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光纤通信及其发展. 光纤通信基本知识 光波分复用 光波网络. 报告人：刘增基 综合业务网国家重点实验室 E-mail:zjliu@xidian.edu.cn. 光纤通信基本知识 光纤传输系统的基本组成. 光纤通信：以光导纤维（光纤）为传输媒质，以光波为载波，实现信息传输。 光纤传输系统的基本组成. 光发射机. 光接收机. 已调. 光纤线路. 光调制器. 光源. 光检测器. 光信号. 调制电信号. 解调电信号. 基带处理. 基带处理. 基带电信号. 基带电信号. 光纤通信基本知识 光纤的传光原理.
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光纤通信及其发展 光纤通信基本知识 光波分复用 光波网络 报告人：刘增基 综合业务网国家重点实验室 E-mail:zjliu@xidian.edu.cn
光纤通信基本知识光纤传输系统的基本组成 • 光纤通信：以光导纤维（光纤）为传输媒质，以光波为载波，实现信息传输。 • 光纤传输系统的基本组成 光发射机 光接收机 已调 光纤线路 光调制器 光源 光检测器 光信号 调制电信号 解调电信号 基带处理 基带处理 基带电信号 基带电信号
光纤通信基本知识光纤的传光原理 构成光纤的材料是石英纤维（SiO2）;光纤由内芯和包层组成，芯的折射率略大于包层，利用光在内芯的折射或在芯与包层界面上的全反射实现光的传播。 n2 n1 SIF n1 GIF
光纤通信基本知识光纤基本类型 • 突变折射率型多模光纤（SIF）：纤芯直径＝50～60μm，光线以折射形状沿纤芯轴线方向传播，存在多条路径，并有较大的时延差，因而信号畸变大。 • 渐变折射率型多模光纤（GIF）：纤芯直径＝50μm，光线以曲线形状沿纤芯轴线方向传播，各条路径时延差较小，因而信号畸变较小。 • 单模光纤（SMF）：纤芯很细，直径约10 μm，光线以直线形状沿纤芯轴线方向传播，只有一种传播模式，信号畸变很小。
光纤通信基本知识光纤传输特性 • 传输损耗，由材料吸收和杂质散射等因素引起。有三个低损耗窗口：（1）0.85μm附近，损耗2~4dB/km;（2）1.31 μm附近，损耗约0.5dB/km;（3）1.55 μm附近，损耗约0.2dB/km。 • 色散（Dispersion）：一般包括材料色散、模式色散、波导色散等，引起接收的信号脉冲展宽，从而限制了信息传输速率。 • 中继器间距受损耗限制和色散限制。 • 色散限制用距离带宽积（Mbps·km）表示。三类光纤中SMF最高，GIF次之，SIF最低。
光纤通信基本知识实用光纤标准 • G.651：GIF型光纤，适用于中小容量和中短距离； • G.652：常规单模光纤，第一代SMF，在波长1.31 μm处色散为零，传输距离只受损耗限制，适用于大容量传输； • G.653：色散移位光纤，第二代SMF，在波长1.55 μm色散为零，损耗小，适用于大容量长距离传输 • G.654： 1.55 μm损耗最小的SMF， 1.31 μm处色散为零； • G.655：非零色散光纤，是新一代的SMF，适用于波分复用系统，提供更大的传输容量。
光纤通信基本知识光发射机 • 光源： ·发光二极管（LED）：自发辐射，输出光功率小，谱宽，稳定，长寿命（107），价低，适用于小容量、短距离传输系统。 ·激光二极管（LD）：受激辐射，输出光功率大，谱窄，波长稳定，长寿命（105至106），价高，适用于大容量、长距离传输系统。 • 光调制器：目前采用强度调制（由于光源频谱不纯，尚未实现相干光通信）；分内调制和外调制，对于数字调制，用光脉冲的有无代表数字信息（0和1）。
光纤通信基本知识光接收机 • 光检测器的功能：光信号的解调（O/E） • 光检测器的类型：PIN光电二极管、雪崩光电二极管（APD） • 光接收机的灵敏度取决于噪声特性（包括光检测器的噪声和电放大器的噪声）和误码率指标 • APD是有增益的光电二极管适用于灵敏度要求较高的场合，但需采用复杂的温度补偿电路，故成本高；在灵敏度要求不高的场合，宜采用PIN管。 • 光接收机中还有电的放大器、自动增益控制电路、均衡再生电路等。
光纤通信基本知识光纤通信发展阶段 • 1966年高琨指出了用光纤进行信息传输的可能性和技术途径； • 第一阶段（1966～1976年），从基础研究到商业应用的开发时期，实现了短波长（0.85 μm）低速率（45或34Mb/s）多模光纤通信系统，无中继距离约10km； • 第二阶段（1976～1986年），大发展时期，光纤从多模发展到单模，工作波长从短波长发展到长波长（1.31和1.55 μm）,实现了1.31μm、传输速率140～565Mb/s的单模光纤传输系统（PDH） ，其无中继距离为50～100km； • 第三阶段（1986年～），全面深入开展新技术研究，实现了1.55 μm单模光纤通信系统（SDH） ，速率达2.5~10Gb/s,无中继距离为100～150km；1996年后，研发波分复用光纤通信系统，每波长传输速率10或40G及光波网络。
光纤通信基本知识光纤通信特点与应用 • 传输容量很大：2.5G～10G/波长；每光纤采用波分复用技术，可容纳几十至上百个波长；每根光缆可含几十至上百根光纤。 • 传输质量很高，误码率很低（小于10－9） • 中继距离很长（50～150km） • 抗电磁干扰性能好 • 泄漏小，保密性能好 • 应用广泛：大容量骨干网、计算机局域网与广域网、光纤接入网、有线电视网等
波分复用 • 信道复用技术 • 光波分复用原理 • 点对点光波分复用传输系统 • 光波分复用器件
信道复用技术 • 信道复用：在同一信道上同时传输N路或N个用户的信息（N>1） ，其基本方法是将该信道划分为N个子信道。 • 频分复用（FDM）：各子信道占用不同的频带，用滤波器分路；新发展的技术有正交频分复用（OFDM）、编码正交频分复用（COFDM）。 • 时分复用（TDM）：各子信道占用不同的时隙，用门分路；又有同步时分复用和异步时分复用（又称统计时分复用）之分。 • 码分复用（CDM）：各子信道采用不同的相互正交的码序列，用相关器分路。 • 光波分复用（WDM）：各子信道采用不同的光载波，用光滤波器分路。
光波分复用原理 • 光波分复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的技术。 • 发送端复用（OMUX）：组合不同波长的光信号并耦合到同一根光纤中。 • 接收端解复用（ODMX）：分离不同波长的光信号并作进一步处理。 • 中继放大：经过一定距离的传输后，要用宽带放大器对光信号进行放大；目前普遍采用掺铒光纤放大器（EDFA）。
波分复用技术的发展概况 • BWDM：利用1.3和1.55µm附近两个低损耗窗口构成两个波长的WDM系统 • DWDM：在1.55(1.50~1.60) µm窗口，同时用8，16或更多个波长，其中各波长之间的间隔约为1.6nm，0.8nm或更小，对应于200GHz,100GHz或更窄的频率间隔，得到广泛应用（以下用WDM表示）。 • DWDM＋EDFA＋G.655光纤＋光子集成，是长途光纤宽带传输的主要技术方向。 • 目前水平：商用系统：40×10Gb/s 实验室：82×40Gb/s=3.28Tb/s • 基于WDM和波长选路的光传送网已成为主要的核心网
WDM的特点 • 利用多个波长并行传输，突破电子电路的速率极限，减小了光纤色散的影响，充分利用光纤的巨大带宽资源，使单根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍、几十倍甚至几百倍 • 各波长的信道相对独立，可同时传输不同类型、不同速率的信号 • 可降低对O/E，E/O器件要求 • 在光域传输的透明性好 • 高度的组网灵活性、经济性和可靠性
SDH 1 1 2 2 光放大器 MUX DMX ATM W 光纤 W 光发射机 光接收机 接口 接口 光域 接口：可提供不同的业务，支持不同的协议 光发射机（E/O）：可工作于不同波长的激光器 光波分复用器 光放大器 光波分解复用器：分离不同波长的光信号 光接收机（O/E）：灵敏度应与波长无关 举例：W=32，Rb=10Gb/s，传输距离500km，放大器间距125km 光波分复用传输系统 IP 双 纤 双 向 单 纤 双 向
ITU－T DWDM 标称波长 频率(THz) 波长(nm) 频率(THz) 波长(nm) 频率(THz) 波长(nm) 196.100 1528.77 194.800 1538.98 193.500 1549.32 196.000 1529.55 194.700 1539.77 193.400 1550.12 195.900 1530.33 194.600 1540.56 193.300 1550.92 195.800 1531.12 194.500 1541.35 193.200 1551.72 195.700 1531.90 194.400 1542.14 193.100 1552.52 195.600 1532.68 194.300 1542.94 193.000 1553.33 195.500 1533.47 194.200 1543.73 192.900 1554.13 195.400 1534.25 194.100 1544.53 192.800 1554.94 195.300 1535.04 194.000 1545.32 192.700 1555.75 195.200 1535.82 193.900 1546.12 192.600 1556.55 195.100 1536.61 193.800 1546.92 192.500 1557.36 195.000 1537.40 193.700 1547.72 192.400 1558.17 194.900 1538.19 193.600 1548.51 192.300 1558.98 频 率 间 隔=100GHz 波 长 间 隔 约 0.8nm 192.200 1559.79 192.100 1560.61
光波分复用器件 • 耦合器 • 滤波器 • 波分复用器/ 解复用器 • 掺铒光纤放大器（EDFA ） • 用于WDM的激光器
耦 合 器（1） 功能：组合来自不同光纤的光信号或 将光信号分离到不同的光纤中 工作原理：分光纤型、微光学机械型、波导型。从性能和价格考虑，光纤型为最好。下面介绍光纤型耦合器的基本结构和工作原理。把两根或多根光纤排列，用熔拉双锥技术制作。在熔接区，光纤变细，相互靠近，发生了耦合。由于常规单模光纤中大约有20％的光是靠包层传输的，光纤变细就有更多的能量分布于芯线外，加之光纤相互靠近，于是在耦合区就发生了不同程度的耦合。 N×1 1×N N×M 耦合区
耦合器（2） Pi1 Po1 Pit Pot PiN PoN 性能参数 （1）耦合比CR：一个指定输出端的光功率Poc与全部输出端光功率总和Pot的比值，用％表示 CR＝Poc/Pot=Poc/(PO1+…+PON) 功率分路损耗 Ls=－10lg(CR) dB 光纤型耦合器的耦合比与耦合区光纤芯径的大小、芯间的距离以及波长有关。 （2）附加损耗Le ： 由散射、吸收和器件缺陷引起，是输入光功率总和Pit与输出光功率总和Pot的比值，用dB表示 Le=10lg(Pit/Pot)
耦合器（3） 性能参数 （3）插入损耗Lt：是一个指定输入端的光功率Pic与一个指定输出端的光功率Poc的比值，用dB表示 Lt=10lg(Pic/Poc) Lt=Ls＋Le （4） 方向性DIR（隔离度） 是一个输入端的光功率Pic与由耦合器反射到其它端的光功率Pr之比，用dB表示 DIR＝10lg(Pic/Pr) （5）均匀性 Uniformity(dB)=Ltmax－Ltmin （6）其它参数：热稳定度、极化稳定度、工作温度范围等 性能参数的技术规范 可看器件数据手册。
光滤波器 • 光滤波器是WDM系统中的重要器件，常用来构成波分复用器和解复用器。 • 主要要求： —插入损耗小，并应该与输入光的偏振态无关； —通带应对温度的变化不敏感，在整个工作温度范围（大约100℃）波长漂移应远小于相邻信道的波长间隔； —为使级联滤波器的总特性满足通带要求，单个滤波器的通带特性应尽可能平直或矩形系数应尽可能接近于1。 • 分类：光纤光栅型、干涉型、波导型
d θi L 衍射光栅 透射光栅 光滤波器（光栅型） 以透射光栅为例。入射光（平面波）经缝隙产生衍射（球面波），波长λi的主波束的最大值方向满足方程 dsinθi=mλi,故可分离不同的波长。角度的分离可在影像面变成距离的分离：yi=Ltanθi 光栅的工作原理 入射光 衍射光栅 λ1 影像面 λ1 λi λ2 λ1 λ2 影像面 λ1＋λ2 入射光 反射光栅
光滤波器（FBG型） • Fiber Bragg Grating(FBG)是衍射光栅概念的发展，其衍射是由光纤内部折射率的变化实现的。 • FBG好象一个窄带的反光镜，只反射一个波长而透射其余的波长。 • 被反射的波长称为Bragg波长，满足条件： 2Λneff =λB Λ λB λ1 ,λ2 …λB …λN λ1 ,λ2 …λN 这里neff 是纤芯的等效折射率；Λ是光栅周期（相邻折射率最大点间的距离）。
光滤波器（F－P型） • Fabry-Perot(F-P)滤波器又称F-P干涉仪，是由两块平行的高反射率的镜面构成谐振腔，对特定波长λo的光波发生谐振而得到频率选择性。 λo=2L/m m为整数 • F－P滤波器的功率传递函数 (参看图7.19) TFP(f)=[αm(1－R)2]/{(1－R αm)2＋4Rαmsin2[2π(f－f0)L/ν]}式中 R是腔壁的反射系数； αm是内部损耗； L是腔体的长度； ν是腔体内的光速＝c/n • 谐振腔可多个串联，以改善选择性。 L 入射 同相相加的波输出 来回反射 mirror mirror
光滤波器（多层介质薄膜谐振腔） • 这是反射镜采用多层介质薄膜的F－P干涉仪 • 是一种带通滤波器，只允许特定波长的光通过 • 结构 • 用多腔使通带 顶部更加平坦， 改善矩形系数 (参看图7.21) 腔1 腔2 腔3 反射介质
光滤波器（MZI型） • MZI（Mach-Zehnder Interferometer）通常以集成光波导的形式出现，用两个3dB定向耦合器连接两条不同长度的光通路。 • 耦合器1将输入信号等分并引入两条光通路，长臂与短臂之间的行程差是ΔL，对应于两个波长引入不同的相移： Δθi=2πneff ΔL/ λi =β ΔL 式中β是传播常数 • 在耦合器2两路光线相互 干涉，结果λ1和λ2的最 大方向分别指向光纤1和 光纤2（ Δθ1＝ 2π n； Δθ2＝ mπ ） ΔL 光纤2 C1 C2 λ2 光纤1 λ1 λ1＋λ2 P1(λ1)/Pin=cos2[Δθ1/2] P2(λ2)/Pin=sin2[Δθ2/2]
光滤波器（阵列波导光栅AWG） 输入耦合器 阵列波导 输出耦合器 输入波导 输出波导 λ1…λN λ1 λN AWG（Arrayed Waveguide Grating）是MZI的推广形式。 通常制作成平面结构，每一阵列波导的长度与其相邻波导差一个常数ΔL 。输入耦合器将输入光等分到阵列波导。通过阵列波导的输入光的每一部分均包括光的所有波长，每一波长有一个相移Δθi=2πneff ΔL/ λi。此外，每一波长在输入和输出耦合器中受到相移。结果是一个波长的每一空间分量受到不同的相移，并在输出耦合器中相互干涉，形成一系列最大光强，它们的方向取决于波长值。
可调谐光滤波器 • 用于光接收机前端或作为动态光交换网络的元件。 • 上述固定光滤波器大多可做成可调谐的，主要有： ·FP（通过变F－P滤波器谐振腔长度L调谐） ·衍射光栅（调反射光栅的角度） ·FBG ：2Λneff =λB（调Λ，通过加热或用力拉伸） ·MZI： Δθi=2πneff ΔL/ λi （在一个臂变折射率） ·AOTF：声光可调谐光滤波器（通过可变频率的声表面波形成Bragg光栅，而声波由电声转换器件产生） ·EOTF：电光可调谐光滤波器（通过电光效应形成Bragg光栅）
可调谐光滤波器的典型特性 可调谐光滤波器类型 FP 衍射光栅 FBG MZI AOTF EOTF 调谐范围（nm） 60 100 7 10 400 10 3dB带宽（nm） 0.5 1 1 0.01 1 2 信道数 10 100 10 10 调谐时间 ms ms μsμs μs ns 损耗(dB) 2 4 0.1 >5 6 5 偏振损耗(dB) <0.1 >1 <0.5 旁瓣抑制比(dB) 20 分辨率(nm) 0.02
波分复用器/ 解复用器（WDM MUX/DEMUX） λ1 λ1 λ2 …λN • 复用器/解复用器功能:组合/分离不同波长的光信号。 • 有时一个器件同时完成复用和解复用功能；有时复用和解复用分别用不同的器件。 • 主要性能参数： ·信道数：器件能复用/解复用的波长信道数，典型值是4,8,16,32,40,48 ·中心波长（频率） ·信道间隔：器件能够处理的最小信道间隔，标准值是50(0.4),100(0.8),200GHz(1.6nm) ·通带宽度：指一个波长的带宽，通常厂家给出按损耗1,3,20dB计的带宽 ·最大插入损耗（典型值1.5-6dB） OM λN λ1 λ1 λ2…λN OD λN ·插入损耗均匀度（<1.5dB） ·隔离度：MUX要求>30dB DEMUX可低到18dB
波分复用器/ 解复用器举例（WDM MUX/DEMUX） 透镜 DTMF 透镜 • MZI和AWG是可逆器件，既可作DEMUX，也可作MUX • 多层介质薄膜滤波器（DTMF）也是可逆的，基于它的一种MUX/DEMUX如图所示。 光纤 λ1 …λ8 λ1 光纤 λ3 λ5 λ2 λ7 λ4 λ6 玻璃衬底 光纤 λ8
光传送网（OTN） • 基于WDM和波长选路的光通道网络 • 光分插复用设备（OADM） • 光交叉连接设备（OXC） • 路由与波长分配 • 光通道网络的管理与控制 • 光网络的生存性
光通道网络基本结构 OXC ：Optical Cross-connect 光交叉连接设备 E-XC ：Electrical Cross-connect 电的交叉连接设备 A（如SONET或ATM VP网的交叉连接设备） OLT ：Optical Line Terminal 光线路终端，光通道连接不同OLT
光通道网络网元连接模型 NE：Network Element 网元；Optical Path:光通道 REP：Repeater 中继器 MS：Multiplex Section 复用段； OMS：Optical Multiplex Section 光复用段 OTS：Optical Transmission Section 光传输段
光传送网络的分层结构 • 光传送网的功能：为透明传送SDH、PDH、ATM、IP等业务信号提供光通道。 • 光通道层：负责选路和波长分配，提供端到端的连接；负责光通道的运行、维护和管理(OAM)。 • 光复用段层：保证相邻两个波长复用设备间多波长复用光信号的完整传输，负责该段的OAM。 • 光传输段层：为光信号在不同的媒质（如G.652,G.655光纤）上提供传输功能。 ITU－T G.872 数字化用户层 光通道层 光层 光复用段层 光传输段层 光接口 光通道是一个波长的端到端连接。根据结点是否提供波长转换功能，分为波长通道和虚波长通道。
光分插复用设备（OADM） • OADM(Optical Add/Drop Multiplexer)的功能：从OWDM系统中分下和插入一个或多个波长信道 • OADM的原理：在结点本地先分接后复接 • OADM的几种实现方法： • （1）平衡MZI＋FBG • （2）FBG＋环形器 • （3）DTMF＋环形器 • 见下页的图 λx λ1 λ2 …λN 输入 λ1 λ2 …λN 输出 λx Add 多波长 输入 多波长 输出 OD OM Drop
光分插复用设备（续） FBG at λs 输入 输出 λ1 λ2 … λN λ1 λ2 … λN 平衡MZI＋FBG λdrop λadd 3dB耦合器 3dB耦合器 环行器 环行器 1 FBG＋环行器 2 2 1 多个波长输出 多个波长输入 3 3 MUX DEMUX … … Drop Add
光分插复用设备（续） 2×2开关 环行器 环行器 DTMF DTMF 1 2 3 λ1 λ1 2 多个波长输入 1 多个波长输出 3 Dropλ1 DTMF＋环行器 Add λ1 1 3 2 λ2 λ2 λ2 2 3 Add λ2 1 Dropλ2 1 3 2 λ3 λ3 2 3 Add λ3 1 Dropλ3 3 1 2 λ4 λ4 2 1 Add λ3 Dropλ4 环行器是一种特殊的定向耦合器 可变衰减器
光分插复用设备（续） OLT OLT OADM OADM 组网应用 链形 λm λs OADM 环形 OADM OADM OADM
光交叉连接设备（OXC） • 光纤（空分）交叉连接器 • 波长选择交叉连接器WSXC • 波长变换交叉连接器WIXC
光纤（空分）交叉连接器 M×M开关 光纤 1 光纤 1 • 光开关：多光纤输入输出，每路光纤中可以是多波长信号，交换的基本单位是一路光纤的容量。 • 基本开关单元 ·1×1 ·1×2 ·2×2 2 2 … … M M 2 1 1 1 3 2 1 2 1 4 3 4 3 Bar Cross
光纤（空分）交叉连接器（续） V • 电光开关：由光分支波导与半导体光放大器（SOA）组成 • 微电子机械光开关（MEMS）：MEMS（Micro-Electro-Mechanical-System）是由半导体材料如Si等构成的微机械结构，将电、机械和光合为一块芯片。它通过静电的作用使可动的微镜面发生转动，从而改变入射光的传播方向。 SOA 2×2 1×1 GRIN lens 1 2 3
Gate-SW在12 Switch转换期间关闭，避免功率暂态 传至下一结点 光纤（空分）交叉连接器（续） • 用1×2或2×2开关单元可构成较大规模的开关矩阵（例）
OR OS 波长可调 • 利用非线性光学原理（如四波混频）用SOA＋滤波器 • 可构成波长变换器（类似于电的混频器） • 为降低费用，在OXC中采用部分波长变换器 波长变换器 • 改变传输波长而保持其所载的信息不变 • 两种基本类型：光电型和全光型
