光纤通信与光网络 -光通信网基础

1.2.3.

光纤通信与光网络光网络的发展第一代光网络光传送网光纤通信与光网络

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第八讲

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郝然学习内容

通信网简介

光网络概念

两种传输体制

高速光链路

光传送网

2光纤通信与光网络

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第八讲

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郝然3通信网简介光纤通信与光网络

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第八讲

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郝然4通信网的概念和分类多用户通信系统互联的通信体系称为通信网。通信网的划分方法很多，可按用途来划分，也可按传输信号的特征来划分。

按照所能实现的业务种类，通信网可以划分为电话通信网、数据通信网以及广播电视网等；按照网络所服务的范围，通信网可以划分为本地网、长途网以及国际网等；按照基本结构形式，通信网可以划分为线性、环形、星形、网形和复合形五种基本结构形式。光纤通信与光网络

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郝然5通信网的基本要素构成通信网的基本要素是终端设备、传输链路、转接交换设备及接入部分。

终端设备是通信网中的源点和终点，它除对应于信源和信宿之外，还包括了一部分变换和反变换装置。不同的通信业务，对应于不同的终端设备。如：电话业务的终端设备就是电话机；数据业务的终端设备就是数据终端。

传输链路是网络节点的连接媒介，是信息和信号的传输通路。它除对应于信道部分外，还包括一部分变换和反变换装置，如明线传输、载波传输系统、数字微波传输系统、光纤传输系统及卫星传输系统等，都可以作为通信网传输链路的实现方式。6

光纤通信与光网络

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郝然

通信网的基本要素

转接交换设备是现代通信网的核心。它的基本功能是完成接入交换节点链路的汇集，转接接续和分配。目前主要采用的是接续通话电路的电路交换方式，还有类似电报传送的报文交换方式以及分组交换方式。

接入部分是业务节点接口和用户网络接口之间的传送实体，通过标准接口将用户接入到业务节点。光纤通信与光网络

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郝然7语音信号的数字化

对于时间上连续的模拟语音喜好，要实现时分复用，就要先将模拟信号转换为时间上的离散信号，也就是常说的模拟信号数字化。

PCM（Pulse

Code

Modulation

脉冲编码调制）就是一种常用的模拟信号数字化技术，其通信系统的简单方框图如图所示。它由三部分组成（1）发送端：包括低通滤波、抽样、量化和编码（即模数转换）；（2）信道部分：包括传输线路和再生中继；（3）接收端：包括信号再生和数模转换，而数模转换又包括解码和低通滤波。8抽样量化编码低通滤波器再生解码低通滤波器再生中继模拟信号模拟信号PMC信号信道PMC信号光纤通信与光网络

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郝然

发送端（模数转换）接收端（数模转换）光纤通信与光网络

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郝然9PCM基本单元完成的信号处理过程及功能如下：1.

抽样：所谓抽样就是每隔一定的时间间隔T，抽取模拟信号的一个样

值（抽样值）。抽样后所得出的一系列在时间上离散的抽样值称为

抽样值序列。根据抽样定理，只要抽样脉冲的时间间隔T≤1/2fm，即

抽样频率fs≥2fm（fm是模拟信号的最高频率），则抽样后的样值序列

可以不失真地还原成原来的模拟信号。2.

量化：量化是将幅度连续的抽样信号，通过四舍五入的办法变换为

幅度离散的样值序列，这样就能用有限位的二进制数字信号来表示

信号的幅度。3.

编码和解码：编码是将抽样并量化后的信号幅度值变换成一组二进

制码元。解码是将一组二进制码元还原成相应信号幅度的量化值。10

光纤通信与光网络

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郝然

PCM30/32系统

在实现了模拟信号的数字化之后，就可以进一步实现多路终端信号的时分复用。将信道按抽样周期T加以分割，得到的时间段称为帧，再将帧等分成M个小时间段，每个小时间断T/M称为时隙。在一帧内，为每一路终端信号的编码信息分配一个时隙，多路终端信号交替传送，就实现了信道的PCM复用。

在程控数字交换系统中，为提高传输速率和交换容量，通常也采用PCM复用方式。根据ITU-T建议，对于语音信号（300Hz~3400Hz）的抽样频率为8kHz，抽样编码位数为8，即单路话音PCM信号传输速率为8x8k=64kbit/s。11

光纤通信与光网络

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郝然

对于PCM基群（一次群），目前国际上有两种复用制式：30/32路帧结构和24路帧结构。我国采用的是30/32路帧结构方式，即每一帧占125

μs，分为32个时隙，但只传送30路话音编码信息，一次复用后的基群复用速率为32x64kbit/s=2048kbit/s=2.048Mbit/s，也就是我们常说的E1，用它可组成高次群，也可独立使用，在市话电缆、长途电缆、数字微波、光纤等传输信道中传输。光纤通信与光网络

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郝然12光网络概念光纤通信与光网络

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郝然13

主要内容光网络的发展与演变第一代光网络的介绍——SDH光传送网（OTN）光子包交换——光突发交换网接入光网络自动交换光网络分组传送网14

光纤通信与光网络

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郝然光网络的发展与演变

光纤所连接的用户距离范围极大，可能位于同一个建筑物或校园环境中，也可

能存在于跨越大洋和大洲的网络中。开发如此复杂的通信网是一个极大的挑战。

光网络是在光纤提供大容量、长距离，高可靠的传输介质的基础上，利用光子

和电子控制技术实现互连和灵活调度的多节点网络。

光网络的发展趋向光纤通信与光网络

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郝然15网络术语站网络节点中继线拓扑交换与路由光纤通信与光网络

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郝然16网络分类光纤通信与光网络

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郝然17光纤通信与光网络

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郝然18中心局干线光纤通信与光网络

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郝然网络拓扑

上图给出了光纤网络常用的四种拓扑，分别是：网孔形，星形，环形和总线形。每一种结构都有一定的优势和局限。

1920

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郝然总线形

在非光的总线网络中，如标准以太网，以同轴电缆作为传输介质。这种网络的优点在于传输介质的被动特性，易于将低扰动的分支接头安装到同轴线路上而不影响网络的工作。基于光纤的总线网络更难实现，因为没有像同轴分接头那样的光分接头来实现光信号和主干光纤链路的高效耦合。21

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郝然环形

在环形拓扑中，前后相继的节点被一段段的点到点链路串成一个封闭的通路。数据分组格式的信息在节点间沿着环的方向传输。每个节点接口都是一个有源器件，它可以识别每个数据分组中的本站地址，从而接收消息，它还将不是寻址到本站的消息向前传递给下一站。22

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郝然星形

在星形结构中，所有节点都与一个中心节点或集线器相连接。中心节点可以是无源器件也可以是有源器件，有源集线器可以控制发自网络中心节点所有消息的路由。23

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郝然网孔形

网孔形网络中，点到点的链路以任意的形式连接节点，根据不同的应用场合，连接形式会有很大的差异。这种拓扑的网络结构很灵活，而且能在多个链路或节点出问题的时候保证链接。24

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郝然无源线形总线的性能

为了评估无源线形总线的性能，我们考察沿传输通道中

任意点的功率损耗情况。在一段长度为x的光纤上，接收功

率P（x）与发送功率P（0）之比A0为：其中α为光纤损耗，单位为dB/kmP(x)P(0)A0

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郝然无源线性总线的性能

两个定向耦合器级联而成的无源线形总线耦合器的损耗连接损耗抽头损耗直通耦合损耗传输损耗

25光纤通信与光网络

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郝然26无源线性总线的性能由N个均匀分布的站构成的单工线形总线拓扑光纤通信与光网络

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郝然27OSI提出的网络层次模型28

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郝然光层光层是基于波长的概念，位于物理层的上一层。物理层提供了两个节点之间的物理连接，而光层在链路上提供光通道服务。如：一个8信道WDM链路有8个光通道，却在同一可物理链路上传输。物理层光层

光纤通信与光网络

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郝然线路交换和包交换（circuit-switched

&

packet-switched)

底层网络基础设施根据信号在网络中的复用和交换方式，网络结构有两种：

线路交换/电路交换circuit-switched

包交换/分组交换

packet-switched

复用的不同类型：固定复用和统计复用MUX112

1

2

1

2a)

固定式复用MUX

212b)

统计式复用在线路交换和包交换网络使用的不同类型的时分复用类型

29光纤通信与光网络

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郝然30线路交换网络

线路交换网络给客户提供线路交换连接服务，在线路交换中，一旦连接被建立，每处连接点就分配到承诺的带宽使用量，且连接长时间存在。所有线路或者连接点的带宽必须小于链路的带宽。

线路交换网络提供面向连接服务

典型例子：公共交换电话网

public-switched

telephone

network

(PSTN)专线服务

缺点：在处理突发数据信息时显得无效。such

as

typing

a

keyboard

and

web

browsing.

突发数据一般用平均带宽和峰值带宽来表征，对应网络信息流的长程平均值和短程突发率

线路交换网络中必须预留足够的带宽来处理峰值带宽的需求。光纤通信与光网络

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郝然31

包交换网络可以解决突发数据信息流的问题。

在包交换网络中，数据流被分成小的数据包，这些小的数据包和网络中其他数据流分成的小数据包组合在一起，按照传送的目的地在网络中进行传输和交换

为了交换，每个小数据包都加上数据包头文件，头文件中包含地址信息。

实例：

互联网，使用IP协议，将信息从源导向接收处。

包交换网络使用统计复用的技术。链路带宽的需求被缓解。

统计复用提高带宽利用率，但也带来一些新的问题。

如果足够多的数据量同时被激活，使得所需带宽大于链路中带宽是，数据必须被等待（queued)或缓存（buffered)

数据包延迟的时间是个随机参数，取决于前面有多少个包处于等待状态，在极端情况下，有可能使得缓存出现溢出，数据包被丢弃。通常需要更高层的传输协议（TCP）

包交换网络提供无连接服务，也称为数据报服务。传统意义上说包交换网络提供：尽力（best-effort）服务，对延迟不敏感的应用适用分组交换网路光纤通信与光网络

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郝然32

但有些应用（实时音视频传输不允许数据包延迟），提供服务质量（Quality

of

service,

QoS)保证的包交换网络出现，提供最大数据包延迟保证，同时包括一些延时

的调整，异步传输模式（ATM）网络就是这种典范。

标签交换——多协议标签交换技术（Multi-protocol

label

switching)，提供虚拟线路，

支持端到端的信息流，是专门为IP设计的，是第三层IP路由技术和第二层ATM转发技

术相结合的产物。第三层采用分组处理进行路由控制，但第二层采用标签交换进行分

组转发，在无连接的IP网络中引入连接，实现IP分组的快速转发。虚拟线路提供统计

复用，因此不同于线路交换，不提供固定带宽。

MPLS和光网络技术结合，使得IP分组通过MPLS直接在光网络中承载，多协议波长标

签交换就是采用光波长作为交换的标签，随着网络发展，拓宽了MPLS的外延和内涵，

通用MPLS（GMPLS）的概念，将MPLS的思想应用到TDM时隙、光波长、光波带和

光纤等交换领域，成为多粒度交换网络结构。

自动交换光网络（ASON）将网络的控制功能和管理功能分离，通过控制平面的信令和理由机制实现网络的智能，支持多粒度的交换。光纤通信与光网络

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郝然33两种传输体制光纤通信与光网络

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郝然34光网络的发展

第一代：是以光纤为基本传输机制的网络，仅利用光纤容量的优势，所有交换和网络智能利用电子器件完成。典型的有同步光网络（SONET）/同步数字体系（SDH）

、网际协议（IP）以及异步传输模式（ATM）等。

线路交换：SDH

SONNET包交换（电域）：IP

ATM

第二代：全光网络提供光学层，为各用户层提供光学通道，可类比为用户层网络单元中

的物理层。且网络中的智能功能，路由选择，交换等都移到光学层，

介于第一代和第二代之间的中间网络——光传送网，有挑战，有发展1）光传送网是波长路由选择网络，以波长作为交换粒度，通过光交叉互联设备和光分叉复用设备实现组网。构建光传送网的基本网络单元：光线路终端（OL），光分插复用器（OADM）、光交叉互联器（OXC)35BCDOLTOADM

F

IPRouter

AIPRouterOXC

SONET

terminalSONETterminal

IPRouterLightpath

1

1

1

1

2

2

2

E

IPRouter

光纤通信与光网络

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郝然AWDM

wavelength-routing

network

光纤通信与光网络

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郝然2）电子器件的包交换——光子包交换（OPS），提供比电子包交换更高的容量，提高光学层的带宽利用率。光子包交换的重要限制因素是缺乏可用于缓存区的光学随机存取存储器光学缓存目前多利用光纤的长度变化来完成——缓冲管理，缓冲控制

目前为止真正意义的光子包交换很难实现——分组传送网和光突发交换网。

Headerrecognition

HeaderrecognitionSwitchControl

InputbuffersOutputbuffersPackets

input

光子包交换节点，根据头信息，此节点实现输入包缓冲，头信息读取，路由

控制和交换数据包到和苏的输出端口（包括输出缓冲）3）无缝光连接的最后一公里——接入网

3637

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郝然第一代光网络

SONET/SDH

处理低速的时分复用信息流

ATM

处理统计复用的包信息流

网际协议IP:处理统计复用的包信息流

存储区域网络用于将计算机与其他计算机以及它们的外部设备连接起来。企业串

行连接ESCON、光纤信道以及高性能并行接口HIPPI

以太网38

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郝然SONET/SDH

在SDH和SONET出现之前，构建的网络底层结构基于准同步数字体系

（PDH），它可以很好地适应传统的点对点通信，却无法适应动态联网

的要求，也难以支持新业务的开发和现代网络管理

20世纪80年代末，SONET

(Synchronous

Optical

Network)，北美

，最初由贝尔实验室提出，

SDH

(Synchronous

Digital

Hierarchy)，欧洲/中国、日本的问世，

历史上第一次实现了全球统一的传送网标准，规范了光接口，定义了

对光信号质量的监控、故障定位和远程配置等重要的网络管理功能，

成为新一代的传输体制。

光纤通信与光网络

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郝然

Plesiochronous

digital

hierarchy

(PDH)一个带宽为4

kHz的模拟音频电路在8

kHz取样，每个采样点用8比特来量化，产生一个比特率为64

kb/s的数字音频电路。高速信息流被定义为多个64

kb/s的基本信息流的组合。Level

0

1

2

3

4

NorthAmerican

0.064

Mb/s

1.544

Mb/s

6.312

Mb/s

44.736

Mb/s139.264

Mb/s

Europe/China

0.064

Mb/s

2.048

Mb/s

8.448

Mb/s

34.368

Mb/s139.264

Mb/s

Japan

0.064

Mb/s

1.544

Mb/s

6.312

Mb/s32.064

Mb/s97.728

Mb/s欧洲：E0,

E1,

E2,…

39北美：DS0,DS1..40

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郝然

PDH

PDH是一种采用比特填充和码位交织把低速率等级的信号复合成高速信号的一种复用技术，他能够独立传送国内长途和市话网业务，如果扩容，也只需要增加新的PDH设备就行了。但是，随着电信网的发展和用户要求的提高，PDH逐渐暴露除其本身固有的缺点。

1.

只有地区性的数字信号速率和帧结构而不存在世界性的标准。现在国际上通行的三种信号速率等级，即欧洲系列、北美系列和日本系列。北美和日本使用1.5M体制，欧洲使用2M体制，我国采用的是欧洲体制。欧洲的速率标准是2Mbit/s（E1），8Mbit/s（E2），34Mbit/s（E3），140Mbit/s（ET4）；北美的速率标准是1.5Mbit/s（T1），6.3Mbit/s（T2），45Mbit/s（T3）；日本体制的速率标准是1.5Mbit/s，6.3Mbit/s，32Mbit/s。这三种通行的信号速率等级互不兼容，造成了国际互通的困难。光纤通信与光网络

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郝然41

2.

没有世界性的标准光接口规范，导致各个厂家自行开发的专用光接口各不相同，并且互不兼容，这样就限制了联网的灵活性，也增加了网络的复杂性和运营成本。

3.

PDH是建立在点对点传输基础上的复用结构，即它只支持点对点传输，组成一段一段的线状网，而且只能进行区段保护，无法实现统一工作的多路由的环状保护，所以它的网络拓扑缺乏灵活性，数字设备的利用率也很低，不能提供最佳的路由选择。

4.

传统的PDH的运行、管理和维护主要靠人工的数字信号交叉连接和停业务测试，因而复用信号帧结构中未安排用于网络运行、管理和维护的比特，种种开销比特的缺乏使得难以建立集中式的传输网管，难以满足用户对网络动态组网和新业务接入的要求。42

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郝然

要想满足现代电信网络的发展需要和用户的业务需求，在原有体制和技术框架内解决上述问题是事倍功半的，最佳的解决途径就是从技术体制上进行根本的改革。SDH作为一种结合了高速大容量光传输技术和智能网络技术的新体制，就在这种情况下诞生了。43

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郝然

SDH的优越性

由于SDH是为克服PDH的缺点而产生的，因此它是先有目标再定规范，然后研制设备，这个过程与PDH正好相反。显然，这就可能最大限度地以最理想的方式来定义符合未来电信网要求的系统和设备。下列的SDH主要特点反映了这些要求。1.

使北美、日本和欧洲三个地区性的标准在STM-1及其以上等级获得

了统一。数字信号在跨越国界时不再需要转换成另一种标准，因而

第一次真正实现了数字传输体制上的世界性标准。2.

由于有了统一的标准光接口，所以能够在基本光缆段上实现横向兼

容，即允许不同厂家的设备在光路上互通，满足多厂家环境的要求。光纤通信与光网络

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郝然443.

SDH采用了同步复用方式和灵活的复用映射结构，各种不同等级的码流在帧结构净负荷内的排列是有规律的，而净负荷与网络是同步的，因而只需要利用软件即可使高速信号一次直接分插出低速支路信号，也就是所谓的一步复用特性。参照下图，比较一下SDH和PDH系统中分插信号的过程：要从155Mbit/s码流中分插出一个2Mbit/s的低速支路信号，采用了SDH的分插复用器ADM后，可以利用软件直接一次分插出2Mbit/s的支路信号，避免了对全部高速信号进行逐级分解后再重新复用的过程，省去了全套背景靠背的复用设备。所以SDH的上下业务都十分容易，网络结构和设备都大大简化了，而且数字交叉连接的实现也比较容易。光/电解复用解复用电/光解复用解复用光信号155Mbit/s

光接口155Mbit/s

光接口

解

复

用8/2Mbit/s解复用

2/8Mbit/s34/8Mbit/s140/34Mbit/s光纤通信与光网络

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郝然

34/140Mbit/s8/34Mbit/sPDH

2Mbit/s（电信号）

SDH

ADM2Mbit/s（电信号）

45

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郝然4.

SDH采用了大量的软件进行网络配置和控制，使得配置更为灵活，调度也更加方便。5.

SDH帧结构中安排了丰富的开销比特，这些开销比特大约占了整个信号的5%，可利用软件对开销比特进行处理，因而使网络的运行、管理和维护能力都大大加强了。6.

SDH网与现有网络能够完全兼容，即SDH兼容现有的PDH的各种速率，使SDH可以支持已经建起来的PDH网络，同时也有利于PDH向SDH顺利过渡。同时，SDH网还能容纳像ATM信元等各种新业务信号，也就是说，SDH具有完全的后向兼容性和前向兼容性。

4647

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郝然

SDH速率

SDH信号的速率等，表示为STM-N，其中N是正整数。目前SDH只能支持一定的N值，即N只能为1,4,16，64，其中最基本、也是最重要的模块信号是STM-1，其速率是155.520Mbit/s，更高等级的STM-N信号是将基本模块信号STM-1经过字节间插后得出的，STM-4的等级速率为622.080Mbit/s，STM-16等级的速率为9953.280Mbit/s。SDH等级SONET等级速率(Mb/s)2Mb/s口数量数字话路数STM-1OC-3155.520631890STM-4OC-12622.0802527560STM-16OC-482448.320100830240STM-64OC-1929953.2804032120960光纤通信与光网络

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郝然48SDH传输速率再生段开销（RSOH）STM-1净负荷（Payload）管理单元指针（AU-PTR）复用段开销（MSOH）光纤通信与光网络

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郝然SDH帧结构

261xN列（字节）270xN列（字节）

499行传输方向9xN列（字节）50••••

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郝然段开销（SOH）

是保证信息正常灵活传送所必需的附加字节。用于SDH传输网的运行，维护、管理和指配。如误码监视、帧定位、数据通信、公务通信和自动保护倒换字节等SDH光缆线路系统对开销通路都应提供接入能力，并能在不中断业务的情况下提供所需的开销通路应用管理单元指针AU

PTR

是一种指示符，用来指示净负荷的第1个字节在STM-N帧内的准确位置，以便接收端正确地分解。采用指针可以在PDH环境中完成复用同步和帧定位，消除了常规PDH系统中滑动缓冲器所引起的延时和性能损伤。信号净负荷区域是存放各种信息业务容量的地方，对于STM-1，261列

9行共2349个字节都属于净负荷区域。它包含少量用于通道性能监视、控制、维护和管理的通道开销。51

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郝然

SDH以字节为单位进行传输，它的帧结构是一种以字节结构为基础的

矩形块状帧结构，它包括270xN列和9行字节，每字节包括8个比特。

SDH矩形帧在光纤上传输是成链传输的，在光发送端经并/串转换成

链状结构进行传输，而在光接收端经串/并转换成矩形块状进行处理。

在SDH帧中，字节的传输是从左到右按行进行的，首先由图中左上角

第一个字节开始，从左到右按顺序传送，传完一行再传下一行，直至

整个9x270xN个字节都传送完再转入下一帧，如此一帧一帧的传送。

SDH的帧频为8000帧/秒，这就是说信号帧中某一特定字节每秒被传

送8000次，那么该字节的比特率是8000x8bit=64kbit/s，也即是一

路数字电话的传输速率。以STM-1等级为例，其速率为270（每帧

270列）x9（共9行）x64kbit/s（每字节64kbit）=155.520Mbit/s。光纤通信与光网络

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郝然52SDH复用映射结构和复用映射过程各种信号装入SDH帧结构的净负荷区都需经过映射、定位校准和复用三个步骤。映射相当于一个对信号打包的过程，它使不同的支路信号和相应的n阶虚容器（VC-n）同步。定位校准即加入调整指针，用来校正支路信号频差和实现相位对准。复用即字节间插复用，用于将多个低阶通道层信号适配进高阶通道或将多个高阶通道层信号适配进复用段层。光纤通信与光网络

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郝然复用映射结构•••••为了得到标准的STM-N传送模块，必须采取有效的方法将各种支路信号装入SDH帧结构的净负荷区内。需要映射、定位校准和复用三个步骤。映射是将各种速率的信号先经过码速调整装入相应的标准容器（C），再加入通道开销

（POH）形成虚拟容器（VC）的过程，帧相位发生偏差称为帧偏移；定位即是通过指针调整，使指针的值时刻指向低阶VC在TU中的起点或者高阶VC在AU中的起点；使接收端能正确分离相应的VC。复用是一种使多个低阶通道层的信号适配进高阶通道层，或把多个高阶通道层信号适配进复用层的过程。复用也就是通过字节交错间插方式把TU组织进高阶VC或把AU组织进STM-N的过程，由于经过TU和AU指针处理后的各VC支路信号已相位同步，因此该复用过程是同步复用。

5354

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郝然

ITU-T规定了一套完整的复用结构，通过这些路线可将PDH的3个系列的数字信号以多种方法复用成STM-N信号。

我国国标为了使每种净负荷只有一条复用映射途径，规定了一个较为简单的复用映射结构，它是规范所规定的标准复用映射结构的一个子集。55

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郝然ITU-T规定的SDH复用结构56

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郝然我国国标规定的SDH复用结构57

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郝然

首先，各种速率等级的数字流先进入相应的接口容器C，这些容器C是一种用来装载各种速率业务信号的信息结构，主要完成适配功能（例如速率调整），让那些最常使用的准同步数字体系信号能进入有限数目的标准容器，完成像速率调整这样的适配功能。例如对于各路来的2M信号，由于各路的时钟精度不同，所以有的可能是2.0481Mbit/s，有的可能是2.0482Mbit/s，都将在C里做容差调整，适配成速率为2.048Mbit/s的标准信号。目前有5种标准容器C-11，C-12，C-2，C-3和C-4。我国定义C-12对应速率是2.048Mbit/s，C-3对应速率是34.368Mbit/s,C-4对应速率是139.264Mbit/s。由标准容器出来的数字流加上通道开销POH后就构成了虚容器（VC），这一过程就是映射。传输距离光纤类型Sonet术语SDH术语<2kmG.652短距离局间15km@1310nmG.653中距离短途15km@1310nmG.653长途短途40km@1310nmG.655长型长途80km@1550nmG.655长型长途120km@1550nmG.655甚长型甚长途160km@1550nmG.655甚长型超长途58

光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然SDH/Sonnet的光接口

为了保证不同制造商的设备能够互通，sonet和SDH规范提供了光源特性、光接收灵

敏度以及不同类型光纤的传输距离的规范。取自G.957和G.691标准节点1节点2节点4节点3

主通道1保护通道827546

3具有逆时针方向保护通道的双纤单向通道切换环

59

光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然SONET/SDH

环

SONET和SDH的主要特点是既可以配置成环状，也可以配置成网状。SONET/SDH环通

常称为自愈环。

SONET/SDH环可分为8种可能的类型，其中两种最为普遍：

1.

通道切换环光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然602.

二纤或四纤线路切换环节点1节点3

1p

8p

1s8s

节点22p7p7s2s

6s3s6p3p4s5s

4p

5p节点4四纤双向线路切换环（BLSR）光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然61节点1

1p

8p

1s8s

节点22p7p7s2s

6s3s6p3p4p

5p四纤双向线路切换环（BLSR）节点3

4s

5s节点4节点3和4之间的光纤传输线路发送或接收失效的情形：节点1

1p

8p

1s8s

节点22p7p7s2s

6s3s6p3p4p

5p四纤双向线路切换环（BLSR）

62节点3

4s

5s节点4

光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然如果某个节点完全失效，或是某一段光纤中的所有主备用光纤全部失效的情形：63•••••••

光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然SDH技术的特点

主要特点：同步复用、标准光接口和强大的网管能力。

由于采用了同步复用和复用映射方法，各种不同等级的码流在帧结构净负荷内的排列是

有规律的，而净负荷与网络同步。

使24路制和30路制两种PDH数字系列在STM-1等级上实现了统一，使之成为数字传输

体制上的世界标准。

在帧结构中安排了丰富的开销比特，因而使网络的运行、管理和维护能力大增。

确定了世界统一的光纤网络接口，可以在光路上实现横向兼容，便于网络的组织和调度，

使网络投资成本节约10~20%以上。

具有信息净负荷和定时的透明性，即网络可以传送各种净负荷及其它们的组合，而与信

息的具体结构无关。

具有后向和前向兼容性。与传统的PDH完全兼容。还能容纳新的业务信号，如B-ISDN

中的ATM信元、高速局域网的分纤分布式数据接口（FDDI）信号和分布排队双总线

（DQDB）信号等。光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然64SDH的不足••••SDH的STM-N帧中加入了大量的开销字节，使得系统可靠性增强，运行管理维护的自动化程度提高。但是在传输同样有效信息的情况下，PDH信号所占用的传输带宽要比SDH信号所占用的带宽窄。频带利用率不如PDH由于采用了指针调整技术，增加了设备的复杂性在PDH到SDH网的过渡时期，由于指针调整产生的相位跃变，使得信号经过多次PDH/SDH变换后，抖动和漂移性能损伤较大，一般要采取相应平滑措施由于大规模采用软件管理和控制方式，在网络层上的人为错误、软件故障及计算机病毒等可能导致全网瘫痪65

光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然高速光链路

构建日益增长的高效稳定的光网络，关键在于研发高速光链路，

包括高速光收发机和高速的调制器。

1)

2.5Gbps光链路

2)

10Gbps光链路

3)

40Gbps光链路

4)

100Gbps光链路

5)

400Gbps光链路66

光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然10Gbps光链路

OM1级多模光纤，为LED光源设计。纤芯直径为62.5

m。带宽距离积

在850nm处为200MHz

km,

1Gpbs在850nm最大传输距离为300nm

。

OM2级带宽距离积在850nm处为500MHz

km,

1Gpbs在850nm的最大

传输距离为750nm。

50

m/

125

m

OM3级带宽距离积在850nm处为2000MHz

km,

1Gpbs在850nm的最

大传输距离为950nm。50

m/

125

m

OM4级带宽距离积在850nm处为4700MHz

km,

1Gpbs在850nm的最

大传输距离为1040nm。50

m/

125

m67

光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然产品升级需用更高级别的光纤去替换传统光纤，这时候链路中就可能存在两种以上的光纤。

如在10Gpbs的小型网络中同时存在OM2和OM3型拼接构成的光纤链

路，那么光纤带宽就决定了有效最大链路长度。有效最大长度的表达式为：BWOM3BWOM2Lmax

LOM2

LOM3例如：一位工程师要构建一条链路，链路有40m带宽为500MHz的OM2型光纤和100m带宽为2000MHz的OM3型光纤组成。其有效最大链路长度为多少？68

光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然40Gbps光链路

当链路中的数据速率达到40Gbps时，收发机的响应特性、色散控制和偏振模色散成为必需面临的问题。例如，采用OOK调制格式时，一个40Gbps链路对色散的敏感度是10Gbps链路的16倍，偏振模色散10Gbps链路的4倍，为了达到同等误码率（BER），光信噪比至少要提高6dB。69

光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然100Gbps光链路

100Gbps链路对收发机的响应特性、色散控制和偏振模色散提出了更高的要求。应对的方法采用偏振复用（PDM）与差分正交频分复用（OFDM）相结合。一般电信公司会选择偏振复用正交（PM-QPSK）做完安装的基本格式，因为PM-QPSK

对偏振模色散的容忍度高。70

光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然光传送网（OTN）

全光通信网是指信号以光的形式穿过整个网络，直接在光域内进行信号的传输、再生

、光交叉连接（OXC）、光分叉复用（OADM）和交换/选路，中间不需经过光电、电

光转换，因此它不受检测器、调制器等光电器件响应速度的限制，对比特速率和调制

方式透明，可以大大提高整个网络的传输容量和交换节点的吞吐量

。

考虑光信号固有的模拟特性和光器件的水平，光域中很难同时完成3R（再定时，整形

和放大），很难实现全光网，传送网向全光网的过度应用称为光传送网（OTN），在

子网内可以全光透明，而在子网边界处采用O/E/O，各个子网可以通过3R再生器连接

。

OTN引入光层，基于波分复用技术为基础，处理的最基本对象是光波长，客户层业务

以光波长的形式在光网络中复用，传输，路由，放大，在光域上分插复用复用和交叉

互联，是波长路由选择网络。

2SONETterminal光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然71BEOLTOADMSONET

IPterminal

RouterOXCC

D

IP

RouterLightpath

1

1

1

2

2

AIPRouter

1

X

F

IPRouter典型的OTN网络结构图波长重用波长转换透明性生存性72

光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然OTN的基本网络单元

光线路终端

Optical

line

terminals

(OLT)

光分插复用器

Optical

add/drop

multiplexers

(OADM)

光交叉互连器

Optical

crossconnects

(OXC)

上述网络单元自身均可带光放大器以补偿损耗。

网络单元基本功能

OLT:

用于点对点链路的任意一段，复用和解复用波长

OADM:

用在一部分波长需要在本地被终止，而另一部分波长需要被路由到其

他目的地

OXC:

执行与OADM同样的功能，但是用范围涉及更多的节点和波长，可以

用在网状拓扑中。

光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然光线路终端（OLT）

OLT有三个功能性器件T：转发器，波长复用器和可选的光放大器

1.

转发器：将光网络的用户层传来的信号转换成合适在光网络中内部使用的信

号

(wavelength,

line

code,

modulation,

etc.)

2.

波分复用/解复用：实现不同信号间的复用与解复用。

OLT也接与一个光学监控信道（Optical

supervisory

channel

，OSC)，这个

光学监控信道携带一个单独的波长，与携带实际信息的补偿不同。用于监控

链路上的放大器的性能。.IP

routerSONETSONETOptical

line

terminal

73Non

ITU

λ

Non

ITU

λITUλ1ITUλ2ITUλ3

λosc

LaserReceiverλoscMux/Demux

λ1

λ2

λ3TransponderO/E/O74

光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然

3.

光线路放大器

以周期性间隔用于光纤链路中间

，一般

80-120km.

Dispersion

compensator

may

be

included.

OADM

may

in

between

gain

stage.

Raman

amplifiers-distributed

amplifiers.

Optical

supervisory

channel:

monitor

the

performance

of

amplifiers.

DispersioncompensatorOADMGain

stageGain

stageλ

1

,λ2,

···,λW

λ

oscLaser

λ

osc

ReceiverRaman

pump

laser

光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然光插分复用器件（OADM,

Optical

Add/Drop

Multiplexers）NodeANode

BNode

COpticalNodeANode

BNode

COLTTransponderAdd/Drop

(a)

passthrough

Add/Drop

(b)Illustration

of

benefits

of

OADM.A-B:

1

wavelength;A-C:

3wavelengths;B-C:

1

wavelength.

(a)

point

to

point

WDM

system.

(b)

using

an

OADM

75OADM76

光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然OADM

ArchitecturesKey

attributes

of

OADM:

可以支持的波长总数？

被分下或者插入的波长的最大数目?

对于特定的波长，将其分下或者插入时是否有限制？

分析与插入信道的成本？

分析或者插入附加信道的难易程度如何？

与OADM相关的物理层通道设计的复杂性如何？最好信道经受的直通损耗与

分下或者插入的信道数无关

OADM是否是可重构的，是否可以远程控制？77

Demux

λWλ1,

λ2,…,

λW

λ2

λ1Mux

λ1,

λ2,…,

λWDropAdd(a)λ1,

λ2,…,

λWλ1,

λ2,…,

λWDemux

Band

4MuxAddBand

3

Band

2Band

1λ1

λ2

Drop

(b)λ1DropAddλ2λ1,

λ2,…,

λWλ1,

λ2,…,

λW(c)λ1,

λ2,

λ3,

λ4λ1,

λ2,…,

λW

Dropλ1,

λ2,…,

λW

Add(d)

光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然不同OADM架构

平行结构平行结构模块化串联波段分下光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然Comparison

of

different

OADM

architectureAttributesD信道限制传输信息通量变化WavelengthplanningParallel=WNone无瞬时干扰最小Serial1在规划时确定信道有瞬时干扰需要Band

drop<<W固定信道组部分瞬时干扰高度受限LossCost

(small

drops)Cost

(large

drops)固定高低变化低高固定中等中等W

信道总数，D代表一个单一OADM所能分下的最多信道

7879

光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然可重构

OADMs

可重构性Reconfigurability:

指的是快速用于选择插入或者分下所需要

波长的能力。与事先规划好并采用相应的设备相对应。这是的运行

上可以灵活地设计他们的网络，允许根据网络的需求动态的建立或

者取消某个光学通道。

几种可重构OADM的方案

使用光开关来插入或者分下特定的波长

每个单信道的OADM可作为可调谐器件，光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然801.

波长阻断结构光耦合器光耦合器插入信道分出信道N—>1光分路器1—>N光分路器波长阻断模块直通通道

1

2…

N

1

2…

N光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然812.

开关阵列结构…......光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然823.

波长选择开关结构

1

2…

N

1

2…

NWSSWSS到M个分出端口中的任意一个来自M个插入端口中的任意一个

1

2

3

16

VOA

VOA

VOAVOA波长复用器

直通光纤

分出光纤1

分出光纤k

波长选择开关

WSS

1

WSS

2

WSS

3

WSS

16

基于WSS的ROADM，可以将16个输入波长实时变换到任意输出端口

波长解

复用器

1,

2...,

1683

光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然•

4．基于阵列波导光栅（AWG）的OADM结构光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然84•

5．基于光纤光栅和光环形器的OADM85

光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然

Problems

related

上述结构只部分解决可重构问题，因为仍然需要转发器来适配光学

层，使用固定波长转发器，有一个问题1）采用了转发器，但与它相联合的OADM通过波长时，不用，资源浪

费2）虽然OADM是可重构的，但转发器不是，仍然需要实现确定那组波

长需要采用转发器，给网络规划带来限制。86

光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然

光交叉互联器（OXC）

OADMs:

useful

in

the

simple

network

topologies,

such

as

linear

and

ring.

OXCs:

handle

more

complex

mesh

topologies

and

large

number

of

wavelengths.

An

OXC

is

the

key

network

element

enabling

reconfigurable

networks,

where

lightpaths

can

be

set

up

or

taken

down

as

needed,

without

having

to

be

statically

provisioned.OXCIPSONET

SDHATMOLT87

光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然

OXC的主要功能

服务提供：以自动的方式提供光学通道.

保护：但网络中的光纤断裂或者仪器失效时，对光学通道进行保护。

比特率透明：以任意的比特率和帧格式来交换信号的能力是OXC必须具备的

性能监控、测试入口和错误定位：在中间节点为信号的性能参数提供可视性。

波长转换：除了信号从一个端口交换到另一个端口，还具有波长转换能力。

复用和填充：一般具有光学线路速率的输入和输出信号，但有时候具有复用和

填充处理的能力，以实现内部跟精细的间隔尺度。光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然88OXC

架构

OXC

一般可分以分为一个交换核和一个端口联合体。交换核是执

行交叉互联功能的开关。端口联合体包含端口插件，用来与其他设

备交换信息。

Different

types

of

OXCs:

optical

or

electrical

switch,

use

of

O/Eand

O/E/O

converters

and

how

OXC

interconnected

tosurrounding

equipment.

Opaque

configuration:

O/E

or

O/E/O

existed,

optical

or

electricalswitch.

(a)(b)

(c)

All

optical

configuration:

signal

remains

optical

as

passingthrough

the

node.

(d)O/E/OO/E/OO/E/OO/E/OO/E/OO/E/OO/E/OO/E/OO/EE/OO/EE/OO/EE/OO/EE/O光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然OLTO/E/OO/E/OO/E/OO/E/OO/E/OO/E/OO/E/OO/E/OOXC(a)O/E/OO/E/OO/E/OO/E/OO/E/OO/E/OO/E/OO/E/O(b)O/E/OO/E/OO/E/OO/E/OO/E/OO/E/OO/E/OO/E/O(a)

Electrical

switch

core(b)

Optical

switch

core

surrounded

byO/E/O

converters(c)

Optical

switch

core

directlyconnected

to

transponders

in

WDMequipment

(c)

(b)

Optical

switch

core

directly

connected

to

the

Mux/Demux

in

OLT

(d)Different

scenarios

for

OXC

deployment

89光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然特性低速填充处理交换能力波长转换交换触发器每个端口的成本功耗占地面积OpaqueElectrical(a)YesLowYesBERMediumHighHighOpaqueOptical

withO/E/Os(b)NoHighYesBERHighHighHighOpaqueOptical

withoutO/E/Os(c)NoHighYesOptical

powerMediumMediumMediumAll-Optical(d)NoHighestNoOptical

powerLowLowlow不同OXC设备配置的比较•交换触发器:

OXC

监控误码率或者光功率进行通道保护。

9091

光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然全光OXC配置

成本低，但缺少三个主要功能：低速填充，波长转换和信号再生.

波长转换对提高网络的利用率非常有效λ1λ2λ1λ2

解输入光纤1

复

用

器

解输入光纤2

复

用

器光交换矩阵λ2λ2λ1λ2复用器复用器输出光纤1输出光纤2

波长λ1变换器

λ1λ1

λ2OEOE92Wavelength

or

wavebandswitching

(optically)

Low-speed

grooming,

wavelength

conversion,

regeneration

光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然

Arealistic

“all-optical”

networknode

combining

optical

corecrossconnects

with

electrical

corecrossconnects.

Signals

are

switched

in

theoptical

domain

whenever

possiblebut

routed

down

to

the

electricaldomain

whenever

they

need

to

begroomed,

regenerated,

orconverted

form

one

wavelength

toanother.OEOEλ1,

λ2,…,

λ4

OLTLocaladd/drop

λ1,

λ2,…,

λ4OLTFrom/toclientsAn

optical

core

wavelength

plane

OXC,

consisting

of

a

plane

of

opticalswitches,

one

for

each

wavelength.

With

F

fibers

and

W

wavelengths

on

eachfiber,

each

switch

is

2F×2F,

if

we

want

the

flexibility

to

drop

and

add

anywavelength

at

the

node.

93Localaddλ1,

λ2,…,

λ4

OLTLocaldrop

光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然

λ1,

λ2,…,

λ4

OLTOXC

大型无阻塞的光开关非常贵，为降低成本，可用若干个小规模的光开关矩阵代替！每个光开关矩阵处理一个波长！

结构简化，因为光开关不需要将波长为λ

1

的输入信号交换到接受波长为λ

2的输出端口上。94

光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然几种常用的波长级交换的OXC节点的结构

•

1．基于空间光开关矩阵和波分复用、解复用器对的OXC结构95

光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然•

2．基于空间光开关矩阵和可调谐滤波器的OXC结构光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然96•

3．支持部分虚波长通道的OXC结构光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然97•

4．由电交叉连接矩阵实现的OXC节点结构98

光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然构成OLT，

OADM，

OXC的基本单元是复用器和滤波器两大应用:

在WDM系统中复用/解复用，实现波长的交叉互联或者波长的分插复用

在光放大器中实现增益均衡或者噪声的去除

对波分复用器件的主要要求是：

插入损耗小，隔离度大，串扰小；

带内平坦，带外插入损耗变化陡峭；

温度稳定性好，工作稳定、可靠；

复用通路数多，各路插入损耗相差不大，尺寸小Wavelength

filter

Wavelength

multiplexer

Wavelength

router

1,

2,

3,

4

2,

3,

4

1

2

3

4

11,

21,

31,

41

12,

22,

32,

42

光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然

1

1,

2,

3,

4

12,

21,

31,

42

11,

22,

32,

41

ji

denotes

wavelength

j

on

input

link

i

99光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然100光栅光栅形状k

=

1，2，3，…基本的光栅方程可以表示为

k

b(sin

in

sin

d

)光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然101光栅

1

d2

d1

1

d1

d2

i

1+

2

Transmission

grating

i

1+

2Reflection

gratingGrating

planeImaging

plane

2Imaging

plane

2Grating

planeAAB

CD

a

sin

i

sin

d

光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然102零级衍射，波长无分离C

D

i

daDiffraction

Pattern

Grating

plane

BFromsource___

___在象平面上干涉

a

sin

i

sin

d

m

m为衍射级数

i

d时光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然103光栅型复用、解复用器

光栅型解复用器是一种并行器

件，它可以同时分开多路不同

波长的信号，使各路的插入损

耗都一样，具有解复用路数多

，分辨率较高等优点，目前被

广泛应用于DWDM系统中Let

光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然光纤布拉格光栅Bragg

Grating

二个同方向传播的波，

0和

1,满足Bragg相位匹配条件

2

1=-

0时

2

0

2

neff

/

0

0

2neff

0称为布拉格波长，表现为一个反射式的光学滤波器

104光纤通信与光网络

·

第八讲

·

郝然105通过对折射率分布的优化，可以消除旁瓣

反射率可高可低，最高可接近

100%。

反射带宽有大的制造调节范围，

目前制造技术可实现从0.028nm

到40nm。

对于光传播的附加损耗很小，约