《光纤通信技术》第七章-光纤通信系统与网络

光纤通信技术通信与信息工程学院2022/4/4目录第1章绪论第2章光纤光缆第3章光源与光发射系统第4章光探测器与光接收系统第5章光无源器件第6章光通信中的光放大器第7章光纤通信系统与网络2022/4/4通信与信息工程学院2第7章光纤通信系统与网络通信与信息工程学院3本章内容1光纤通信系统的构成及分类2光纤通信系统特性参数与设计3波分复用光纤通信系统4全光光纤通信系统5光纤通信的发展方向和新技术2022/4/4通信与信息工程学院47.1光纤通信系统的构成及分类光纤通信系统的基本构成主要组成部分包括光纤、光发送器、光接收器、光中继器和适当的接口设备等。实际中，光发送器和光接收器安放在同一机架中，合称为光纤传输终端设备，简称光端机。图7-1光纤通信系统的基本构成框图2022/4/4通信与信息工程学院5•光纤通信系统分类1．按传输信号划分（1）模拟光纤通信系统(用模拟电信号对光强度调制）（2）数字光纤通信系统（用脉冲编码电信号对光强度调制）2022/4/4通信与信息工程学院6•数字光纤通信系统的组成驱动电路光电二中继器极管调制器放大器光源光纤光纤判决器光发射机光接收机由光发射机、光纤光缆、中继器与光接收机等基本单元组成。此外还包括一些互连与光信号处理器件，如光纤连接器、隔离器、调制器、滤波器、光开关及路由器、分插复用器ADM等。2022/4/4通信与信息工程学院72．按光波长和光纤类型划分（1）短波长（0.85µm左右）多模光纤通信系统通信速率低于34Mb/s，中继间距在10km以内。（2）长波长光纤通信系统①1.31µm多模光纤通信系统通信速率为34Mb/s和140Mb/s，中继间距为20km左右。②1.31µm单模光纤通信系统通信速率可达140Mb/s和565Mb/s，中继间距为30～50km（140Mb/s）。③1.55µm单模光纤通信系统通信速率可达565Mb/s以上，中继间距更长，可达70km左右。2022/4/4通信与信息工程学院83．按调制方式划分（1）直接强度调制光纤通信系统该系统将待传输的数字电信号直接在光源的发光过程中进行调制，使光源发出的光本身就是已调制光，又称为内调制光纤通信系统。（2）外调制光纤通信系统该系统是在光源发出光之后，在光的输出通路上加调制器（如电光晶体等）进行调制，又称为间接调制光纤通信系统。（3）外差光纤通信系统该系统又称为相干光通信系统。2022/4/4通信与信息工程学院94.按数字复接类型（即速率转换制式）划分（1）准同步数字系列（PDH）光纤通信系统目前565Mb/s以下速率的光纤通信系统多属此类。（2）同步数字系列（SDH）光纤通信系统2022/4/4通信与信息工程学院10小结——光纤通信系统结构光纤驱动电路光电二中继器极管调制器放大器光源光纤光纤判决器光发射机中继器光接收机光器件2022/4/4通信与信息工程学院117.2.1光纤通信系统结构光纤通信系统的主要组成单元：

光纤

光器件

光发送机

光接收机

光放大器根据光纤系统的应用可分为

点到点连接

广播和分配网

局域网2022/4/4通信与信息工程学院12点到点的传输系统光放大器：将接收到的微弱光比特流信号直接放大而不需将其转换为电信号。光发送机再生器(1R)最终限制了系统的性能。光TxRxTx-电-光再生中继则不存在这RxTxRx种问题。再生器光接收机光放大器不能无限制级联，因为色散导致的脉冲畸变最终限制了系统的性能。光TxRxTx-电-光再生中继则不存在这RxTxRx种问题。光发送机光-电-光中继：实际上是一个接收机一个发送机对，放大器放大器光接收机它将检测到的微弱变形光信号，变为电信号，经放大TxRx整形后变成规则的电比特流，再调制光发送机，恢复原光比特流继续沿光纤传输。采用再生器和光放大器作为周期性损耗补偿的点到点连接2022/4/4通信与信息工程学院13点到点的传输系统利用光纤的低损耗、宽带宽特点性能指标：比特率－距离积（BL）BL积与光纤损耗和色散特性有关，而光纤特性又与波长有关，所以BL积与波长有关。

第一代光波系统:0.85m,BL积1(Gb/s).km第二代光波系统：1.3m,BL积100(Gb/s).km第三代光波系统：1.55m,BL积1000(Gb/s).km

2022/4/4通信与信息工程学院14•设计问题中继距离的选取：在级联的EDFA系统中，ASE噪声积累问题是关键所在，设计的关键在于如何设置EDFA的放大间隔使接收端的OSNR满足要求色散补偿技术：色散补偿方案的选择及设计光纤非线性的避免光发射机

1光发射机

2光发射机

3光发射机

NMUXDEMUX

1光接收机光接收机

3光接收机EDFA

2

3光接收机

N光接收机功放线放预放图7-2典型的点对点光纤通信系统2022/4/4通信与信息工程学院15光纤分配网功能：光纤通信系统不仅要求传送信息，而且要求将信息分配给多个用户应用：光缆电话网、公用天线电视(CATV)、宽带综合业务数字网（B-ISND）特点：传输距离较短、带宽要求宽结构：树型拓扑、总线拓扑2022/4/4通信与信息工程学院16•树形拓扑结构HubHubHubHubHub信道在中心点分配，光纤的作用与点到点连接系统类似。2022/4/4通信与信息工程学院17•总线拓扑结构134Bus2N单根光纤承载整个业务范围的多信道光信号，通过光接头完成分路，光分路器将一小部分功率分送给每个用户。多路视频信道分配CATV系统；高清晰度电视HDTV。2022/4/4通信与信息工程学院18•总线拓扑结构缺点：信号损耗随分路数指数增加。限制了单根光纤总线服务的范围和用户数。若忽略光纤自身的损耗，则第N个分支可得到的功率为：N1PNPTC

11CPN----第N个分支功率；PT----发送功率；C----分路器的功率分路比；----分路器的插入损耗；并假设每个分路器的C和都相同。2022/4/4通信与信息工程学院19•总线拓扑结构N1PNPTC

11C若取=0.05,C=0.05,PT=1mW和PN=0.1W,则N的最大值?N=61如何进一步增加分支数？在总线上周期地接入光放大器提升功率，可以克服上述限制，只要光纤色散的影响限制在可忽略的程度，允许分配的用户数将可大大增加。2022/4/4通信与信息工程学院20局域网局域网：在光纤通信系统中，要求在网络中一个局部区域内（如在一个大学校园内）的大量用户相互连接，使任何用户可以随机地进入网络，将数据传送给其他任何用户。LAN中要求对每个用户提供随机的收发数据功能，存在网络协议问题。结构：总线型Bus、环型Ring、星型Star例子：“以太网”协议：碰撞检测的载波侦听多路存取（CSMA/CD）限制：与每个分支的损耗有关，用户数不能太多。2022/4/4通信与信息工程学院21•环形拓扑结构•点到点连接将节点依次相连以形成单个闭合环。各节点中均设置有发送机－接收机对，均可发送和接收数据，1N2也用作中继器。•一个令牌（一个预先确定的比特率）在环内传递，每个节点都监视比特率以监听它自己的地址和接收数据。•随着光纤分布式数据接口FDDI的标准接口的出现，光纤LAN开始普遍采用环形拓扑结构。N-1N-22022/4/4通信与信息工程学院22•FDDI双环结构，superiorreliabilityandrobustness2022/4/4通信与信息工程学院23•星形拓扑结构•所有节点都通过点到点连接2接到中心站(中枢节点)上。•有源星形结构：所有到达的光信号都通过光接收机转换为电信号，再将电信号分配以驱动各个节点的光发送机。•无源星形结构：采用星形耦合器等无源光器件在光域进行分配。由于从一个节点的输入被分配到许多输出节点，因此传送到每个节点的功率将受用户数的限制。13StarN4couplerN-12022/4/4通信与信息工程学院247.2.2光纤损耗对系统的限制2.5第一传输窗口OH离子吸收峰第二传输窗口第三传输窗口红外吸收损(dB/km)耗瑞利散射0.2紫外吸收85013001550波长(nm)图7-3光纤的损耗谱特性2022/4/4通信与信息工程学院25•损耗限制光波系统设发送机发出的最大平均功率为Pt，而光接收机的接收灵敏度为Pr，则最大传输距离为：10Pt

Llog10

Pr

tot

tot(dB/km)为光纤损耗，包括对接损耗和活动连接损耗。由于接收机灵敏度P随比特率B线性变化：PrNphBr因此传输距离亦与比特率有关。h为光子能量，Np为接收机所要求的每比特的平均光子数。在给定工作波长处，L随比特率B的增加而呈对数关系降低。2022/4/4通信与信息工程学院26损耗限制色散限制横越大西洋的海底光波系统实际陆地光波系统采用色散位移光纤的1550nm，B>10Gb/s的实验系统2022/4/4通信与信息工程学院277.2.3光纤色散对系统的限制一、光纤色散•光纤色散:信号能量中的各种分量由于在光纤中传输速度不同，而引起的信号畸变。•色散限制:光纤色散导致的信号畸变限制系统的传输距离。•色散类型•模间色散（仅多模光纤有）•波导色散•材料色散•偏振模色散波长色散2022/4/4通信与信息工程学院28二、色散与光纤G.652（标准单模光纤SMF）:零色散波长:1300nm1550色散:16~17ps/nm.km图7-4单模光纤、色散移位光纤和平坦光纤中色散与波长关系曲线G.653（色散位移光纤DSF）:零色散波长:1550nmG.655（非零色散位移光纤NZDSF）:1550nm色散:2~6ps/nm.km2022/4/4通信与信息工程学院29三、色散限制光纤色散导致的信号畸变限制系统的传输距离。导致色散限制的物理机制随不同波长而不同。1.0.85m光波系统第一代光波系统，通常采用低成本的多模光纤作为传输媒质。主要限制因素是模间色散。2022/4/4通信与信息工程学院30多模阶跃光纤，BL=c/(2n1)。典型值n1=1.46、=0.01，传输距离随比特率的曲线。即使在B1Mb/s的低比特率，也是色散限制的，其传输距离限制在10km内。应用：数据连接，很少用于光纤通信系统中。-------色散限制2022/4/4通信与信息工程学院31多模渐变光纤，BL=2c/(n1

2).对于n1=1.46、=0.01，曲线如图。当比特率小于100Mb/s时为损耗限制，大于100Mb/s将变为色散限制。第一代陆上光通信系统就是采用多模渐变光纤，比特率在50-100Mb/s，中继距离接近10公里，于1978年投入商业运营。-------色散限制2022/4/4通信与信息工程学院322.1.3m光波系统第二代光波系统采用最小色散波长在1.3m附近的单模光纤，最大的限制因素是由较大的光源谱宽支配的由色散导致的脉冲展宽。比特率－距离积BL(4|D|

)-1D为色散，

为光源的均方根谱宽。|D|典型值为1-2ps/(km-nm)当取|D|

=2ps/km时，BL125(Gb/s)-km2022/4/4通信与信息工程学院33当B<1Gb/s时，为损耗限制系统，但当B>1Gb/s时则变为色散限制系统。-------色散限制2022/4/4通信与信息工程学院343.1.55m光波系统第三代光波系统工作在损耗最小的1.55m波长，光纤色散是系统的主要限制因素。对普通单模光纤，在1.55m处D的典型值为17ps/(km-nm)，色散值比较高，由色散导致的脉冲展宽较大，系统处于色散限制状态。采用单纵模半导体光源可大大缓解这种限制。最终限制为：B2L<(16|2|)-1式中，2为群速色散，与色散参数D的关系为：D=-(2c/2)22022/4/4通信与信息工程学院35普通单模光纤的限制线为：B2L=4000(Gb/s)2-km。对理想的1.55m系统，B2L可达6000(Gb/s)2-km。当B>5Gb/s时，为色散限制系统。-------色散限制2022/4/4通信与信息工程学院36当采用色散位移光纤时，色散和损耗在1.55m附近均最低。-------色散限制2022/4/4通信与信息工程学院37•光纤色散导致的信号脉冲畸变，与光源线宽、信号啁啾、调制展宽等因素有关。•直接调制系统中，光源的调制啁啾及光纤色散导致信号畸变。•对于2.5Gb/s系统,放大器的积累噪声成为传输距离主要限制。•对于10Gb/s系统,光纤色散成为传输距离的主要限制。比特率2.5Gb/S10Gb/sNZDSFSSMF6000km400km1000km60km2022/4/4通信与信息工程学院38四、色散/色散斜率补偿技术在WDM系统中，只有进行色散斜率补偿，才能保证各个信道都得到补偿。•预啁啾技术（PCH）•用色散补偿光纤进行色散补偿•用啁啾光纤光栅进行色散补偿2022/4/4通信与信息工程学院39(1)预啁啾技术PCH光信号在反常色散光纤中传输时，所含的高频成分传播速率较快，将逐渐集中在脉冲前沿，低频成分传播速率较慢，将逐渐集中在脉冲后沿，两者之间的时差越来越大，脉冲也就越来越宽。预啁啾是通过在光源上附加一个正弦调制，使脉冲前沿的频率降低，后沿频率升高，在一定程度上补偿色散造成的脉冲展宽。特点：

简单

需根据传输距离调整正弦调制的深度

延长传输距离~2倍2022/4/4通信与信息工程学院40图7-5预啁啾技术色散补偿方法2022/4/4通信与信息工程学院41图7-6预啁啾技术的实现方案2022/4/4通信与信息工程学院42(2)用色散补偿光纤进行色散补偿特殊设计光纤的芯径及折射率分布，利用光纤的波导色散效应，使其零色散波长大于1550nm，即在1550nm处产生较大的负色散（-100ps/nm.km)--色散补偿光纤(DCF)。当常规光纤和DCF级联时，两者将会互相抵消。当满足DSLSDCLC0时，群延迟色散被补偿当满足DSLSDCLC0时，二阶色散(色散斜率)被补偿常规单模光纤在1550nm的色散和色散斜率的典型值为：D=16.5ps/nm.km，D’=0.059ps/(nm2.km)。用相对色散斜率RD=D’/D表示色散斜率补偿,RD1=RD2常规单模光纤的相对色散斜率RD=0.0035nm-1，所以色散补偿光纤的RD也应为0.0035nm-1。2022/4/4通信与信息工程学院43•基本途径组合使用正、负色散系数的光纤大的局部色散，小的平均色散,可以较好的抑制四波混频和XPM的产生2022/4/4通信与信息工程学院44预补偿后补偿DCFDCFDCFDCF累计DCF产生的色散变化累计色散色散LL传输光纤中的色散累积光纤损耗DCF中的功率损耗光功率光功率LL2022/4/4通信与信息工程学院45•补偿原则•大的局部色散，小的平均色散。•采用后置色散补偿而不是前置色散补偿，减小DCF的非线性效应•采用非完全补偿而不是完全补偿•在发射端进行预补偿2022/4/4通信与信息工程学院46•DCF色散补偿存在的问题•较大的损耗(0.5dB/km)•较小的有效面积(~20m2),相对SSMF,非线性系数大2~4倍-阈值功率减小3~6dB•色散斜率为-15~-20ps/nm2/km远高于SSMF的0.09ps/nm2/km,要进行色散斜率补偿,需专门设计•当不能进行斜率补偿的DCF用于WDM系统中时,如果设计系统使得中间波长信道实现完全色散补偿,短波长信道则过补偿,而长波长信道则欠补偿2022/4/4通信与信息工程学院47水下系统新方案：D+/D-光纤对D+D+D+D+D+D-D-D-D-D-•D+在前：非线性小；D-在后且足够长，有益于RA。•作为传输光纤使用的方案，用于陆上系统时应特别慎重。2022/4/4通信与信息工程学院48(3)用啁啾光纤光栅进行色散补偿在光纤或光波导上刻上光栅可以控制光在其中的反射，从而实现光信号的延时。如果刻制等间距光栅，则只能反射某一个很窄的频带信号，造成带宽过窄。所以采用啁啾光纤光栅，刻出一系列不等间距的光栅，光栅上的每一点都可以看成一个本地布喇格光栅的通带和阻带滤波器。经光纤传输以后的入射光中的长波长分量（低频）位于脉冲后沿，使其在光栅的起始端就反射，而短波长分量位于脉冲的前沿，使其在光栅的末端才被反射，于是就补偿了色散效应，使脉冲宽度被压缩甚至还原。2022/4/4通信与信息工程学院49•啁啾光纤光栅色散补偿的特点•体积小•损耗小•价格便宜•补偿带宽窄,实现宽带的WDM多信道补偿技术:-长啁啾光纤光栅(Southampton大学制出作3米长的光栅-级联光栅-取样光纤光栅•需要环型器2022/4/4通信与信息工程学院502022/4/4通信与信息工程学院512022/4/4通信与信息工程学院52•偏振模色散简介：在理想的单模光纤中，基模是由两个相互垂直的简并偏振模组成。如果由于某种因素使这两个偏振模有不同的群速度，出纤后两偏振模的迭加使得信号脉冲展宽，从而形成偏振模色散。单模光纤中的偏振模色散2022/4/4通信与信息工程学院53•国内外研究的现状：偏振模色散对高速大容量光纤通信系统有着不可忽视的影响，并被认为是限制光纤通信系统传输容量和距离的最终因素。所以自九十年代以来，已引起业界的广泛关注，并已成为目前国际上光纤通信领域研究的热点。偏振模色散对信号传输的影响按照国际标准技术规范小组的观点：为保证PMD导致的系统功率代价在1dB以下，偏振模色散的平均值必须小于一比特周期的十分之一。当大于这一规定值时，需对系统偏振模色散进行补偿！在单信道速率达40Gb/s的系统中,PMD问题较为突出.有关PMD的补偿技术处于研究阶段.2022/4/4通信与信息工程学院547.2.4光纤中的非线性光学效应对系统的影响•受激非弹性散射-受激布里渊散射(SBS)-受激喇曼散射(SRS)•非线性折射率-自相位调制(SPM)-互相位调制(XPM)-四波混频(FWM)2022/4/4通信与信息工程学院55一、SBS特点：•只有后向散射•增益带宽窄，只影响本信道功率•功率阈值与光源线宽有关，光源线宽越窄，功率阈值越低减小SBS对系统影响的主要措施（避免）：•减低入纤功率（减小中继间隔）•增加光源线宽（色散限制）2022/4/4通信与信息工程学院56二、SRS特点：•以前向散射为主，但也有后向散射•增益带宽宽（约125nm），影响其它信道功率•在WDM系统中，较高频率的信号成为所有较低频率信号的泵浦源，频率最高的信道功率消耗最大，减小SRS对系统影响的主要措施：•减低入纤功率（减小中继间隔）•减小信道间隔•减小光纤的非线性系数

1

2

3

4fiber

1

2

3

42022/4/4通信与信息工程学院57三、SPMandXPM来源：折射率对光强的依赖关系导致光场在光纤中传输引起光场的非线性相移j

M

NLLeffPj2

Pm

mj

影响：非线性相移通过色散的作用转变为信号强度的畸变2022/4/4通信与信息工程学院58由于色散和非线性（主要是SPM、XPM）的相互作用，色散补偿不能仅仅考虑补偿色散，非线性效应的影响必须被考虑色散管理2022/4/4通信与信息工程学院59综合考虑GVD,SPM和XPM的色散管理方案•欠补偿（总色散以及各光纤段均欠补偿）•发射端预补偿（减小色散积累）•接收端后补偿OMUODUboostDCF-671ps/nmDCF-1320ps/nmDCF-1320ps/nmDCF-1320ps/nmDCF-1320ps/nmDCF-671ps/nm2022/4/4通信与信息工程学院60四、FWM对系统的影响：形成信道之间的串扰，严重影响系统的性能。特点：小的色散光纤，相位匹配易于满足，FWM越加严重，色散能够破坏相位匹配，减小FWM。故应在色散与FWM之间取折衷--NZDSF减小影响的措施：增加信道间隔、适当加大色散、非等间隔信道、减小光功率、相邻信道正交偏振、色散欠补偿2022/4/4通信与信息工程学院617.3WDM光纤通信系统波分复用(WavelengthDivisionMultiplexing,WDM)技术极大地提高了光纤的传输容量，随之带来了对电交换结点的压力和变革的动力。为了提高交换结点的吞吐量，必须在交换方面引入光子技术，从而引起了WDM全光通信的研究。WDM全光通信网是在现有的传送网上加入光层，在光上进行分插复用(OADM)和交叉连接(OXC)，目的是减轻电结点的压力。由于WDM全光网络能够提供灵活的波长选路能力，又称为波长选路网络(WavelengthRoutingNetwork)。2022/4/4通信与信息工程学院62E-XC光通道网络OXCE-XCOLTE-XC单波长网络E-XC单波长网络图7-7基于WDM和波长选路的光网络2022/4/4通信与信息工程学院637.3.1光传送网的分层结构ITUT的G.872(草案)已经对光传送网的分层结构提出了建议。建议的分层方案是将光传送网分成光通道层(OCH)、光复用段层(OMS)和光传输段层(OTS)。与SDH传送网相对应，实际上是将光网络加到SDH传送网分层结构的段层和物理层之间，如图8.11所示。由于光纤信道可以将复用后的高速数字信号经过多个中间结点，不需电的再生中继，直接传送到目的结点，因此可以省去SDH再生段，只保留复用段，再生段对应的管理功能并入到复用段结点中。为了区别，将SDH的通道层和段层称为电通道层和电复用段层。2022/4/4通信与信息工程学院64SDH网络WDM光网络光传送网络电路层通道层电路层电路层电路层虚通道虚通道电通道层PDH通道层SDH通道层复用段层电复用段层电复用段层电复用段层(没有)光通道层再生段层光层光复用段层光传输段层物理层(光纤)物理层(光纤)物理层(光纤)(a)(b)(c)图7-8光传送网的分层结构(a)SDH网络；(b)WDM网络；(c)电层和光层的分解2022/4/4通信与信息工程学院65光通道层为不同格式(如PDH565Mb/s,SDHSTMN，ATM信元等)的用户信息提供端到端透明传送的光信道网络功能，其中包括：为灵活的网络选路重新安排信道连接；为保证光信道适配信息的完整性处理光信道开销；为网络层的运行和管理提供光信道监控功能。光复用段层为多波长信号提供网络功能，它包括：为灵活的多波长网络选路重新安排光复用段连接；为保证多波长光复用段适配信息的完整性处理光复用段开销；为段层的运行和管理提供光复用段监控功能。光传输段层为光信号在不同类型的光媒质(如G.652,G.653，G.655光纤)上提供传输功能，包括对光放大器的监控功能。WDM光网络的结点主要有两种功能，即光通道的上下路功能和交叉连接功能，实现这两种功能的网络元件分别是光分插复用器(OADM)和光交叉连接器(OXC)。2022/4/4通信与信息工程学院667.3.2光分插复用器在SDH传送网中，分插复用器(ADM)的功能是对不同的数字通道进行分下(drop)与插入(add)操作。与此类似，在WDM光网络也存在光分插复用器(OADM)，其功能是在波分复用光路中对不同波长信道进行分下与插入操作。无论ADM还是OADM，都是相应网络中的重要单元。在WDM光网络的一个结点上，光分插复用器在从光波网络中分下或插入本结点的波长信号的同时，对其它波长的向前传输并不影响，并不需要把非本结点的波长信号转换为电信号再向前发送，因而简化了结点上信息处理，加快了信息的传递速度，提高了网络组织管理的灵活性，降低了运行成本。特别是当波分复用的波长数很多时，光分插复用器的作用就显得特别明显。2022/4/4通信与信息工程学院67光分插复用器可以分为光/电/光和全光两种类型。光/电/光型光分插复用器是一种采用SDH光端机背靠背连接的设备，在已铺设的波分复用线路中已经使用了这种设备。但是光/电/光这种方法不具备速率和格式的透明性，缺乏灵活性，难以升级，因而不能适应WDM光网络的要求。全光型光分插复用器是完全在光波域实现分插功能，具备透明性、灵活性、可扩展性和可重构性，因而完全满足WDM光网络的要求。下面介绍几种光分插复用器2022/4/4通信与信息工程学院68AddSDMUXMUX多个波长输入多个波长输出DropS图7-9基于解复用/复用结构的OADM2022/4/4通信与信息工程学院69

1…n3dB耦合器

1…n输入输出

drop

addFBGatS图7-10基于光纤马赫-曾德尔干涉仪加上光纤布喇格光栅结构的OADM2022/4/4通信与信息工程学院70

1…n…1n

drop

add图7-11基于光纤耦合器加上光纤布喇格光栅结构的OADM2022/4/4通信与信息工程学院71环行器环行器12…12多个波长输入3可调谐光纤光栅3多个波长输出DMUXMUX……

1,2…m

1,2…mDropAdd图7-12基于光纤光栅加上光纤环行器结构的OADM2022/4/4通信与信息工程学院722×2环行器带通介质膜滤波器SOA开关带通介质膜滤波器环行器123多个波长输入

1

12多个波长输出3Add1Drop11132

2

2Add2Drop2231312

3

3Add3Drop3231312

4

4Add4Drop423可变衰减器图7-13基于介质膜滤波器加上光纤环行器结构的OADM2022/4/4通信与信息工程学院737.3.3光交叉连接器光交叉连接器(OXC:OpticalCrossconnect)是光波网络中的一个重要网络单元，其功能可以与时分复用网络中的交换机类比，主要用来完成多波长环网间的交叉连接，作为网格状光网络的结点，目的是实现光波网的自动配置、保护/恢复和重构。光交叉连接通常分为三类，即光纤交叉连接(FXC：FiberCrossconnect),波长固定交叉连接(WSXC:WavelengthSelectiveCrossInterchangingCrossconnect)。connect)和波长可变交叉连接(WIXC:Wavelength2022/4/4通信与信息工程学院74光纤交叉连接器连接的是多路输入输出光纤，如图7-14所示，每根光纤中可以是多波长光信号。在这种交叉连接器中，只有空分交换开关，交换的基本单位是一路光纤，并不对多波长信号进行解复用，而是直接对波分复用光信号进行交叉连接。这种交叉连接器在WDM光网络中不能发挥多波长通道的灵活性，不能实现波长选路，因而很少在WDM网络结点中单独使用。波长固定交叉连接的典型结构下图所示，多路光纤中的光信号分别接入各自的波分解复用器，解复用后的相同波长的信号进行空分交换，交换后的各路相同波长的光信号分别进入各自输出口的复用器，最后复用后从各输出光纤输出。2022/4/4通信与信息工程学院75光纤1光纤1光纤2M×M开关光纤2……光纤M光纤M图7-14光纤交叉连接2022/4/4通信与信息工程学院76

1M×M开关D

2

1M光纤1MUX光纤1UXND1

2UM×M开关光纤2M

2M光纤2UXX

N………

1D2M×M开关

NM光纤MMUX光纤MUXN…图7-15波长固定交叉连接2022/4/4通信与信息工程学院77在这种结构中由于不同光纤中的相同波长之间可以进行交换，因而可以较灵活地对波长进行交叉连接，但是这种结构无法处理两根以上光纤中的相同波长光信号进入同一根输出光纤问题，即存在波长阻塞问题。而波长可变的交叉连接可以解决波长阻塞问题。3.波长可变交叉连接在波长可变交叉连接器中，使用波长变换器(WavelengthConverter)对光信号进行波长变换，因而各路光信号可以实现完全灵活的交叉连接，不会产生波长阻塞。研究表明，在光交叉连接器中对各波长通路部分配备波长变换器和全部配备波长变换器所达到的通过率特性几乎相同。2022/4/4通信与信息工程学院78D

1

1光纤1M

…2…

2M光纤1UXNUX

ND

1

…2

1…

2光纤2MM光纤2UXNUX

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1

…2

1…

2光纤MMM光纤MUXNUX

N波长变换器空间光开关矩阵图7-16专用波长变换器的波长可变交叉连接2022/4/4通信与信息工程学院79D

1

…2

1

…2光纤1MM光纤1UXNUX

ND

1

1

…2光纤2M

…2M光纤2UXNUX

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1

…2

1

…2光纤MMM光纤M波长变换器UXNUX空间光开关矩阵

N图7-17共享波长变换器的波长可变交叉连接器2022/4/4通信与信息工程学院804.交叉连接的多层结构在实际应用中并不是所有的交叉连接都要在波长级上进行。当业务量很大时，多路光纤上的信号直接进行光纤交叉连接(FXC)，并不需要对每根光纤的波长进行解复用与复用。下图所示为交叉连接的多层结构，最上层是电的交叉连接(EXC)，中间层是波长交叉连接，可以是波长固定交叉连接(WSXC)，也可以是波长可变交叉连接(WIXC)，底层是光纤交叉连接(FXC)。在FXC层，输入光纤中有需要作波长级交叉连接的光纤经FXC交叉连接后到上一层交叉连接端口，再作波长交叉连接。在WSXC/WIXC层，输入端口有来自FXC层需要进行波长级交叉连接的光纤和来自EXC层的基于波长的各路信号一起进行波长级交叉连接的光纤，WSXC/WIXC输出的波长信号分为两路：一路经波长复用后连接至FXC层，另一路直接连接到EXC层进行电的交叉连接和交换。2022/4/4通信与信息工程学院81本地电信号分出到EXC的波长本地电信号插入EXC到WSXC/WIXC的光纤本地波长插入WSXC/WIXC光纤出(去网络)光纤入(自网络)FXC本地光纤插入FXC:光纤交叉连接;WSXC:波长固定交叉连接；WIXC:波长可变交叉连接；EXC:图7-18交叉连接的多层结构2022/4/4通信与信息工程学院827.3.4WDM光网络示例为了加深对WDM光网络的了解，我们简单地介绍一下美国的MONET网。MONET是“多波长光网络”的简称，该项目是由AT&T、Bellcore和朗讯科技发起的，参加单位有Bell亚特兰大、南Bell公司、太平洋Telesis#,NSA(美国国家安全局)和NRL(美国海军研究所)。MONET试验网包括三个部分：MONETNewJersey网、Washington,D.C.网和连接两个地区的多波长长途光纤链路。在New心的星形网，在Washington,D.C.是三结点的环形网。该网络在1560nm附近复用了20个WDM信道，单信道速率有3种，即1.2Gb/s，2.5Gb/s和10Gb/s。在网络中还使用了可调谐激光器和可调谐波长转换器等单元器件。Jersey是以AT&TBellLabs为中2022/4/4通信与信息工程学院83MONETTestbeds&FieldDemonstrationTODemonstrate:·Transparent,WDMOpticalNetworking·SeamlessOperationoverLocal&WideAreas·ReconfigurationviaWDMCross-Connects·SeamlessNetworkManagement&Control·CivillanandDefenseApplicationsMorristown,NJBellcore,AT&TBellLabs,Holmdel,NJX-ConnectFacilityLong-DistanceLocal-ExchangeTestbedBellcore,RedBank,NJNetworkPAAT&TBellLabs,CrawfordHllls,NJAT&TWVMDNJLong-DistanceTestbedBellAtlanticCentralOffice,SilverSpring,MDVADENationalSecurityAgency,FortMeade,MDNavalResearchLaboratory,Washington,D.C.图7-19美国的MONET2022/4/4通信与信息工程学院84该网络的试验目标是把网络结构、先进技术、网络管理和网络经济结合在一起，实现一种高性能的、经济的和可靠的多波长网络，最后将该网扩展为全国网。支持MONET观点的人认为，未来的通信网是分层的。基础层是基于WDM的光层，用于支持电层的业务传送，该层由透明的、可以重新配置的和完全受网管控制的光网络单元构成；光层之上的层是电层，可能是SDH或ATM等电传送信号；最上层是应用层。为此，MONET项目定义和开发了一组MONET网络单元，例如，WTM(波长终端复用器)、WADM(波长分插复用器，即OADM)、WAMP(多波长放大器)、WSXC(波长固定交叉连接器)和WIXC(波长可变交叉连接器)。2022/4/4通信与信息工程学院85从光纤通信技术本身的发展来看，光网络可以分为三代。第一代光网络中，光只是用来实现大容量传输，所有的交换、路由和其他智能控制都是在电层面上实现的，SONET/SDH就是第一代的光网络。光传送网(OTN)和全光网络(AON)可以分别认为是第二代光网络和第三代光网络。2022/4/4通信与信息工程学院867.4.1SONET/SDH1985年，Bellcore提出了同步光纤网(SynchronousOpticalNetwork,SONET)标准，美国国家标准协会(ANSI)通过了一系列有关SONET的标准。1989年，国际电报电话咨询委员会CCITT接受了SONET概念并制定了同步数字系列(SynchronousDigitalHierarchy,SDH)标准，使之成为不仅适合于光纤也适合于微波和卫星传输的通用技术体制。2022/4/4通信与信息工程学院87SONET/SDH与SONET有细微差别，SDH/SONET定义了一组在光纤上传输光信号的速率和格式，通常统称为光同步数字传输网，是宽带综合数字网B-ISDN的基础之一。SDH/SONET都采用了时分复用(TimeDivisionMultiplexing,TDM)技术，是同步系统，由主时钟控制。两者都用于骨干网传输，是对沿袭应用的准同步数字系列(Pseudo-synchronousDigitalHierarchy,PDH)的一次革命。SDH多用于中国和欧洲，而SONET多用于北美和日本。2022/4/4通信与信息工程学院88SONET的物理配置在SONET标准中，按照设备的功能和它们之间连接的关系，把连接分为了段(Section)、线路(Line)和通道(Path)。“段”指的是直接连接相邻设备的连接关系，即点到点的链路，如再生器与同步传输信号(SynchronousTransportSignal,STS)复用器、再生器与再生器、添加/丢弃复用器与再生器之间的连接属于段连接；“线路”是指连接两个SONET复用器设备之间的连接，如STS复用器与添加/丢弃复用器之间的连接；2022/4/4通信与信息工程学院89SONET的物理配置而“通道”则是指两个STS复用器之间的端到端的连接对于只由两个STS复用器直接连接构成的SONET系统，段、线路和通道是相同的。SONET系统2022/4/4通信与信息工程学院90SONET的物理配置SONET系统主要包括三种设备：再生器(Regenerator)、添加/丢弃复用器(Add-DropMultilexer,ADM)和STS复用器。其中，再生器就是转发器，接收光信号，整形后转发出去。添加/丢弃复用器也称分插复用器，其主要功能是向通道中添加信号，并可以从通道中提取出需要的信号。STS复用器在SONET系统中的位置处于边缘，有两个功能：实现电信号与光信号的相互转换和信号的复用/解复用。2022/4/4通信与信息工程学院91传输格式和速率SONET的基本帧结构。这是一个由9行、90列字节构成的二维结构。基本SONET帧的周期为125s，因此基本SONET信号的传输速率为：STS-1=(90字节/行)×(9行/帧)×(8比特/字节)×(125s/帧)=51.84Mb/s。图7-20SONET中STS-1的基本帧格式2022/4/4通信与信息工程学院92传输格式和速率该信号称为STS-1信号，所有的SONET信号都是STS-1信号速率的整数倍，STS-N信号的比特速率是51.84Mb/s的N倍。当采用STS-N信号调制光源时，先对逻辑STS-N信号进行扰码以减少长连0和长连1，便于在接收机中进行时钟恢复。经过电光变换后的物理层光信号称为光载波(OpticalCarry,OC-N)。实际上采用OC-N链路表示SONET链路更为普遍。N值在1~255之间变化的生成算法都已提出，但ANSIT1.105标准认可的N仅为1,3,12,24,48和192。2022/4/4通信与信息工程学院93传输格式和速率在SDH中基本速率等于STS-3，即155.22Mb/s，称为同步传输模式(SynchronousTransportMode,STM-1)，更高的速率表示为STM-M。ITU-T建议支持的M值为1,4,14和64，它们相当于SONET的OC-N信号。类似于SONET，SDH也先对逻辑信号进行扰码，但不同的是，SDH不区分逻辑电信号（如SONET中的STS-N）和物理光信号（如OC-N），这些信号都标记为STM-M。2022/4/4通信与信息工程学院94传输格式和速率表7-1常用的SONET和SDH传输速率SONET等级电等级线路速率相应的SDH(Mb/s)OC-1STS-154.84155.52622.081244.162488.324976.649953.28—STM-1STM-4STM-8STM-16STM-32STM-64OC-3OC-12OC-24OC-48OC-96OC-192STS-3STS-12STS-24STS-48STS-96STS-1922022/4/4通信与信息工程学院95传输格式和速率帧结构中的前3列传输的开销字节承载了网管信息，剩下的87列承载了用户数据，称为同步有效载荷封装(SynchronousPayloadEnvelope,SPE)和9个字节的通道开销(PathOverHead,POH)。POH支持性能监视、统计、信号标记、寻迹功能和一个用户通道。这9个通道开销字节总是排成1列，它们可以出现在SPE中的任何位置。值得注意的是，SONET/SDH的同步字节间插复用特性，可以实现光网络中信息通道的分插复用。2022/4/4通信与信息工程学院96传输格式和速率当N值大于1时，帧结构的列数是原来的N倍，而行数仍然为9行。图7-21SONET的STS-N帧的基本结构2022/4/4通信与信息工程学院97光接口为了保证不同制造商的设备能够互联，SONET和SDH规范提出了光源特性、接收灵敏度以及不同类型光纤传输距离的特征。表7-2给出了标准定义的6种传输距离，它们在SONET和SDH中所用的称谓各不相同。表7-2SONET和SDH规范和称谓传输距离SONET称SDH称光纤种类谓谓≤2km15km40km（1310短距离中距离局间短途渐变折射率光纤常规非色散位移单模光纤长距离长途色散位移光纤nm）2022/4/4通信与信息工程学院98光接口SONET和SDH规范提出了光源特性、接收灵敏度以及不同类型光纤传输距离的特征。标准定义的6种传输距离，它们在SONET和SDH中所用的称谓各不相同。（续）表7.2SONET和SDH规范和称谓传输距离SONET称SDH称谓光纤种类谓80km（1550nm）长距离120km（1550nm）160km（1550nm）长途色散位移光纤长距离甚长途色散位移光纤长距离超长途色散位移光纤2022/4/4通信与信息工程学院99SONET/SDH环网络SONET和SDH通常配置成环状拓扑。当设备或链路发生故障时，可以采用环回分集实现不中断业务保护。SONET/SDH环也称为自愈环(SelfHealingRing)。SONET/SDH环可以分为8种可能的类型，而每一种类型均有两种可以互换的结构。它们具有三个主要特征：（1）环上连接结点的光纤可以是二纤，也可以是四纤；（2）数据流可以沿顺时针单方向传输，也可以沿两个方向传输；（3）保护切换既可以采用线路切换，也可以采用通道切换方案。在8种可能的环类型组合中，SONET和SDH网络中最普遍的两种结构是：二纤单向线路切换环(UPSR)和二纤/2022/4/4四纤双向线路切换环(BLSR)通信与信息工程学院100SONET/SDH网络利用SONET/SDH设备可以构成不同的网络结构。例如，配置成点对点链路、总线型拓扑、单向自愈环、双向自愈环和环际互联。图7-22SONET/SDH网络结构原理图2022/4/4通信与信息工程学院101SONET/SDH网络分插复用器是一个重要的SONET/SDH网络设备。它是一个完全同步的、面向字节的复用器，可以分接和插入OC-N信号中的子信道。若干个OC-12和OC-3信道复用到一个OC-48信道。图7-23ADM的功能2022/4/4通信与信息工程学院102SONET/SDH网络ONET/SDH结构也可以采用WDM。一个DWDM系统由n个不同波长的OC-192主干环构成。从每一个OC-192发送机输出的不同波长光波，首先通过衰减器进行功率均衡，然后送入WDM复用器，通过可选的后置光放大器进行放大后，送入光纤传输。图7-24由n个波长的OC-192主干环构成的DWDM设备2022/4/4通信与信息工程学院1037.4.2光交换系统光交换技术的发展在某种程度上也决定了全光通信的发展。光交换技术也是一种光纤通信技术，它是指不经过任何光/电转换，在光域直接将输入的光信号交换到不同的输出端。光交换技术可分成光路光交换和分组光交换两种类型。随着光器件技术的发展，光交换技术的最终发展趋势将是光控光交换。2022/4/4通信与信息工程学院104成熟的光交换技术研究得最多、最成熟的是光路交换(OpticalCircuitSwitching,OCS)，它是一种面向连接的交换技术，网络需要为每一个连接请求建立从源端到目的端的光路（每一个链路上均需要分配一个专用波长）。交换过程共分三个阶段：(1)链路建立阶段(2)链路保持阶段(3)链路拆除阶段。光路交换系统所涉及的技术可分为:交换技术(TDPS)、空分交换技术(SDPS)、波分/频分交换技术(W/FDPS)、码分交换技术(CDPS)和复合型交换技术。2022/4/4通信与信息工程学院105成熟的光交换技术1．时分光交换技术时分光交换系统采用光器件或光电器件作为时隙交换器，通过光读/写门对光存储器的受控有序读/写操作完成交换动作。时分光交换原理图2022/4/4通信与信息工程学院106成熟的光交换技术2．空分光交换技术空分光交换是由开关矩阵实现的，开关矩阵结点可以由机械、电或光进行控制，按要求建立物理通道，使输入端任一信道与输出端任一信道相连，完成信息的交换。各种机械、电或光控制的相关器件均可以构成空分光交换。构成光矩阵的开关有铌酸锂定向耦合器、微机电系统MEMS等。SDPS的基本原理是：将光交换组成门阵列开关，并适当控制门阵列开关，即可在任一路输入光纤和任一路输出光纤之间构成通路。2022/4/4通信与信息工程学院107成熟的光交换技术在铌酸锂交换单元中，以铌酸锂为基片，在基片上进行钛扩散，形成折射率逐渐增加的光波导，即光通路，再焊上电极后便可以将它作为光交换元件使用了。通过控制电极上的电压，就可以得到平行和交叉两种交换状态。空分光交换原理图2022/4/4通信与信息工程学院108成熟的光交换技术3．波分光交换波分交换即信号通过不同的波长，选择不同的网络通路来实现，由波长开关进行交换。波分光交换网络由波长复用器/去复用器、波长选择空间开关和波长互换器（波长开关）组成。图7-25波分光交换原理图2022/4/4通信与信息工程学院109光分组交换从长远来看，全光的分组交换OPS是光交换的发展方向。OPS是一种面向非连接的交换方式，采用单向预约机制，在进行数据传输前不需要建立路由、分配资源。相比OCS，OPS有着很高的资源利用率和很强的适应突发数据的能力。光分组交换系统根据对控制包头处理及交换粒度的不同，又可以分为光分组交换技术、光突发交换技术和光标记分组交换技术。2022/4/4通信与信息工程学院110光分组交换1．光分组交换技术它以光分组作为最小的交换颗粒，数据包的格式为固定长度的光分组头、净荷（用户数据部分）和保护时间三部分。2．光突发交换技术它的特点是数据分组和控制分组独立传送，在时间上和信道上都是分离的，它采用单向资源预留机制，以光突发作为最小的交换单元。3．光标记分组交换技术光标记分组交换技术也称为多协议波长交换(MPλS或MPLmS)，它是MPLS技术与光网络技术的结合。2022/4/4通信与信息工程学院1117.4.3智能光网络ASON代表了光通信网络技术新的发展阶段和未来的演进方向。ASON的特性就在于它首次在传输网络中引入了信令的概念，同时将数据网和传输网管理的优点融合在一起，进而实现了实时动态网络管理。ASON控制技术的应用带来了许多新的网络特征，提供了更多的网络功能。其中，最主要的新特点包括：(1)呼叫和连接过程的分离(2)自动资源发现机制的出现(3)网络生存性技术的新特征2022/4/4通信与信息工程学院1127.4.3智能光网络2．ASON网络体系结构基于WDM的光互联网络(OpticalInternetworking)又称为IP优化互联网络或IPoveroptical网络。从网络体系结构上看，四层结构中的独立ATM层和SDH层将会逐步消失，但其基本功能不会消亡，将会分别融入IP/MPLS层和WDM/OTN层中去。整个功能结构层次将变得更加简单，趋向扁平化的两层结构。图7-26IPoverWDM网络发展趋势2022/4/4通信与信息工程学院1137.4.3智能光网络IPoverWDM技术不仅是IP与光网络在传输形式上的融合，而且体现了IP控制功能向光网络的渗透。下图给出了两种基本模型：重叠模型(Overlay)和对等模型。图7-27IPoverWDM的对等模型和层叠模型2022/4/4通信与信息工程学院1147.4.3智能光网络ASON与传统的光传送网相比，创造性地引入了更加智能化的控制平面，从而使光网络能够在信令的控制下完成网络连接的自动建立、资源的自动发现等过程。ASON主要由三个独立的平面组成，分别是传送平面、控制平面和管理平面。下面主要介绍传送片面。ASON结点设备传送平面主要完成的功能包括信号传输、交叉连接、故障管理、保护和恢复等。控制平面是ASON特点体现，是区别于传统光网络的主要标