光纤通信_第8章_光复用技术

1、1 光复用技术光复用技术 秦建秋秦建秋 李亮李亮 2 1. 光复用技术的基本概念光复用技术的基本概念 2. 光时分复用技术光时分复用技术 3. 光波分复用技术光波分复用技术 4. 密集波分复用技术的非线性串扰密集波分复用技术的非线性串扰 内容简介：内容简介： 3 光纤通信光纤通信单信道速率40Gbit/s，与光纤带宽潜 力相比相差巨大，有潜力可挖。 电复用技术实验室已到40Gbit/s，但受电子迁移 速率限制，进一步提高速率已十分困难。 克服电复用的这一“瓶颈瓶颈”，进一步提高光纤 频带的利用率，只有采用光复用技术光复用技术。 8.1 光复用技术的基本概念光复用技术的基本概念 4 8.1 光复

2、用技术的基本概念光复用技术的基本概念 复用技术复用技术：为提高通信线路利用率，采用同一传输 线路上同时传输多路不同信号同时传输多路不同信号而互不干扰互不干扰的技术 把通信资源（通信资源（带宽、时隙）固定分配给各个终 端。一旦分配确定，这个终端是否通信，都占用这 个频带或时隙，直到拆线为止。 两种复用方式两种复用方式: 1.静态复用（同步复用）静态复用（同步复用） 8.1 光复用技术的基本概念光复用技术的基本概念 2.动态复用（统计复用）动态复用（统计复用） 全称“统计时分多路复用”(Statistical Time Division Multiplexing，STDM)，或称“异步时分多 路复

3、用”。 只把需要传送信息的终端接入公共信道， “动态地” 按需分配其时隙。从而更有效提高了线路利用率。 统计表明：统计复用比静态时分复用提高传输效 率24倍。 比如：数据通信比如：数据通信-Internet 5 注意注意： 上述复用技术能增加线路容量，提高线路利用率增加线路容量，提高线路利用率。 但相对于巨大的光纤带宽潜能，单独采用某一复用技术 还只能是使用光纤的很小一部分带宽资源，为此，可以复合复合 采用几种复用技术采用几种复用技术。 例如：在每个时隙先采用码分复用，再采用时分复用， 然后将时分复用以后的信号再调制在不同的波长上。 8.1 光复用技术的基本概念光复用技术的基本概念 6 8.2

4、 光时分复用技术光时分复用技术 电子器件的极限速率大约在40Gb/s左右，现在通过电 时分复用(TDM)已经达到这个极限速率极限速率。 光时分复用(OTDM)的原理与电时分复用相同，只不 过电时分复用是在电域中电域中完成，而光时分复用是在光域中光域中 进行，即将高速的光支路数据流(例如10Gbit/s，甚至 40Gbit/s)直接复用进光域，产生极高比特率的合成光数据 流。目前能查到的OTDM技术实现的单信道复用速率为 640Gbit/s。 7 8.2 光时分复用技术光时分复用技术 如今WDM技术研究非常热，有的技术已经成熟并实 用化；而OTDM技术还处于实验研究阶段实验研究阶段，许多关键技术

5、 还有待解决。 超短光脉冲光源； 超短光脉冲的长距离传输和色散抑制技术； 帧同步及路序确定技术； 光时钟提取技术； 全光解复用技术。 8 9 8.2 光时分复用技术光时分复用技术 根据每个支路每次复用的比特数的不同，分 成： 比特交错比特交错OTDM（一个比特）（一个比特）； 分组交错分组交错OTDM（若干个比特）（若干个比特）； 它们都需要利用帧脉冲信号（帧同步信号，帧脉冲信号（帧同步信号， 帧头）帧头）区分不同的复用数据或分组。 8.2 光时分复用技术光时分复用技术 1.比特交错比特交错OTDM：每个时隙对应一个待复用 的支路信息(一个比特)，同时有一个帧脉冲信息，形 成高速的OTDM信号

6、。 主要用于电路交换业务电路交换业务。 10 11 2.分组交错分组交错OTDM：每个时隙对应一个待复用 支路的分组信息(若干个比特)，帧脉冲作为不同分组 的界限。 主要用于分组交换业务分组交换业务，分组变换业务可以和 IP相结合，有广阔的前景。 8.2 光时分复用技术光时分复用技术 8.2.1 比特交错比特交错OTDM 复用复用：（1）锁模激光器产生窄脉冲周期序列； （2）分路器把其分路为n+1路； （3）每路窄脉冲周期序列经外调制，调制后信号经过 适当长度硅光纤延时i； （1） （2） （3） 帧脉冲 比特交错时分复用原理图比特交错时分复用原理图 12 8.2.1 比特交错比特交错OTDM

7、 复用复用：（4）外调制器的各支路光脉冲流输出+帧脉冲流相 结合=比特交错光时分复用数据流。 （1） （2） （3） 帧脉冲 比特交错时分复用原理图比特交错时分复用原理图 （4） 13 8.2.2 分组交错光时分复用分组交错光时分复用 复用复用:（1）与比特交错光复用一样与比特交错光复用一样，首先锁模激光器产生窄 脉冲周期序列，经分路器分成n路，每路经一路支路数据流 外调制。 分组交错光时分复用的调制波形图分组交错光时分复用的调制波形图 （1） 14 （1） 8.2.2 分组交错光时分复用分组交错光时分复用 复用：复用：（2）为了减小脉冲的间隔以便实现分组交错复用，每支路 调制后的光数据流需经

8、过一个多级压缩器进行压缩多级压缩器进行压缩。 若每分组信息比特数为n，压缩级数k=log2n（n=8，k=3）。 （1） （2） 15 第一级压缩后，第1、3、5、7比特被延迟(T- )时间； 第二级压缩后，第(1、2)、(5、6)、(9、10)比特被延迟2(T- )时间； 第三级压缩后，第(1、2、3、4)、(9、10、1l、12) 比特被延迟4(T- ) 时间。 8.2.2 分组交错光时分复用分组交错光时分复用 复用复用：（3）经过不同的延迟n路信号+帧同步脉冲=分组交错光 时分复用数据流。 16 17 8.3 光波分复用技术光波分复用技术 光波分复用光波分复用(WDM)技术是在一根光纤中

9、同时传 输多个波长光信号多个波长光信号的一项技术。 基本原理：在发送端将不同波长的光信号组合 起来(复用复用)，并耦合到耦合到光缆线路上的同一根光纤同一根光纤中 进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开(解解 复用复用)，恢复出原信号后送入不同的终端。因此称为 光波长分割复用技术光波长分割复用技术，简称光波分复用技术光波分复用技术。 18 8.3 光波分复用技术光波分复用技术 光纤的带宽有多宽？光纤的带宽有多宽？ 光纤两个低损耗传输窗口： 波长为1.31 m(1.251.35m)的 窗口，相应的带宽 (, 和分别为中心 波长和相应的波段宽度， c为真 空中光速)为17700 GHz； 波长为

10、 1.55 m(1.501.60 m)的窗口， 相应的带宽为12500 GHz。 两个窗口合一起，总带宽超过30THz。如果信道频率间隔 为10 GHz， 理想情况下， 一根光纤可容纳3000个信道。 称作全波光纤全波光纤。 8.3 光波分复用技术光波分复用技术 一些光器件与技术还不十分成熟，光频分复用光频分复用(OFDM) 困难（0.1nm）。 在这种情况下，信道间隔较小称为密集波分复用密集波分复用 (DWDM：Dense Wavelength Division Multiplexing)（1.6、 0.8nm或更低）。或更低）。在1550 nm波长区段内，同时用用8，16或更或更 多个波长

11、多个波长在一对光纤上(也可采用单光纤)构成的光通信系统， 对应于200 GHz, 100 GHz或更窄的带宽。 19 WDM、 DWDM和和OFDM在本质上没有多大区别在本质上没有多大区别 以往技术人员习惯采用WDM 和DWDM来区分是 1310/1550 nm 简单复用还是在1550 nm波长区段内密集复用， 但目前在电信界应用时，都采用目前在电信界应用时，都采用DWDM技术。技术。 8.3 光波分复用技术光波分复用技术 20 早期，早期， 没有合适的光放没有合适的光放 大器，大器，WDM只具有只具有1310nm 和和1550nm两个通道。两个通道。 8.3 光波分复用技术光波分复用技术 1

12、310nm/1550nm窗口的波分复用(WDM)：仍用于接接 入网入网，但很少用于长距离传输 1550nm窗口的密集波分复用(DWDM)：可广泛用 于长距离传输长距离传输，用于建设全光网络 由于1310/1550 nm的复用超出了EDFA的增益范围， 只在一些专门场合应用，所以经常用经常用WDM这个更广义这个更广义 的名称来代替的名称来代替DWDM。 21 22 8.3 光波分复用技术光波分复用技术 WDM技术的主要特点技术的主要特点 1. 充分利用光纤的巨大带宽资源充分利用光纤的巨大带宽资源 单光纤，WDM传输容量是单波长几倍、几十倍、几百倍几倍、几十倍、几百倍， 2000年，加拿大LMGR

13、，一根光纤传输65536个波长信号。 2. 节省大量光纤节省大量光纤 3. 信号透明传输信号透明传输 各波长的信道相互独立，可传输特性和速率完全不同的信号， 完成各种电信业务信号的综合传输各种电信业务信号的综合传输，如PDH信号和SDH信号，数 字信号和模拟信号，多种业务(音频、视频、数据等)的混合传输 等。 8.3 光波分复用技术光波分复用技术 WDM技术的主要特点技术的主要特点 4. 高度的组网灵活性、高度的组网灵活性、 经济性和可靠性经济性和可靠性 很多应用形式，如长途干线网、广播分配网、多路多址局域 网。可以利用WDM技术选择路由技术选择路由，实现网络交换和故障恢复， 从而实现未来的透

14、明、 灵活、经济且具有高度生存性的光网络光网络。 5. 降低器件的超高速要求降低器件的超高速要求 随着传输速率的不断提高，许多光电器件的响应速度已明 显不足，使用WDM技术可降低对一些器件在性能上的极高要求， 同时又可实现大容量传输。 23 24 WDM技术对网络升级、发展宽带业务(如CATV， HDTV 和IP over WDM等)、充分挖掘光纤带宽潜力、 实现超高速光纤通信等具有十分重要意义，尤其是 WDM加上EDFA更是对现代信息网络具有强大的吸 引力。 “掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)+密集波分复用密集波分复用 (WDM)+非零色散光纤非零色散光纤(NZDSF，即即G.655

15、光纤光纤)+光子光子 集成集成(PIC)”正成为国际上长途高速光纤通信线路的 主要技术方向。 8.3 密集波分复用技术密集波分复用技术 25 8.3.1 WDM系统基本类型系统基本类型 WDM系统从不同角度可分为不同类型，常分为： （1）从传输方向，可分为： 双纤单向波分复用系统双纤单向波分复用系统； 单纤双向波分复用系统单纤双向波分复用系统； （2）从光接口类型，可分为： 集成式波分复用系统集成式波分复用系统； 开放式波分复用系统开放式波分复用系统。 8.3.1 WDM系统基本类型系统基本类型 -传输方向 1. 双纤单向传输双纤单向传输 单向WDM是指所有光路同时在一根光纤上沿同一同一 方向

16、方向传送，如下图。 双纤单向传输示意图双纤单向传输示意图 26 原理上，复用器和解复用器原理上，复用器和解复用器互易的互易的(双向可逆) ， 相同的（除非特殊要求）相同的（除非特殊要求） 27 8.3.1 WDM系统基本类型系统基本类型 -传输方向 2.单纤双向传输单纤双向传输 同一光波分复用器既可合波器合波器，又可分波器分波器，具有方向 可逆性，因此，可在同一根光纤上实现双向传输。所用波长 互相分开，以便实现双向全双工通信。 单纤双向传输示意图单纤双向传输示意图 双纤单向开发和应用方面都比较广泛广泛。 单纤双向开发和应用相对来说要求更高，减要求更高，减 少少光纤和线路放大器的数量。 8.3.

17、1 WDM系统基本类型系统基本类型 -传输方向 28 类型比较：类型比较： 29 8.3.1 WDM系统基本类型系统基本类型-光接口类型 考虑各波长之间影响最小和更多厂家设备互通， WDM使用激光器发出光中心波长中心波长、波长间隔波长间隔、中心频率中心频率 偏移偏移等均有严格规定，需符合ITU-T G.692建议(见表8.1) 1.集成式波分复用系统集成式波分复用系统 集成式集成式：光接口满足G.692建议-标准的光波长、满足长 距离传输的光源。把标准的光波长和长色散受限距离的光 源集成在SDH系统中。 30 2.开放式波分复用系统开放式波分复用系统 开放式开放式WDM系统系统 开放是指在同一

18、开放是指在同一WDM系统中，可以接入不同厂家的系统中，可以接入不同厂家的 SDH系统。系统。OTU对输人端信号波长没特殊要求，可兼容任意 厂家信号。OTU输出端满足G.692的光接口。实现不同厂家的 SDH系统工作在同一个WDM系统内。 在波分复用器前加入波长转换器(Optical Transition Unit， OTU)，将SDH非规范的波长转换为标准波长。 8.3.1 WDM系统基本类型系统基本类型-光接口类型 31 8.3.2 WDM系统基本结构与工作原理系统基本结构与工作原理 一般来说，WDM系统主要由以下五部分组成：光发光发 射机射机、光中继放大光中继放大、光接收机光接收机、光监控

19、信道光监控信道和网络管理网络管理 系统系统。 8.3.2 WDM系统基本结构与工作原理系统基本结构与工作原理 (1)将终端设备(如SDH端机) 光信号-光转发器光转发器(OTU)；（ITU- T G.957非特定波长转换成ITU-T G.692特定波长光信号） 32 (2)合波器合波器合成多路光信号； (1) (3)光功率放大器光功率放大器(BA： Booster Amplifier)放大输出多路光 信号。 8.3.2 WDM系统基本结构与工作原理系统基本结构与工作原理 光中继放大：光中继放大：用掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)对光信号中继放大中继放大。 33 线放线放(LA)功放功放

20、(BA）前放前放(PA) 系统中，EDFA必须采用增益平坦技术增益平坦技术 不同波长的光信号具有接近相同的放大增益； 还要考虑到不同数量的光信道同时工作同时工作的各种情况，保证 光信道的增益竞争不影响传输性能。 34 8.3.2 WDM系统基本结构与工作原理系统基本结构与工作原理 光接收机：光接收机：在接收端， (1)光前置放大器光前置放大器(PA)放大衰减的主信道光信号; (2)分波器分波器从主信道光信号中分出特定波长光信号送往各终端 (1) (2) 8.3.2 WDM系统基本结构与工作原理系统基本结构与工作原理 光接收机：光接收机：接收机要满足光信号灵敏度光信号灵敏度、过载功率过载功率等参

21、数， 还要能承受有一定光噪声光噪声的信号，要有足够的电带宽电带宽性能。 35 36 8.3.2 WDM系统基本结构与工作原理系统基本结构与工作原理 光监控信道：监控系统内各信道传输情况光监控信道：监控系统内各信道传输情况。 发送端，插入本节点产生波长s(1510nm)光监控信号，与主 信道光信号合波输出； 接收端，将接收光信号分波，输出s(1510nm)波长光监控信 号和业务信道光信号。 帧同步字节、公务字节和网管所用开销字节开销字节等都是通过光 监控信道来传递。 37 8.3.2 WDM系统基本结构与工作原理系统基本结构与工作原理 网络管理系统：光监控信道物理层网络管理系统：光监控信道物理层

22、传送开销字节到其他 节点或接收来自其他节点的开销字节。 对WDM系统进行管理系统进行管理，实现配置管理、故障管理、性能管 理、安全管理等功能。 并与上级管理系统相连。 8.3.2 WDM系统基本结构与工作原理系统基本结构与工作原理 38 目前国际上已商用的系统有：目前国际上已商用的系统有： 42.5 Gb/s(10 Gb/s), 82.5 Gb/s(20 Gb/s), 162.5 Gb/s(40 Gb/s), 402.5 Gb/s(100 Gb/s), 3210 Gb/s(320 Gb/s), 4010 Gb/s(400 Gb/s)。 实验室实验室已实现了8240 Gb/s(3.28 Tb/s

23、)的速率， 传输距离达3100 km=300 km。 8.3.2 WDM系统基本结构与工作原理系统基本结构与工作原理 OFC2000(Optical Fiber Communication Conference)提供提供 的情况有：的情况有： Bell Labs: 82路40 Gb/s=3.28 Tb/s在3100 km=300 km的True Wave(商标)光纤(即G.655光纤)上，利用C和L两个波 带联合传输； 日本日本NEC: 16020 Gb/s=3.2 Tb/s， 利用归零信号沿色 散平坦光纤，经过增益宽度为64 nm的光纤放大器，传输距离达 1500 km; 日本富士通日本富士

24、通(Fujitsu): 128路10.66 Gb/s， 经过C和L波 带注：C波带为15251565 nm，L波带为15701620 nm。， 用 分布喇曼放大(DRA: Distributed Raman Amplification), 传输距离 达6140 km=840 km; 39 8.3.2 WDM系统基本结构与工作原理系统基本结构与工作原理 OFC2000(Optical Fiber Communication Conference)提供的提供的 情况有：情况有： 日本日本NTT： 30路42.7 Gb/s， 利用归零信号， 经过增益 宽度为50 nm的光纤放大器，传输距离达3125

25、 km376 km; 美国美国Lucent Tech: 100路10 Gb/s=1 Tb/s，各路波长的间 隔缩小到25 GHz, 利用L波带，沿NZDF光纤(G.655光纤)传输400 km; 美国美国Mciworldcom和加拿大和加拿大Nortel: 100路10 Gb/s=1 Tb/s， 沿NZDF光纤在C和L波带传输4段， 约200 km; 美国美国Qtera 和和Qwest: 两个波带4路10 Gb/s和2路10 Gb/s沿NZDF光纤传输23105 km=2415 km, 这个试验虽然WDM 路数不多，但在陆地光缆中却是最长距离。 40 41 8.4 密集波分复用系统的非线性串扰密集波分复用系统的非线性串扰 在单信道的光纤通信系统中，对于光纤特性主要考虑的 是衰耗衰耗和色散色散，它们限制着传输距离传输距离