第6讲光纤通信.ppt
2023/11/19,1,光 纤 通 信,现 代 通 信 技 术,2023/11/19,2,主要内容：,第一节.光纤通信概论第二节.光纤放大器第三节.波分复用WDM第四节.光弧子通信第五节.全光通信网的概念,2023/11/19,3,1.1 光纤通信发展的历史和现状 1.1.1 探索时期的光通信 1.1.2 现代光纤通信 1.1.3 国内外光纤通信发展的现状1.2 光纤通信的优点和应用 1.2.1 光通信与电通信 1.2.2 光纤通信的优点 1.2.3 光纤通信的应用1.3 光纤通信系统的基本组成 1.3.1 发射和接收 1.3.2 基本光纤传输系统 1.3.3 数字通信系统和模拟通信系统,第一节.光纤通信概论,返回主目录,2023/11/19,4,光纤通信是一门新兴的跨学科通信技术。它用光波作载波(100THz)来携带信息，并利用光纤作为传输介质，连同半导体光源和半导体光检测器，构成基本光纤通信系统。光纤通信系统与其它通信系统的区别从原理上讲只是载波频率的不同，光载波的频率在100THz的数量级，而微波载频的范围在10GHz，故光通信的信道带宽比微波系统高出近万倍，调制带宽可以达到Tbps的量级。,定义:,2023/11/19,5,1.1 光纤通信发展的历史和现状 1.1.1 探索时期的光通信,在这个时期，美国麻省理工学院利用He-Ne激光器和CO2激光器进行了大气激光通信试验。,由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质，对光通信的研究曾一度走入了低潮。,1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器，给光通信带来了新的希望。激光器的发明和应用，使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段。,1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音的“光电话”。贝尔光电话是现代光通信的雏型。,原始形式的光通信:中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传送信息。,2023/11/19,6,2023/11/19,7,2023/11/19,8,2023/11/19,9,弧光灯,A,B,M,N,L,送话器,光话机 原 理 图,2023/11/19,10,1.1.2 现代光纤通信 1966年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，光频率的介质纤维表面波导(dielectric-fibre surface waveguides for optical frequencies)，指出了利用光纤(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信光纤通信的基础。,指明通过“原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤”这一发展方向。,2023/11/19,11,光纤通信发明家高锟(左)1998年在英国接受IEE授予的奖章,2023/11/19,12,1970年，光纤研制取得了重大突破 1970年，美国康宁(Corning)公司研制成功损耗20dB/km的石英光纤。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/km。1973年，美国贝尔(Bell)实验室的光纤损耗降低到2.5dB/km。1974 年降低到1.1dB/km。1976 年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到0.47 dB/km(波长1.2m)。在以后的 10 年中，波长为1.55 m的光纤损耗：1979 年是0.20 dB/km，1984年是0.157 dB/km，1986 年是0.154 dB/km，接近了光纤最低损耗的理论极限。,2023/11/19,13,衰减的单位,dB(分贝)：描述功率相对比值的单位dB=10 log10(Pout/Pin)Pout：输出功率；Pin：输入功率dBm(分贝毫瓦)：描述功率绝对值的单位dBm=10 log10(P/1mw)1mw=0 dBm20mw=13 dBm40mw=16 dBm,2023/11/19,14,1970 年，光纤通信用光源取得了实质性的进展 1970年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联先后，研制成功室温下连续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器(短波长)。虽然寿命只有几个小时，但它为半导体激光器的发展奠定了基础。1973 年，半导体激光器寿命达到7000小时。1976年，日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3 m的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器。1977 年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时。1979年美国电报电话(AT&T)公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为1.55 m的连续振荡半导体激光器。,由于光纤和半导体激光器的技术进步，使 1970 年成为光纤通信发展的一个重要里程碑,2023/11/19,15,实用光纤通信系统的发展 1976 年，美国在亚特兰大(Atlanta)进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验。1980 年，美国标准化FT-3光纤通信系统投入商业应用。1976 年和 1978 年，日本先后进行了速率为34 Mb/s的突变型多模光纤通信系统，以及速率为100 Mb/s的渐变型多模光纤通信系统的试验。1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。随后，由美、日、英、法发起的第一条横跨大西洋 TAT-8海底光缆通信系统于1988年建成。第一条横跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系统于1989年建成。从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全球通信网的发展。,2023/11/19,16,光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：第一阶段(19661976年)，这是从基础研究到商业应用的开发时期。第二阶段(19761986年)，这是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。第三阶段(19861996年)，这是以超大容量超长距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期。,2023/11/19,17,中 美 海 底 光 缆,2023/11/19,18,1.1.3 国内外光纤通信发展的现状 1976年美国在亚特兰大进行的现场试验，标志着光纤通信从基础研究发展到了商业应用的新阶段。此后，光纤通信技术不断创新：光纤从多模发展到单模，工作波长从0.85 m发展到1.31 m和1.55 m(短波长向长波长），传输速率从几十Mb/s发展到几十Gb/s。随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不断下降，应用范围不断扩大。目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的支柱。在许多发达国家，生产光纤通信产品的行业已在国民经济中占重要地位。,2023/11/19,19,我国光纤通信发展成就,我国863计划光纤通信技术:成果:1.2.5Gbps高速光纤通信传输系统;2.622Mbps/155Mbps SDH分插复用系统;3.12路波分复用+光纤放大器通信系统;4.4*622Mbps单模光纤无中继传输系统;5.实用化CATV光纤传输系统;我国“九五”期间公用网建成八横八纵的干线光缆网络格局.总长3.4万公里，它覆盖了全国省会以上城市和70%的地市。,2023/11/19,20,八纵包括：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-西安-昆明 兰州-西宁-拉萨 兰州-贵阳-南宁八横包括：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,2023/11/19,21,光纤通信整体发展时间表,100000 10000 1000 100 10 1 0.1,2023/11/19,22,1.2 光纤通信的优点和应用,1.2.1 光通信与电通信 通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带宽度，载波频率越高，频带宽度越宽。光通信的主要特点：载波频率高；频带宽度宽（图 1.1）光通信利用的传输媒质-光纤，可以在宽波长范围内获得很小的损耗。（图 1.2）,2023/11/19,23,回忆一下相关知识,1 光波波谱 光波是电磁波，光波范围包括红外线、可见光、紫外线，其波长范围为：300m6103m。可见光由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色的连续光波组成，其中红光的波长最长，紫光的波长最短。波长再短就是X射线、射线。电磁波波谱图如图1.1所示。,2023/11/19,24,图1.1电磁波波谱图,2023/11/19,25,2光纤通信的光波波谱 光纤通信的波谱在1.671014Hz3.751014Hz之间，即波长在0.8m1.8m之间，属于红外波段，将0.8m0.9m称为短波长，1.0m1.8m称为长波长，2.0m以上称为超长波长。各种单位的换算公式如表1-1所示。表1-1各种单位的换算公式,2023/11/19,26,图 1.2 各种传输线路的损耗特性,传输损耗dB/Km,2023/11/19,27,1.2.2 光纤通信的优点 容许频带很宽，传输容量很大 损耗很小，中继距离很长且误码率很小 重量轻、体积小 抗电磁干扰性能好 泄漏小，保密性能好 节约金属材料，有利于资源合理使用,2023/11/19,28,1.2.3 光纤通信的应用 光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤在通信网、广播电视网与计算机网，以及在其它数据传输系统中，都得到了广泛应用。光纤宽带干线传送网和接入网发展迅速，是当前研究开发应用的主要目标。光纤通信的各种应用可概括如下：,通信网 构成因特网的计算机局域网和广域网 有线电视网的干线和分配网 综合业务光纤接入网,2023/11/19,29,ATM,Internet骨干网,DDN/FR,PSTN/ISDN,TV,业务分配节点,业务接入节点,网管,SNMP,与电信网管中心相连,Q3,100/1000M,E1/BRA/PRA,155M,622M SDH,典型应用之一：宽带综合业务光纤接入系统拓扑结构,2023/11/19,30,典型应用之二：作为校园网的骨干传输网,2023/11/19,31,1.3 光纤通信系统的基本组成,下图示出单向传输的光纤通信系统，包括发射、接收和作为广义信道的基本光纤传输系统。,2023/11/19,32,基本光纤传输系统的三个组成部分,1、光发送机组成框图：,结构参数：发送功率，dbm概念,光源光谱特性：输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，器件寿命长。,2023/11/19,33,电信号对光的调制的实现方式 直接调制 用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。这种方案技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。外调制 把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。外调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用。,2023/11/19,34,图 1.5两种调制方案(a)直接调制；(b)间接调制(外调制),2023/11/19,35,2.光纤线路 功能：是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失真)和衰减传输到光接收机 组成:光纤、光纤接头和光纤连接器 低损耗“窗口”：普通石英光纤在近红外波段，除杂质吸收峰外，其损耗随波长的增加而减小，在0.85 m、1.31 m和1.55 m有三个损耗很小的波长“窗口”，见后图。光源激光器的发射波长和光检测器光电二极管的波长响应，都要和光纤这三个波长窗口相一致。目前在实验室条件下，1.55 m的损耗已达到0.154 dB/km，接近石英光纤损耗的理论极限。,2023/11/19,36,0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5,衰减（dB/km）,波长（m）,普通单模光纤的衰减随波长变化示意图,2023/11/19,37,常用连接器类型,SC LC MT-RJ DSC VF-45 Opti-Jack,2023/11/19,38,常用连接器类型,FC Type,SC Type,SC2 Type,FDD Type,2023/11/19,39,光纤熔接机,2023/11/19,40,3、光接收机功能：是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号组成部分：耦合器，光电检测器，解调器组成框图：,结构参数：接收机灵敏度，定为BER10-9条件下，所要 求的最小电平接收功率。检测方式：直接检测和外差检测,2023/11/19,41,4 光纤与光缆,光纤的结构石英玻璃、塑料或晶体纤芯(折射率大)和包层全反射,2023/11/19,42,光纤直径,纤芯(Core),62.5,5 mm,125,m,m,包层(Clad),Core,8,m,m,125,m,m,Clad,85m,多模,单模,人的头发,2023/11/19,43,5 光纤的传光原理,构成光纤的材料是石英纤维（SiO2）;光纤由内芯和包层组成，芯的折射率略大于包层，利用光在内芯的折射或在芯与包层界面上的全反射实现光的传播。,n1,n2,n1,SIF,GIF,2023/11/19,44,6 光纤基本类型,突变折射率型多模光纤（SIF）：纤芯直径5060m，光线以折射形状沿纤芯轴线方向传播，存在多条路径，并有较大的时延差，因而信号畸变大。渐变折射率型多模光纤（GIF）：纤芯直径50m，光线以曲线形状沿纤芯轴线方向传播，各条路径时延差较小，因而信号畸变较小。单模光纤（SMF）：纤芯很细，直径约10 m，光线以直线形状沿纤芯轴线方向传播，只有一种传播模式，信号畸变很小。,2023/11/19,45,7光纤传输特性,传输损耗，由材料吸收和杂质散射等因素引起。有三个低损耗窗口：（1）0.85m附近，损耗24dB/km;（2）1.31 m附近，损耗约0.5dB/km;（3）1.55 m附近，损耗约0.2dB/km。色散（Dispersion）：一般包括材料色散、模式色散、波导色散等，引起接收的信号脉冲展宽，从而限制了信息传输速率。中继器间距受损耗限制和色散限制。,2023/11/19,46,8 实用光纤标准,G.651：GIF型光纤，适用于中小容量和中短距离，常用于计算机局域网或接入网；G.652：常规单模光纤，第一代SMF，在波长1.31 m处色散为零，传输距离只受损耗限制，适用于大容量传输，是应用最广的单模光纤；G.653：色散移位光纤，第二代SMF，在波长1.55 m色散为零，损耗小，适用于大容量长距离传输G.654：1.55 m损耗最小的SMF，1.31 m处色散为零；G.655：非零色散光纤，是新一代的SMF，适用于波分复用系统，提供更大的传输容量。,2023/11/19,47,9 光缆,按芯数分为单芯、双芯、多芯按结构分为层绞式、骨架式、带状等按敷设场合分为架空、直埋、管道、移动、室内、水下、海底等按用途分为通信用光缆和非通信用光缆,2023/11/19,48,1.3.3 数字通信系统和模拟通信系统 数字通信系统用参数取值离散的信号(如脉冲的有和无、电平的高和低等)代表信息，强调的是信号和信息之间的一一对应关系；模拟通信系统则用参数取值连续的信号代表信息，强调的是变换过程中信号和信息之间的线性关系。这种基本特征决定着两种通信方式的优缺点和不同时期的发展趋势。,2023/11/19,49,数字通信系统的优点如下：抗干扰能力强，传输质量好。可以用再生中继，传输距离长。适用各种业务的传输，灵活性大。容易实现高强度的保密通信。数字通信系统大量采用数字电路，易于集成，从而实现小型化、微型化，增强设备可靠性，有利于降低成本。,模拟通信系统的优点：占用带宽较窄外，电路简单易于实现、价格便宜等。,2023/11/19,50,PDH系统 SDH系统波分复用 WDM 密集波分复用 DWDM副载波复用通信新型光纤研制光放大技术光交换技术光接入技术光弧子通信,目前光纤通信的热点,研究方向最终实现全光通信!,2023/11/19,51,第二节.光纤放大器,2.1、引言2.2、光纤放大器的分类 2.3、掺铒光纤放大器 EDFA,2023/11/19,52,2.1 引言,目前研制的光放大器分为:光纤放大器（OFA）和半导体光放大器（SOA）两大类。SOA早期因受噪声、偏振相关性等因素的影响，性能达不到实用要求，但SOA结构简单、适于批量生产、成本低、寿命长、功耗小，还能与其它部件一块集成以及使用波长范围可望覆盖EDFA和PDFA的应用窗口。因此，SOA是进一步研究的重要器件之一。,2023/11/19,53,光纤放大器（Optical Fiber Ampler，简写OFA）是指运用于光纤通信线路中，实现信号放大的一种新型全光放大器。根据它在光纤线路中的位置和作用，一般分为:中继放大、前置放大和功率放大三种。同传统的半导体激光放大器（SOA）相比较，OFA不需要经过光电转换、电光转换和信号再生等复杂过程，可直接对信号进行全光放大，具有很好的“透明性”，特别适用于长途光通信的中继放大。可以说，OFA为实现全光通信奠定了一项技术基础,2023/11/19,54,传统再生中继器:光-电-光转换全光放大器:光-光中继,实现光纤通信全光化 优点：减少信号多次变换的失真 提高系统的可靠性和稳定性 比较：再生器 色散总清 单通路 调制比特率特定 光放大器 色散积累 多通路 调制比特率通透,2023/11/19,55,2.2 光纤放大器的分类,根据放大机制不同，OFA可分为两大类。1 掺稀土OFA 制作光纤时，采用特殊工艺，在光纤芯层沉积中掺入极小浓度的稀土元素，如铒、镨或铷等离子，可制作出相应的掺铒、掺镨或掺铷光纤。光纤中掺杂离子在受到泵浦光激励后跃迁到亚稳定的高激发态，在信号光诱导下，产生受激辐射，形成对信号光的相干放大。这种OFA实质上是一种特殊的激光器，它的工作腔是一段掺稀土粒子光纤，泵浦光源一般采用半导体激光器。,2023/11/19,56,当前光纤通信系统工作在两个低损耗窗口：1.55m波段和1.31m波段。选择不同的掺杂元素，可使放大器工作在不同窗口。（1）掺铒光纤放大器（EDFA）EDFA工作在1.55m窗口，该窗口光纤损耗系数低（仅0.2dBkm）。已商用的EDFA噪声低，增益曲线好，放大器带宽大，与波分复用（WDM）系统兼容，泵浦效率高，工作性能稳定，技术成熟，在现代长途高速光通信系统中备受青睐。目前，“掺铒光纤放大器（EDFA）+密集波分复用（WDM）+非零色散光纤（NZDF）+光子集成（PIC）”正成为国际上长途高速光纤通信线路的主要技术方向。,2023/11/19,57,（2）掺镨光纤放大器（PDFA）PDFA工作在1.31m波段，已敷设的光纤90都工作在这一窗口。PDFA对现有光通信线路的升级和扩容有重要的意义。目前已经研制出低噪声、高增益的PDFA，但是它的泵浦效率不高，工作性能不稳定，增益对温度敏感，离实用还有一段距离。,2023/11/19,58,2 非线性OFA 非线性OFA是利用光纤的非线性效应实现对信号光放大的一种激光放大器。当光纤中光功率密度达到一定阈值时，将产生受激拉曼散射（SRS）或受激布里渊散射（SBS），形成对信号光的相干放大。非线性OFA可相应分为拉曼光纤放大器（SRA）和布里渊光纤放大器（BRA）。目前研制出的SRA尚未商用化。,2023/11/19,59,2.3 掺铒光纤放大器 概况,掺铒光纤放大器（EDFA）是80年代后期发展起来的新型光纤通信产品。它的研制成功，打破了光纤通信传输距离受光纤损耗的限制，使全光通信距离延长至几千公里，给光纤通信带来了革命性的变化，被誉为光通信发展的一个“里程碑”。掺铒光纤放大器的工作光谱波段为1530nm至1560nm，与光纤通信的1550nm这个窗口完全匹配。掺铒光纤放大器可以对光信号进行直接光放大，具有增益高、输出功率大、噪声低、响应速度快。对信号的编码格式没有要求等优点，因此在光纤传输系统中有广泛的用途。,2023/11/19,60,它可以用作光 的功率放大器、中继放大器和前置放大器，可以用于数字的和模拟的光纤通信系统，CATV系统和光纤传输网络。由于掺铒光纤放大器的出现，使无中继的光纤传输距离大大延长，使密集波分复用成为可能，使复杂的光纤网络的构造成为可行，也使光弧子技术 等先进光纤通信技术取得突破性进展。注：铒(Er)是一种稀土元素(属于镧系元素),原子序数是68，原子量是167.3。EDFA在980nm泵浦时，是一个典型的三级能级系统，在1480nm泵浦时，是一个准二级能级系统。,2023/11/19,61,2.3 掺铒光纤放大器基本结构,EDFA:Erbium Doped Fiber Amplifier 基本结构：,EDFA是由掺铒光纤、泵浦光源、波分复用器构成。,输入信号,光隔离器,波分复用器,泵浦,掺铒光纤,光隔离器,输出信号,2023/11/19,62,EDFA放大原理,电子吸收泵浦光,受激辐射跃迁,跃迁,无辐射跃迁,E3,E2,E1,弱光,强光,泵浦光,激发态,亚稳态,基态,简单讲，是由于在掺铒光纤中铒离子的外层电子在泵浦光作用下呈现出粒子数反转分布状态，当受到入射光照时，受激辐射，从而使光信号得到增强。（注意无辐射跃迁的时间1us-10ms）,2023/11/19,63,2023/11/19,64,2023/11/19,65,2023/11/19,66,EDFA应用,光中继：,Transmitter,receiver,EDFA,EDFA,光接收机前置放大器：,Transmitter,receiver,EDFA,光发射机后置放大器：,receiver,Transmitter,EDFA,2023/11/19,67,EDFA的优点,EDFA的主要优点有：（1）工作波长正好落在光纤通信最佳波段（15001600 nm）；其主体是一段光纤（EDF），与传输光纤的耦合损耗很小，可达0.1dB。（2）增益高，约为 3040 dB；饱和输出光功率大，约为 1015 dBm；增益特性与光偏振状态无关。（3）噪声指数小，一般为47 dB(极限约为3dB)；用于多信道传输时，隔离度大，无串扰，适用于波分复用系统。,2023/11/19,68,EDFA的优点,（4）频带宽，在 1550 nm窗口，频带宽度为 2040 nm，可进行多信道传输，有利于增加传输容量。所以“波分复用+光纤放大器”被认为是充分利用光纤带宽增加传输容量最有效的方法。1550 nm EDFA在各种光纤通信系统中得到广泛应用，并取得了良好效果。副载波CATV系统，WDM系统，相干光系统以及光孤子通信系统，都应用了EDFA，并大幅度增加了传输距离。,2023/11/19,69,2023/11/19,70,波分复用 Wavelength Division Multiplexing WDM频分复用 Frequency Division Multiplexing FDM FDM与WDM在本质上是没有区别的。通常把光载波间隔在1nm以上的系统称为WDM或DWDM;当光载波间隔在1nm以下的系统称为FDM时分复用 Time Division Multiplexing TDM 将一帧时间T划分为n个时隙，每一个时隙只传输固定的信道，与TDM相比，OTDM中电光和光电转换分别位于复用之前和解复用之后，电子器件及E/O和O/E变换单元只工作于支路信号速率上。目前技术难点在于接收精确同步。空分复用 Space Division Multiplexing SDM,第三节 波分复用WDM各种复用方式,2023/11/19,71,3.1 波分复用的基本概念 波分复用是光纤通信中的一种传输技术,它利用了一根光纤可以同时传输多个不同波长的光载波的特点,把光纤可能应用的波长范围划分成若干个波段,每个波段用作一个独立的通道传输一种预定波长的光信号。通常将波分复用缩写为WDM。光波分复用的实质是在光纤上进行光频分复用每个波长之间的间隔宽度也有差别。按照通道间隔的差异，WDM可以细分为:WWDM（Wide-WDM,通道间隔等于或者大于25nm）MWDM(Mid-WDM,通道间隔小于25 nm,而大于3.2 nm)DWDM(Dense-WDM,通道间隔小于或者等于3.2 nm)。通道可以是等间隔的，也可以是非等间隔的。,2023/11/19,72,3.2 单模光纤的频带资源,光纤的带宽很宽。如图所示，在光纤的两个低损耗传输窗口：波长为1.31um(1.251.35um)的窗口，相应的带宽为17700 GHz；波长为 1.55um(1.501.60um)窗口，相应的带宽为12500 GHz。两个窗口合在一起，总带宽超过30 THZ。如果信道频率间隔为10GHZ，在理想情况下，一根光纤可以容纳3000个信道。,2023/11/19,73,DWDM系统是在1550 nm波长区段内，同时用8，16或更多个波长在一对光纤上(也可采用单光纤)构成的光通信系统，其中各个波长之间的间隔为1.6 nm、0.8 nm或更低，约对应于200 GHz,100 GHz或更窄的带宽。WDM、DWDM和FDM在本质上没有多大区别 以往技术人员习惯采用WDM 和DWDM来区分是1310/1550 nm 简单复用还是在1550 nm波长区段内密集复用，但目前在电信界应用时，都采用DWDM技术。由于1310/1550 nm的复用超出了EDFA的增益范围，只在一些专门场合应用，所以经常用WDM这个更广义的名称来代替DWDM。,2023/11/19,74,光波分复用器和解复用器是WDM技术中的关键部件，将不同波长的信号结合在一起经一根光纤输出的器件称为复用器(也叫合波器)。反之，经同一传输光纤送来的多波长信号分解为各个波长分别输出的器件称为解复用器(也叫分波器)。从原理上讲，这种器件是互易的(双向可逆)，即只要将解复用器的输出端和输入端反过来使用，就是复用器。因此复用器和解复用器是相同的(除非有特殊的要求)。,3.3 WDM系统的基本形式,2023/11/19,75,WDM系统的基本构成主要有以下两种形式：1）双纤单向传输。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。如图所示，在发送端将载有各种信息的、具有不同波长的已调光信号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。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。在接收端通过光解复用器将不同波长的信号分开，完成多路光信号传输的任务。反方向通过另一根光纤传输的原理与此相同。,2023/11/19,76,WDM系统的基本形式(续),（2）单纤双向传输。双向WDM传输是指光通路在一根光纤上同时向两个不同的方向传输。如图所示，所用波长相互分开，以实现双向全双工的通信。,2023/11/19,77,3.4 WDM系统的基本结构 实际的WDM系统主要由五部分组成：光发射机、光中继放大、光接收机、光监控信道和网络管理系统，如下图所示。,2023/11/19,78,目前国际上已商用的系统有：42.5 Gb/s(10 Gb/s),82.5 Gb/s(20 Gb/s),162.5 Gb/s(40 Gb/s),402.5 Gb/s(100 Gb/s),3210 Gb/s(320 Gb/s),4010 Gb/s(400 Gb/s)。实验室已实现了8240 Gb/s(3.28 Tb/s)的速率，传输距离达3100 km=300km。OFC2000(Optical Fiber Communication Conference)提供的情况有：Bell Labs:82路40 Gb/s=3.28 Tb/s在3100 km=300 km的True Wave(商标)光纤(即G.655光纤)上，利用C和L两个波带联合传输；日本NEC:16020 Gb/s=3.2 Tb/s，利用归零信号沿色散平坦光纤，经过增益宽度为64 nm的光纤放大器，传输距离达1500 km;,2023/11/19,79,1.充分利用光纤的巨大带宽资源 光纤具有巨大的带宽资源(低损耗波段)，WDM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，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。2.同时传输多种不同类型的信号 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SDH信号，数字信号和模拟信号，多种业务(音频、视频、数据等)的混合传输等。,3.5 WDM技术的主要特点,2023/11/19,80,3.节省线路投资 采用WDM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必对原系统作大的改动。4.降低器件的超高速要求 随着传输速率的不断提高，许多光电器件的响应速度已明显不足，使用WDM技术可降低对一些器件在性能上的极高要求，同时又可实现大容量传输。,2023/11/19,81,5.高度的组网灵活性、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，从而实现未来的透明、灵活、经济且具有高度生存性的光网络。,2023/11/19,82,2023/11/19,83,随着光纤损耗不断下降，光信号幅度的衰减越来越不成为限制通信系统中继距离的主要制约因素。相反地，在Gb/s以上的高速光纤通信系统中，由于各种色散，即群速度色散（GVD）而造成的光脉冲在传播过程中的脉冲展宽却成为限制通信距离的关键制约因素。1834年英国海军工程师Scott Russel观察到河面上船过后隆起的水波可以保形传输，从此揭开了孤子理论的研究序幕。1973年，Hasegawa与Tappert一起从理论上证明了光孤子脉冲能在光纤中保形传输这一现象，这种发现诱发了人们将光孤子作为一种信息载体用于高速通信的遐想。,第四节 光孤子光纤通信 Soliton,2023/11/19,84,光孤子现象：用较大功率的长波激光（其波长大于零色散波长）在光纤中传播，产生非线性效应形成负色散，以抵消光纤本身的色散所引起的脉冲展宽现象。是一种孤立波，它在传播过程中没有能量弥散，特别是超短光脉冲即脉冲宽度达到ps量级，它通过光纤传输时将没有任何色散而保持脉冲形状不变。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光脉冲(ps数量级)。,第四节 光孤子光纤通信 Soliton,2023/11/19,85,为了增加传输距离，在光纤线路上，每隔一定的距离，可设置一个光纤放大器，以周期地补充光功率的损耗。但是多个光纤放大器产生的噪声累积又妨碍了传输距离的增加，因而要求提高传输信号的光功率，这样便产生非线性效应。非线性效应对光纤通信有害也有利，事实表明，克服其害还不如利用其利。光纤非线性效应和色散单独起作用时，在光纤中传输的光信号都要产生脉冲展宽，对传输速率的提高是有害的。但是如果适当选择相关参数，使两种效应相互平衡，就可以保持脉冲宽度不变，因而形成光孤子。,2023/11/19,86,4.2 光孤子通信系统的构成和性能 光孤子源产生一系列脉冲宽度很窄的光脉冲，即光孤子流，作为信息的载体进入光调制器，使信息对光孤子流进行调制。被调制的光孤子流经掺铒光纤放大器和光隔离器后，进入光纤进行传输。为克服光纤损耗引起的光孤子减弱，在光纤线路上周期地插入EDFA，向光孤子注入能量，以补偿因光纤传输而引起的能量消耗，确保光孤子稳定传输。在接收端，通过光检测器和解调装置，恢复光孤子所承载的信息。,2023/11/19,87,孤子源,调制,脉冲源,EDFA,隔离器,探测,光纤传输系统,EDFA,EDFA,EDFA,光孤子通信系统构成方框图,2023/11/19,88,光孤子源是光孤子通信系统的关键。要求光孤子源提供的脉冲宽度为ps数量级，并有规定的形状和峰值。光孤子源有很多种类，主要有掺铒光纤孤子激光器、锁模半导体激光器等。目前，光孤子通信系统已经有许多实验结果。例如，对光纤线路直接实验系统，在传输速率为10 Gb/s时，传输距离达到1000 km；在传输速率为20 Gb/s时，传输距离达到350 km。对循环光纤间接实验系统，传输速率为2.4 Gb/s，传输距离达12 000 km；改进实验系统，传输速率为10 Gb/s，传输距离达106 km。,2023/11/19,89,事实上，对于单信道光纤通信系统来说，光孤子通信系统的性能并不比在零色散波长工作的常规(非光孤子)系统更好。循环光纤间接实验结果表明，零色散波长常规系统的传输速率为2.4 Gb/s时，传输距离可达21 000 km，而为5 Gb/s时可达14 300 km。然而，零色散波长系统只能实现单信道传输，而光孤子系统则可用于WDM系统，使传输速率大幅度增加，因而具有广阔的应用前景。,2023/11/19,90,5.1 全光网的概念 全光网是指用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术，即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行。其在各网络节点的交换则使用高可靠、大容量和高度灵活的光交叉连接设备（OXC）。5.2 全光网的基本结构 可以分为光网络层和电网络层。光网络层的拓扑结构可以是环形、星形和网孔形等，交换方式各采用空分、时分或波分光交换。目前国际上所试验的全光网更注重于波分光交换的应用。,第五节 全光通信网,2023/11/19,91,全光网的基本结构,2023/11/19,92,5.3 全光网络中的关键技术（1）光交叉连接设备（OXC）（2）光分插复用器（OADM）（3）掺铒光纤放大器（EDFA）（4）全光网的管理、控制和运作 网络层与传输层一致的问题。使用新的监控方法的问题。协调处理好不同系统、不同传输层之间关系的问题。,2023/11/19,93,5.4 全光网的特点 全光网通过波长选择器来实现路由选择，即以波长来选择路由，对传输码率、数据格式以及调制方式具有透明性的优点。全光网不仅可以与现有的通信网络兼容，而且还可以支持未来的宽带综合业务数字网以及网络的升级。全光网络具备可扩展性。可同时扩展用户、容量和种类。全光网还具备可重构性，动态地改变网络结构，可为突发业务提供临时连接，从而充分利用网络资源。全光网的光网络层有许多光器件，可靠性高，维护费用低。,2023/11/19,94,谢谢,
