光纤通信第十章

1、第第1010章章 光纤通信的高新技术光纤通信的高新技术本章内容本章内容10.1 10.1 相干光通信技术相干光通信技术10.2 10.2 光弧子通信技术光弧子通信技术10.3 10.3 高速光纤通信系统的码型技术高速光纤通信系统的码型技术10.4 10.4 高速光纤通信系统的前向纠错技术高速光纤通信系统的前向纠错技术10.5 10.5 应用高新技术构建新型光纤通信系统应用高新技术构建新型光纤通信系统10.6 10.6 光互联网光互联网10.7 10.7 光交换技术光交换技术10.5 10.5 全光通信网全光通信网小结、习题小结、习题10.1 10.1 相干光通信技术相干光通信技术1. 相干光通

2、信技术的基本原理相干光通信技术的基本原理图10-1-1 光相干检测原理图 图图10-1-110-1-1中的光信号是以调幅、调频或调相中的光信号是以调幅、调频或调相的方式被调制的方式被调制( (设调制频率为设调制频率为S)S)到光载波上到光载波上的，当该信号传输到接收端时，首先与频率的，当该信号传输到接收端时，首先与频率为为LL本振光信号进行相干混合，然后由光电本振光信号进行相干混合，然后由光电检测器进行检测，这样获得了中频频率为检测器进行检测，这样获得了中频频率为IF=S-LIF=S-L的输出电信号，因为的输出电信号，因为IF0IF0，故称该检测为外差检测，那么当输出信号的故称该检测为外差检测

3、，那么当输出信号的频率频率IF=0(IF=0(即即S=L)S=L)时，则称之为零差检时，则称之为零差检测，此时在接收端可以直接产生基带信号测，此时在接收端可以直接产生基带信号。2 2相干光通信系统的组成相干光通信系统的组成相干光通信系统的方框图见图相干光通信系统的方框图见图10-1-210-1-2。 与直接检测相比，相干光通信有如与直接检测相比，相干光通信有如下优点：下优点：(1) (1) 接收灵敏度高。接收灵敏度高。(2) (2) 频率选择性好。频率选择性好。(3) (3) 不但可利用信号的强度信息，还能充分利不但可利用信号的强度信息，还能充分利用信号的位相信息，并可采用多种调制解调用信号的

4、位相信息，并可采用多种调制解调方式，具有很大灵活性及选择余地。方式，具有很大灵活性及选择余地。(4) (4) 相干接收技术可以抑制级联光放大器中产相干接收技术可以抑制级联光放大器中产生的严重噪声累积，故可采用多级光放大器生的严重噪声累积，故可采用多级光放大器级联来延长中继距离。级联来延长中继距离。3. 3. 相干光通信的影响因素相干光通信的影响因素(1)(1)偏振噪声偏振噪声(2)(2)反射噪声反射噪声(3)(3)光纤中的非线性效应光纤中的非线性效应(4)(4)光纤色散光纤色散4. 4. 相干光通信系的关键技术相干光通信系的关键技术1) 1) 半导体激光器的频率稳定问题和谱宽压缩问半导体激光器

5、的频率稳定问题和谱宽压缩问题题2) 2) 光波的极化稳定问题光波的极化稳定问题 3) 3) 平衡接收技术平衡接收技术 4 4）相位分集接收技术）相位分集接收技术 10.2 10.2 光弧子通信技术光弧子通信技术1.1. 光孤子通信的概念光孤子通信的概念孤子波是在孤子波是在18341834年首次观察到的。孤年首次观察到的。孤子波现象在水波、电磁波等中都有子波现象在水波、电磁波等中都有可能存在，人们对这种现象进行了可能存在，人们对这种现象进行了长期的研究长期的研究, ,，在理论上给予了证，在理论上给予了证明。明。19731973年人们把孤子现象应用于年人们把孤子现象应用于通信领域，通信领域，198

6、01980年才通过实验观察年才通过实验观察到光纤中的孤子现象，光孤子通信到光纤中的孤子现象，光孤子通信技术得到了空前的研究和发展并逐技术得到了空前的研究和发展并逐渐实用化。光孤子通信是一种很有渐实用化。光孤子通信是一种很有发展前途的全光通信技术，是实现发展前途的全光通信技术，是实现超大容量超长距离传输的重要技术超大容量超长距离传输的重要技术之一。之一。 光孤子的产生原因是光纤的非线性效应。通常在光场较光孤子的产生原因是光纤的非线性效应。通常在光场较弱的情况下，可以认为光纤的各种特征参数随光场的强弱的情况下，可以认为光纤的各种特征参数随光场的强弱作线性变化。但是如果光场很强，则光纤的特征参数弱作

7、线性变化。但是如果光场很强，则光纤的特征参数将随光场呈非线性变化。光纤群速度色散将随光场呈非线性变化。光纤群速度色散(GVD) (GVD) 会使光会使光脉冲展宽，而自相位调制则使波形中较高频率分量不断脉冲展宽，而自相位调制则使波形中较高频率分量不断累积，使波形变陡，即光纤的非线性特性使光脉冲变窄。累积，使波形变陡，即光纤的非线性特性使光脉冲变窄。光纤群速度色散光纤群速度色散(GVD) (GVD) 和自相位调制和自相位调制(SPM)(SPM)达到平衡，则达到平衡，则使光脉冲在传播中保持形状不变，即形成所谓的使光脉冲在传播中保持形状不变，即形成所谓的“光孤光孤子子”，使，使“光孤子光孤子”在光纤中

8、长距离传输即实现了超大容量在光纤中长距离传输即实现了超大容量超长距离传输的光孤子通信系统。超长距离传输的光孤子通信系统。2. 2. 光孤子通信系统光孤子通信系统 将光孤子物理现象运用于光纤通信中，即形成了光孤子将光孤子物理现象运用于光纤通信中，即形成了光孤子通信系统，组成框图如图通信系统，组成框图如图10-2-110-2-1所示所示 10.3 高速光纤通信系统的码型技术 通常通常2.5Gb/s 2.5Gb/s ，10Gb/s10Gb/s的光纤系统传输码型的光纤系统传输码型采用非归零码采用非归零码(Non-Return to Zero, NRZ)(Non-Return to Zero, NRZ)

9、格格式，但式，但 是在长距离的是在长距离的40Gb/s40Gb/s系统中，系统中，NRZNRZ码码难以达到要求，一般需要采用归零码难以达到要求，一般需要采用归零码(Return (Return to Zero, RZ)to Zero, RZ)，RZRZ与与 NRZNRZ相比，支持更远的相比，支持更远的传输距离。传输距离。 采用采用 RZRZ方式时与方式时与 NRZNRZ不同，即传输不同，即传输“1”1”信号，激信号，激光器也须开关一次，在传输连续光器也须开关一次，在传输连续“1”1”信号时，激光信号时，激光器必須反复开关如图器必須反复开关如图10-3-110-3-1所示。所示。 RZRZ码是由

10、一串形状相同的脉冲来传输，只要码是由一串形状相同的脉冲来传输，只要保证单个脉冲形状在一定程度上不变保证单个脉冲形状在一定程度上不变 , , 则整个则整个脉冲序列就能够在几百公里的传输中保持完整脉冲序列就能够在几百公里的传输中保持完整 。 对于对于 RZRZ格式，脉冲宽度小于一个全比特周期。格式，脉冲宽度小于一个全比特周期。在在 RZRZ码脉冲序列中，在每个连码脉冲序列中，在每个连“1”1”的过渡区域的过渡区域电场振幅是归零的，每个电场振幅是归零的，每个“1”1”码的电场振幅具码的电场振幅具有彼此独立的时间包络，这对于按收端的时钟恢有彼此独立的时间包络，这对于按收端的时钟恢复非常有利；而复非常有

11、利；而 NRZNRZ码的连码的连“1”1”则是连为一体则是连为一体的。的。 在相同平均接收功率的条件下，在相同平均接收功率的条件下，RZRZ码的码的眼图张开度更大，如图眼图张开度更大，如图10-3-210-3-2所示。所示。 RZRZ码的类型有多种，如常规码的类型有多种，如常规 RZRZ码、载波抑制码、载波抑制RZ RZ 码码(Carrier Suppressed-RZ, CS-RZ)(Carrier Suppressed-RZ, CS-RZ)、啁啾、啁啾RZ RZ 码码(Chirp RZ, CRZ)(Chirp RZ, CRZ)、色散管理光孤子、色散管理光孤子(Dispersion (Dis

12、persion Management Optica1 Soliton, DMS)Management Optica1 Soliton, DMS)以及差分相移以及差分相移键控键控RZRZ码码(Return to Zero- Differentia1 Phase (Return to Zero- Differentia1 Phase Shift Keying, RZ- DPSK)Shift Keying, RZ- DPSK)等。其中，等。其中，CS- RZCS- RZ码的相码的相邻光脉冲是反相位的，载波受到都制，如果相邻的邻光脉冲是反相位的，载波受到都制，如果相邻的“1”1”脉冲有重叠，不会带来过

13、大的码间干扰。在实脉冲有重叠，不会带来过大的码间干扰。在实际的际的40 Gb/s40 Gb/s系统设计中，可以选用系统设计中，可以选用RZRZ码或码或 CS- RZCS- RZ码。码。RZ码具有以下显著特点： ( 1)( 1)抗非线性能力强。由于抗非线性能力强。由于 RZRZ码的频谱较码的频谱较 NRZNRZ码宽，所以码宽，所以RZ RZ 码允许更高的输入功率。码允许更高的输入功率。可于占空比可于占空比为为 0.50.5的的 RZRZ码，光纤的输入功码，光纤的输入功率可以増加率可以増加3dB3dB；对于占空比；对于占空比为为 0.250.25的的RZ RZ 码，光纤的输入功率可以增加码，光纤的

14、输入功率可以增加6 dB6 dB， 因此可因此可以大大改善光信噪比。要获得同样的以大大改善光信噪比。要获得同样的 OSNROSNR，入纤功率可以降低，缓解光纤的非线性效应。入纤功率可以降低，缓解光纤的非线性效应。 NRZNRZ、 RZRZ、 CS-RZCS-RZ三种码型相比较三种码型相比较, ,，CS-RZCS-RZ码的抗非线性能力最好，码的抗非线性能力最好，NRZNRZ最差。最差。 (2)更好的偏振模色散容限。更好的偏振模色散容限。 由于由于 RZ码中的光脉冲能量更集中码中的光脉冲能量更集中, 需要更需要更大的差分群时延大的差分群时延(Differential Group Delay, DG

15、D)才能使其泄漏出本时隙，从而产生码间才能使其泄漏出本时隙，从而产生码间干扰，因而在同样的功率代价下，干扰，因而在同样的功率代价下，RZ码对一码对一阶阶 PMD有更大的容忍能力有更大的容忍能力 。但由于光谱更。但由于光谱更宽，所以更容易受到高阶宽，所以更容易受到高阶PMD的影响。的影响。 CS- RZ光谱比光谱比RZ码窄，因而对高阶码窄，因而对高阶PMD的容忍的容忍度较高。度较高。三种码型功光谱比较，如图10-3-2所示。(3)复杂的色散管理 色散容限与码周期的平方成正比，调色散容限与码周期的平方成正比，调制格式的不同，频谱展宽的程度不一样，色制格式的不同，频谱展宽的程度不一样，色散容限也不同

16、。对于散容限也不同。对于40Gb/s40Gb/s的系统的系统, ,以以1dB1dB的的眼图张开代价为基准，如果采用眼图张开代价为基准，如果采用 NRZNRZ码，码， 色色散容限为散容限为80ps/nm80ps/nm，对于占空比为，对于占空比为 0.50.5的的 RZRZ码码, , 色散容限只有色散容限只有20ps/nm20ps/nm， 随着占空比的随着占空比的減小，色散容限向減小，色散容限向 0ps/nm0ps/nm逼近。因此采用逼近。因此采用RZRZ码传输码传输, ,，40Gb/s40Gb/s系统要求更加复杂的色散管系统要求更加复杂的色散管理。理。10.4 高速光纤通信系统的前向纠错技术 前

17、向纠错前向纠错(Forward Error Correction, FEC)技术的工作原理是在发射端编码时加入某些检验技术的工作原理是在发射端编码时加入某些检验字字, 根据比特相关性，在接收端通过解码，对校根据比特相关性，在接收端通过解码，对校验比特进行一定的计算以纠正码流中的错误，从验比特进行一定的计算以纠正码流中的错误，从而达到改善系统误码性能的目的。而达到改善系统误码性能的目的。 这种技术的这种技术的优点是延长传输距离，降低发射机功率，提高接优点是延长传输距离，降低发射机功率，提高接收机灵敏度，降低对线路光信噪比的要求收机灵敏度，降低对线路光信噪比的要求 。 其其最大优点在于不必增加大量

18、的设备，就可以有效最大优点在于不必增加大量的设备，就可以有效地改善系统的传输性能。地改善系统的传输性能。目前，常用的目前，常用的 FECFEC方式主要有三种：方式主要有三种： 标准标准FECFEC，ITU-TG.975ITU-TG.975、 G.709G.709已标已标准化，它的编码增益达到准化，它的编码增益达到5dB5dB左右左右, ,速率提高速率提高7%7%； 增强增强 FEC(Enhanced FEC)FEC(Enhanced FEC)，编码增益达，编码增益达到到89dB89dB，速率提高，速率提高25%25%达到达到12.5Gb/s12.5Gb/s，但对，但对器件要求比较严格，灵敏度也

19、会有所劣化；器件要求比较严格，灵敏度也会有所劣化； 超强超强 FEC(Super FECFEC(Super FEC，SFECSFEC或或Addition Addition FECFEC， AFEC)AFEC)。 这三种这三种 FECFEC技术日前已被广泛地应用于多通道、技术日前已被广泛地应用于多通道、 超长距离的超长距离的 DWDMDWDM系统中系统中 。 利用前向纠错技术可以改善系统的误码率利用前向纠错技术可以改善系统的误码率 BERBER特性，但是从实质上来看特性，但是从实质上来看 FECFEC技术是用电子电路技术是用电子电路的复杂性换取光信噪比的复杂性换取光信噪比(Optica1 Sig

20、na1 Noise (Optica1 Signa1 Noise Ratio, OSNR)Ratio, OSNR)预算的增加。因而选取前向纠错码预算的增加。因而选取前向纠错码型也是一种在系统性能型也是一种在系统性能 BERBER提高和电路复杂性，提高和电路复杂性，以及系统传输速率之间的一种折中。以及系统传输速率之间的一种折中。不同不同 FECFEC编码情况下的净增益比较如图编码情况下的净增益比较如图10-4-110-4-1所示所示10.5 应用高新技术构建新型光纤通信系统1.新型光纤通信系统概述新型光纤通信系统概述 所谓新型光纤通信系统就是超高速率、超大容量、超长距离光所谓新型光纤通信系统就是超

21、高速率、超大容量、超长距离光纤通信系统。纤通信系统。 （1） 超高速率超高速率 实用的实用的 DWDM系统的最早单通道速率是系统的最早单通道速率是2.5 Gb/s，接着为，接着为10 Gb/s的多波长系统步入工程实用，现在的多波长系统步入工程实用，现在40 Gb/s单通道速率的系单通道速率的系统己进入商用，技术日渐成熟。此外，应用统己进入商用，技术日渐成熟。此外，应用 OTDM技术已经将技术已经将单通道速率提高至单通道速率提高至 ETDM方式无法达到的高度，目前的实验系方式无法达到的高度，目前的实验系统已经使单通道速率达到了统已经使单通道速率达到了80 Gb/s、100 Gb/s、160 Gb

22、/s，甚，甚至可以达到至可以达到400 Gb/s。（2） 超大容量3232个波长的个波长的 DWDMDWDM系统已经得到广泛使用，系统已经得到广泛使用，160160个波个波长的系统也走向商用。长的系统也走向商用。 而实验室已完成了复用而实验室已完成了复用信道数达到信道数达到 1022 1022 个波长的试验研究水平。个波长的试验研究水平。除了充分利用目前使用的除了充分利用目前使用的 C波段的传输能力外，波段的传输能力外，DWDM系统工作波长范围已向系统工作波长范围已向 S波段和波段和 L波段波段拓展，甚至有人将拓展，甚至有人将 L波段的长波长一侧延伸到波段的长波长一侧延伸到 U波段。波段。 当

23、当1385 nm波长的氢氧根离子吸收峰被波长的氢氧根离子吸收峰被削減之后，使削減之后，使 S波段与波段与1310 nm窗口平滑连接起窗口平滑连接起来的低水峰单模光纤，其工作波长扩宽至来的低水峰单模光纤，其工作波长扩宽至1100 1700 nm，从而为光纤通信系统的不断扩容升级，从而为光纤通信系统的不断扩容升级莫定了良好的基础莫定了良好的基础 。 一般一般 2.5 Gb/s速率速率 DWDM系统的色散受限距离为系统的色散受限距离为600km 左左右。对于右。对于10 Gb/s系统，在进行色散补偿后，考虑到接收系统，在进行色散补偿后，考虑到接收灵敏度、光信噪比等指标，在不采用其他技术时，电中灵敏度

24、、光信噪比等指标，在不采用其他技术时，电中继距离限制在继距离限制在400 km左右。左右。 如何进一步延长如何进一步延长 DWDM系统的电再生距离，实现所谓的系统的电再生距离，实现所谓的超长距离传输成为了超长距离传输成为了 DWDM系统研究的重点之一。从目系统研究的重点之一。从目前的技术水平来看，光传输距离超过前的技术水平来看，光传输距离超过1500 km的系统才能的系统才能够称为超长距系统够称为超长距系统 。 超长距系统的重要性在于以下两点超长距系统的重要性在于以下两点:：首先，它是未来全光网的物理基础；其次，它是建设国首先，它是未来全光网的物理基础；其次，它是建设国家长途快速调度链或环的最

25、优方案。家长途快速调度链或环的最优方案。2新型光纤通信系统的关键技术实现高速大容量长距离的实现高速大容量长距离的DWDMDWDM光纤通信系统，需要解决许多技术问题。光纤通信系统，需要解决许多技术问题。下面介绍构建一个下面介绍构建一个808040 Gb/s DWDM40 Gb/s DWDM系统需要解决的关键技术。系统需要解决的关键技术。 808040 Gb/s DWDM40 Gb/s DWDM系统总体技术方案如图系统总体技术方案如图10-5-110-5-1所示。所示。40 Gb/s40 Gb/s波分复用传输系统从功能模块上可以分为波分复用器、光波分复用传输系统从功能模块上可以分为波分复用器、光放

26、大器、光波长转換器、色散管理放大器、光波长转換器、色散管理( (补偿补偿) )和偏振模色散管理模和偏振模色散管理模块、光监控通路、网元管理、光分插复用设备等部分，同时需块、光监控通路、网元管理、光分插复用设备等部分，同时需要兼顾到系统的通路分配、光接口参数、网络性能、网管、安要兼顾到系统的通路分配、光接口参数、网络性能、网管、安全考虑等。全考虑等。 构建一个构建一个808040 Gb/s DWDM40 Gb/s DWDM系统需要解决的关键技术，系统需要解决的关键技术， 主要主要有合分波技术、有合分波技术、 分布式拉曼放大技术、分布式拉曼放大技术、 前向纠错技术、前向纠错技术、40 40 Gb/

27、s OTUGb/s OTU技术、传输码型和调制技术、传输码型和调制/ /解调技术、精确色散管理技解调技术、精确色散管理技术和动态偏振模色散术和动态偏振模色散(Polarization Mode Dispersion, PMD)(Polarization Mode Dispersion, PMD)补偿技术。其中，补偿技术。其中，40 Gb/s40 Gb/s光转换技术、传输码型和调制光转换技术、传输码型和调制/ /解调解调技术、精确色散管理技术和动态技术、精确色散管理技术和动态 PMDPMD补偿技术是需要重点解决补偿技术是需要重点解决的技术难点。的技术难点。（1）合分波技术单通道速率为单通道速率为

28、2.5 Gb/s2.5 Gb/s和和10 Gb/s10 Gb/s的系统的波分复用器的系统的波分复用器/ /解复用器已经商业化。而解复用器已经商业化。而40 Gb/s40 Gb/s速率所需的波分速率所需的波分复用器复用器/ /解复用器必须具有低色散、大带宽、小偏振解复用器必须具有低色散、大带宽、小偏振模色散的要求。既能保证信道间有足够宽又能同时模色散的要求。既能保证信道间有足够宽又能同时实现高密度波分复用信道数也是一个颇具挑战的问实现高密度波分复用信道数也是一个颇具挑战的问题。题。 经过多年的研究，满足经过多年的研究，满足40 Gb/s40 Gb/s超高速光传输系统超高速光传输系统要求的要求的

29、AWGAWG器件或介质膜器件作为合器件或介质膜器件作为合/ /分波器。在技分波器。在技术上已经成熟。术上已经成熟。（2）分布式喇曼放大技术 40 Gb/s的系统中的系统中, 光放大技术的实现是光放大技术的实现是系统研究的关键技术之一。系统研究的关键技术之一。40 Gb/s信信号需要的接收机电带宽是号需要的接收机电带宽是10 Gb/s的四的四倍，所以要求的光信噪比倍，所以要求的光信噪比(Optical Signal Noise Ration, OSNR) 至少要高至少要高6dB。提高系统的。提高系统的 OSNROSNR有两种解决方有两种解决方案：案： 一种是采用低噪声的一种是采用低噪声的 EDF

30、A；另；另一种是采用一种是采用 EDFA与喇曼放大器相结合与喇曼放大器相结合来降低系统的噪声来降低系统的噪声 。在实际的系统中，。在实际的系统中，第二种方案时可行的。第二种方案时可行的。（3）前向纠错技术利用前向纠错利用前向纠错(Forward Error Correction, FEC)技术可以延长传输距离，实现超长距离传输。技术可以延长传输距离，实现超长距离传输。 FEC的工作原理是在发射端编码时加入某些的工作原理是在发射端编码时加入某些检验字，检验字， 根据比特相关性，在接收端通过解根据比特相关性，在接收端通过解码，对校验比特进行一定的计算以纠正码流码，对校验比特进行一定的计算以纠正码流

31、中的错误，从而达到改善系统误码性能的目中的错误，从而达到改善系统误码性能的目的。的。 这种技术的优点是延长传输距离，降低这种技术的优点是延长传输距离，降低发射机功率，提高接收机灵敏度，降低对线发射机功率，提高接收机灵敏度，降低对线路光信噪比的要求。其最大优点在于不必增路光信噪比的要求。其最大优点在于不必增加大量的设备，就可以有效地改善系统的传加大量的设备，就可以有效地改善系统的传输性能。输性能。（4）波长转換技术）波长转換技术 由于器件的原因，由于器件的原因，40 Gb/s OTU的技术是的技术是40 Gb/s DWDM系统的重中之重。经过科研人系统的重中之重。经过科研人员的不懈努力，已经得到

32、解决。员的不懈努力，已经得到解决。 （5）码型技术）码型技术 通常通常2.5Gb/s ，10Gb/s的光纤系统传输码型的光纤系统传输码型采用非归零码采用非归零码(Non-Return to Zero, NRZ)格格式，但式，但是在长距离的是在长距离的40 Gb/s系统中，系统中，NRZ码难以达到要求。码难以达到要求。 所以需要采用归零码所以需要采用归零码(Return to Zero, RZ)，RZ与与 NRZ相比，支持更远的传输距离。相比，支持更远的传输距离。 （6）调制/解调技术40 Gb/s40 Gb/s的高速光纤系统通常采用外调制器，目前外调制器一般有两种：的高速光纤系统通常采用外调制

33、器，目前外调制器一般有两种：一种是电吸收调制器，它的主要特点是便于与光源集成，驱动电压一种是电吸收调制器，它的主要特点是便于与光源集成，驱动电压低功率小，但啁啾系数大；另一种是铌酸锂马赫低功率小，但啁啾系数大；另一种是铌酸锂马赫- -曾德调制器，它的曾德调制器，它的特点是啁啾系数低，色散受限距离长，但插入损耗大，需要较高的特点是啁啾系数低，色散受限距离长，但插入损耗大，需要较高的调制电压，需要对偏置工作点进行设定并精确跟踪，同时体积较大。调制电压，需要对偏置工作点进行设定并精确跟踪，同时体积较大。 RZ RZ 码实现起来比码实现起来比NRZNRZ码复杂。码复杂。 解调器有三种设计方案：第一种是

34、采用光电二极管解调器有三种设计方案：第一种是采用光电二极管+ +行波放大器行波放大器+ +限限幅放大器，这种方式成本有优势，但灵敏度较低；第二种是采用光幅放大器，这种方式成本有优势，但灵敏度较低；第二种是采用光放大器放大器+ +光电二极管光电二极管+ +行波放大器，这种方式要求光电二极管有较高行波放大器，这种方式要求光电二极管有较高的过载功率，优点有较高的灵敏度，不需要限幅发放大器；第三种的过载功率，优点有较高的灵敏度，不需要限幅发放大器；第三种掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器+ +光电二极管光电二极管+ +行波放大器。光放大器可用半导体放行波放大器。光放大器可用半导体放大器或掺铒光纤放大器，半导

35、体放大器的尺寸较小，但噪声指数较大器或掺铒光纤放大器，半导体放大器的尺寸较小，但噪声指数较大，且有非线性效应。大，且有非线性效应。（7）色散管理技术）色散管理技术 40 Gb/s系统色散补偿要求十分强烈。系统色散补偿要求十分强烈。40 Gb/s系统比系统比10 Gb/s系统对脉冲展宽和失真的系统对脉冲展宽和失真的影响要敏感影响要敏感16倍。在倍。在10 Gb/s的的 DWDM传输传输系统中，色散补偿模块基本能满足要求。但系统中，色散补偿模块基本能满足要求。但在在40 Gb/s的的 WDM传输系统中，由于色散容限仅为传输系统中，由于色散容限仅为60 ps/nm,，需，需要采用固定色散补偿模块和可

36、调色散补偿模要采用固定色散补偿模块和可调色散补偿模块相结合的方式，来对块相结合的方式，来对40 Gb/s系统的色散进系统的色散进行精确补偿行精确补偿 。 （8）PMD补偿技术补偿技术38040 GB/S DWDM系统的工程方案根据根据863计划的部署，需要在上海和杭州之间建计划的部署，需要在上海和杭州之间建立立8040 Gb/s DWDM光传输系统，作为高光传输系统，作为高性能宽带信息网的一部分。性能宽带信息网的一部分。 这条这条8040 Gb/s DWDM系统工程线路，是国内的第一系统工程线路，是国内的第一条条40 Gb/s线路。这个线路。这个8040 Gb/s DWDM系系统投入商业应用，

37、充分展示我国光通信技术统投入商业应用，充分展示我国光通信技术的水平，同时也为国家信息化基础设施奠定的水平，同时也为国家信息化基础设施奠定良好的基础良好的基础 。808040 Gb/s DWDM40 Gb/s DWDM系统在工程实现中采用的初步配置为：选用波长个数为系统在工程实现中采用的初步配置为：选用波长个数为40 40 Gb/sGb/s2 +10Gb/s2 +10Gb/s2 2，传输距离为，传输距离为230m(4230m(4个跨段个跨段, , 每跨段约每跨段约60km, 60km, 即即4 418dB18dB系系统统) )。整个系统如图。整个系统如图10-5-210-5-2所示，所示，整个系

38、统如图整个系统如图10-5-210-5-2所示，主要由终端设备、线所示，主要由终端设备、线路设备和网管系统三个部分组成。其中终端设路设备和网管系统三个部分组成。其中终端设备主要由光合波备主要由光合波/ /分波器分波器 (OMU/ODU)(OMU/ODU)、 光波长光波长转换器转换器 (OTU)(OTU)、 光监控信道光监控信道 (OSC)(OSC)、色散补、色散补偿单元偿单元(DCM)(DCM)或可调色散补偿单元或可调色散补偿单元(TDC)(TDC)、光功、光功率放大器率放大器( OBA)( OBA)和前置放大器和前置放大器( OPA) ( OPA) 等组成。等组成。线路设备主要由线路放大器线

39、路设备主要由线路放大器(OLA)(OLA)和色散补偿和色散补偿模块模块(DCM)(DCM)组成，而网管系统主要由网管软件组成，而网管系统主要由网管软件和相关网管处理板卡及接口组成和相关网管处理板卡及接口组成 杭州一上海的光纤线路资源，如图杭州一上海的光纤线路资源，如图10-5-310-5-3所示。这条光纤线路设所示。这条光纤线路设计的资料为：采用计的资料为：采用 G.655G.655光纤，其在工作波长范围的衰减系光纤，其在工作波长范围的衰减系数取值为数取值为 0.275 dB/km0.275 dB/km计算，连接器活接头损耗取值为计算，连接器活接头损耗取值为0.5 0.5 dB/dB/个，光纤

40、色散系数取值为个，光纤色散系数取值为8.5ps/nm/km8.5ps/nm/km。根据整个线路情況，。根据整个线路情況，松江和嘉兴之间的分界点处可以不设站，直接跳过引入松江和嘉兴之间的分界点处可以不设站，直接跳过引入1 dB1 dB插插损损(2(2个活接头个活接头) )。配置如图配置如图10-5-4 所示。传输系统工作波长选择严格遵循所示。传输系统工作波长选择严格遵循 ITU-T建建议议 G.692中给出的多信道系统使用的特定中心波长和中心频率中给出的多信道系统使用的特定中心波长和中心频率值值 工程网管系统方案：在上海、杭州各配置一套工程网管系统方案：在上海、杭州各配置一套网元管理系统网元管理

41、系统(Element Management System, (Element Management System, EMS)EMS)，负责管理本省，负责管理本省/ /市范围内的市范围内的 WDMWDM系统。系统。相邻省相邻省/ /市网元管理系统间有外部数据通信网市网元管理系统间有外部数据通信网 DCNDCN通道相连，要求可以通过相邻省通道相连，要求可以通过相邻省/ /市的迂市的迂回回 DCNDCN通道收集网元信息的能力。另外根据通道收集网元信息的能力。另外根据维护需要在各光终端站配置一台本地维护终维护需要在各光终端站配置一台本地维护终端端(Loca1 Contro1 Termina1, LCT

42、)(Loca1 Contro1 Termina1, LCT)， 用于用于网元配置和日常维护管理。各级网络管理系网元配置和日常维护管理。各级网络管理系统之间有保护通道互连。统之间有保护通道互连。 在本工程中，配置的网元管理系统还统一纳入到中国电信集团公在本工程中，配置的网元管理系统还统一纳入到中国电信集团公司集中网管进行监控。图司集中网管进行监控。图10-5-510-5-5为上海一杭州为上海一杭州 DWDMDWDM工程网管工程网管组网示意图。组网示意图。在本工程中，在本工程中，WDMWDM系统设备采取了系统设备采取了 DCNDCN的保护通路，在上海的保护通路，在上海- -杭州杭州网元管理系统节点

43、配置了路由器，在形成保护路由的同时，为网元管理系统节点配置了路由器，在形成保护路由的同时，为上层网管中心提供通道。上层网管中心提供通道。 图图10-5-610-5-6所示的是网管数据通道的所示的是网管数据通道的 DCNDCN通道保护方案。通道保护方案。10.6 光互联网光互联网络实际是一种以光纤为物理介质的新光互联网络实际是一种以光纤为物理介质的新一代一代 IP IP 数据网络，其底层采用光传输网作数据网络，其底层采用光传输网作为物理传输网络。传统数据网络中的主要设为物理传输网络。传统数据网络中的主要设备是备是 ATMATM交换机、路由器等；而在光传输网交换机、路由器等；而在光传输网络中，络中

44、， 其主要设备是其主要设备是 DWDMDWDM设备、设备、 光放大器光放大器和光纤等。光互联网是以宽带光网络为平台，和光纤等。光互联网是以宽带光网络为平台，由高性能分组交换机、由高性能分组交换机、 路由器实现连接的数路由器实现连接的数据通信网。据通信网。其分层模型如图其分层模型如图10-6-110-6-1所示，它包括数据网络层，光网络层以及层间适配和管理所示，它包括数据网络层，光网络层以及层间适配和管理功能。数据网络层提供数据的传输和处理。数据网络层的组成设备主要是功能。数据网络层提供数据的传输和处理。数据网络层的组成设备主要是 ATMATM交换机、路由器等。光网络层负责提供通道，光纤网络层的

45、组成设备主要有交换机、路由器等。光网络层负责提供通道，光纤网络层的组成设备主要有 DWDMDWDM终端、光放大器、光纤终端、光放大器、光纤(G.652, G.653, G.655)(G.652, G.653, G.655)等。层间适配和管理功等。层间适配和管理功能用于适配数据网络和光纤网络，使它们相互独立。能用于适配数据网络和光纤网络，使它们相互独立。 在光互联网中高性能的节点在光互联网中高性能的节点( (如交换机、路由器如交换机、路由器) )可直接连接到光纤可直接连接到光纤上，上， 也可连接在向各类客户也可连接在向各类客户( (如如 ATMATM， SDHSDH设备、路由器设备、路由器) )

46、提供光提供光波长路由的光网络层。数据网络层釆用波长路由的光网络层。数据网络层釆用 IPIP已是不争的事实，物理已是不争的事实，物理层采用层采用 DWDMDWDM的全光传输网的全光传输网(OTN)(OTN)也无可争议。也无可争议。 考虑到考虑到 ATMATM，SDHSDH技术上的兼容性，在技术上的兼容性，在 DWDMDWDM全光网上传输数据为全光网上传输数据为主的主的 IPIP业务，按照光互联网多协议栈及功能分层模型有以下业务，按照光互联网多协议栈及功能分层模型有以下4 4种种适配方案。如图适配方案。如图10-6-210-6-2所示。所示。（1）IP OVER ATM使用使用 ATMATM技术来

47、承载技术来承载 IPIP，这是目前国内外许多传统电信公司采用，这是目前国内外许多传统电信公司采用的方法。这种方法的优点是可综合利用的方法。这种方法的优点是可综合利用 ATMATM速度快、容量大和速度快、容量大和支撑多业务的能力。缺点是由于支撑多业务的能力。缺点是由于 ATMATM信元仅为信元仅为53B53B，需要来回转，需要来回转換換IPIP包，因此效率较低。包，因此效率较低。 IPIP与与 ATMATM技术相结合的难点在于，技术相结合的难点在于，ATMATM是面向连接的技术，而是面向连接的技术，而 IPIP是面向非连接的技术。是面向非连接的技术。 IPIP协议有自己的寻址方式和相应的选协议有

48、自己的寻址方式和相应的选路功能，而路功能，而 ATMATM技术也存在相应的信令、选路规程和地址结构。技术也存在相应的信令、选路规程和地址结构。从从 IPIP协议与协议与 ATMATM协议的关系划分来看，协议的关系划分来看， IPIP与与 ATMATM相结合的技相结合的技术存在两种模型术存在两种模型, ,即重叠模型和集成模型。即重叠模型和集成模型。 近年来，多协议标记交换近年来，多协议标记交换(Multi-Protocol Label Switching, (Multi-Protocol Label Switching, MPLS)MPLS)越来越引起人们的关注，大家普遍看好的越来越引起人们的关

49、注，大家普遍看好的 MPLSMPLS将作为将作为 ATMATM与与 IPIP相结合技术的一种解决方案而应用于广域网。相结合技术的一种解决方案而应用于广域网。 MPLSMPLS属属于集成模型，它基于标记交换机制，在于集成模型，它基于标记交换机制，在 ATMATM层上直接承载层上直接承载 IPIP业业务，与重叠模型相比，提高了业务的性能和网络的效率。当务，与重叠模型相比，提高了业务的性能和网络的效率。当 ATMATM网络设备引入网络设备引入MPLSMPLS功能后，将同时支持功能后，将同时支持 IPIP业务和其他业务和其他 ATMATM业务。业务。（2）IP OVER SDHIP Over SDHI

50、P Over SDH技术以技术以 SDHSDH网络作为网络作为 IPIP数据网络数据网络的物理传输网络，它使用链路协议及点到点的物理传输网络，它使用链路协议及点到点协议协议 PPPPPP对对 IPIP数据包进行封装，把数据包进行封装，把 IPIP数据数据包按规范插入包按规范插入 PPPPPP帧中的信息段，然后再映帧中的信息段，然后再映射到射到SDHSDH帧上，最后到达光层，在光纤中传输。帧上，最后到达光层，在光纤中传输。 IP Over SDHIP Over SDH方式的主要优点是网络体系结构方式的主要优点是网络体系结构简单，传输效率高，技术较为成熟简单，传输效率高，技术较为成熟。（3）IP

51、OVER DWDM IP Over DWDMIP Over DWDM技术以技术以 DWDMDWDM光传送网络作为光传送网络作为 IPIP数据网络的物理传输网络。数据网络的物理传输网络。IP Over DWDMIP Over DWDM是日前最有发展前途的宽带是日前最有发展前途的宽带 IPIP网络技术，采网络技术，采用密集波分复用技术用密集波分复用技术DWDMDWDM能极大地提高网络能极大地提高网络的带宽。的带宽。 IP Over DWDMIP Over DWDM是目前的发展方向，是目前的发展方向，又与万兆比特以大网相结合又与万兆比特以大网相结合, , 将会对现有的将会对现有的网络技术产生难以估量

52、的冲击网络技术产生难以估量的冲击 。（4）IP OVER OPTICAL如果说如果说 IP Over ATMIP Over ATM和和 IP Over SDHIP Over SDH是为充分是为充分发掘現有的发掘現有的 ATMATM网络和网络和 SDHSDH网络潜力的话，网络潜力的话，那么那么 IP Over Optica1IP Over Optica1则好像完全是在一张则好像完全是在一张白纸上描绘最新最美的蓝图。白纸上描绘最新最美的蓝图。 IP Over IP Over Optica1Optica1在光纤上直接传输在光纤上直接传输 IPIP业务，是一种业务，是一种经济有效的方法。经济有效的方法

53、。 由于吉比特以太网技术的由于吉比特以太网技术的广泛应用，这种方法越来越被人们所接受和广泛应用，这种方法越来越被人们所接受和采用采用 图10-6-3 IP Over Optica1应用结构 IP Over Optica1IP Over Optica1应用结构如图应用结构如图10-6-310-6-3所示，高速主干所示，高速主干网路由器之间通过网路由器之间通过OADMOADM系统和系统和DWDMDWDM终端复用器相连，终端复用器相连，OADMOADM允许不同光网络的不同波长信号在不同的地点允许不同光网络的不同波长信号在不同的地点分叉复用，将越来越多的实时业务，如话音业务，分叉复用，将越来越多的实时

54、业务，如话音业务，也将在也将在 IPIP网络中传输网络中传输; ;；QoSQoS和快速恢复将成为未来和快速恢复将成为未来 IPIP网络的核心问题，随着光网络中复用设备和交又网络的核心问题，随着光网络中复用设备和交又连接设备的发展和应用，实现在光层的短时间内恢连接设备的发展和应用，实现在光层的短时间内恢复将成为可能，复将成为可能，IPIP路由器可以集中处理服务质量和路由器可以集中处理服务质量和多业务等问题。而这些问题在多业务等问题。而这些问题在 IP Over SDHIP Over SDH中是很中是很难实现的难实现的 10.4 10.4 光交换技术光交换技术与传统电交换相比光交换具有以下优越与传

55、统电交换相比光交换具有以下优越性：性：极宽的带宽极宽的带宽极快的速度极快的速度光交换与光传输相结合，促进全光通信光交换与光传输相结合，促进全光通信网的发展网的发展降低了网络成本，提高网络的可靠性。降低了网络成本，提高网络的可靠性。1. 1. 空分光交换空分光交换 空分光交换是在空间域上将光信号进行交换。空分光交换是在空间域上将光信号进行交换。 图图10-4-110-4-1给出了一种以给出了一种以2 22 2光开关为基本单元的多级互连空光开关为基本单元的多级互连空分光交换网络分光交换网络 2. 2. 时分光交换时分光交换时分光交换是针对时分复用的一种光交换方式，采用时隙互换原理实现时分光交换是针

56、对时分复用的一种光交换方式，采用时隙互换原理实现交换。时分复用是把时间划分成帧，每帧划分成交换。时分复用是把时间划分成帧，每帧划分成N N个时隙，并分配给个时隙，并分配给N N路信号，最后将路信号，最后将N N路信号复接到一根光纤上；在接收端用分接器恢复路信号复接到一根光纤上；在接收端用分接器恢复各路原始信号，如图各路原始信号，如图10-4-2(a)10-4-2(a)所示。所示。 时隙互换是将时分复用帧中各个时隙的信号互时隙互换是将时分复用帧中各个时隙的信号互换位置，最核心的工作是要能将时分复用信换位置，最核心的工作是要能将时分复用信号顺序地存入存储器，同时又能将经过时隙号顺序地存入存储器，同

57、时又能将经过时隙互换操作后形成的另一时隙阵列顺序地取出。互换操作后形成的另一时隙阵列顺序地取出。如图如图10-4-2(b)10-4-2(b)所示为实现时隙互换的一种方所示为实现时隙互换的一种方法，首先使时分复用信号经过分接器，在同法，首先使时分复用信号经过分接器，在同一时间内，分接器每条输出线上依次传输某一时间内，分接器每条输出线上依次传输某一个时隙的信号，然后使这些信号分别经过一个时隙的信号，然后使这些信号分别经过不同的光延迟器件，获得不同的延迟时间，不同的光延迟器件，获得不同的延迟时间，最后用复接器将这些互换位置的信号重新组最后用复接器将这些互换位置的信号重新组合起来构成新的帧，完成交换功

58、能。合起来构成新的帧，完成交换功能。3. 3. 波分光交换波分光交换波分光交换是针对波分光交换是针对WDMWDM光网络的一种光交换方式，它光网络的一种光交换方式，它是以波长交换来完成交换功能。波分光交换通常是以波长交换来完成交换功能。波分光交换通常使用波长变换方法实现。图使用波长变换方法实现。图10-4-310-4-3为一根光纤中为一根光纤中使用波长变换方法实现使用波长变换方法实现 22和和4 4 的原理。的原理。4. 4. 复合光交换复合光交换 对于光信号同时采用上述两种或三种交换方式称为复对于光信号同时采用上述两种或三种交换方式称为复合光交换。合光交换。 利用上述原理可以实现波长变换光交换

59、网络，如图利用上述原理可以实现波长变换光交换网络，如图10-4-4所示所示10.8 智能光网络1.1.产生及特点产生及特点智能光网络也称为自动交换光网络智能光网络也称为自动交换光网络(Automatically Switched (Automatically Switched Optical NetworkOptical Network， ASON)ASON)，它是一种具有灵活性、高扩展性，它是一种具有灵活性、高扩展性的，能够在光蹭上按照用户请求自动进行光路连接的光网络。的，能够在光蹭上按照用户请求自动进行光路连接的光网络。它是在因特网迅猛发展背景下产生的。它是在因特网迅猛发展背景下产生的。光

60、传输网光传输网(Optical Transport Network(Optical Transport Network， OTN)OTN)针对大颗粒业务多针对大颗粒业务多 长传输，集成了长传输，集成了SDHSDH、ASONASON和和DWDMDWDM优点，可以在电层和光层对优点，可以在电层和光层对波长及子波长进行交叉调度、对业务进行异步映射和复用、实波长及子波长进行交叉调度、对业务进行异步映射和复用、实现保护与恢复。在光传输网中增加智能现保护与恢复。在光传输网中增加智能ASON /ASON /通用多协议标记通用多协议标记交换控制平面后，构成了交换控制平面后，构成了OTNOTN的的ASON AS