1、光通信基礎(chǔ)知識北京研究所 黃暉1提綱光纖通信的基本原理光通信技術(shù)回顧及展望一、光（纖）通信原理1880年貝爾發(fā)明光話，他以日光為光源，大氣為傳輸媒介，傳輸距離是200米；1881年貝爾發(fā)表了論文關(guān)于利用光線進(jìn)行聲音的復(fù)制與產(chǎn)生；貝爾的光話始終沒有實(shí)用化： 1、沒有可靠的、高強(qiáng)度的光源； 2、沒有穩(wěn)定的、低損耗的傳輸媒介。光纖通訊史現(xiàn)代光通信-光話1960年，第一臺相干振蕩光源-紅寶石激光器問世；1962年，半導(dǎo)體激光器問世；1970年貝爾實(shí)驗(yàn)室制作出可以在常溫下連續(xù)工作的鋁鎵砷（AlGaAs）半導(dǎo)體激光器。光纖通訊史1970年光纖通信元年直到60年代中期，優(yōu)質(zhì)光學(xué)玻璃的損耗仍高達(dá)1000dB/

2、km，2x1081J，1047年太陽光能；英國標(biāo)準(zhǔn)電信研究所的華裔科學(xué)家高錕博士于1966年發(fā)表了一篇論文，提出利用帶有包層材料的石英玻璃光纖作為光通信媒介；1970年美國康寧（Corning）公司制成損耗為20dB/km的低損耗石英光纖。光纖通訊史1970年光纖通信元年通信容量大中繼距離長保密性好適應(yīng)能力強(qiáng)體積小、重量輕、施工方便原材料豐富(SiO2)價(jià)格低廉 光纖通信的優(yōu)點(diǎn)反射：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在光纖的數(shù)值 孔徑角內(nèi)，以某一角度射入光纖端面，并能在光纖的纖芯到包層界面上

3、形成全反射的傳播光線就可稱為一個(gè)光的傳輸模式。光纖光纖的傳播模式 高次模 基模 低次模多模光纖：突變型光纖 漸變型光纖（G.651）單模光纖：標(biāo)準(zhǔn)常規(guī)光纖（G.652） 色散位移光纖（G.653） 非零色散位移光纖（G.655） 色散補(bǔ)償光纖光纖光纖的傳播模式短波長光纖：0.60.9nm長波長光纖：13101550nm光纖光纖的工作波長光纖損耗光纖色散光纖偏振模色散光纖非線性影響系統(tǒng)性能的光纖特性吸收損耗本征吸收紫外吸收紅外吸收散射損耗瑞利散射光纖損耗1.21.31.41.51.61.7波長 (m)損耗(dB/km)0.10.20.40.81.025 THz0未來通信窗口12801620 nm

4、目前使用的C波段： 15251565 nm正在研究與開發(fā)的：L波段 15701620 nmS波段 1400 nm 光纖損耗光纖損耗圖譜L=（PSEL-PREL-PP-C-MC）/（af+as ）L-再生段距離；Psel-S點(diǎn)壽命終了時(shí)的最小平均發(fā)送功率；Prel-R點(diǎn)壽命終了時(shí)的最差靈敏度(BER10-12)；Pp-光通道代價(jià)，2dB；C-所有活動連接器衰減之和，每個(gè)連接器衰減取0.5dB；Mc-光纜富余度，取3dB；af-光纖衰減系數(shù)；as-光纖熔接接頭每公里衰減系數(shù)。功率相關(guān)的計(jì)算(G.652)脈沖展寬T光脈沖信號中的不同頻譜成份在光纖中的傳輸速度不同，導(dǎo)致脈沖信號傳輸后展寬甚至離散。光纖

5、色散隨著脈沖在光纖中傳輸，脈沖的寬度被展寬光纖色散模間色散、色度色散、偏振模色散PMD模式色散（多模光纖）材料色散（SiO2）波導(dǎo)色散（波導(dǎo)結(jié)構(gòu)）光纖色度色散T啁啾效應(yīng)直接調(diào)制激光器輸出信號帶有較大的啁啾，使得脈沖頻譜展寬并在前后沿產(chǎn)生頻譜紅移和藍(lán)移，在光纖色散的作用下，引起脈沖的快速展寬和信號劣化。 色散容限光源啁啾對系統(tǒng)傳輸距離的影響由色散容限參數(shù)值表示。如:光源色散容限值為12800ps/nm,SMF（G。652）光纖的色散參量值取D=20ps/km/nm，則該光源的色散受限距離為640 km。色散受限傳輸距離計(jì)算Ld=/ Dm式中： Ld 色散受限傳輸距離色度色散，常數(shù), 不同的光發(fā)送

6、模塊取值 Dm 光纖色散系數(shù)，按工程要求取值。色散受限距離假設(shè)光源無啁啾光纖PMDPMD是由光纖的隨機(jī)性雙折射引起的，環(huán)境因素和工藝缺陷引起的纖芯橢圓及應(yīng)力是引起PMD的主要因素PMD引起脈沖展寬（隨機(jī)性）光纖PMD光纖帶寬系數(shù)光纖帶寬系數(shù)受激拉曼散射 （SRS）受激布里淵散射（SBS）自相位調(diào)制（SPM）交叉相位調(diào)制（XPM）四波混頻（FWM）光纖非線性效應(yīng)短波長泵浦長波長泵浦增益連續(xù)頻譜達(dá)15THz，信道數(shù)愈多影響愈大對系統(tǒng)的影響：引起信道功率失衡引起信道間的拉曼串?dāng)_lPlP輸入輸出受激拉曼散射 （SRS）增益比SRS大兩個(gè)數(shù)量級增益譜窄，與信道數(shù)無關(guān)對系統(tǒng)的影響：大于一定值時(shí)，引起強(qiáng)烈背

7、向散射，疊加強(qiáng)度噪聲。受激布里淵散射（SBS）自相位調(diào)制（SPM）經(jīng)光纖色散，轉(zhuǎn)化為波形畸變交叉相位調(diào)制（XPM）相位受到其它其它信道的調(diào)制，經(jīng)光纖色散轉(zhuǎn)化引起強(qiáng)度噪聲增加系統(tǒng)光通道代價(jià)SPM和XPM信道間相互作用產(chǎn)生新的頻率。w1w2ww1w22w1-w22w2-w1w光纖四波混頻（FWM）FWM的影響因素：信道間隔色散FWM是影響系統(tǒng)性能的主要非線性效應(yīng)：當(dāng)FWM產(chǎn)生的新頻率落入信道帶寬范圍內(nèi)時(shí)，會引起信道強(qiáng)度起伏和信道間串?dāng)_。補(bǔ)償措施：采用非零色散位移光纖（G.655）和常規(guī)單模光纖（G.652）采用大有效纖芯面積光纖（LEAF）控制入纖功率四波混頻（FWM）光纖類型和損耗譜 EDFA帶

8、寬1.21.31.41.51.61.7波長 (um)損耗 (dB/km)0.10.20.40.81.00-20-101020色散 (ps/nm-km)損耗 (各類光纖)SMFDSFNZDF+NZDF-G.652G.653G.655+G.655-光纖損耗=功率減弱光纖色散=脈沖變形(時(shí)域),線性過程,可逆光纖非線性=信號畸變(頻域),非線性過程,不可逆PMD =脈沖變形（時(shí)域），隨機(jī)過程影響傳輸性能的光纖特性 光源技術(shù)1、標(biāo)準(zhǔn)而穩(wěn)定的波長 要求有配套的波長監(jiān)測和穩(wěn)定技術(shù) 1、溫度反饋控制法 2、波長反饋控制法 2、比較大的色散容納值 1、直接調(diào)制技術(shù) 2、外調(diào)制技術(shù)光源（激光器）主要參數(shù)：波長穩(wěn)

9、定性色散容限類型：直接調(diào)制EA調(diào)制LiNO3調(diào)制激光器的直接調(diào)制調(diào)整注入電流光信號輸出優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，價(jià) 格便宜缺點(diǎn)：引起頻率啁啾， 傳輸距離短 光調(diào)制器激光器的間接調(diào)制光信號輸出電調(diào)制信號優(yōu)點(diǎn)：壓縮譜線寬度，保證光譜質(zhì)量常用的外調(diào)制：EA；LiNbO3;M-Z;頻率啁啾的解決光源激光器的調(diào)制術(shù)光信號的調(diào)制技術(shù)光發(fā)送模塊光發(fā)送模塊光發(fā)送模塊光發(fā)送模塊光接收模塊光發(fā)、光收模塊應(yīng)用場合摻鉺光纖放大器鉺摻雜光纖隔離器WDM耦合器PinPoutlNl2l1lNl2l1隔離器泵浦激光器980nm,1480nmEDFA的工作原理980nm1480nmN1N30N2 1550nm1550nm受激輻射信號光泵

10、浦光光纖通信設(shè)備使用注意事項(xiàng)提綱光纖通信的基本原理光通信技術(shù)回顧及展望三、光通信技術(shù)回顧及展望光纖傳輸：寬帶、低損、無電磁干擾、PDH：無國際規(guī)范、組網(wǎng)能力差、SDH：組網(wǎng)靈活、強(qiáng)大網(wǎng)管、自愈保護(hù)PDH、SDH均為TDM，遇到電子瓶頸影響、DWDM：擴(kuò)展傳輸容量的經(jīng)濟(jì)有效手段OADM、OXC：波長交換的核心ASON智能光網(wǎng)絡(luò)：光的信息高速公路光纖通信發(fā)展歷程 速率統(tǒng)一：155M、622M、2.5G、10G； 光接口與幀結(jié)構(gòu)統(tǒng)一：STM-N（N=1、4、16、64）； 一步復(fù)用特性：可從高速信號中直接提取/接入低速信號 強(qiáng)大的OAM&P能力實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)管理的智能化： 豐富的開銷（碼流量的5%）、強(qiáng)

11、大的軟件技術(shù)； 組網(wǎng)靈活、網(wǎng)絡(luò)的生存性強(qiáng)： 可組多種類型網(wǎng)絡(luò)、具有自愈能力、可在線升級； 前、后向兼容。 技術(shù)回顧及展望SDH相對PDH的優(yōu)點(diǎn)使之如日中天技術(shù)回顧及展望高速SDH系統(tǒng)的核心技術(shù)高速復(fù)用/解復(fù)用技術(shù)；超大容量電交叉連接技術(shù)；高速時(shí)鐘處理技術(shù)；色散管理技術(shù)；光纖非線性管理技術(shù)；超高速PCB處理技術(shù)；技術(shù)回顧及展望SDH技術(shù)不斷演進(jìn)(STM-16/64/256)2.5Gb/s及以下速率系統(tǒng)全面成熟，規(guī)模應(yīng)用；高端的10Gb SDH系統(tǒng)已基本成熟、方興未艾；40Gb系統(tǒng)已初見曙光；160Gb/s并非“天方夜譚”。 未來技術(shù)大飛躍：超高速集成電路、超高速光電子技術(shù)、色散補(bǔ)償技術(shù)、波長鎖定

12、技術(shù)、電磁干擾、功耗問題、陶瓷基底、無連線連接技術(shù).低端的接入網(wǎng)用SDH系統(tǒng)已開始商用,特點(diǎn)是小巧、低功耗、低成本，能適用于一切室內(nèi)外場合(環(huán)境苛刻)，Sub-STM-0的標(biāo)準(zhǔn)化和開發(fā)正把SDH進(jìn)一步推向用戶側(cè)。技術(shù)回顧及展望SDH的總體發(fā)展趨勢獨(dú)立SDH的長遠(yuǎn)命運(yùn)正受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)(5年?)SDH在中長期仍將繼續(xù)發(fā)展電路交換在5年內(nèi)仍將繼續(xù)發(fā)展SDH本身的發(fā)展?jié)摿?40Gb/s或155Mb/s)未來超大容量的核心光傳送網(wǎng)需要更多SDH系統(tǒng)近期仍是可靠性、生存性最高的傳送網(wǎng)技術(shù)SDH級聯(lián)功能增強(qiáng)了支持ATM/IP的能力SDH正融合路由功能支持以太網(wǎng)透明傳輸 技術(shù)回顧及展望SDH發(fā)展中的挑戰(zhàn)和機(jī)遇技

13、術(shù)回顧及展望低端SDH規(guī)模應(yīng)用技術(shù)回顧及展望低端SDH的發(fā)展關(guān)鍵提升單板集成度，使結(jié)構(gòu)更加緊湊；提供10M、100M、ATM-UNI接口，適合多業(yè)務(wù)傳送；提供容量適中的交叉能力（VC-4、VC-3、VC-12、64Kb/s）；從長遠(yuǎn)看來，2.5Gb/s及以下產(chǎn)品都具備緊湊型、小型化的趨勢；多種制式兼容，務(wù)必率先挺進(jìn)國際市場；技術(shù)回顧及展望城域SDH的應(yīng)用關(guān)鍵SONET/SDH Ring45Mb/sSTM-1SRSRSRSTM-4CSTM-16CGSRGSRATMVideo EquipmentGEFEOC-3STM-1DS3Multimedia技術(shù)回顧及展望高速DWDM系統(tǒng)的核心技術(shù)高速光復(fù)用/

14、解復(fù)用技術(shù)；光交叉、波長交叉技術(shù)；寬帶光放大技術(shù)；光監(jiān)控技術(shù)；色散管理技術(shù)；光纖非線性管理技術(shù)；1996200020042008OADM點(diǎn)對點(diǎn)DWDM固定波長上下的DWDM網(wǎng)絡(luò)OADMOADMOADMOADMDWDM環(huán)網(wǎng),可重構(gòu)波長上下 OXCOXCOXCOXCOXC光交叉連接、互聯(lián)的光環(huán)網(wǎng)和格型網(wǎng)絡(luò)容量增大,光纖減少靈活帶寬分配、光層保護(hù)波長轉(zhuǎn)換、波長選路、端對端波長業(yè)務(wù)技術(shù)回顧及展望DWDM技術(shù)演進(jìn)SDH系統(tǒng)RXEDFATXTXTXTXTXTXTXTXRXRXRXRXRXRXRX120 km120 km120 kmDWDM系統(tǒng)EDFATXRXRegRegTXRXRegRegTXRXRegR

15、egTXRXRegRegTXRXRegRegTXRXRegRegTXRXRegRegTXRXRegReg120 km120 km120 km技術(shù)回顧及展望DWDM擴(kuò)容優(yōu)勢使SDH不再孤軍作戰(zhàn)技術(shù)回顧及展望城域網(wǎng)DWDM傳輸PDH.SDH.ATM.IP.傳輸距離小于100公里,可以省掉終端或線路放大設(shè)備;成本低廉,結(jié)構(gòu)緊湊;OADM規(guī)模應(yīng)用,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以環(huán)網(wǎng)為主,保護(hù)方式靈活,波長可重構(gòu)能力性強(qiáng);適應(yīng)多業(yè)務(wù)傳送。 技術(shù)回顧及展望光交叉連接類型光空分交叉;光波長交叉;光時(shí)分交叉;光分組交叉;技術(shù)回顧及展望融合傳送節(jié)點(diǎn)應(yīng)用正在興起即在大容量高端設(shè)備上將TDM、DWDM甚至IP核心路由交換等制式融合,讓

16、DWDM提供透明的光傳輸通道,而真正的業(yè)務(wù)匯接、保護(hù)和疏通主要集中在TDM制式為主的電層,比如在SDH和S-DXC層,而讓IP業(yè)務(wù)層和傳輸層在設(shè)備級融合的目的,主要是方便吞吐量管理、業(yè)務(wù)調(diào)度、統(tǒng)一網(wǎng)管和減低整體成本。技術(shù)回顧及展望融合傳送節(jié)點(diǎn)的實(shí)質(zhì)技術(shù)回顧及展望光孤子技術(shù)能否創(chuàng)造神話?在超大容量傳輸系統(tǒng)中,色散是限制傳輸距離和容量的一個(gè)主要因素;但是,在光纖的反常色散區(qū),由于光纖色散和非線性效應(yīng)的相互作用,一定峰值功率和形狀的光脈沖在傳輸過程中可以保持脈沖形狀和寬度不變,如果光纖沒有損耗,則可以傳輸無限遠(yuǎn),此類光脈沖稱為光孤子。由于業(yè)務(wù)量的不確定性和不可預(yù)見性，對網(wǎng)絡(luò)帶寬的動態(tài)分配要求也越來越迫切。傳統(tǒng)的、主要靠人工配置或網(wǎng)管系統(tǒng)逐站配置的網(wǎng)絡(luò)連接的原始方法耗時(shí)費(fèi)力，不僅難以適應(yīng)新型網(wǎng)絡(luò)和新業(yè)務(wù)拓展的需要，也難以適應(yīng)市場競爭的需要；一種能夠自動完成網(wǎng)絡(luò)連接的新型網(wǎng)絡(luò)概念自動交換傳送網(wǎng)（ASTN）應(yīng)運(yùn)而生，其中以O(shè)TN為基礎(chǔ)的ASTN稱為自動交換光網(wǎng)絡(luò)ASON；傳送網(wǎng)中