光纤通信 第十章

第10章光纤通信的高新技术本章内容10.1相干光通信技术10.2光弧子通信技术10.3高速光纤通信系统的码型技术10.4高速光纤通信系统的前向纠错技术10.5应用高新技术构建新型光纤通信系统10.6光互联网10.7光交换技术10.5全光通信网小结、习题10.1相干光通信技术1.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10-1-1中的光信号是以调幅、调频或调相的方式被调制(设调制频率为ωS)到光载波上的，当该信号传输到接收端时，首先与频率为ωL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ωIF=ωS-ωL的输出电信号，因为ωIF≠0，故称该检测为外差检测，那么当输出信号的频率ωIF=0(即ωS=ωL)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。2．相干光通信系统的组成相干光通信系统的方框图见图10-1-2。

与直接检测相比，相干光通信有如下优点：(1)接收灵敏度高。(2)频率选择性好。(3)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方式，具有很大灵活性及选择余地。(4)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级联来延长中继距离。3.相干光通信的影响因素(1)偏振噪声(2)反射噪声(3)光纤中的非线性效应(4)光纤色散4.相干光通信系的关键技术1)半导体激光器的频率稳定问题和谱宽压缩问题2)光波的极化稳定问题3)平衡接收技术4）相位分集接收技术

10.2光弧子通信技术1. 光孤子通信的概念孤子波是在1834年首次观察到的。孤子波现象在水波、电磁波等中都有可能存在，人们对这种现象进行了长期的研究,，在理论上给予了证明。1973年人们把孤子现象应用于通信领域，1980年才通过实验观察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，是实现超大容量超长距离传输的重要技术之一。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，则光纤的特征参数将随光场呈非线性变化。光纤群速度色散(GVD)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(GVD)和自相位调制(SPM)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“光孤子”，使“光孤子”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。2.光孤子通信系统

将光孤子物理现象运用于光纤通信中，即形成了光孤子通信系统，组成框图如图10-2-1所示

10.3高速光纤通信系统的码型技术

通常2.5Gb/s，10Gb/s的光纤系统传输码型采用非归零码(Non-ReturntoZero,NRZ)格式，但'是在长距离的40Gb/s系统中，NRZ码难以达到要求，一般需要采用归零码(ReturntoZero,RZ)，RZ与NRZ相比，支持更远的传输距离。采用RZ方式时与NRZ不同，即传输“1”信号，激光器也须开关一次，在传输连续“1”信号时，激光器必須反复开关如图10-3-1所示。

RZ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,则整个脉冲序列就能够在几百公里的传输中保持完整。对于RZ格式，脉冲宽度小于一个全比特周期。在RZ码脉冲序列中，在每个连“1”的过渡区域电场振幅是归零的，每个“1”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复非常有利；而NRZ码的连“1”则是连为一体的。在相同平均接收功率的条件下，RZ码的眼图张开度更大，如图10-3-2所示。

RZ码的类型有多种，如常规RZ码、载波抑制RZ码(CarrierSuppressed-RZ,CS-RZ)、啁啾RZ码(ChirpRZ,CRZ)、色散管理光孤子(DispersionManagementOptica1Soliton,DMS)以及差分相移键控RZ码(ReturntoZero-Differentia1PhaseShiftKeying,RZ-DPSK)等。其中，CS-RZ码的相邻光脉冲是反相位的，载波受到都制，如果相邻的“1”脉冲有重叠，不会带来过大的码间干扰。在实际的40Gb/s系统设计中，可以选用RZ码或CS-RZ码。RZ码具有以下显著特点：

(1)抗非线性能力强。由于RZ码的频谱较NRZ码宽，所以RZ码允许更高的输入功率。可于占空比τ为0.5的RZ码，光纤的输入功率可以増加3dB；对于占空比τ为0.25的RZ码，光纤的输入功率可以增加6dB，因此可以大大改善光信噪比。要获得同样的OSNR，入纤功率可以降低，缓解光纤的非线性效应。NRZ、RZ、CS-RZ三种码型相比较,，CS-RZ码的抗非线性能力最好，NRZ最差。(2)更好的偏振模色散容限。

由于RZ码中的光脉冲能量更集中,需要更大的差分群时延(DifferentialGroupDelay,DGD)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，RZ码对一阶PMD有更大的容忍能力

。但由于光谱更宽，所以更容易受到高阶PMD的影响。CS-RZ光谱比RZ码窄，因而对高阶PMD的容忍度较高。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，调制格式的不同，频谱展宽的程度不一样，色散容限也不同。对于40Gb/s的系统,以1dB的眼图张开代价为基准，如果采用NRZ码，色散容限为80ps/nm，对于占空比为0.5的RZ码,色散容限只有20ps/nm，随着占空比的減小，色散容限向0ps/nm逼近。因此采用RZ码传输,，40Gb/s系统要求更加复杂的色散管理。10.4高速光纤通信系统的前向纠错技术

前向纠错(ForwardErrorCorrection,FEC)技术的工作原理是在发射端编码时加入某些检验字,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，从而达到改善系统误码性能的目的。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加大量的设备，就可以有效地改善系统的传输性能。目前，常用的FEC方式主要有三种：

①标准FEC，ITU-TG..975、G..709已标准化，它的编码增益达到5dB左右,速率提高7%；②增强FEC(EnhancedFEC)，编码增益达到8~9dB，速率提高25%达到12.5Gb/s，但对器件要求比较严格，灵敏度也会有所劣化；③超强FEC(SuperFEC，SFEC或AdditionFEC，AFEC)。

这三种FEC技术日前已被广泛地应用于多通道、超长距离的DWDM系统中。利用前向纠错技术可以改善系统的误码率BER特性，但是从实质上来看FEC技术是用电子电路的复杂性换取光信噪比(Optica1Signa1NoiseRatio,OSNR)预算的增加。因而选取前向纠错码型也是一种在系统性能BER提高和电路复杂性，以及系统传输速率之间的一种折中。不同FEC编码情况下的净增益比较如图10-4-1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

所谓新型光纤通信系统就是超高速率、超大容量、超长距离光纤通信系统。

（1）超高速率

实用的DWDM系统的最早单通道速率是2.5Gb/s，接着为10Gb/s的多波长系统步入工程实用，现在40Gb/s单通道速率的系统己进入商用，技术日渐成熟。此外，应用OTDM技术已经将单通道速率提高至ETDM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80Gb/s、100Gb/s、160Gb/s，甚至可以达到400Gb/s。（2）超大容量32个波长的DWDM系统已经得到广泛使用，160个波长的系统也走向商用。而实验室已完成了复用信道数达到1022个波长的试验研究水平。除了充分利用目前使用的C波段的传输能力外，DWDM系统工作波长范围已向S波段和L波段拓展，甚至有人将L波段的长波长一侧延伸到U波段。

当1385nm波长的氢氧根离子吸收峰被削減之后，使S波段与1310nm窗口平滑连接起来的低水峰单模光纤，其工作波长扩宽至1100~1700nm，从而为光纤通信系统的不断扩容升级莫定了良好的基础

。一般2.5Gb/s速率DWDM系统的色散受限距离为600km左右。对于10Gb/s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，电中继距离限制在400km左右。

如何进一步延长DWDM系统的电再生距离，实现所谓的超长距离传输成为了DWDM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1500km的系统才能够称为超长距系统。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DWDM光纤通信系统，需要解决许多技术问题。下面介绍构建一个80×40Gb/sDWDM系统需要解决的关键技术。

80×40Gb/sDWDM系统总体技术方案如图10-5-1所示。40Gb/s波分复用传输系统从功能模块上可以分为波分复用器、光放大器、光波长转換器、色散管理(补偿)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。构建一个80×40Gb/sDWDM系统需要解决的关键技术，主要有合分波技术、分布式拉曼放大技术、前向纠错技术、40Gb/sOTU技术、传输码型和调制/解调技术、精确色散管理技术和动态偏振模色散(PolarizationModeDispersion,PMD)补偿技术。其中，40Gb/s光转换技术、传输码型和调制/解调技术、精确色散管理技术和动态PMD补偿技术是需要重点解决的技术难点。（1）合分波技术单通道速率为2.5Gb/s和10Gb/s的系统的波分复用器/解复用器已经商业化。而40Gb/s速率所需的波分复用器/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实现高密度波分复用信道数也是一个颇具挑战的问题。经过多年的研究，满足40Gb/s超高速光传输系统要求的AWG器件或介质膜器件作为合/分波器。在技术上已经成熟。（2）分布式喇曼放大技术

40Gb/s的系统中,光放大技术的实现是系统研究的关键技术之一。40Gb/s信号需要的接收机电带宽是10Gb/s的四倍，所以要求的光信噪比(OpticalSignalNoiseRation,OSNR)至少要高6dB。提高系统的

OSNR有两种解决方案：

一种是采用低噪声的EDFA；另一种是采用EDFA与喇曼放大器相结合来降低系统的噪声

。在实际的系统中，第二种方案时可行的。（3）前向纠错技术利用前向纠错(ForwardErrorCorrection,FEC)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检验字，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，从而达到改善系统误码性能的目的。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加大量的设备，就可以有效地改善系统的传输性能。（4）波长转換技术

由于器件的原因，40Gb/sOTU的技术是40Gb/sDWDM系统的重中之重。经过科研人员的不懈努力，已经得到解决。

（5）码型技术

通常2.5Gb/s，10Gb/s的光纤系统传输码型采用非归零码(Non-ReturntoZero,NRZ)格式，但'是在长距离的40Gb/s系统中，NRZ码难以达到要求。

所以需要采用归零码(ReturntoZero,RZ)，RZ与NRZ相比，支持更远的传输距离。（6）调制/解调技术40Gb/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：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-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码实现起来比NRZ码复杂。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+限幅放大器，这种方式成本有优势，但灵敏度较低；第二种是采用光放大器+光电二极管+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；第三种掺铒光纤放大器+光电二极管+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，半导体放大器的尺寸较小，但噪声指数较大，且有非线性效应。（7）色散管理技术40Gb/s系统色散补偿要求十分强烈。40Gb/s系统比10Gb/s系统对脉冲展宽和失真的影响要敏感16倍。在10Gb/s的DWDM传输系统中，色散补偿模块基本能满足要求。但在40Gb/s的WDM传输系统中，由于色散容限仅为60ps/nm,，需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40Gb/s系统的色散进行精确补偿。

（8）PMD补偿技术3．80×40GB/SDWDM系统的工程方案根据863计划的部署，需要在上海和杭州之间建立80×40Gb/sDWDM光传输系统，作为高性能宽带信息网的一部分。

这条80×40Gb/sDWDM系统工程线路，是国内的第一条40Gb/s线路。这个80×40Gb/sDWDM系统投入商业应用，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良好的基础

。80×40Gb/sDWDM系统在工程实现中采用的初步配置为：选用波长个数为40Gb/s×2+10Gb/s×2，传输距离为230m(4个跨段,每跨段约60km,即4×18dB系统)。整个系统如图10-5-2所示，整个系统如图10-5-2所示，主要由终端设备、线路设备和网管系统三个部分组成。其中终端设备主要由光合波/分波器(OMU/ODU)、光波长转换器(OTU)、光监控信道(OSC)、色散补偿单元(DCM)或可调色散补偿单元(TDC)、光功率放大器(OBA)和前置放大器(OPA)等组成。线路设备主要由线路放大器(OLA)和色散补偿模块(DCM)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杭州一上海的光纤线路资源，如图10-5-3所示。这条光纤线路设计的资料为：采用G..655光纤，其在工作波长范围的衰减系数取值为0.275dB/km计算，连接器活接头损耗取值为0.5dB/个，光纤色散系数取值为8.5ps/nm/km。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1dB插损(2个活接头)。配置如图10-5-4所示。传输系统工作波长选择严格遵循ITU-T建议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值

工程网管系统方案：在上海、杭州各配置一套网元管理系统(ElementManagementSystem,EMS)，负责管理本省/市范围内的WDM系统。相邻省/市网元管理系统间有外部数据通信网DCN通道相连，要求可以通过相邻省/市的迂回DCN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端(Loca1Contro1Termina1,LCT)，用于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。

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10-5-5为上海一杭州DWDM工程网管组网示意图。在本工程中，WDM系统设备采取了DCN的保护通路，在上海-杭州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。图10-5-6所示的是网管数据通道的DCN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一代IP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备是ATM交换机、路由器等；而在光传输网络中，其主要设备是DWDM设备、光放大器和光纤等。光互联网是以宽带光网络为平台，由高性能分组交换机、路由器实现连接的数据通信网。其分层模型如图10-6-1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ATM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DWDM终端、光放大器、光纤(G..652,G..653,G..655)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。

在光互联网中高性能的节点(如交换机、路由器)可直接连接到光纤上，也可连接在向各类客户(如ATM，SDH设备、路由器)提供光波长路由的光网络层。数据网络层釆用IP已是不争的事实，物理层采用DWDM的全光传输网(OTN)也无可争议。考虑到ATM，SDH技术上的兼容性，在DWDM全光网上传输数据为主的IP业务，按照光互联网多协议栈及功能分层模型有以下4种适配方案。如图10-6-2所示。（1）IPOVERATM使用ATM技术来承载IP，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ATM速度快、容量大和支撑多业务的能力。缺点是由于ATM信元仅为53B，需要来回转換IP包，因此效率较低。

IP与ATM技术相结合的难点在于，ATM是面向连接的技术，而IP是面向非连接的技术。IP协议有自己的寻址方式和相应的选路功能，而ATM技术也存在相应的信令、选路规程和地址结构。从IP协议与ATM协议的关系划分来看，IP与ATM相结合的技术存在两种模型,即重叠模型和集成模型。近年来，多协议标记交换(Multi-ProtocolLabelSwitching,MPLS)越来越引起人们的关注，大家普遍看好的MPLS将作为ATM与IP相结合技术的一种解决方案而应用于广域网。MPLS属于集成模型，它基于标记交换机制，在ATM层上直接承载IP业务，与重叠模型相比，提高了业务的性能和网络的效率。当ATM网络设备引入MPLS功能后，将同时支持IP业务和其他ATM业务。（2）IPOVERSDHIPOverSDH技术以SDH网络作为IP数据网络的物理传输网络，它使用链路协议及点到点协议PPP对IP数据包进行封装，把IP数据包按规范插入PPP帧中的信息段，然后再映射到SDH帧上，最后到达光层，在光纤中传输。IPOverSDH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。（3）IPOVERDWDM

IPOverDWDM技术以DWDM光传送网络作为IP数据网络的物理传输网络。IPOverDWDM是日前最有发展前途的宽带IP网络技术，采用密集波分复用技术DWDM能极大地提高网络的带宽。IPOverDWDM是目前的发展方向，又与万兆比特以大网相结合,将会对现有的网络技术产生难以估量的冲击。（4）IPOVEROPTICAL如果说IPOverATM和IPOverSDH是为充分发掘現有的ATM网络和SDH网络潜力的话，那么IPOverOptica1则好像完全是在一张白纸上描绘最新最美的蓝图。IPOverOptica1在光纤上直接传输IP业务，是一种经济有效的方法。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采用图10-6-3IPOverOptica1应用结构

IPOverOptica1应用结构如图10-6-3所示，高速主干网路由器之间通过OADM系统和DWDM终端复用器相连，OADM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，也将在IP网络中传输;；QoS和快速恢复将成为未来IP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复将成为可能，IP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IPOverSDH中是很难实现的10.4光交换技术与传统电交换相比光交换具有以下优越性：极宽的带宽极快的速度光交换与光传输相结合，促进全光通信网的发展降低了网络成本，提高网络的可靠性。1.空分光交换

空分光交换是在空间域上将光信号进行交换。

图10-4-1给出了一种以2×2光开关为基本单元的多级互连空分光交换网络

2.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交换。时分复用是把时间划分成帧，每帧划分成N个时隙，并分配给N路信号，最后将N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10-4-2(a)所示。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号顺序地存入存储器，同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。如图10-4-2(b)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合起来构成新的帧，完成交换功能。3.波分光交换波分光交换是针对WDM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。波分光交换通常使用波长变换方法实现。图10-4-3为一根光纤中使用波长变换方法实现λ2和λ4的原理。4.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合光交换。

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10.8智能光网络1.产生及特点智能光网络也称为自动交换光网络(AutomaticallySwitchedOpticalNetwork，ASON)，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。它是在因特网迅猛发展背景下产生的。光传输网(OpticalTransportNetwork，OTN)针对大颗粒业务多长传输，集成了SDH、ASON和DWDM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、实现保护与恢复。在光传输网中增加智能ASON/通用多协议标记交换控制平面后，构成了OTN的ASON网络。它与SDH的ASON网络采用同一控制平面，可以实现了端到端、多层次的智能光网络，能够提供不同等级的服务质量保证，可以有效地降低网状网中的保护成本。为了解决在OTN上缺乏一个开放的、标准化的控制，实现光通道层的自动交换，ITU-T的SG15提出了自动交换光网络的概念，采取：“自上而下”的方式制订了ITU-TG.8070(2001)《自动交换传输网总体要求》、ITU-TG..8080(2001)《自动交换光网络体系架构》等一系列标准，力求由ASON构成的光传输网络能够成为一个更为灵活、可靠、可扩展的智能化光传输网络。ASON是利用信令、路由、自动发现等标准协议，实现路由自动计算，连接自动建立，网络资源自动发现等功能的智能光传输网。它的的最大特点是，在传输平面和管理平面的基础上，增加了一个控制平面。ASON的三个平面各尽其职。控制平面实现路由自动计算、连接自动建立/释放，自动监视和维护等功能；传输平面提供净荷传输、性能监视、故障检测和保护倒换功能；管理平面协调控制平面和传输平面的功能实施，管理平面完成的具体功能包括故障管理、配置管理、性能管理、安全管理和计费管理。2ASON的体系结构ASON网络由控制平面、管理平面、传送平面和数据通信网组成，如图10-8-1所示ASON支持三种连接：永久连接、交换连接和软永久连接。

（1）永久连接(PC)永久连接是由网管系统指配的连接类型