现代通信技术-光纤通信技术

光纤通信技术光纤和光缆数字光纤通信系统DWDMDWDM技术原理DWDM系统的组成网元DWDM系统复用DWDM网络及其拓扑结构IPOVERDWDM光纤通信技术的发展光纤通信发展的几个阶段：第一代光纤通信系统：1973～1976年的短波长（0.85mm）多模光纤通信系统，其传输速率为50~100Mbit/s，中继距离为10km；

第二代光纤通信系统：1976～1982年的长波长（1.3mm）多模和单模光纤通信系统，其传输速率为140Mbit/s，中继距离为20～50km；

第三代光纤通信系统：1982～1988年的长波长（1.31mm）单模光纤通信系统，其传输信号为PDH的各级信号，中继距离为50km；

第四代光纤通信系统：1988～至今的SDH光纤通信系统，其传输信可达2.5Gbit/s，中继距离为80km；

未来光纤通信系统：相干光通信系统、全光通信系统、光孤子传输系统，这些正从实验研究成果逐步走向商用，应用于实际光纤通信系统分类以波形和幅度均不变的光脉冲（光孤子）方式实现光信号传输，利用光放大补充能量。可实现无光/电变换的长距离传输光孤子通信系统在同一根光纤上同时传多个光载波信号，通信容量大波分复用系统全部利用光器件实现的系统，如光交换和光放大全光通信通信系统传输模拟信号，适合短距离和模拟电视图像信号传输光纤模拟通信系统石英多模光纤：传输容量大，一般在140Mbit/s以上单模光纤通信系统系统工作波长为：2mm以上，中继距离长，1000km以上超长波长光纤通信系统系统工作波长为：1.0~1.6mm，中继距离长，100km以上长波长光纤通信系统光接收机灵敏度高，中继距离长，通信容量大，设别复杂外差相干光通信系统其他传输数字信号，抗干扰能力强光纤数字通信系统传输信号形式石英多模光纤：传输容量小，一般在140Mbit/s以下多模光纤通信系统光纤特点划分系统工作波长为：0.8~0.9mm，中继距离短，10km以内短波长光纤通信系统按光波长划分特点类别光纤光纤导光原理光纤由纤芯和包层组成纤芯折射率n1>包层折射率n2

光纤利用全反射原理导光入射出射玻璃纤芯包层缓冲涂层塑料单模光纤和多模光纤模：电磁场的一种场型多模光纤：光纤中可传输多种场型单模光纤：光纤只能传输一种场型单模光纤和多模光纤特点比较多模光纤和单模光纤的结构光纤的基本特性由于单模光纤具有内部损耗低、带宽大、易于升级扩容和成本低的优点，因而得到了广泛应用。从80年代未起，我国在国家干线网上敷设的都是常规单模光纤。常规石英单模光纤同时具有1550nm和1310nm两个窗口，最小衰减窗口位于1550nm窗口。多数国际商用光纤在这两个窗口的典型数值为：1310nm窗口的衰减在（0.3～0.4）Db/km；1550nm窗口的衰减在（0.19～0.25）dB/km。光纤的基本特性光传输信道特性光缆结构：骨架式、层绞式、中心束管式类型：非带状光缆、带状光缆光缆芯数即为光缆中光纤的数量

塑料护套加强芯铝皮光纤塑料绑带光纤通信技术光纤和光缆数字光纤通信系统DWDMDWDM技术原理DWDM系统的组成网元DWDM系统复用DWDM网络及其拓扑结构IPOVERDWDM数字光纤传输系统组成数字光纤传输系统组成光发送、光接收光发送单元将高速电信号进行线路编码光线路码型无统一标准将编码后电信号转换成光信号利用光源（激光器）将光信号耦合进光纤光接收单元将接收到的光信号转换成电信号放大、整形再生将电信号进行线路解码后恢复成高速电信号光纤通信技术光纤和光缆数字光纤通信系统DWDMDWDM技术原理DWDM系统的组成网元DWDM系统复用DWDM网络及其拓扑结构IPOVERDWDMDWDM技术的主要特点可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍。使N个波长复用起来在单模光纤中传输，在大容量长途传输时可以大量节约光纤。另外，对于早期安装的芯数不多的电缆，芯数较少，利用波分复用不必对原有系统作较大的改动即可比较方便地进行扩容。由于同一光纤中传输的信号波长彼此独立，因而可以传输特性完全不同的信号，完成各种电信业务信号的综合和分离，包括数字信号和模拟信号，以及PDH信号和SDH信号的综合与分离。波分复用通道对数据格式是透明的，即与信号速率及电调制方式无关。一个WDM系统可以承载多种格式的“业务”信号，ATM、IP或者将来有可能出现的信号。WDM系统完成的是透明传输，对于“业务”层信号来说，WDM的每个波长就像“虚拟”的光纤一样。DWDM技术的主要特点在网络扩充和发展中，是理想的扩容手段，也是引入宽带新业务（例如CATV、HDTV和B-ISDN等）的方便手段，增加一个附加波长即可引入任意想要的新业务或新容量。利用WDM技术选路来实现网络交换和恢复，从而可能实现未来透明的、具有高度生存性的光网络。在国家骨干网的传输时，EDFA的应用可以大大减少长途干线系统SDH中继器的数目，从而减少成本。距离越长，节省成本就越多。DWDM技术原理在模拟载波通信系统中，为了充分利用电缆的带宽资源，提高系统的传输容量，通常利用频分复用(FDM)的方法，即在同一根电缆中同时传输若干个信道的信号，接收端根据各载波频率的不同，利用带通滤波器就可滤出每一个信道的信号。同样，在光纤通信系统中也可以采用光的频分复用的方法来提高系统的传输容量，在接收端采用解复用器（等效于光带通滤波器）将各信号光载波分开。由于在光的频域上信号频率差别比较大，人们更喜欢采用波长来定义频率上的差别，因而这样的复用方法称为波分复用。DWDM技术原理WDM本质上是光域上的频分复用FDM技术，每个波长通路通过频域的分割实现。每个波长通路占用一段光纤的带宽，与过去同轴电缆FDM技术不同的是：（1）传输媒质不同，WDM系统是光信号上的频率分割，同轴系统是电信号上的频率分割利用。（2）在每个通路上，同轴电缆系统传输的是模拟信号4kHz语音信号，而WDM系统目前每个波长通路上是数字信号SDH2.5Gb／s或更高速率的数字系统。DWDM技术原理DWDM长途光缆系统中，波长间隔较小的多路光信号可以共用EDFA光放大器。在两个波分复用终端之间，采用一个EDFA代替多个传统的电再生中继器，同时放大多路光信号，延长光传输距离。在DWDM系统中，EDFA光放大器和普通的光／电／光再生中继器将共同存在，EDFA用来补偿光纤的损耗，而常规的光／电／光再生中继器用来补偿色散、噪声积累带来的信号失真。DWDM技术原理现在，人们都喜欢用WDM来称呼DWDM系统。从本质上讲，DWDM只是WDM的一种形式，WDM更具有普遍性，DWDM缺乏明确和准确的定义，而且随着技术的发展，原来认为所谓密集的波长间隔，在技术实现上也越来越容易，已经变得不那么“密集”了。一般情况下，如果不特指1310nm／1550nm的两波分WDM系统，人们谈论的WDM系统就是DWDM系统。DWDM系统的基本形式DWDM系统的基本构成主要有以下三种形式：双纤单向传输单纤双向传输含OADM的传输DWDM系统的基本形式双纤单向传输DWDM系统的基本形式双纤单向传输DWDM系统的基本形式含OADM的传输光纤通信技术光纤和光缆数字光纤通信系统DWDMDWDM技术原理DWDM系统的组成网元DWDM系统复用DWDM网络及其拓扑结构IPOVERDWDMDWDM系统的组成网元波分复用器件波分复用器件是波分复用系统的重要组成部分，将不同光源波长的信号结合在一起经一根传输光纤输出的器件称为合波器，反之，经同一传输光纤送来的多波长信号分解为个别波长分别输出的器件称分波器。有时同一器件既可作分波器，又可以作合波器。波分复用器件熔锥型波分复用器

熔拉双锥（熔锥）型光纤耦合器，即将多根光纤在热熔融条件下拉成锥形，并稍加扭曲，使其熔融在一起。由于不同光纤的纤芯十分靠近，因而可以通过锥形区的消失波耦合达到所需要的耦合功率。熔锥型WDM器件制造简单，更易于批量生产，因而应用更广泛。

熔锥型WDM器件的特点是插入损耗低（最大值<5dB，典型0.2dB），无需波长选择器件，此外还具有较好的光通路带宽／通路间隔比和温度稳定性，不足之处是尺寸稍大，复用波长数少，隔离度较差（20dB左右），一般不用在目前的密集波分复用系统中。波分复用器件干涉膜滤波器型光合波分波器

在初期的WDM系统中，由于波道数少，多采用干涉膜滤波器作为光合波分波器。但要分离间隔为1nm左右的波长较为困难。后来通过收进制膜方法，制成了可以分离间隔为1nm的波长的滤波器。目前WDM传输技术发展得非常迅速，要求分离的波长的波道间隔越来越窄，所以还需要进一步改进制膜方法。另外，干涉膜滤波器是采用串联分波的，波道间的损耗偏差较大，这也是需要改进的。波分复用器件光栅型波分复用器一种是由光纤阵列、透镜和光栅构成的光合波分波器。基本原理：多个波长的光束入射衍射光栅时，每个波长分量朝着空间内不同的点衍射，从而可以实现

光合波分波的作用。波分复用器件阵列波导型波分复用器阵列波导光栅(AWG，ArrayWaveguideGrating)的概念是荷兰Delft大学的Smit

在1988年提出来的。AWG可实现数十个乃至上百个波长的复用与解复用利用。AWG基础：干涉测量技术的原理。在光纤输入端上的多个波长进入与波导阵列相耦合的空腔S1。每个波导的光学长度不一样使得在与光纤阵列耦合的空腔S2中与波长相关的相位延时不同。每个波长的相位差使干涉的结果会在某根光纤上得到的某个波长的最大贡献。用扇形波导代替光纤阵列更利用集成。波分复用器件阵列波导型波分复用器光放大器为什么需要放大器由于长距离的传输，信号的光功率电平必须周期性地调整。光放大器是重建被衰落的光信号，从而扩展数据源和目的地之间有效的光纤长度的关键器件。放大器的主要特征：增益、增益效益、增益带宽、增益饱和、偏振灵敏度和噪声等。增益是输出功率对输入功率的比值增益效率是增益对输入功率的函数带宽是频率的函数，增益带宽是放大器有效的频率范围增益饱和是尽管输入功率增加但输出功率不再增加噪声是放大器固有的特征偏振灵敏度是光放大器的增益与信号偏振的依赖关系光放大器在光通信网络中，有两种不同的放大方：再生器光放大器光放大器再生器再生器：接收（以高比特率）调制的光信号，将它转换为同样比特率的电信号，将电信号放大，再将该电信号变换回同样调制和同一比特速率的光信号。再生器组成：光接收器、电放大器、光发送器等三部分再生器的附加功能：定时、差错恢复、脉冲整形等再生器分类：1R放大器2R具有放大和整形功能3R有放大、整形和定时恢复功能

再生器放大单个波长并保持其强度。在多波长系统，需要相等数量的再生器。因此，可以认为在具有几个再生器（典型地，每隔40km一个）的光链路中多波长光纤系统的维护成本是很大的。光放大器再生器光放大器光放大器光放大器（OA）是基于通常的激光器原理的一种器件。它接收一个或多个每个均处于窗口光频内的光信号，同时放大所有的信号。这在多波长光通信系统中比再生器有更大的优点，因为一个器件代替了许多器件。OA是1R放大器，即它只直接地放大光信号。OA有两种：半导体激光器型放大器（SOA）光纤型放大器（例如，掺铒光纤EDFA、掺铒光纤镨PDFA）光放大器光放大器光放大器光放大器EDFA放大器一个典型的EDFA放大器由掺铒光纤EDFA、泵浦源和波分复用器组成。掺铒光纤EDFA。EDFA是一段用稀土元素铒高浓度掺杂的几米长的光纤，提供提供放大。

EDFA是利用激光泵浦石英光纤中掺铒离子（E3+）的受激辐射来实现对1550nm波段光信号的放大。由于光放大器有很宽频带一般在1530nm～1565nm，这给采用EDFA的光系统提供了“透明”特性，放大与信号码率和信号格式无关，而且能把各波长信号光同时放大。光放大器泵浦源提供足够强的泵浦功率。泵浦源有两种，即980nm和1480nm。980nm泵浦源可以保持较低的噪声系数，而1480nm泵浦源有着更高的泵浦效率，可以获得较大的输出功率（相对于980nm，大3dB左右）。光放大器在实际的线路放大器应用中，对于8路WDM系统，大多采用980nm，这是因为G.652光纤的WDM系统主要是色散受限，而非损耗受限，因而采用1480nm会增大系统功率衰耗，提高EDFA的输出功率并没必要；采用980nm获得最佳的噪声系数反而有利干系统性能。对于16路以上的WDM系统，则采用了1480nm的泵浦源。这是由于较大的分路比减少了可用功率范围，必须采用功率更大的泵浦源。有的公司采用了两级泵浦，一级采用980nm，一级采用1480nm泵浦源。既改善了噪声系数，又增大了输出功率。波分复用器将信号与泵浦光混合。光放大器EDFA的应用基本形式:光放大器有4种应用：发送侧波分复用器之后放大信号的光放大器：功率放大（BoosterAmplifer)线路上的光放大器：线路放大(LineAmplifer)接收侧解复用器之前的光放大器：前置放大(Preamplifer)用于光纤局域网络中作为分配补偿放大器，以便增加节点数目：LAN放大光放大器光放大器DWDM中的EDFA为了确保WDM系统的传输质量，WDM中使用的EDFA应具有足够的带宽、平坦的增益、低噪声系数和高输出功率。特别是增益平坦度，这是WDM传输系统对EDFA的一个特殊要求。应用于WDM系统的光纤放大器较之单信道系统中的光纤放大器要求具有更宽的带宽。光转发器光转发器（OTU，OpticalTransponderUnit）对于开放式波分复用系统而言，在发送端必须设有光波长转发器（OTU),其主要作用是在不改变光信号的数据格式的情形下（例如：SDH帧结构），将光波长按照一定的要求重新转换，以满足WDM系统的设计要求。所谓的“开放式”是指在同一个WDM系统中，可以接入不同厂商的SDH系统，将非规范的波长转换为标准波长。光转发器光转发器基于O/O的全光波长变换器(OWC)O/EE/O3R光输入光输出OTU光纤通信技术光纤和光缆数字光纤通信系统DWDMDWDM技术原理DWDM系统的组成网元DWDM系统复用DWDM网络及其拓扑结构IPOVERDWDMDWDM系统的复用SONET/SDH速率等级光载波SONET/SDH信号比特速率OC-1STS-151.84MbpsOC-3STS-3/STM-1155.52MbpsOC-12STS-12/STM-4622.08MbpsOC-48STS-48/STM-162488.32Mbps0C-192STS-192/STM-649953.28MbpsDWDM系统的复用TDM的复用OC-192TDMMUXFiberOC-192x160

WDMDS-1DS-3OC-3OC-12OC-48OC-3ctoOC-48cDS-1DS-3OC-3cATMOC-3ctoOC-192cDS-1DS-3OC-3c-OC-48cIPDWDM系统的复用WDMDWDM系统的复用TDM&DWDMDWDM系统的复用StrengthofWDM+TDM:ServiceMix&LowCostDWDM系统的复用DWDM系统的复用ITU-T建议在C波段从1528.77nm开始并以50GHz/100GHz/200GHz的倍数递增形成通路（波长）DWDM系统的复用4-ldense-WDMcostmodelDWDM系统的复用光通道层：为各种业务提供段到段的透明传送，主要功能包括：为网络路由提供灵活的光通道层连接重排；具有确保光通道层适配信息完整性的光通道开销处理能力；具有确保网络运营与管理功能得以实现的光通道层监测能力。光复用层：可为多波长光信号提供联网功能，包括：确保光复用层适配信息完整性的光复用开销处理能力；确保层操作与管理能力而提供的光复用层监测功能。光传输层：可为关信号提供在各种光纤上传输的功能，包括对光传输层中光放大器、光纤色散等的监测与管理功能。DWDM系统的分层结构光纤通信技术光纤和光缆数字光纤通信系统DWDMDWDM技术原理DWDM系统的组成网元DWDM系统复用DWDM网络及其拓扑结构IPOVERDWDMDWDM网络及其拓扑结构光网络进展DWDM网络及其拓扑结构DWDM网络及其拓扑结构光分插复用(OADM)光分插复用（OADM）以波长为分插复用支路信号单位。设备是全光网络的关键节点设备之一。类似于SDH的ADM设备，OADM的基本功能是从WDM传输线路上选择性地分插和复用某些光通道，而不影响其它光通道的透明传输。如果选择某个或某些固定的波长通道进行分插复用，则称为固定波长OADM。如果分插复用的波长通道是可配置的，则称为可配置（动态）OADM；如果是前两种情况的综合，称为半可配置OADM。OADM有效克服了传统电子ADM设备的电子瓶颈限制，大大拓展了网络带宽。DWDM网络及其拓扑结构完整的OADM系统还具有以下附加功能线路（或称复用段）及通道保护倒换功能，支持各种自愈环，包括二纤单向复用段保护环、二纤单向通道保护环、二纤双向复用段保护环、二纤双向通道保护环、四纤双向复用段保护环，和链型组网等；光中继放大和均衡功能，每个OADM节点根据需要可具有光功率放大功能，以弥补光线路和OADM节点本身带来的光功率损耗，使OADM节点设备适应不同跨距的应用；同时OADM节点也可根据需要配置光功率均衡功能（包括线路光功率均衡和通道光功率均衡），以提高传输系统的性能；上路光通道波长指配、下路光通道端口指配功能，这是一种独特的功能，具有这种功能的OADM可以使某一上路信号以不同的波长接入光网络，相当于接入OTU具有可调偕波长变换功能；而下路信号可以指配到不同的光纤端口；具有这一功能可以极大地扩展OADM在实际组网应用中地灵活性；多业务接入功能，如STM-N系列SDH信号的接入和千兆以太网信号的接入根据应用场合的具体要求，可以配置不同的基本功能和附加功能。DWDM网络及其拓扑结构光通道保护环

光通道保护环（OpticalChannelProtectionRing）类似于SDH系统中的通道保护环，采用双发选收方式实现保护。如图所示，WDM环中的各节点在发端同时向环上的两个方向传输。当环上某段光纤或节点出现故障时，收端OADM检测到某一方向信号丢失后自动切换，选择接收另一方向的信号.DWDM网络及其拓扑结构DWDM网络及其拓扑结构光复用段保护环（OpticalMultiplexSectionProtectionRing）保护方式与通道保护环完全不同，如图所示，假设正常情况下A点-C点有业务传输，占用一个光波道。当BC间光路中断时，该业务将按照协议倒换到A－B－A－F－E－D－C路由，并占有另外一条光波道，。一般来说，业务集中型网络多采用光通道保护环方式，省级干线和业务分散型网络多采用光复用段保护环方式。DWDM网络及其拓扑结构DWDM网络及其拓扑结构光交叉连接（OXC）光交叉连接设备（OXC）是一种基于波长的光交叉连接设备，能在光域实现高速信息的接入、传输、路由交换及故障恢复。OXC设备由光交叉连接矩阵、多波输入输出传送接口单元、本地业务接口上下单元、光复接分接单元、光监控信道和网络管理单元组成。OXC是用于光纤网络节点的设备，通过对光信号进行交叉连接，能够灵活有效地管理光传输网络，是实现可靠的网络保护／恢复以及自动配线和监控的重要手段。DWDM网络及其拓扑结构DWDM网络及其拓扑结构OXC与DXCOXC与DXC在网络中的作用相同，但功能和实现的方法不同。主要的不同点是：OXC是对光信号交叉连接，DXC是对电信号交叉连接。OXC具有透明的传输代码格式和比特率，可以对