第6章 光纤通信新技术

光时分复用(OTDM)通信技术光码分复用(OCDMA)通信技术光副载波复用(OSCM)通信技术相干光纤通信技术光孤子通信技术全光网技术……第6章光纤通信新技术《光纤通信技术》1、光时分复用(OTDM)技术采用电的TDM提高单信道速率受“电子瓶径”效应限制(10Gb/s、40Gb/s…)光时分复用(OTDM):用归零形式的超短光脉冲在不同时隙传送不同路的信号,提高传输容量光键技术复用/解复用技术、窄脉冲光源、传输技术、全光时钟提取技术等目前水平:640Gb/s100km发展趋势:OTDM+WDM--下一代通信技术2、光码分复用(OCDMA)技术OCDMA——OpticalCodeDivisionMultipleAccess1）复用方式首先将多路信号分别调制到不同的微波（或射频）载频上，然后将多路微波信号混合后调制到光载波上再沿光纤传输3、光副载波复用(OSCM)通信技术特点信号经过两次调制，第一次调制的载波（可以是射频信号，也可以是微波信号）称为副载波传输信号可以是模拟也可以是数字，或两者的混合，各信道的调制方式独立多路副载波对光载波的调制，目前普遍采用模拟调制方式，也可以采用数字调制可以充分利用现有的射频或微波通信技术和设备应用：SCM-CATV光纤传输系统发展方向：波分复用SCM系统1）强度调制/直接检测（IM/DD）光通信方式具有结构简单、成本低的优点，但不能充分发挥光纤通信的优越性，频带利用率很低，接收灵敏度不高，传输距离较短，它相当于早期无线通信的马可尼时代。采用在无线电通信方面早已实现的相干通信方式，则可充分利用光纤的带宽，提高接收机的灵敏度4、相干光纤通信技术2)相干光—是由两个激光器产生的具有空间叠加、相互干涉特性的激光。相干光通信—在发射端对光载波进行幅度、频率或相位调制，在接收端，则采用零差检测或外差检测等相干检测技术进行信息接收的通信方式。2)相干检测原理光接收机接收的信号光和本地振荡器产生的本振光经混频器作用后，光场发生干涉，由光检测器输出的光电流经处理后以基带信号形式输出。由于混频输出光信号的中频信号功率分量带有信号光的幅度、频率或相位信息，因此发端不管采用哪种调制方式，均可以在中频功率分量反映出来，所以相干光接收方式适合于所有调制方式的通信。光检测器电信号处理本地光振荡器信号光混频器基带信号ωsωL4)相干检测的方式零差检测选择ωL=ωs,即ωIF=0。零差检测接收光功率可以放大几个数量级，虽然噪声也增大，但仍能使灵敏度大幅提高，但技术复杂，必须严格控制相位变化，使φs－φL保持不变，同时要求ωL=ωs。外差检测选择ωL≠ωs,即ωIF=ωs－ωL＞0。外差检测也能提高灵敏度，信噪比改善比零差检测低3dB，但因无需实现相位锁定，接收机设计相对简单。注：ωs信号光频率，ωL振荡光频率，ωIF差频5)调制方式模拟信号的三种调制方式：幅度调制频率调制相位调制数字信号的三种调制方式：幅移键控频移键控相移键控光检测器带通本地光振荡器信号光混频器ωsωL光检测器本地光振荡器信号光混频器ωsωL低通载波恢复带通包络检波低通(a)外差同步解调接收机方框图(b)外差异步解调接收机方框图6)相干光通信的特点灵敏度提高10～20dB，线路功率损耗可增加到50dB。若在系统中周期性加入EDFA，即可实现长距离传输，适合于干线网使用。具有出色的信道选择性和灵敏度，和光频分复用相结合，可以实现大容量传输，适合于CATV分配网使用。必须使用频率稳定度和频谱纯度很高的激光器作信号光源和本振光源。要求信号光与本振光混频时满足严格的匹配条件以获得高混频效率。1）基本概念孤子的形成：SPM产生的啁啾效应与GVD产生的脉冲展宽相互抵消，从而使光脉冲保持其形状不变的传输，成为孤子——其幅度和波形宽度都不变的超短光脉冲（ps数量级）。光纤中孤子的概念是1973年由Hasegawa提出，1980年Mollenaner在实验上首次证实了光纤中孤子的存在。5、孤子通信技术2)光孤子通信——是利用光孤子作为载体的通信方式。光孤子的形成是光纤的色散与非线性效应相互平衡的结果。色散——使经过光纤传输一定距离后的光信号出现波形展宽的现象。非线性效应——在入射光功率较强的条件下，光纤折射率随光强度变化的现象。3)光孤子通信系统的构成框图孤子源调制脉冲源探测EDFAEDFAEDFAEDFA光纤传输系统隔离器发送端，光孤子源产生一系列脉冲宽度很窄的光脉冲（即光孤子流）,作为信息载体进入光调制器，使信息对光孤子进行调制。被调制的光孤子流经掺铒光纤放大器和光隔离器后，进入光纤中传输。为克服光纤损耗带来的光孤子减弱，在光纤线路上周期性地插入EDFA，向光孤子注入能量，以补偿光纤传输而引起的能量损耗，确保光孤子稳定传输。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。目前的光孤子通信实验研究水平：单路2.5Gb/s21000km单路5Gb/s14300km两路2.5Gb/s9000km具有非常好的应用前景！专题讲座：全光网技术1、全光网络的概念2、全光网络的关键技术3、全光网络的关键设备4、三种典型的全光网络5、全光交换20世纪曾经是电网络的时代21世纪将会是光网络的时代1)全光网络概念的提出面对INTERNET宽带接入需求，通信容量成为关注的焦点。现有体制动态调整网络困难较大。光纤通信具有30THz的潜在带宽容量；未来信息网络的核心——全光网2)全光网络概念所谓全光网络，是指网络中直到用户端节点之间的信号通路仍保持着光的形式，即：端到端的链路中间没有光电转换。换句话说，只有信号在进入和离开网络时才进行电/光（E/O）和光/电（O/E）转换，而在网络中的传输和交换过程始终以光的形式存在。3)全光网络特性开放的、能够支持各种业务的光网络；光网络灵活、易升级；由于没有电/光（E/O）和光/电（O/E）转换，允许存在各种不同的传输协议和编码形式，使信息传输更具透明性，并突破“电子瓶颈”的限制。具有更高效的保护和恢复能力；具有简单、有效的网络控制和管理功能。1、电网络2、光电混合网3、全光网络为充分利用光子学的宽带性，传输系统的走向为:电子型光电混合型全光型4)三代通信网络比较三代通信网络——电网络EMUX电端机再生中继再生中继EDMUX电复用电解复用电端机同轴电缆、微波……(1)传统的电传输系统(2)光电混合型光纤传输系统O/E/O光缆EMUX光发送再生中继再生中继EDMUX电复用电解复用光接收三代通信网络——光电混合型三代通信网络——全光网络(3)DWDM光纤传输系统OMUXODMUXOAOAOA光发送光发送光发送λ１λ２λΝλ１，λ２……λΝ光接收光接收光接收λ１λ２λΝTXEDFAEDFATXTXTXTXTXTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX40km40km40km40km40km40km40km40km40km1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXMUX120km120km120kmWDM+EDFA革新了光纤传输DEM5)全光网络的关键技术光多址技术；全光变换技术光插/分复用技术（OADM）；光交叉连接技术（OXC）；波长变换技术（W-C）；信道争夺解决技术；进入数据信号的同步技术；前端识别技术；全光信息再生技术；网络的管理与控制技术。光多址技术（复用技术）1、光波分多址（WDM)；2、光时分多址（OTDM)；3、副载波多址（OCSM)。全光交换1）传统光交换Vs全光交换：电/光光/电INOUT节点1节点2光放大光放大INOUT端点1端点22）全光交换的几种方式：空分（SD）光交换、时分（TD）光交换、波分（WD）光交换、码分光交换、光分组光交换、自由空间光交换空分（SD）光交换空间划分的交换。基本原理是将光交换元件组成门阵列开关，并适当控制门阵列开关。即：可在任一路输入光纤和任一路输出光纤之间构成通路。时分（TD）光交换时分光交换的原理与现行电子程控交换中的时分交换完全相同—在时间轴上将复用的光信号的时间位置ti转换成另一时间tj.时分光交换系统能与传输系统很好地配构成全光网。时分光交换网由时分型交换模块和空分型交换模块构成。波分（WD）光交换信号不同的波长（或频率）选择不同的通路来实现光交换。优点：能充分利用光路的宽带特性。Attention在理想的全光网中，信号的交换、选路、传输、恢复等功能均是以光的形式进行。然而目前的全光网络并非整个网络的全部光学化，而是指光信息在传输和交换过程中以光的形式存在，用电学方法实现控制部分。光插/分复用技术1)光插/分复用器（OADM）是全光网络的核心技术之一。它可以处理任何格式和速率的信号，能够提高网络的可靠性、降低节点成本、提高网络运行效率，是组建全光网络必不可少的关键设备。2)该器件位于多节点光纤通信网中间节点处，作用是下载（Drop)光通道中通往本地信号，同时上载（Add)本地用户发往其他节点用户的信号进入复用光通道。使所需波长上/下路的同时，保证其他波长无阻塞的通过！3)光插/分复用器是以波长为基本操作单位，使用户可以方便地在节点处加载和下载信号，从而大大地提高整个光网络的吞吐量，增加网络的灵活性。4)分类：非重构型重构型DEMMUXDropAdd光监控信道（OSC）OAOAOADM的节点结构W-C开关阵列光交叉连接技术1）OXC是用于光纤网络节点的设备，通过它对光信号进行交叉连接，能够灵活有效地管理光纤传输网络。2）OXC是实现可靠的网络保护/恢复以及自动配线和监控的重要手段。3）OXC主要由光交叉连接矩阵、输入/输出接口管理控制单元等模块组成。为了增加OXC的可靠性，每个模块都具有主用和备用的冗余结构，OXC自动进行主/备倒换。输入/输出接口直接与光纤链路相连，分别对输入/输出信号进行适配、放大。12341234123412341234动态交叉连接光开关11波长变换技术WC是指：将一个调制在载波上信息变换成不同波长的光载波的技术，这样的变换可以允许在几个全光网段中的波长得到重新使用。为什么需要波长变换？？？信道争夺解决技术1）在全光网络中，急需解决的问题是输出端的信道争夺问题。2）信道争夺往往发生在从两个输入口进入的同一波长的数据信息要求从同一输出端口输出时。三种解决方案：本地缓冲、偏转迂回、波长变换Ch.1,λ1Ch.1,λ1Ch.2,λ1Ch.2,λ1节点1节点2缓冲器方案一本地缓冲方案二——偏转迂回Ch.1,λ1Ch.1,λ1Ch.2,λ1Ch.2,λ1节点1节点2节点3方案三——波长变换Ch.1,λ1Ch.1,λ1Ch.2,λ1Ch.2,λ1节点1节点2进入数据