光纖通信_第8章_光復用技術

1、1光復用技術光復用技術秦建秋秦建秋李亮李亮21. 光復用技術的基本概念光復用技術的基本概念 2. 光時分復用技術光時分復用技術3. 光波分復用技術光波分復用技術 4. 密集波分復用技術的非線性串擾密集波分復用技術的非線性串擾 內容簡介：內容簡介：3 光纖通信光纖通信單信道速率40Gbit/s，與光纖帶寬潛力相比相差巨大，有潛力可挖。 電復用技術實驗室已到40Gbit/s，但受電子遷移速率限制，進一步提高速率已十分困難。 克服電復用的這一“瓶頸瓶頸”，進一步提高光纖頻帶的利用率，只有采用光復用技術光復用技術。 8.1 光復用技術的基本概念光復用技術的基本概念 48.1 光復用技術的基本概念光復用

2、技術的基本概念 復用技術復用技術：為提高通信線路利用率，采用同一傳輸線路上同時傳輸多路不同信號同時傳輸多路不同信號而互不干擾互不干擾的技術 把通信資源（通信資源（帶寬、時隙）固定分配給各個終端。一旦分配確定，這個終端是否通信，都占用這個頻帶或時隙，直到拆線為止。兩種復用方式兩種復用方式:1.靜態(tài)復用（同步復用）靜態(tài)復用（同步復用）8.1 光復用技術的基本概念光復用技術的基本概念 2.動態(tài)復用（統計復用）動態(tài)復用（統計復用） 全稱“統計時分多路復用”(Statistical Time Division Multiplexing，STDM)，或稱“異步時分多路復用”。 只把需要傳送信息的終端接入公

3、共信道， “動態(tài)地”按需分配其時隙。從而更有效提高了線路利用率。 統計表明：統計復用比靜態(tài)時分復用提高傳輸效率24倍。 比如：數據通信比如：數據通信-Internet5注意注意： 上述復用技術能增加線路容量，提高線路利用率增加線路容量，提高線路利用率。 但相對于巨大的光纖帶寬潛能，單獨采用某一復用技術還只能是使用光纖的很小一部分帶寬資源，為此，可以復合復合采用幾種復用技術采用幾種復用技術。 例如：在每個時隙先采用碼分復用，再采用時分復用，然后將時分復用以后的信號再調制在不同的波長上。8.1 光復用技術的基本概念光復用技術的基本概念 68.2 光時分復用技術光時分復用技術 電子器件的極限速率大約

4、在40Gb/s左右，現在通過電時分復用(TDM)已經達到這個極限速率極限速率。 光時分復用(OTDM)的原理與電時分復用相同，只不過電時分復用是在電域中電域中完成，而光時分復用是在光域中光域中進行，即將高速的光支路數據流(例如10Gbit/s，甚至40Gbit/s)直接復用進光域，產生極高比特率的合成光數據流。目前能查到的OTDM技術實現的單信道復用速率為640Gbit/s。78.2 光時分復用技術光時分復用技術 如今WDM技術研究非常熱，有的技術已經成熟并實用化；而OTDM技術還處于實驗研究階段實驗研究階段，許多關鍵技術還有待解決。 超短光脈沖光源； 超短光脈沖的長距離傳輸和色散抑制技術；

5、幀同步及路序確定技術； 光時鐘提取技術； 全光解復用技術。898.2 光時分復用技術光時分復用技術 根據每個支路每次復用的比特數的不同，分成： 比特交錯比特交錯OTDM（一個比特）（一個比特）； 分組交錯分組交錯OTDM（若干個比特）（若干個比特）； 它們都需要利用幀脈沖信號（幀同步信號，幀脈沖信號（幀同步信號，幀頭）幀頭）區(qū)分不同的復用數據或分組。8.2 光時分復用技術光時分復用技術 1.比特交錯比特交錯OTDM：每個時隙對應一個待復用的支路信息(一個比特)，同時有一個幀脈沖信息，形成高速的OTDM信號。 主要用于電路交換業(yè)務電路交換業(yè)務。1011 2.分組交錯分組交錯OTDM：每個時隙對應

6、一個待復用支路的分組信息(若干個比特)，幀脈沖作為不同分組的界限。 主要用于分組交換業(yè)務分組交換業(yè)務，分組變換業(yè)務可以和IP相結合，有廣闊的前景。8.2 光時分復用技術光時分復用技術 8.2.1 比特交錯比特交錯OTDM 復用復用：（1）鎖模激光器產生窄脈沖周期序列； （2）分路器把其分路為n+1路； （3）每路窄脈沖周期序列經外調制，調制后信號經過適當長度硅光纖延時i；（1）（2）（3）幀脈沖比特交錯時分復用原理圖比特交錯時分復用原理圖128.2.1 比特交錯比特交錯OTDM 復用復用：（4）外調制器的各支路光脈沖流輸出+幀脈沖流相結合=比特交錯光時分復用數據流。（1）（2）（3）幀脈沖比特

7、交錯時分復用原理圖比特交錯時分復用原理圖（4）138.2.2 分組交錯光時分復用分組交錯光時分復用 復用復用:（1）與比特交錯光復用一樣與比特交錯光復用一樣，首先鎖模激光器產生窄脈沖周期序列，經分路器分成n路，每路經一路支路數據流外調制。分組交錯光時分復用的調制波形圖分組交錯光時分復用的調制波形圖（1）14（1）8.2.2 分組交錯光時分復用分組交錯光時分復用 復用：復用：（2）為了減小脈沖的間隔以便實現分組交錯復用，每支路調制后的光數據流需經過一個多級壓縮器進行壓縮多級壓縮器進行壓縮。 若每分組信息比特數為n，壓縮級數k=log2n（n=8，k=3）。（1）（2）15第一級壓縮后，第1、3、

8、5、7比特被延遲(T- )時間；第二級壓縮后，第(1、2)、(5、6)、(9、10)比特被延遲2(T- )時間；第三級壓縮后，第(1、2、3、4)、(9、10、1l、12) 比特被延遲4(T- )時間。8.2.2 分組交錯光時分復用分組交錯光時分復用 復用復用：（3）經過不同的延遲n路信號+幀同步脈沖=分組交錯光時分復用數據流。16178.3 光波分復用技術光波分復用技術 光波分復用光波分復用(WDM)技術是在一根光纖中同時傳輸多個波長光信號多個波長光信號的一項技術。 基本原理：在發(fā)送端將不同波長的光信號組合起來(復用復用)，并耦合到耦合到光纜線路上的同一根光纖同一根光纖中進行傳輸，在接收端又

9、將組合波長的光信號分開(解解復用復用)，恢復出原信號后送入不同的終端。因此稱為光波長分割復用技術光波長分割復用技術，簡稱光波分復用技術光波分復用技術。188.3 光波分復用技術光波分復用技術 光纖的帶寬有多寬？光纖的帶寬有多寬？ 光纖兩個低損耗傳輸窗口： 波長為1.31 m(1.251.35m)的窗口，相應的帶寬(, 和分別為中心波長和相應的波段寬度， c為真空中光速)為17700 GHz； 波長為1.55 m(1.501.60 m)的窗口， 相應的帶寬為12500 GHz。 兩個窗口合一起，總帶寬超過30THz。如果信道頻率間隔為10 GHz， 理想情況下， 一根光纖可容納3000個信道。稱

10、作全波光纖全波光纖。8.3 光波分復用技術光波分復用技術 一些光器件與技術還不十分成熟，光頻分復用光頻分復用(OFDM)困難（0.1nm）。 在這種情況下，信道間隔較小稱為密集波分復用密集波分復用(DWDM：Dense Wavelength Division Multiplexing)（1.6、0.8nm或更低）?；蚋停Ｔ?550 nm波長區(qū)段內，同時用用8，16或更或更多個波長多個波長在一對光纖上(也可采用單光纖)構成的光通信系統，對應于200 GHz, 100 GHz或更窄的帶寬。19 WDM、 DWDM和和OFDM在本質上沒有多大區(qū)別在本質上沒有多大區(qū)別 以往技術人員習慣采用WDM

11、和DWDM來區(qū)分是1310/1550 nm 簡單復用還是在1550 nm波長區(qū)段內密集復用，但目前在電信界應用時，都采用目前在電信界應用時，都采用DWDM技術。技術。 8.3 光波分復用技術光波分復用技術 20 早期，早期， 沒有合適的光放沒有合適的光放大器，大器，WDM只具有只具有1310nm和和1550nm兩個通道。兩個通道。8.3 光波分復用技術光波分復用技術 1310nm/1550nm窗口的波分復用(WDM)：仍用于接接入網入網，但很少用于長距離傳輸 1550nm窗口的密集波分復用(DWDM)：可廣泛用于長距離傳輸長距離傳輸，用于建設全光網絡 由于1310/1550 nm的復用超出了E

12、DFA的增益范圍，只在一些專門場合應用，所以經常用經常用WDM這個更廣義這個更廣義的名稱來代替的名稱來代替DWDM。21228.3 光波分復用技術光波分復用技術 WDM技術的主要特點技術的主要特點 1. 充分利用光纖的巨大帶寬資源充分利用光纖的巨大帶寬資源 單光纖，WDM傳輸容量是單波長幾倍、幾十倍、幾百倍幾倍、幾十倍、幾百倍， 2000年，加拿大LMGR，一根光纖傳輸65536個波長信號。 2. 節(jié)省大量光纖節(jié)省大量光纖 3. 信號透明傳輸信號透明傳輸 各波長的信道相互獨立，可傳輸特性和速率完全不同的信號，完成各種電信業(yè)務信號的綜合傳輸各種電信業(yè)務信號的綜合傳輸，如PDH信號和SDH信號，數

13、字信號和模擬信號，多種業(yè)務(音頻、視頻、數據等)的混合傳輸等。8.3 光波分復用技術光波分復用技術 WDM技術的主要特點技術的主要特點 4. 高度的組網靈活性、高度的組網靈活性、 經濟性和可靠性經濟性和可靠性 很多應用形式，如長途干線網、廣播分配網、多路多址局域網?？梢岳肳DM技術選擇路由技術選擇路由，實現網絡交換和故障恢復，從而實現未來的透明、 靈活、經濟且具有高度生存性的光網絡光網絡。 5. 降低器件的超高速要求降低器件的超高速要求 隨著傳輸速率的不斷提高，許多光電器件的響應速度已明顯不足，使用WDM技術可降低對一些器件在性能上的極高要求，同時又可實現大容量傳輸。 2324 WDM技術對

14、網絡升級、發(fā)展寬帶業(yè)務(如CATV， HDTV 和IP over WDM等)、充分挖掘光纖帶寬潛力、實現超高速光纖通信等具有十分重要意義，尤其是WDM加上EDFA更是對現代信息網絡具有強大的吸引力。 “摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器(EDFA)+密集波分復用密集波分復用(WDM)+非零色散光纖非零色散光纖(NZDSF，即即G.655光纖光纖)+光子光子集成集成(PIC)”正成為國際上長途高速光纖通信線路的主要技術方向。8.3 密集波分復用技術密集波分復用技術 258.3.1 WDM系統基本類型系統基本類型 WDM系統從不同角度可分為不同類型，常分為：（1）從傳輸方向，可分為： 雙纖單向波分復用系

15、統雙纖單向波分復用系統； 單纖雙向波分復用系統單纖雙向波分復用系統；（2）從光接口類型，可分為： 集成式波分復用系統集成式波分復用系統； 開放式波分復用系統開放式波分復用系統。8.3.1 WDM系統基本類型系統基本類型 -傳輸方向1. 雙纖單向傳輸雙纖單向傳輸 單向WDM是指所有光路同時在一根光纖上沿同一同一方向方向傳送，如下圖。雙纖單向傳輸示意圖雙纖單向傳輸示意圖26原理上，復用器和解復用器原理上，復用器和解復用器互易的互易的(雙向可逆) ，相同的（除非特殊要求）相同的（除非特殊要求）278.3.1 WDM系統基本類型系統基本類型 -傳輸方向2.單纖雙向傳輸單纖雙向傳輸 同一光波分復用器既可

16、合波器合波器，又可分波器分波器，具有方向可逆性，因此，可在同一根光纖上實現雙向傳輸。所用波長互相分開，以便實現雙向全雙工通信。單纖雙向傳輸示意圖單纖雙向傳輸示意圖 雙纖單向開發(fā)和應用方面都比較廣泛廣泛。 單纖雙向開發(fā)和應用相對來說要求更高，減要求更高，減少少光纖和線路放大器的數量。8.3.1 WDM系統基本類型系統基本類型 -傳輸方向28類型比較：類型比較：298.3.1 WDM系統基本類型系統基本類型-光接口類型 考慮各波長之間影響最小和更多廠家設備互通，WDM使用激光器發(fā)出光中心波長中心波長、波長間隔波長間隔、中心頻率中心頻率偏移偏移等均有嚴格規(guī)定，需符合ITU-T G.692建議(見表8

17、.1)1.集成式波分復用系統集成式波分復用系統 集成式集成式：光接口滿足G.692建議-標準的光波長、滿足長距離傳輸的光源。把標準的光波長和長色散受限距離的光源集成在SDH系統中。302.開放式波分復用系統開放式波分復用系統開放式開放式WDM系統系統 開放是指在同一開放是指在同一WDM系統中，可以接入不同廠家的系統中，可以接入不同廠家的SDH系統。系統。OTU對輸人端信號波長沒特殊要求，可兼容任意廠家信號。OTU輸出端滿足G.692的光接口。實現不同廠家的SDH系統工作在同一個WDM系統內。 在波分復用器前加入波長轉換器(Optical Transition Unit，OTU)，將SDH非規(guī)范

18、的波長轉換為標準波長。8.3.1 WDM系統基本類型系統基本類型-光接口類型318.3.2 WDM系統基本結構與工作原理系統基本結構與工作原理 一般來說，WDM系統主要由以下五部分組成：光發(fā)光發(fā)射機射機、光中繼放大光中繼放大、光接收機光接收機、光監(jiān)控信道光監(jiān)控信道和網絡管理網絡管理系統系統。8.3.2 WDM系統基本結構與工作原理系統基本結構與工作原理 (1)將終端設備(如SDH端機) 光信號-光轉發(fā)器光轉發(fā)器(OTU)；（ITU-T G.957非特定波長轉換成ITU-T G.692特定波長光信號）32(2)合波器合波器合成多路光信號；(1)(3)光功率放大器光功率放大器(BA： Booste

19、r Amplifier)放大輸出多路光信號。8.3.2 WDM系統基本結構與工作原理系統基本結構與工作原理 光中繼放大：光中繼放大：用摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器(EDFA)對光信號中繼放大中繼放大。33線放線放(LA)功放功放(BA）前放前放(PA) 系統中，EDFA必須采用增益平坦技術增益平坦技術不同波長的光信號具有接近相同的放大增益；還要考慮到不同數量的光信道同時工作同時工作的各種情況，保證光信道的增益競爭不影響傳輸性能。348.3.2 WDM系統基本結構與工作原理系統基本結構與工作原理 光接收機：光接收機：在接收端， (1)光前置放大器光前置放大器(PA)放大衰減的主信道光信號;(2)

20、分波器分波器從主信道光信號中分出特定波長光信號送往各終端(1)(2)8.3.2 WDM系統基本結構與工作原理系統基本結構與工作原理 光接收機：光接收機：接收機要滿足光信號靈敏度光信號靈敏度、過載功率過載功率等參數，還要能承受有一定光噪聲光噪聲的信號，要有足夠的電帶寬電帶寬性能。35368.3.2 WDM系統基本結構與工作原理系統基本結構與工作原理 光監(jiān)控信道：監(jiān)控系統內各信道傳輸情況光監(jiān)控信道：監(jiān)控系統內各信道傳輸情況。 發(fā)送端，插入本節(jié)點產生波長s(1510nm)光監(jiān)控信號，與主信道光信號合波輸出； 接收端，將接收光信號分波，輸出s(1510nm)波長光監(jiān)控信號和業(yè)務信道光信號。 幀同步字節(jié)

21、、公務字節(jié)和網管所用開銷字節(jié)開銷字節(jié)等都是通過光監(jiān)控信道來傳遞。378.3.2 WDM系統基本結構與工作原理系統基本結構與工作原理 網絡管理系統：光監(jiān)控信道物理層網絡管理系統：光監(jiān)控信道物理層傳送開銷字節(jié)到其他節(jié)點或接收來自其他節(jié)點的開銷字節(jié)。對WDM系統進行管理系統進行管理，實現配置管理、故障管理、性能管理、安全管理等功能。并與上級管理系統相連。8.3.2 WDM系統基本結構與工作原理系統基本結構與工作原理 38 目前國際上已商用的系統有：目前國際上已商用的系統有： 42.5 Gb/s(10 Gb/s), 82.5 Gb/s(20 Gb/s), 162.5 Gb/s(40 Gb/s), 40

22、2.5 Gb/s(100 Gb/s), 3210 Gb/s(320 Gb/s), 4010 Gb/s(400 Gb/s)。 實驗室實驗室已實現了8240 Gb/s(3.28 Tb/s)的速率， 傳輸距離達3100 km=300 km。8.3.2 WDM系統基本結構與工作原理系統基本結構與工作原理 OFC2000(Optical Fiber Communication Conference)提供提供的情況有：的情況有： Bell Labs: 82路40 Gb/s=3.28 Tb/s在3100 km=300 km的True Wave(商標)光纖(即G.655光纖)上，利用C和L兩個波帶聯合傳輸；

23、日本日本NEC: 16020 Gb/s=3.2 Tb/s， 利用歸零信號沿色散平坦光纖，經過增益寬度為64 nm的光纖放大器，傳輸距離達1500 km; 日本富士通日本富士通(Fujitsu): 128路10.66 Gb/s， 經過C和L波帶注：C波帶為15251565 nm，L波帶為15701620 nm。， 用分布喇曼放大(DRA: Distributed Raman Amplification), 傳輸距離達6140 km=840 km;398.3.2 WDM系統基本結構與工作原理系統基本結構與工作原理 OFC2000(Optical Fiber Communication Confer

24、ence)提供的提供的情況有：情況有： 日本日本NTT： 30路42.7 Gb/s， 利用歸零信號， 經過增益寬度為50 nm的光纖放大器，傳輸距離達3125 km376 km; 美國美國Lucent Tech: 100路10 Gb/s=1 Tb/s，各路波長的間隔縮小到25 GHz, 利用L波帶，沿NZDF光纖(G.655光纖)傳輸400 km; 美國美國Mciworldcom和加拿大和加拿大Nortel: 100路10 Gb/s=1 Tb/s， 沿NZDF光纖在C和L波帶傳輸4段， 約200 km; 美國美國Qtera 和和Qwest: 兩個波帶4路10 Gb/s和2路10 Gb/s沿NZDF光纖傳輸23105 km=2415 km, 這個試驗雖然WDM路數不多，但在陸地光纜中卻是最長距離。40418.4 密集波分復用系統的非線性串擾密集波分復用系統的非線性串擾 在單信道的光纖通信系統中，對于光纖特性主要考慮的是衰耗衰耗和色散色散，它們限制著傳輸距離傳輸距離