光纖通信技術(shù)-光通信

光纖通信及其開展光纖通信根本知識光波分復(fù)用光波網(wǎng)絡(luò)光纖通信根本知識

光纖傳輸系統(tǒng)的根本組成光纖通信：以光導(dǎo)纖維〔光纖〕為傳輸媒質(zhì)，以光波為載波，實(shí)現(xiàn)信息傳輸。光纖傳輸系統(tǒng)的根本組成光纖線路光源光調(diào)制器光檢測器基帶處理基帶處理基帶電信號基帶電信號調(diào)制電信號解調(diào)電信號已調(diào)光信號光發(fā)射機(jī)光接收機(jī)光纖通信根本知識

光纖的傳光原理構(gòu)成光纖的材料是石英纖維〔SiO2〕;光纖由內(nèi)芯和包層組成，芯的折射率略大于包層，利用光在內(nèi)芯的折射或在芯與包層界面上的全反射實(shí)現(xiàn)光的傳播。n1n2n1SIFGIF光纖通信根本知識

光纖根本類型突變折射率型多模光纖〔SIF〕：纖芯直徑＝50～60μm，光線以折射形狀沿纖芯軸線方向傳播，存在多條路徑，并有較大的時延差，因而信號畸變大。漸變折射率型多模光纖〔GIF〕：纖芯直徑＝50μm，光線以曲線形狀沿纖芯軸線方向傳播，各條路徑時延差較小，因而信號畸變較小。單模光纖〔SMF〕：纖芯很細(xì)，直徑約10μm，光線以直線形狀沿纖芯軸線方向傳播，只有一種傳播模式，信號畸變很小。光纖通信根本知識

光纖傳輸特性傳輸損耗，由材料吸收和雜質(zhì)散射等因素引起。有三個低損耗窗口：〔1〕0.85μm附近，損耗2~4dB/km;〔2〕1.31μm附近，損耗約0.5dB/km;〔3〕1.55μm附近，損耗約0.2dB/km。色散〔Dispersion〕：一般包括材料色散、模式色散、波導(dǎo)色散等，引起接收的信號脈沖展寬，從而限制了信息傳輸速率。中繼器間距受損耗限制和色散限制。色散限制用距離帶寬積〔Mbps·km〕表示。三類光纖中SMF最高，GIF次之，SIF最低。光纖通信根本知識

實(shí)用光纖標(biāo)準(zhǔn)G.651：GIF型光纖，適用于中小容量和中短距離；G.652：常規(guī)單模光纖，第一代SMF，在波長1.31μm處色散為零，傳輸距離只受損耗限制，適用于大容量傳輸；G.653：色散移位光纖，第二代SMF，在波長1.55μm色散為零，損耗小，適用于大容量長距離傳輸G.654：1.55μm損耗最小的SMF，1.31μm處色散為零；G.655：非零色散光纖，是新一代的SMF，適用于波分復(fù)用系統(tǒng)，提供更大的傳輸容量。光纖通信根本知識

光發(fā)射機(jī)光源：·發(fā)光二極管〔LED〕：自發(fā)輻射，輸出光功率小，譜寬，穩(wěn)定，長壽命〔107〕，價低，適用于小容量、短距離傳輸系統(tǒng)。·激光二極管〔LD〕：受激輻射，輸出光功率大，譜窄，波長穩(wěn)定，長壽命〔105至106〕，價高，適用于大容量、長距離傳輸系統(tǒng)。光調(diào)制器：目前采用強(qiáng)度調(diào)制〔由于光源頻譜不純，尚未實(shí)現(xiàn)相干光通信〕；分內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制，對于數(shù)字調(diào)制，用光脈沖的有無代表數(shù)字信息〔0和1〕。光纖通信根本知識

光接收機(jī)光檢測器的功能：光信號的解調(diào)〔O/E〕光檢測器的類型：PIN光電二極管、雪崩光電二極管〔APD〕光接收機(jī)的靈敏度取決于噪聲特性〔包括光檢測器的噪聲和電放大器的噪聲〕和誤碼率指標(biāo)APD是有增益的光電二極管適用于靈敏度要求較高的場合，但需采用復(fù)雜的溫度補(bǔ)償電路，故本錢高；在靈敏度要求不高的場合，宜采用PIN管。光接收機(jī)中還有電的放大器、自動增益控制電路、均衡再生電路等。光纖通信根本知識

光纖通信開展階段光纖通信根本知識

光纖通信特點(diǎn)與應(yīng)用波分復(fù)用光波分復(fù)用原理WDM原理圖WDM的特點(diǎn)利用多個波長并行傳輸，突破電子電路的速率極限，減小了光纖色散的影響，充分利用光纖的巨大帶寬資源，使單根光纖的傳輸容量比單波長傳輸增加幾倍、幾十倍甚至幾百倍各波長的信道相對獨(dú)立，可同時傳輸不同類型、不同速率的信號可降低對O/E，E/O器件要求在光域傳輸?shù)耐该餍院酶叨鹊慕M網(wǎng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性光波分復(fù)用傳輸系統(tǒng)MUXDMX

光纖SDH光發(fā)射機(jī)光放大器接口

1ATM

光接收機(jī)接口

2

W

1

2

W光域

接口：可提供不同的業(yè)務(wù)，支持不同的協(xié)議

光發(fā)射機(jī)（E/O）：可工作于不同波長的激光器

光波分復(fù)用器

光放大器

光波分解復(fù)用器：分離不同波長的光信號

光接收機(jī)（O/E）：靈敏度應(yīng)與波長無關(guān)

舉例：W=32，Rb=10Gb/s，傳輸距離500km，放大器間距125km雙纖雙向單纖雙向IPITU－TDWDM標(biāo)稱波長頻率(THz)波長(nm)頻率(THz)波長(nm)頻率(THz)波長(nm)196.1001528.77194.8001538.98193.5001549.32196.0001529.55194.7001539.77193.4001550.12195.9001530.33194.6001540.56193.3001550.92195.8001531.12194.5001541.35193.2001551.72195.7001531.90194.4001542.14193.1001552.52

195.6001532.68194.3001542.94193.0001553.33195.5001533.47194.2001543.73192.9001554.13195.4001534.25194.1001544.53192.8001554.94195.3001535.04194.0001545.32192.7001555.75195.2001535.82193.9001546.12192.6001556.55195.1001536.61193.8001546.92192.5001557.36195.0001537.40193.7001547.72192.4001558.17194.9001538.19193.6001548.51192.3001558.98頻率間隔=100GHz波長間隔約0.8nm192.2001559.79192.1001560.61WDM系統(tǒng)波長信道中心頻率

光波分復(fù)用器件耦合器濾波器波分復(fù)用器/解復(fù)用器摻鉺光纖放大器〔EDFA〕用于WDM的激光器

N×11×NN×M耦合器〔1〕耦合區(qū)耦合器〔2〕性能參數(shù)〔1〕耦合比CR：一個指定輸出端的光功率Poc與全部輸出端光功率總和Pot的比值，用％表示CR＝Poc/Pot=Poc/(PO1+…+PON)功率分路損耗Ls=－10lg(CR)dB光纖型耦合器的耦合比與耦合區(qū)光纖芯徑的大小、芯間的距離以及波長有關(guān)?！?〕附加損耗Le：由散射、吸收和器件缺陷引起，是輸入光功率總和Pit與輸出光功率總和Pot的比值，用dB表示Le=10lg(Pit/Pot)Pi1PiNPo1PoNPotPit耦合器〔3〕耦合器〔4〕一般性能指標(biāo)

耦合器2×2N×N工作波長，μm1.31或1.551.31或1.55插入損耗，dB分路比0.5/0.50.3/0.70.1/0.9

3.4/3.45.6/1.810.8/0.7

4×47~88×811~1232×3217~19方向性，dB

40~55均勻性，dB

0.5~0.9(0.5/0.5)工作溫度，℃－40～＋85－40～＋85光濾波器光濾波器是WDM系統(tǒng)中的重要器件，常用來構(gòu)成波分復(fù)用器和解復(fù)用器。主要要求：—插入損耗小，并應(yīng)該與輸入光的偏振態(tài)無關(guān)；—通帶應(yīng)對溫度的變化不敏感，在整個工作溫度范圍〔大約100℃〕波長漂移應(yīng)遠(yuǎn)小于相鄰信道的波長間隔；—為使級聯(lián)濾波器的總特性滿足通帶要求，單個濾波器的通帶特性應(yīng)盡可能平直或矩形系數(shù)應(yīng)盡可能接近于1。分類：光纖光柵型、干預(yù)型、波導(dǎo)型光濾波器〔光柵型〕光柵的工作原理入射光衍射光柵影像面λ1λiλ1λ2λ1λ2λ1＋λ2影像面Lθi透射光柵d衍射光柵入射光反射光柵以透射光柵為例。入射光〔平面波〕經(jīng)縫隙產(chǎn)生衍射〔球面波〕，波長λi的主波束的最大值方向滿足方程dsinθi=mλi,故可別離不同的波長。角度的別離可在影像面變成距離的別離：yi=Ltanθi光濾波器〔FBG型〕FiberBraggGrating(FBG)是衍射光柵概念的開展，其衍射是由光纖內(nèi)部折射率的變化實(shí)現(xiàn)的。FBG好象一個窄帶的反光鏡，只反射一個波長而透射其余的波長。被反射的波長稱為Bragg波長，滿足條件：2Λneff=λBλ1,λ2…λB…λNλBλ1,λ2…λNΛ這里neff是纖芯的等效折射率；Λ是光柵周期〔相鄰折射率最大點(diǎn)間的距離〕。光濾波器〔F－P型〕Fabry-Perot(F-P)濾波器又稱F-P干預(yù)儀，是由兩塊平行的高反射率的鏡面構(gòu)成諧振腔，對特定波長λo的光波發(fā)生諧振而得到頻率選擇性。λo=2L/mm為整數(shù)F－P濾波器的功率傳遞函數(shù)(參看圖7.19)TFP(f)=[αm(1－R)2]/{(1－Rαm)2＋4Rαmsin2[2π(f－f0)L/ν]}式中R是腔壁的反射系數(shù)；αm是內(nèi)部損耗；L是腔體的長度；ν是腔體內(nèi)的光速＝c/n諧振腔可多個串聯(lián)，以改善選擇性。入射來回反射同相相加的波輸出Lmirrormirror光濾波器〔多層介質(zhì)薄膜諧振腔〕這是反射鏡采用多層介質(zhì)薄膜的F－P干預(yù)儀是一種帶通濾波器，只允許特定波長的光通過結(jié)構(gòu)用多腔使通帶頂部更加平坦，改善矩形系數(shù)(參看圖7.21)腔1腔3腔2反射介質(zhì)光濾波器〔MZI型〕MZI〔Mach-ZehnderInterferometer〕通常以集成光波導(dǎo)的形式出現(xiàn)，用兩個3dB定向耦合器連接兩條不同長度的光通路。耦合器1將輸入信號等分并引入兩條光通路，長臂與短臂之間的行程差是ΔL，對應(yīng)于兩個波長引入不同的相移：Δθi=2πneffΔL/λi=βΔL式中β是傳播常數(shù)在耦合器2兩路光線相互干預(yù)，結(jié)果λ1和λ2的最大方向分別指向光纖1和光纖2〔Δθ1＝2πn；Δθ2＝mπ〕ΔLλ1＋λ2λ1λ2光纖1光纖2P1(λ1)/Pin=cos2[Δθ1/2]P2(λ2)/Pin=sin2[Δθ2/2]C1C2光濾波器〔陣列波導(dǎo)光柵AWG〕輸入波導(dǎo)輸出波導(dǎo)陣列波導(dǎo)輸入耦合器輸出耦合器AWG〔ArrayedWaveguideGrating〕是MZI的推廣形式。通常制作成平面結(jié)構(gòu)，每一陣列波導(dǎo)的長度與其相鄰波導(dǎo)差一個常數(shù)ΔL。輸入耦合器將輸入光等分到陣列波導(dǎo)。通過陣列波導(dǎo)的輸入光的每一局部均包括光的所有波長，每一波長有一個相移Δθi=2πneffΔL/λi。此外，每一波長在輸入和輸出耦合器中受到相移。結(jié)果是一個波長的每一空間分量受到不同的相移，并在輸出耦合器中相互干預(yù)，形成一系列最大光強(qiáng)，它們的方向取決于波長值。λ1λNλ1…λN可調(diào)諧光濾波器用于光接收機(jī)前端或作為動態(tài)光交換網(wǎng)絡(luò)的元件。上述固定光濾波器大多可做成可調(diào)諧的，主要有：·FP〔通過變F－P濾波器諧振腔長度L調(diào)諧〕·衍射光柵〔調(diào)反射光柵的角度〕·FBG：2Λneff=λB〔調(diào)Λ，通過加熱或用力拉伸〕·MZI：Δθi=2πneffΔL/λi〔在一個臂變折射率〕·AOTF：聲光可調(diào)諧光濾波器〔通過可變頻率的聲外表波形成Bragg光柵，而聲波由電聲轉(zhuǎn)換器件產(chǎn)生〕·EOTF：電光可調(diào)諧光濾波器〔通過電光效應(yīng)形成Bragg光柵〕可調(diào)諧光濾波器的典型特性可調(diào)諧光濾波器類型FP衍射光柵FBGMZIAOTFEOTF調(diào)諧范圍〔nm〕60100710400103dB帶寬〔nm〕0.5110.0112信道數(shù)101001010調(diào)諧時間msmsμsμsμsns損耗(dB)240.1>565偏振損耗(dB)<0.1>1<0.5旁瓣抑制比(dB)20分辨率(nm)0.02波分復(fù)用器/解復(fù)用器

〔WDMMUX/DEMUX〕復(fù)用器/解復(fù)用器功能:組合/別離不同波長的光信號。有時一個器件同時完成復(fù)用和解復(fù)用功能；有時復(fù)用和解復(fù)用分別用不同的器件。主要性能參數(shù)：·信道數(shù)：器件能復(fù)用/解復(fù)用的波長信道數(shù)，典型值是4,8,16,32,40,48·中心波長〔頻率〕·信道間隔：器件能夠處理的最小信道間隔，標(biāo)準(zhǔn)值是50(0.4),100(0.8),200GHz(1.6nm)·通帶寬度：指一個波長的帶寬，通常廠家給出按損耗1,3,20dB計的帶寬·最大插入損耗〔典型值1.5-6dB〕OMODλ1λ2…λNλ1λ2…λNλ1

λNλNλ1·插入損耗均勻度〔<1.5dB〕·隔離度：MUX要求>30dBDEMUX可低到18dB波分復(fù)用器/解復(fù)用器舉例

〔WDMMUX/DEMUX〕MZI和AWG是可逆器件，既可作DEMUX，也可作MUX多層介質(zhì)薄膜濾波器〔DTMF〕也是可逆的，基于它的一種MUX/DEMUX如下圖。透鏡透鏡玻璃襯底λ1…λ8光纖光纖光纖DTMFλ2λ4λ6λ8λ1λ3λ5λ7光傳送網(wǎng)〔OTN〕基于WDM和波長選路的光通道網(wǎng)絡(luò)光分插復(fù)用設(shè)備〔OADM〕光交叉連接設(shè)備〔OXC〕路由與波長分配光通道網(wǎng)絡(luò)的管理與控制光網(wǎng)絡(luò)的生存性O(shè)XC：OpticalCross-connect光交叉連接設(shè)備E-XC：ElectricalCross-connect電的交叉連接設(shè)備A（如SONET或ATMVP網(wǎng)的交叉連接設(shè)備）OLT：OpticalLineTerminal光線路終端，光通道連接不同OLT光通道網(wǎng)絡(luò)根本結(jié)構(gòu)

NE：NetworkElement網(wǎng)元；OpticalPath:光通道REP：Repeater中繼器MS：MultiplexSection復(fù)用段；OMS：OpticalMultiplexSection光復(fù)用段OTS：OpticalTransmissionSection光傳輸段光通道網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)元連接模型光接口數(shù)字化用戶層光通道層光復(fù)用段層光傳輸段層ITU－TG.872光層光傳送網(wǎng)的功能：為透明傳送SDH、PDH、ATM、IP等業(yè)務(wù)信號提供光通道。光通道層：負(fù)責(zé)選路和波長分配，提供端到端的連接；負(fù)責(zé)光通道的運(yùn)行、維護(hù)和管理(OAM)。光復(fù)用段層：保證相鄰兩個波長復(fù)用設(shè)備間多波長復(fù)用光信號的完整傳輸，負(fù)責(zé)該段的OAM。光傳輸段層：為光信號在不同的媒質(zhì)〔如G.652,G.655光纖〕上提供傳輸功能。光傳送網(wǎng)絡(luò)的分層結(jié)構(gòu)光通道是一個波長的端到端連接。根據(jù)結(jié)點(diǎn)是否提供波長轉(zhuǎn)換功能，分為波長通道和虛波長通道。光分插復(fù)用設(shè)備〔OADM〕OADM(OpticalAdd/DropMultiplexer)的功能：從OWDM系統(tǒng)中分下和插入一個或多個波長信道OADM的原理：在結(jié)點(diǎn)本地先分接后復(fù)接OADM的幾種實(shí)現(xiàn)方法：〔1〕平衡MZI＋FBG〔2〕FBG＋環(huán)形器〔3〕DTMF＋環(huán)形器見下頁的圖輸入λ1λ2…λN輸出λ1λ2…λNλxλx多波長輸入多波長輸出DropAddODOM光分插復(fù)用設(shè)備〔續(xù)〕FBGatλs平衡MZI＋FBGλdropλaddλ1λ2…λNλ1λ2…λN輸入輸出3dB耦合器FBG＋環(huán)行器環(huán)行器環(huán)行器123123多個波長輸入多個波長輸出……DropAddDEMUXMUX3dB耦合器光分插復(fù)用設(shè)備〔續(xù)〕DTMF＋環(huán)行器環(huán)行器環(huán)行器11111111222233333332222多個波長輸入多個波長輸出DTMFDTMF2×2開關(guān)可變衰減器Addλ1Addλ2Addλ3Addλ3Dropλ1Dropλ2Dropλ3Dropλ4λ1λ1λ2λ2λ2λ3λ3λ4λ4環(huán)行器是一種特殊的定向耦合器光分插復(fù)用設(shè)備〔續(xù)〕組網(wǎng)應(yīng)用λsλmOADMOADMOLTOLT鏈形OADMOADMOADMOADM環(huán)形光交叉連接設(shè)備〔OXC〕光纖〔空分〕交叉連接器波長選擇交叉連接器WSXC波長變換交叉連接器WIXC光纖〔空分〕交叉連接器光開關(guān)：多光纖輸入輸出，每路光纖中可以是多波長信號，交換的根本單位是一路光纖的容量。根本開關(guān)單元·1×1·1×2·2×2M×M開關(guān)光纖光纖1122MM……1112312431243BarCross光纖〔空分〕交叉連接器〔續(xù)〕電光開關(guān)：由光分支波導(dǎo)與半導(dǎo)體光放大器〔SOA〕組成微電子機(jī)械光開關(guān)〔MEMS〕：MEMS〔Micro-Electro-Mechanical-System〕是由半導(dǎo)體材料如Si等構(gòu)成的微機(jī)械結(jié)構(gòu)，將電、機(jī)械和光合為一塊芯片。它通過靜電的作用使可動的微鏡面發(fā)生轉(zhuǎn)動，從而改變?nèi)肷涔獾膫鞑シ较颉SOA1×12×2123GRINlens光纖〔空分〕交叉連接器〔續(xù)〕用1×2或2×2開關(guān)單元可構(gòu)成較大規(guī)模的開關(guān)矩陣〔例〕

Gate-SW在12Switch轉(zhuǎn)換期間關(guān)閉，避免功率暫態(tài)傳至下一結(jié)點(diǎn)波長選擇交叉連接器WSXC波長變換交叉連接器WIXC波長變換器改變傳輸波長而保持其所載的信息不變兩種根本類型：光電型和全光型OROS波長可調(diào)利用非線性光學(xué)原理（如四波混頻）用SOA＋濾波器可構(gòu)成波長變換器（類似于電的混頻器）為降低費(fèi)用，在OXC中采用部分波長變換器路由與波長分配對于無波長變換能力的OXC構(gòu)成的光網(wǎng)絡(luò)，路由選擇受到波長連續(xù)性限制，即一條光通道的各段鏈路必須采用相同的波長。這樣的光通道稱為波長通道。對于具有〔或局部具有〕波長變換能力的OXC構(gòu)成的光網(wǎng)絡(luò)，路由選擇有更多的自由度。建立的光通道稱為虛波長通道。波長選路算法〔RWA〕，待進(jìn)一步研究光通道網(wǎng)絡(luò)的管理與控制作用：保證光通道的透明性和可重構(gòu)性，從而提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的可靠性、生存性和資源利用的有效性，使靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)變成動態(tài)網(wǎng)絡(luò)，能依據(jù)業(yè)務(wù)量、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化而改變網(wǎng)絡(luò)配置。光的監(jiān)控信道〔OSC〕：在每條光纖中專設(shè)一個波長〔SV〕來傳輸管理控制信息，傳輸速率約2Mb/s配置管理：——自動搜尋網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌壕W(wǎng)管系統(tǒng)〔NMSorNMC〕通過查詢各個網(wǎng)元和接收來自網(wǎng)元的報告，確定和更新各結(jié)點(diǎn)的連接表——建立光通道連接：通過網(wǎng)管系統(tǒng)協(xié)調(diào)各網(wǎng)元的路由選擇和交叉連接功能，建立永久、半永久連接光通道網(wǎng)絡(luò)的管理與控制〔續(xù)〕故障管理對于網(wǎng)元，故障管理功能包括：——監(jiān)視和檢測故障——聯(lián)系內(nèi)部與外部故障狀況——向管理者報