光通信基础知识解析课件.ppt

1、1北京研究所北京研究所 黄晖黄晖提纲提纲 光纤通信的基本原理 光通信技术回顾及展望 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。光纤通讯史光纤通讯史现代光通信现代光通信-光话光话 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。光纤通讯史光纤通讯史1970年光纤通信元年年光纤通信元年 直到60年代中期，

2、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。光纤通讯史光纤通讯史1970年光纤通信元年年光纤通信元年 反射：1=1 折射：n 1 sin 1=n 2 sin 2 全反射：sin 1=n 2/n 1 平面波的反射和折射平面波的反射和折射n 2n 1112 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

3、传输模式。光纤光纤光纤的传播模式光纤的传播模式 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光纤的传播模式光纤的传播模式 短波长光纤：0.60.9nm 长波长光纤：13101550nm光纤光纤光纤的工作波长光纤的工作波长光纤损耗光纤损耗光纤色散光纤色散光纤偏振模色散光纤偏振模色散光纤非线性光纤非线性 吸收损耗吸收损耗 本征吸收本征吸收 紫外吸收紫外吸收 红外吸收红外吸收 散射损耗散射损耗 瑞利散射瑞利散射光纤损耗光纤损耗1.21.31.41.51.61.7波长

4、波长(m)损耗损耗(dB/km)dB/km)0.10.20.40.81.025 THz 0未来通信窗口12801620 nm目前使用的C波段：15251565 nm正在研究与开发的：L波段 15701620 nmS波段 1400 nm 光纤损耗光纤损耗光纤损光纤损耗图谱耗图谱L=（PSEL-PREL-PP-C-MC）/（af+as）L-再生段距离；再生段距离；Psel-S点寿命终了时的最小平均发送功率；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点寿命终了时的最差灵敏度(BER10-12)；Pp-光通道代价，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

5、取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，取光缆富余度，取3dB；af-光纤衰减系数；光纤衰减系数；as-光纤熔接接头每公里衰减系数。光纤熔接接头每公里衰减系数。功率相关的计算功率相关的计算(G.652)G.652)脉冲展宽脉冲展宽T光脉冲信号中的不同频谱成份在光纤中的传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输速度不同，导致脉冲信号传输后展宽甚至离散。离散。随着脉冲在光纤中传输，脉冲的宽度被展宽随着脉冲在光纤中传输，脉冲的宽度被展宽模间色散、色度色散、模间色散、色度色散、偏振模色散偏振模色散PMD 模式色散（多模光纤）模式色散

6、（多模光纤）材料色散（材料色散（SiO2）波导色散（波导结构波导色散（波导结构）光纤色度色散光纤色度色散T直接调制激光器输出信号带有较大的啁啾，使得脉冲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。散的作用下，引起脉冲的快速展宽和信号劣化。光源啁啾对系统传输距离的影响由光源啁啾对系统传输距离的影响由色散容限色散容限参数值表示。参数值表示。如如:光源色散容限值为光源色散容限值为1280012800psps/nm,SMF/nm,SMF（G G。652652）光纤的）

7、光纤的色散参量值取色散参量值取D=20ps/km/nmD=20ps/km/nm，则该光源的色散受限距离，则该光源的色散受限距离为为640 640 kmkm。色散受限传输距离计算色散受限传输距离计算Ld=/DmLd=/Dm式中：式中：Ld Ld 色散受限传输距离色散受限传输距离色度色散，常数色度色散，常数,不同的光发送模块取值不同的光发送模块取值 Dm Dm 光纤色散系数，按工程要求取值。光纤色散系数，按工程要求取值。假设光源无啁啾PMDPMD是由光纤的随机性双折射引起的，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环境因素和工艺缺陷引起的纤芯椭圆及应力是引起及应力是引起PMD

8、PMD的主要因素的主要因素PMD引起脉冲展引起脉冲展宽（随机性）宽（随机性）受激拉曼散射受激拉曼散射 （SRSSRS）受激布里渊散射（受激布里渊散射（SBSSBS）自相位调制（自相位调制（SPMSPM）交叉相位调制（交叉相位调制（XPMXPM）四波混频（四波混频（FWMFWM）短波长泵浦长波长泵浦短波长泵浦长波长泵浦增益连续频谱达增益连续频谱达1515THzTHz，信道数，信道数愈多影响愈大愈多影响愈大对系统的影响：对系统的影响：引起信道功率失衡引起信道功率失衡引起信道间的拉曼串扰引起信道间的拉曼串扰PP输入输入输出输出受激拉曼散射受激拉曼散射 （SRSSRS）增益比增益比SRSSRS大两个数

9、量级大两个数量级增益谱窄，与信道数无关增益谱窄，与信道数无关对系统的影响：对系统的影响：大于一定值时，引起强烈背向散射，叠大于一定值时，引起强烈背向散射，叠加强度噪声。加强度噪声。自相位调制（自相位调制（SPMSPM）经光纤色散，转化为波形畸变经光纤色散，转化为波形畸变交叉相位调制（交叉相位调制（XPMXPM）相位受到其它其它信道的调制，经光纤色散转化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引起强度噪声增加系统光通道代价增加系统光通道代价信道间相互作用产生新的频率。信道间相互作用产生新的频率。w w1w w2w ww w1w w22w w1-w w22w w2-w w1w w光纤

10、光纤FWM的影响因素：的影响因素：信道间隔信道间隔色散色散FWMFWM是影响系统性能的主要非线性效应：是影响系统性能的主要非线性效应：当当FWMFWM产生的新频率落入信道带宽范围内时，会引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。起信道强度起伏和信道间串扰。补偿措施：补偿措施：*采用非零色散位移光纤（采用非零色散位移光纤（G.655G.655）和常规单模光纤）和常规单模光纤（G.652G.652）*采用大有效纤芯面积光纤（采用大有效纤芯面积光纤（LEAFLEAF）*控制入纤功率控制入纤功率 EDFA带宽带宽1.21.31.41.51.61.7波长波长(um)损耗损耗(d

11、B/km)0.10.20.40.81.00-20-101020色散色散(ps/nm-km)损耗损耗 (各类光纤各类光纤)SMFDSFNZDF+NZDF-G.652G.653G.655+G.655-光源技术光源技术1、标准而稳定的波长标准而稳定的波长 要求有配套的波长监测和稳定技术要求有配套的波长监测和稳定技术 1 1、温度反馈控制法、温度反馈控制法 2 2、波长反馈控制法、波长反馈控制法 2 2、比较大的色散容纳值比较大的色散容纳值 1 1、直接调制技术、直接调制技术 2 2、外调制技术、外调制技术主要参数：主要参数：*波长稳定性波长稳定性*色散容限色散容限类型：类型：*直接调制直接调制*EA

12、EA调制调制*LiNO3LiNO3调制调制激光器的直接调制激光器的直接调制调整注入电流调整注入电流光信号输出光信号输出优点：结构简单，价优点：结构简单，价 格便宜格便宜缺点：引起频率啁啾，缺点：引起频率啁啾，传输距离短传输距离短 光调制光调制器器激光器的间接调制激光器的间接调制光信号输出光信号输出电调制信电调制信号号优点：压缩谱线宽度，优点：压缩谱线宽度，保证光谱质量保证光谱质量常用的外调制：常用的外调制：EA；LiNbO3;M-Z;频率啁啾的解决频率啁啾的解决光源光源激光器的调制术激光器的调制术光发、光收模块应用场合光发、光收模块应用场合铒掺杂光纤铒掺杂光纤隔离器隔离器WDMWDM耦合器耦合

13、器PinPoutN21N21隔离器隔离器泵浦激光器泵浦激光器980nm,1480nm980 nm1480 nmN1N30N2 1550 nm1550 nm受激辐射受激辐射信号光信号光泵浦光泵浦光提纲提纲 光纤通信的基本原理 光通信技术回顾及展望光纤传输：宽带、低损、无电磁干扰、光纤传输：宽带、低损、无电磁干扰、PDHPDH：无国际规范、组网能力差、：无国际规范、组网能力差、SDHSDH：组网灵活、强大网管、自愈保护：组网灵活、强大网管、自愈保护PDHPDH、SDHSDH均为均为TDMTDM，遇到电子瓶颈影响、，遇到电子瓶颈影响、DWDMDWDM：扩展传输容量的经济有效手段：扩展传输容量的经济有

14、效手段OADMOADM、OXCOXC：波长交换的核心：波长交换的核心ASONASON智能光网络：光的信息高速公路智能光网络：光的信息高速公路光纤通信发展历程光纤通信发展历程 速率统一：速率统一：155M、622M、2.5G、10G；光接口与帧结构统一：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一步复用特性：可从高速信号中直接提取/接入低速信号接入低速信号 强大的强大的OAM&P能力实现了网络管理的智能化：能力实现了网络管理的智能化：丰富的开销（码流量的丰富的开销（码流量的5%）、强大的软件技术；）、强大的软件技术；组网灵活、网络的生存性强

15、：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；可组多种类型网络、具有自愈能力、可在线升级；前、后向兼容。前、后向兼容。技术回顾及展望技术回顾及展望SDH相对相对PDH的优点使之如日中天的优点使之如日中天技术回顾及展望技术回顾及展望高速高速SDH系统的核心技术系统的核心技术高速复用高速复用/解复用技术；解复用技术；超大容量电交叉连接技术；超大容量电交叉连接技术；高速时钟处理技术；高速时钟处理技术；色散管理技术；色散管理技术；光纤非线性管理技术；光纤非线性管理技术；超高速超高速PCBPCB处理技术；处理技术；技术回顾及展望技术回顾及展望SDH技术不断演进技术不断演进(ST

16、M-16/64/256)2.5Gb/s及以下速率系统全面成熟，规模应用；高端的及以下速率系统全面成熟，规模应用；高端的10Gb SDH系统已基本成熟、方兴未艾；系统已基本成熟、方兴未艾；40Gb系统已系统已初见曙光；初见曙光；160Gb/s并非并非“天方夜谭天方夜谭”。未来未来技术大技术大飞跃：超高速集成电路、超高速光电子技术、色散补偿飞跃：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、技术、波长锁定技术、电磁干扰、功耗问题、陶瓷基底、无连线连接技术无连线连接技术.低端的接入网用低端的接入网用SDH系统已开始商用系统已开始商用,特点是特点是小巧、低

17、小巧、低功耗、低成本，能适用于一切室内外场合功耗、低成本，能适用于一切室内外场合(环境苛刻环境苛刻)，Sub-STM-0的标准化和开发正把的标准化和开发正把SDH进一步推向用户进一步推向用户侧。侧。技术回顾及展望技术回顾及展望SDH的总体发展趋势的总体发展趋势 独立独立SDH的长远命运正受到严重挑战的长远命运正受到严重挑战(5年年?)SDH在中长期仍将继续发展在中长期仍将继续发展 电路交换在电路交换在5年内仍将继续发展年内仍将继续发展 SDH本身的发展潜力本身的发展潜力(40Gb/s或或155Mb/s)未来超大容量的核心光传送网需要更多未来超大容量的核心光传送网需要更多SDH系统系统 近期仍是

18、可靠性、生存性最高的传送网技术近期仍是可靠性、生存性最高的传送网技术 SDH级联功能增强了支持级联功能增强了支持ATM/IP的能力的能力 SDH正融合路由功能支持以太网透明传输正融合路由功能支持以太网透明传输 技术回顾及展望技术回顾及展望SDH发展中的挑战和机遇发展中的挑战和机遇技术回顾及展望技术回顾及展望低端低端SDH规模应用规模应用技术回顾及展望技术回顾及展望低端低端SDH的发展关键的发展关键 提升单板集成度，使结构更加紧凑；提升单板集成度，使结构更加紧凑；提供提供10M、100M、ATM-UNI接口，适合多业接口，适合多业务传送；务传送；提供容量适中的交叉能力（提供容量适中的交叉能力（V

19、C-4、VC-3、VC-12、64Kb/s）；）；从长远看来，从长远看来，2.5Gb/s及以下产品都具备紧及以下产品都具备紧凑型、小型化的趋势；凑型、小型化的趋势；多种制式兼容，务必率先挺进国际市场；多种制式兼容，务必率先挺进国际市场；技术回顾及展望技术回顾及展望城域城域SDH的应用关键的应用关键SONET/SDH Ring45Mb/sSTM-1SRSRSRSTM-4CSTM-16CGSRGSRATMVideo EquipmentGEFEOC-3STM-1DS3Multimedia技术回顾及展望技术回顾及展望高速高速DWDM系统的核心技术系统的核心技术高速光复用高速光复用/解复用技术；解复用技

20、术；光交叉、波长交叉技术；光交叉、波长交叉技术；宽带光放大技术；宽带光放大技术；光监控技术；光监控技术；色散管理技术；色散管理技术；光纤非线性管理技术；光纤非线性管理技术；1996200020042008OADM点对点点对点DWDM固定波长上下的固定波长上下的DWDM网络网络OADMOADMOADMOADMDWDM环网环网,可重构可重构波长上下波长上下 OXCOXCOXCOXCOXC光交叉连接、互联光交叉连接、互联的光环网和格型网的光环网和格型网络络容量增大容量增大,光纤减少光纤减少灵 活 带 宽灵 活 带 宽分 配、光分 配、光层保护层保护波长转换、波长选波长转换、波长选路、端对端波长业路、

21、端对端波长业务务技术回顾及展望技术回顾及展望DWDM技术演进技术演进SDH系统系统RXEDFATXTXTXTXTXTXTXTXRXRXRXRXRXRXRX120 km120 km120 kmDWDM系统系统EDFATXRXRegRegTXRXRegRegTXRXRegRegTXRXRegRegTXRXRegRegTXRXRegRegTXRXRegRegTXRXRegReg120 km120 km120 km技术回顾及展望技术回顾及展望DWDM扩容优势使扩容优势使SDH不再孤军作战不再孤军作战技术回顾及展望技术回顾及展望城域网城域网DWDM传输传输传输距离小于传输距离小于100公里公里,可以省掉

22、终端或可以省掉终端或线路放大设备线路放大设备;成本低廉成本低廉,结构紧凑结构紧凑;OADM规模应用规模应用,拓扑结构以环网为主拓扑结构以环网为主,保护方式灵活保护方式灵活,波长可波长可重构能力性强重构能力性强;适应多业务传送。适应多业务传送。技术回顾及展望技术回顾及展望光交叉连接类型光交叉连接类型光空分交叉光空分交叉;光波长交叉光波长交叉;光时分交叉光时分交叉;光分组交叉光分组交叉;IP核心路由交换SDH及DXCDWDM、OTNIP边缘业务边缘业务传统业务传统业务物理设备级融合物理设备级融合业务层业务层电电传送传送层层光光传送传送层层技术回顾及展望技术回顾及展望融合传送节点应用正在兴起融合传送

23、节点应用正在兴起即在大容量高端设备上将即在大容量高端设备上将TDM、DWDM甚至甚至IP核心路由交换等制式融合核心路由交换等制式融合,让让DWDM提供透明的光传输通道提供透明的光传输通道,而真正的而真正的业务汇接、保护和疏通主要集中在业务汇接、保护和疏通主要集中在TDM制式为主的电层制式为主的电层,比如在比如在SDH和和S-DXC层层,而让而让IP业务层和传输层在设备级融合的业务层和传输层在设备级融合的目的目的,主要是方便吞吐量管理、业务调度、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。统一网管和减低整体成本。技术回顾及展望技术回顾及展望融合传送节点的实质融合传送节点的实质技术回顾

24、及展望技术回顾及展望光孤子技术能否创造神话光孤子技术能否创造神话?在超大容量传输系统中在超大容量传输系统中,色散是限制传输距色散是限制传输距离和容量的一个主要因素离和容量的一个主要因素;但是但是,在光纤的在光纤的反常色散区反常色散区,由于光纤色散和非线性效应的由于光纤色散和非线性效应的相互作用相互作用,一定峰值功率和形状的光脉冲在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,如果光纤没有损耗如果光纤没有损耗,则可以传输无限远则可以传输无限远,此此类光脉冲称为光孤子。类光脉冲称为光孤子。4由于业务量的不确定性和不可预见性，对网络带宽由于业务

25、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；需要，也难以适应市场竞争的需要；4一种能够自动完成网络连接的新型网络概念一种能够自动完成网络连接的新型网络概念自动自动交换传送网（交换传送网（ASTN）应运而生，其中以）应运而生，其中以OTN为基础为基础的的ASTN称为自动交换光网络称为自动交换光网络ASON；4传送

26、网中引入动态交换是传送网概念的重大突破。传送网中引入动态交换是传送网概念的重大突破。技术回顾及展望技术回顾及展望4所谓所谓ASTN/ASON是指在是指在ASTN/ASON信令网控制信令网控制之下完成光传送网内光网络连接自动交换功能的新之下完成光传送网内光网络连接自动交换功能的新型网络，可以看作是具有自动交换功能的新一代的型网络，可以看作是具有自动交换功能的新一代的光传送网；光传送网；4ASTN/ASON 应该无需依靠其他层面就能独立支应该无需依靠其他层面就能独立支持所需的全部功能，当然也不能破坏其他层面的完持所需的全部功能，当然也不能破坏其他层面的完整性；整性；4核心网将从廉价的带宽传送网转向直接提供盈利服核心网将从廉价的带宽传送网转向直接提供盈利服务和应用的业务网；务和应用的业务网；4电路电路/波长业务：电路波长业务：电路/波长批发、电路波长批发、电路/波长出租、波长出租、带宽贸易、按实际使用量付费、带宽贸易、按实际使用量付费、O-VPN、动态路由、动态路由分配、光拨号业务等。分配、光拨号业务等。技术回顾及展望技术回顾及展望