3.28T(82x40G)3.28T(82x40G)传传300km(LT),300km(LT),u 3.2T(80 x40G)(3.2T(80 x40G)(西西),3.2T(160 x20G)1500km(NEC),3.2T(160 x20G)1500km(NEC)u 已规划商用容量：已规划商用容量：6.4Tb/s(80 x80Gb/s)(6.4Tb/s(80 x80Gb/s)(北电北电)87波分复用技术现状和发展目前商用系统主要为(16-40)xDWDM系统发展趋势系统发展趋势更高的单波长比特率：更高的单波长比特率：80Gb/s更密集的波长间隔：更密集的波长间隔：20GHz更宽的可用波长范围：更宽的可用波长范围：C、L和和S波长带波长带更长的光放大段：数百更长的光放大段：数百km更长的光再生中继段：更长的光再生中继段：3600km更大容量的光系统：更大容量的光系统：3.2Tb/s更多类型的业务接口更多类型的业务接口88DWDM系统发展趋势更高的单波长比特率：80Gb 2.5Gb/s 10Gb/s 40Gb/s10Gb/s 40Gb/s20Gb/s 80Gb/s80Gb/s 320Gb/s3216841WDM 波长数波长数每波长比特率每波长比特率(TDM)40Gb/s 网络容量演进战略网络容量演进战略892.5Gb/s波长数扩容到波长数扩容到波长数扩容到波长数扩容到 240 240的方法的方法的方法的方法Tributary Shelves.Chan 161Chan 240LS=Line ShelfLS.Chan 1Chan 80Tributary Shelves.Chan 81Chan 1601530 nm to 1560 nm(C band)1565 nm to 1595 nm(L band)1460 nm to 1490 nm(S band)Fully Upgraded System ConfigurationLSLSLSLSLSLSLSLS=Band Splitter90波长数扩容到240的方法TributaryShelves 64*10Gb/s或或160*2.5Gb/s DWDM 3200km无再生传送无再生传送32个EDFA放大器(C频段)串联普通光纤关键技术：色散补偿和增益均衡、非线性控制3200kmTheCorWaveTMsuiteofproductscanalsosupportOC-192SONET,ATMandIPdatastreamsupto3200kmwithoutexpensiveregenerationdevices.Byovercomingthenon-lineardegradationeffectsinthefiber,theCorvissolutionpermitsthemosteffectiveutilizationoffiberbandwidth.9164*10Gb/s或160EDFA(L-Band)EDFA(C-Band)EDFA(L-Band)EDFA(C-Band)40 GETDMMUX40 x LD(L-Band)S SS SS SS S40 kmSSMFEDFA(C/L-Band)EDFA(L-Band)MZMDEMUX(AWG)BPFPD4x10 Gbit/s4 x10 Gbit/s40 x LD(C-Band)EDFA(C-Band)DEMUX(AWG)DCF 2DCF 1MUX40 GETDMDMUX1.521.541.561.581.601.62-70-60-50-40-30-20-10010opticalpowerdBmwavelengthm1.521.541.561.581.601.62-50-40-30-20-10010opticalpowerdBmwavelengthm1.521.541.561.581.601.62-60-50-40-30-20-10opticalpowerdBmwavelengthm80 x 40 Gbit/s,100 GHz channel spacing,40 km SSMF,C-and L-Band bidirectional transmission-WORLD RECORD-3.2Tb/s DWDM传输试验传输试验92EDFA(L-Band)EDFA(C-Band)EDFA(LIP over WDM IPpacketIPpacketAdaptationLayerRouterWDM(Transponder)WavelengthsAdaptationFunction(s)优点：优点：优点：优点：简单，效率高，成本低简单，效率高，成本低简单，效率高，成本低简单，效率高，成本低缺点：缺点：缺点：缺点：无无无无ATMATM的流量控制功能和的流量控制功能和的流量控制功能和的流量控制功能和SDHSDH的快速保护与恢复功能，的快速保护与恢复功能，的快速保护与恢复功能，的快速保护与恢复功能，业务质量（业务质量（业务质量（业务质量（QOSQOS）难保证；难与非）难保证；难与非）难保证；难与非）难保证；难与非IPIP业务兼容；适配层业务兼容；适配层业务兼容；适配层业务兼容；适配层 没有标准，无法实现多厂家互通没有标准，无法实现多厂家互通没有标准，无法实现多厂家互通没有标准，无法实现多厂家互通93IPoverWDMIPpacketIPpacket 网通公司网通公司IP over WDM网络网络17个Gigapop节点装Gb/s路由器(最大容量为320Gb/s)，采用铁道部光纤连接成环IPoverSDH/WDM技术系统容量162.5Gb/s提供Internet接入和出租容量各地方政府支持配套的本地建设北京北京天津天津济南济南合肥合肥南京南京上海上海杭州杭州福州福州广州广州长沙长沙武汉武汉郑州郑州石家庄石家庄南昌南昌宁波宁波深圳深圳夏门夏门94网通公司IPoverWDM网络17个Giga 组合功能到有限的设备类型组合功能到有限的设备类型数字包封器（DigitalWrapper）的基本功能：提供定帧用于时钟抽取与数据信号定界提供FEC以支持10Gb/s及其以上速率的系统端对端连接性能维护为网管提供开销通路提供自动保护倒换指令95组合功能到有限的设备类型数字包封器（DigitaIP over X96IPoverX96DWDM 系统系统实例分析实例分析97DWDM系统973210Gb/s DWDM系统实例系统实例983210Gb/sDWDM系统实例98 光终端复用设备（光终端复用设备（OTM）光线路放大设备（光线路放大设备（OLA）光分插复用设备（光分插复用设备（OADM）电中继设备（电中继设备（REG）系统主要设备系统主要设备99光终端复用设备（OTM）系统主要设备99光终端复用设备光终端复用设备100光终端复用设备100转发器（波长转换器、转发器（波长转换器、OTU）原理）原理101转发器（波长转换器、OTU）原理101光线路放大设备光线路放大设备102光线路放大设备102掺铒光纤放大器（掺铒光纤放大器（EDFA）原理）原理103掺铒光纤放大器（EDFA）原理103光分插复用设备光分插复用设备104光分插复用设备104电中继设备电中继设备105电中继设备105软件系统软件系统106软件系统106Architecture diagram of an optical networkWDMtransmissionsystemOADM:OpticalAdd/DropMultiplexerOXC:OpticalCross-connectionAccess nodes光网络的关键设备光网络的关键设备107Architecturediagramofanopt光网络的体系结构光网络的体系结构(ITU-T)In the slide above,we discussed the layered structure of WDM optical network emphasizing on its relationship with services and traditional electronic layers.Architecture of optical networks according to ITU-T recommendation is as follows:Optical channel layer network Optical multiplex section layer network Optical transmission section layer network108光网络的体系结构(ITU-T)108Protocol Transparency A steady increase in the variety of protocols,the biggest inhibitor to flexibility and growth in the information industry.Compatibility of the equipment from different vendors不断增加的通信协议不断增加的通信协议109ProtocolTransparency不断增加的通信协A Transparent Wavelength Routing Network110ATransparentWavelengthRoutiUp-to-date Development of Optical Network Europe RACE Project(19851995)ACTS Project(19941998):OPEN,PHOTON,METON,MOON IST Project(19982002)America(DARPA)MNET(Multi-wavelength Optical Networking)NTON(National Transparent Optical Networking)China Tsinghua