光通信基础知识

1光通信基础知识北京研究所黄晖提纲•光纤通信的基本原理•光通信技术回顾及展望一、光（纤）通信原理•1880年贝尔发明‘光话’，他以日光为光源，大气为传输媒介，传输距离是200米；•1881年贝尔发表了论文《关于利用光线进行声音的复制与产生》；•贝尔的光话始终没有实用化：1、没有可靠的、高强度的光源；2、没有稳定的、低损耗的传输媒介。光纤通讯史现代光通信--光话•1960年，第一台相干振荡光源--红宝石激光器问世；1962年，半导体激光器问世；•1970年贝尔实验室制作出可以在常温下连续工作的铝镓砷（AlGaAs）半导体激光器。光纤通讯史1970年光纤通信元年•直到60年代中期，优质光学玻璃的损耗仍高达1000dB/km，2x1081J，1047年太阳光能；•英国标准电信研究所的华裔科学家高锟博士于1966年发表了一篇论文，提出利用带有包层材料的石英玻璃光纤作为光通信媒介；•1970年美国康宁（Corning）公司制成损耗为20dB/km的低损耗石英光纤。光纤通讯史1970年光纤通信元年通信容量大中继距离长保密性好适应能力强体积小、重量轻、施工方便原材料丰富(SiO2)价格低廉光纤通信的优点•反射：1=1`•折射：n1sin1=n2sin2•全反射：sin1=n2/n1平面波的反射和折射n2n111`2•在光纤的数值孔径角内，以某一角度射入光纤端面，并能在光纤的纤芯到包层界面上形成全反射的传播光线就可称为一个光的传输模式。光纤光纤的传播模式高次模基模低次模•多模光纤：突变型光纤渐变型光纤（G.651）•单模光纤：标准常规光纤（G.652）色散位移光纤（G.653）非零色散位移光纤（G.655）色散补偿光纤光纤光纤的传播模式•短波长光纤：0.6~0.9nm•长波长光纤：1310~1550nm光纤光纤的工作波长光纤损耗光纤色散光纤偏振模色散光纤非线性影响系统性能的光纤特性•吸收损耗–本征吸收–紫外吸收–红外吸收•散射损耗–瑞利散射光纤损耗1.21.31.41.51.61.7波长(m)损耗(dB/km)0.10.20.40.81.025THz0•未来通信窗口1280~1620nm•目前使用的C波段：1525~1565nm•正在研究与开发的：•L波段1570~1620nm•S波段1400nm光纤损耗光纤损耗图谱L=（PSEL-PREL-PP-C-MC）/（af+as）L--再生段距离；Psel--S点寿命终了时的最小平均发送功率；Prel--R点寿命终了时的最差灵敏度(BER≤10-12)；Pp--光通道代价，2dB；C--所有活动连接器衰减之和，每个连接器衰减取0.5dB；Mc--光缆富余度，取3dB；af--光纤衰减系数；as--光纤熔接接头每公里衰减系数。功率相关的计算(G.652)脉冲展宽T光脉冲信号中的不同频谱成份在光纤中的传输速度不同，导致脉冲信号传输后展宽甚至离散。光纤色散随着脉冲在光纤中传输，脉冲的宽度被展宽光纤色散模间色散、色度色散、偏振模色散PMD•模式色散（多模光纤）•材料色散（SiO2）•波导色散（波导结构）光纤色度色散T啁啾效应直接调制激光器输出信号带有较大的啁啾，使得脉冲频谱展宽并在前后沿产生频谱红移和蓝移，在光纤色散的作用下，引起脉冲的快速展宽和信号劣化。色散容限光源啁啾对系统传输距离的影响由色散容限参数值表示。如:光源色散容限值为12800ps/nm,SMF（G。652）光纤的色散参量值取D=20ps/km/nm，则该光源的色散受限距离为640km。色散受限传输距离计算Ld=ε/Dm式中：Ld—色散受限传输距离ε—色度色散，常数,不同的光发送模块取值Dm—光纤色散系数，按工程要求取值。色散受限距离假设光源无啁啾光纤PMDPMD是由光纤的随机性双折射引起的，环境因素和工艺缺陷引起的纤芯椭圆及应力是引起PMD的主要因素PMD引起脉冲展宽（随机性）光纤PMD光纤带宽系数光纤带宽系数受激拉曼散射（SRS）受激布里渊散射（SBS）自相位调制（SPM）交叉相位调制（XPM）四波混频（FWM）光纤非线性效应短波长泵浦长波长泵浦增益连续频谱达15THz，信道数愈多影响愈大对系统的影响：引起信道功率失衡引起信道间的拉曼串扰PP输入输出受激拉曼散射（SRS）增益比SRS大两个数量级增益谱窄，与信道数无关对系统的影响：大于一定值时，引起强烈背向散射，叠加强度噪声。受激布里渊散射（SBS）自相位调制（SPM）经光纤色散，转化为波形畸变交叉相位调制（XPM）相位受到其它其它信道的调制，经光纤色散转化引起强度噪声增加系统光通道代价SPM和XPM信道间相互作用产生新的频率。w1w2ww1w22w1-w22w2-w1w光纤四波混频（FWM）FWM的影响因素：信道间隔色散FWM是影响系统性能的主要非线性效应：当FWM产生的新频率落入信道带宽范围内时，会引起信道强度起伏和信道间串扰。补偿措施：*采用非零色散位移光纤（G.655）和常规单模光纤（G.652）*采用大有效纤芯面积光纤（LEAF）*控制入纤功率四波混频（FWM）光纤类型和损耗谱EDFA带宽1.21.31.41.51.61.7波长(um)损耗(dB/km)0.10.20.40.81.00-20-101020色散(ps/nm-km)损耗(各类光纤)SMFDSFNZDF+NZDF-G.652G.653G.655+G.655-光纤损耗=功率减弱光纤色散=脉冲变形(时域),线性过程,可逆光纤非线性=信号畸变(频域),非线性过程,不可逆PMD=脉冲变形（时域），随机过程影响传输性能的光纤特性光源技术1、标准而稳定的波长要求有配套的波长监测和稳定技术1、温度反馈控制法2、波长反馈控制法2、比较大的色散容纳值1、直接调制技术2、外调制技术光源（激光器）主要参数：*波长稳定性*色散容限类型：*直接调制*EA调制*LiNO3调制激光器的直接调制调整注入电流光信号输出优点：结构简单，价格便宜缺点：引起频率啁啾，传输距离短光调制器激光器的间接调制光信号输出电调制信号优点：压缩谱线宽度，保证光谱质量常用的外调制：EA；LiNbO3;M-Z;频率啁啾的解决光源—激光器的调制术光信号的调制技术光发送模块光发送模块光发送模块光发送模块光接收模块光发、光收模块应用场合掺铒光纤放大器铒掺杂光纤隔离器WDM耦合器PinPoutN21N21隔离器泵浦激光器980nm,1480nmEDFA的工作原理980nm1480nmN1N3~0N21550nm1550nm受激辐射信号光泵浦光光纤通信设备使用注意事项提纲•光纤通信的基本原理•光通信技术回顾及展望三、光通信技术回顾及展望–光纤传输：宽带、低损、无电磁干扰、–PDH：无国际规范、组网能力差、……–SDH：组网灵活、强大网管、自愈保护–PDH、SDH均为TDM，遇到电子瓶颈影响、……–DWDM：扩展传输容量的经济有效手段–OADM、OXC：波长交换的核心–ASON智能光网络：光的信息高速公路光纤通信发展历程—速率统一：155M、622M、2.5G、10G；—光接口与帧结构统一：STM-N（N=1、4、16、64）；—一步复用特性：可从高速信号中直接提取/接入低速信号—强大的OAM&P能力实现了网络管理的智能化：丰富的开销（码流量的5%）、强大的软件技术；—组网灵活、网络的生存性强：可组多种类型网络、具有自愈能力、可在线升级；—前、后向兼容。技术回顾及展望SDH相对PDH的优点使之如日中天技术回顾及展望高速SDH系统的核心技术※高速复用/解复用技术；※超大容量电交叉连接技术；※高速时钟处理技术；※色散管理技术；※光纤非线性管理技术；※超高速PCB处理技术；技术回顾及展望SDH技术不断演进(STM-16/64/256)•2.5Gb/s及以下速率系统全面成熟，规模应用；高端的10GbSDH系统已基本成熟、方兴未艾；40Gb系统已初见曙光；160Gb/s并非“天方夜谭”。未来技术大飞跃：超高速集成电路、超高速光电子技术、色散补偿技术、波长锁定技术、电磁干扰、功耗问题、陶瓷基底、无连线连接技术.......•低端的接入网用SDH系统已开始商用,特点是小巧、低功耗、低成本，能适用于一切室内外场合(环境苛刻)，Sub-STM-0的标准化和开发正把SDH进一步推向用户侧。技术回顾及展望SDH的总体发展趋势•独立SDH的长远命运正受到严重挑战(5年?)•SDH在中长期仍将继续发展•电路交换在5年内仍将继续发展•SDH本身的发展潜力(40Gb/s或155Mb/s)•未来超大容量的核心光传送网需要更多SDH系统•近期仍是可靠性、生存性最高的传送网技术•SDH级联功能增强了支持ATM/IP的能力•SDH正融合路由功能支持以太网透明传输技术回顾及展望SDH发展中的挑战和机遇技术回顾及展望低端SDH规模应用技术回顾及展望低端SDH的发展关键•提升单板集成度，使结构更加紧凑；•提供10M、100M、ATM-UNI接口，适合多业务传送；•提供容量适中的交叉能力（VC-4、VC-3、VC-12、64Kb/s）；•从长远看来，2.5Gb/s及以下产品都具备紧凑型、小型化的趋势；•多种制式兼容，务必率先挺进国际市场；技术回顾及展望城域SDH的应用关键SONET/SDHRing45Mb/sSTM-1SRSRSRSTM-4CSTM-16CGSRGSRATMVideoEquipmentGEFEOC-3STM-1DS3Multimedia技术回顾及展望高速DWDM系统的核心技术※高速光复用/解复用技术；※光交叉、波长交叉技术；※宽带光放大技术；※光监控技术；※色散管理技术；※光纤非线性管理技术；1996200020042008OADM点对点DWDM固定波长上下的DWDM网络OADMOADMOADMOADMDWDM环网,可重构波长上下OXCOXCOXCOXCOXC光交叉连接、互联的光环网和格型网络容量增大,光纤减少灵活带宽分配、光层保护波长转换、波长选路、端对端波长业务技术回顾及展望DWDM技术演进SDH系统RXEDFATXTXTXTXTXTXTXTXRXRXRXRXRXRXRX120km120km120kmDWDM系统EDFATXRXRegRegTXRXRegRegTXRXRegRegTXRXRegRegTXRXRegRegTXRXRegRegTXRXRegRegTXRXRegReg120km120km120km技术回顾及展望DWDM扩容优势使SDH不再孤军作战技术回顾及展望城域网DWDM传输PDH.SDH.ATM.IP.※传输距离小于100公里,可以省掉终端或线路放大设备;※成本低廉,结构紧凑;※OADM规模应用,拓扑结构以环网为主,保护方式灵活,波长可重构能力性强;※适应多业务传送。技术回顾及展望光交叉连接类型※光空分交叉;※光波长交叉;※光时分交叉;※光分组交叉;IP核心路由交换SDH及DXCDWDM、OTNIP边缘业务传统业务物理设备级融合业务层电传送层光传送层技术回顾及展望融合传送节点应用正在兴起即在大容量高端设备上将TDM、DWDM甚至IP核心路由交换等制式融合,让DWDM提供透明的光传输通道,而真正的业务汇接、保护和疏通主要集中在TDM制式为主的电层,比如在SDH和S-DXC层,而让IP业务层和传输层在设备级融合的目的,主要是方便吞吐量管理、业务调度、统一网管和减低整体成本。技术回顾及展望融合传送节点的实质技术回顾及展望光孤子技术能否创造神话?在超大容量传输系统中,色散是限制传输距离和容量的一个主要因素;但是,在光纤的反常色散区,由于光纤色散和非线性效应的相互作用,一定峰值功率和形状的光脉冲在传输过程中可以保持脉冲形状和宽度不变,如果光纤没有损耗,则可以传输无限远,此类光脉冲称为光孤子。由于业务量的不确定性和不可预见性，对网络带宽的动态分配要求也越来越迫切。传统的、主要靠人工配置或网管系统逐站配置的网络连接的原始方法耗时费力，不仅难以适应新型网络和新业务拓展的需要，也难以适应市场竞争的需要；一种能够自动完成网络连接的