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1、1,通信工程师 有线传输工程,雷新华 博士北京邮电大学,2,概 要,光纤通信基本理论光纤通信的发展及特点基本光纤系统组成光发送机、光接收机光检测器、光放大器光传送网技术光层连网概述同步数字(SDH)传送网技术WDM光传送网络WDM光传送网络基本概念波分复用光纤网络特点,3,光纤通信基本理论,4,(1)光纤通信是以光作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信方式。光纤通信技术是30年来迅猛发展起来的高新技术，给世界通信技术乃至国民经济、国防事业和人民生活带来了巨大变革。,1966年，英籍华人高锟（C.K.Kao)预见利用玻璃可以制成衰减为20dB/Km的通信光导纤维（即光纤）。当时世界上最优秀的光学
2、玻璃衰减高达1000dB/Km。1970年，美国康宁（Corning）公司首先研制成衰减为20dB/Km的光纤。从此，光纤就进入了实用化的发展阶段，世界各国纷纷开展光纤通信的研究。,光纤通信的发展历程,5,高锟博士早就指出降低玻璃内的过渡金属杂质离子是降低光纤衰耗的主要因素，后来研究发现OH离子对衰耗也有重要影响，通过限制上面两方面的杂质离子，1980年，光纤衰减就降低到了0.2dB/Km，接近理论值。这就使得长距离的光纤通信成为可能，这在光纤通信史上具有里程碑的意义。我国目前也有相当多的公司可以拉制性能很好的通信光纤，比如长飞、大唐电信等等。不同种类的光纤也相继研发出来，比如色散位移光纤、保
3、偏光纤、掺杂光纤、塑料光纤、光子晶体光纤等等。,6,目前，半导体激光器不仅可以在室温下工作，而且其直接调制速率可以达到10Gbit/s乃至更高，逐渐满足了高效率、高速率、低啁啾、大功率、长寿命等要求。光纤与光源的逐年进步解决了衰减和色散问题，其结果是增加了光纤系统的通信容量。光探测器发展异常迅速。,(2)光纤通信系统中使用的光源经历了从发光二极管到半导体激光器的进步。光探测器也达到了GHz的响应灵敏度。,7,光放大器都是由增益介质、能源、输入输出耦合结构组成。根据增益介质的不同，目前主要有两类光放大器：,(3)90年代初，光放大器的问世引起了光纤通信技术的重大变革，这在光通信史上具有里程碑的意
4、义。它节省了光电变换的中继过程，而且实现了波长透明、速率透明和调制方式透明的光信号放大，从而诞生了采用波分复用（WDM）技术的新一代光纤系统商用化。,一类是用活性介质，如半导体材料和掺稀土元素（如Nd，Sm，Ho，Er，Pr，Tm和Yb）的光纤，利用受激辐射机制实现光的直接放大，如半导体激光放大器和掺杂光纤放大器；一类是基于光纤的非线性效应，利用受激散射机制实现光的直接放大，如光纤喇曼放大器和光纤布里渊放大器。,8,在光纤放大器被新一代波分复用系统广泛使用的同时，光纤放大器的研究和开发也在不断进步。最近五年，技术上已经成熟的多种类型的光放大器（EDFA、GS-EDFA、TDFA、GS-TDFA
5、和RFA）已经覆盖了1365-1650nm波长范围，使得在上述范围内实施波分复用成为可能。拉曼放大器（RA）利用了光纤中的拉曼散射效应实现光信号的放大。由于受激拉曼散射效应的阈值很高，随作近年来大功率半导体激光器的研制成功，这项光放大技术已经开始走向实用。光通信窗口新的划分：1570-1604nm称为L波段，短于1525nm的波长范围称为S波段，这个波段因为全波光纤的研制成功可以扩展到1365nm。这两个波段又可以分别称为光通信的第4窗口和第5窗口。,9,工作波长为0.85m多模光纤光通信系统；工作波长为1.3m多模光纤光通信系统和单模光纤光通信系统；工作波长为1.55m单模光纤光通信系统。而
6、色散位移光纤（DSF，G.653）是应用于第三代光纤通信系统的一项重要成就。普通单模光纤的零色散点在1.31m附近，色散位移光纤将零色散点从1.31m移到1.55m，有效地解决了1.55m光通信系统的色散问题。,总之，在数十年的发展过程中，光纤通信系统经历了三代：,10,SDH网络可以算是第一代的光网络，它的特点是以点到点波分复用（WDM）传输系统为基础，提供大容量、长距离、高可靠的业务传送，但所有的交换和选路在电层实现。90年代中期发展的密集波分复用（DWDM）光网络技术进一步挖掘了光纤的带宽潜力，提高了网络的传输性能，但在联网技术上没有实现统一 ITU-T于上世纪末提出的光传送网（OTN）
7、可以认为是第二代光网络，主要特点是在光层实现交换、选路等功能，从而成为真正意义上的“光”网络。光分插复用器（OADM）、光交叉连接器（OXC）等光节点技术的成熟为OTN的发展铺平了道路，光网络的拓扑形式从环网向格形网演化，一些复杂的网络功能（如保护和恢复）也得以实现。目前，实际中的光网络发展到了这一阶段,光网络技术的发展-典型的光网络技术：,11,当前，国际电联（ITU-T）最先在2000年3月的ITU-T SG 13会议上提出酝酿并提出了“自动交换光网络（ASON）”的概念，其核心思想是在光网络中引入独立的控制层面。互联网工程任务组（IETF）将多协议标签交换（MPLS）技术与光交换技术的有
8、机结合，发展了通用多协议标签交换（GMPLS）技术，其实质是想将日益成熟的IP协议族的应用于光网络。这些不谋而合的举措显示了光网络朝着智能化方向发展的一个新趋势。光传送网由于ASON的引入，其分层模型从传统的两层结构（管理平面和传送平面），引入一个控制面，从而进化成三层（控制平面/管理平面/传送平面），控制平面具有了传统光传送网管理面的智能控制，业务提供由集中式人工配置演变为分布式自动提供,12,频带宽，通信容量大。光纤可利用的带宽约为50000GHz，1987年投入使用的1.7Gb/s光纤通信系统，一对光纤能同时传输24192路电话，2.4Gb/s系统，能同时传输30000多路电话。频带宽，
9、对于传输各种宽频带信息具有十分重要的意义，否则，无法满足未来宽带综合业务数字网(B-ISDN)发展的需要。损耗低，中继距离长。目前实用石英光纤的损耗可低于0.2dB/km，比其它任何传输介质的损耗都低，若将来采用非石英系极低损耗光纤，其理论分析损耗可下降至10-9 dB/km。由于光纤的损耗低，所以能实现中继距离长，由石英光纤组成的光纤通信系统最大中继距离可达200多千米，由非石英系极低损耗光纤组成的通信系统，其最大中继距离则可达数千甚至数万千米，这对于降低海底通信的成本、提高可靠性和稳定性具有特别的意义。,现代通信网的三大支柱是光纤通信、卫星通信和无线电通信，而其中光纤通信是主体，这是因为光
10、纤通信本身具有许多突出的优点：,光通信技术特点,13,抗电磁干扰。光纤是绝缘体材料，它不受自然界的雷电干扰、电离层的变化和太阳黑子活动的干扰，也不受电气化铁路馈电线和高压设备等工业电器的干扰，还可用它与高压输电线平行架设或与电力导体复合构成复合光缆。无串音干扰，保密性好。光波在光缆中传输，很难从光纤中泄漏出来，即使在转弯处，弯曲半径很小时，漏出的光波也十分微弱，若在光纤或光缆的表面涂上一层消光剂效果更好，这样，即使光缆内光纤总数很多，也可实现无串音干扰，在光缆外面，也无法窃听到光纤中传输的信息。光纤线径细、重量轻、柔软。光纤的芯径很细，约为0.1mm，它只有单管同轴电缆的百分之一；光缆的直径也
11、很小，8芯光缆的横截面直径约为10mm，而标准同轴电缆为47mm。利用光纤这一特点，使传输系统所占空间小，解决地下管道拥挤的问题，节约地下管道建设投资。此外，光纤的重量轻，光缆的重量比电缆轻得多，例如18管同轴电缆1m的重量为11kg，而同等容量的光缆1m重只有90g，这对于在飞机、宇宙飞船和人造卫星上使用光纤通信更具有重要意义。,14,光纤的原材料资源丰富，用光纤可节约金属材料。光纤的材料主要是石英(二气化硅)，地球上有取之不尽用之不竭的原材料，而电缆的主要材料是铜，世界上铜的储藏量并不多，用光纤取代电缆，则可节约大量的金属材料，具有合理使用地球资源的重大意义。光纤除具有以上突出的优点外，还
12、具有耐腐蚀力强、抗核幅射、能源消耗小等优点，其缺点是质地脆、机械强度低，连接比较困难，分路、耦合不方便，弯曲半径不宜太小等。这些缺点在技术上都是可以克服的，它不影响光纤通信的实用。近年来，光纤通信发展很快，它已深刻地改变了电信网的面貌，成为现代信息社会最坚实的基础，并向我们展现了无限美好的未来。,光纤通信时也具有如下缺点：,光纤弯曲半径不宜过小；光纤的切断和连接操作相对复杂；分路、耦合相对麻烦。,15,基本光纤系统组成,16,电发射机：对来自信息源的信号进行处理，如模/数转换、多路复用等。光发射机：对光源的光载波进行调制，将电信号转换成光信号，并耦合到光纤中去。光纤光缆线路：进行光信号的传输
13、中继器：把经过衰减和畸变的光信号放大、整形、再生成一定长度的光信号，送入光纤继续传输，以保证整个系统的通信质量 光接收机：对经过光纤传输过来的微弱光信号进行检测，把光转化为电信号，并对电信号进行放大、整形、再生后，输入到电接收端机。电接收机：负责将光信号恢复成信息源的原信号。,17,光纤的结构,纤芯：折射率较高，用来传送光；包层：折射率较低，与纤芯一起形成全反射；保护套：强度大，能承受较大冲击，保护光纤。,18,光检测器,光检测器是把光信号转化为电信号的器件。由于从光纤中传输过来的光信号一般非常微弱且产生了畸变，因此光通信系统对光检测器提出很高的要求。受激吸收是光检测器的基本工作原理！,19,
14、光放大器,通用光放大器结构,光纤放大器 半导体光放大器(SOA),20,光传送网技术,21,光传送网技术,1998年，ITU-T正式提出光传送网（OTN）的概念。从功能上看，OTN的出发点是在子网内实现透明的光传输，在子网边界处采用光/电/光（O/E/O）的再生技术，从而构成一个完整的光网络,22,光层连网概述,支持网络可重构性，允许根据业务需求变化动态配置网络逻辑拓扑消除电子设备引入的带宽瓶颈，大大提高传送网的吞吐容量允许旁路非落地业务，降低对节点路由器规模的要求提供了透明的光传送平台，允许互连任何新老系统和制式的信号采用合理的网络分层技术减少建网成本和维护管理成本同时实现光层和数据业务层在
15、不同粒度上的联网，可以增强网络整体资源利用率与组网灵活性实现以波长为基础的快速故障保护与自动恢复，保证光层服务质量（QoS）支持网络可扩展性，允许随节点数目和业务量增长平滑升级现有网络网络可靠性高、可维护性好，便于开通基于波长或光纤级别的新业务,23,OTN的分层网络结构,根据传送网的通用原则，OTN被分解为若干独立的层网络，为反映其内部结构，每一层网络又可分割成不同子网和子网间链路这种面向子层的划分方案既是出于多协议业务适配到光网络传输的实际需要，也是考虑到网络维护管理的简单性而得出的必然结果 其中基于数字包封技术的OCH层又可细分为光信道的净荷单元（OPU）、数据单元（ODU）和传输单元（
16、OTU）。,OTN的分层结构,24,1）光信道段层(ROUTE)光信道段层负责为来自电复用段层的不同格式的客户信息选择路由和分配波长，为灵活的网络选路安排光信道连接，处理光信道开销，提供光信道层的检测、管理功能，提供端到端的连接，并在故障发生时，通过重新选路或直接把工作业务切换到预定的保护路由来实现保护倒换和网络恢复2）光复用段层(OADM&OXC)光复用段层负责保证相邻两个波长复用传输设备间多波长复用光信号的完整传输，为多波长信号提供网络功能。主要包括：为灵活的多波长网络选路重新安排光复用段功能；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；为段层的运行和维护提供光复用段的检测和管理
17、功能 3）光传输段层(EDFA)光传输段层为光信号在不同类型的光媒质（如G.652，G.655光纤）上提供传输功能，同时实现对光放大器或中继器的检测和控制功能等。通常会涉及的问题是：功率均衡问题、EDFA增益控制问题和色散的积累和补偿问题,25,波长路由透明性网络结构的扩展性可重构型可扩容性可操作性可靠性和可维护性,光传送网的特点,26,光分插复用技术（OADM）分波+空间交换单元+合波器光交叉连接技术（OXC）空间交换波长交换,光传送网的节点技术,27,OTN管理通道,管理通道的传输方法 管理通道有两种传送方法，即中继和透明传送方法。所谓中继传送方法即管理通道信息在中继段的线路光放大器上终结
18、，然后再向下传送；而透明传送方法则是管理通道信息在中继段的线路光放大器上不终结，直接向下传送，直至下一个节点终结,28,同步数字(SDH)传送网技术,29,PDH的特点与存在的主要问题 面向话音业务 适合点对点传输 存在多种地区性标准 异步复用，逐级复接 不具备统一的光接口 开销缺乏，网管有限,SDH技术概述,30,2.SDH的产生,SDH的研究工作始于1986年，其目的是建立光纤通信的用标准，通过一组网络单元提供一个经济、简单、灵活的网络应用。美国贝尔通信研究所最先提出了光同步传输网概念，并称之为同步光网络（SONET）。1988年，美国国家标准协会（ANSI）通过了两个最早的SONET标准
19、。国际电话电报咨询委员会（CCITT）于1988年接受了SONET的概念，重新命名为同步数字系列(SDH），建立了世界性的统一标准。,31,3.SDH的概念和特点,SDH是一套可进行同步信息传输、复用、分插和交叉连接的标准化的数字信号技术体制。统一网络节点接口 标准信息结构等级块状帧和开销功能 同步复用映射结构适用多种传输媒质SDH传送网是由一些基本网络单元(NE)组成的，在传输媒质上(如光纤、微波等)进行同步信息传输、复用、分插和交叉连接的传送网络。,32,4.SDH接口的标准速率等级STM-N,N=1,4,16,64STM:Synchronous Transport Module 同步传送
20、模块,33,SDH的帧结构与段开销,STM-1 的帧结构,9270 字节,34,在帧同步的基础上以字节为单位的时分复用例如：STM-1传输速率共为,35,再生段开销（RSOH）负责管理再生段，可在再生器接入，也可在终端设备接入,复用段开销（MSOH）负责管理由若干个复用段组成的再生段，只能在终端设备接入，它将透明的通过每个再生段，只能在管理单元组（AUG）进行组合或分解的地方才能接入或终结,段开销的主要功能及接入,36,SDH自愈网,自愈的概念:通信网络发生故障时，无需人为干预，即可在极短的时间内从失效故障中自动恢复所携带的业务，使用户感觉不到网络已出了故障。自愈的基本原理是使网络具备发现替代
21、传输路由并重新确立通信的能力。,37,典型的自愈网,1.线路保护倒换当出现故障时，业务由工作通道倒换到保护通道。有1:1方式和1:N方式2.ADM自愈环采用分插复用器ADM组成环形网实现自愈的一种保护方式。有两纤环和四纤环方式,38,WDM光传送网络,39,WDM（Wavelength Division Multiplexing，波分复用）是利用多个激光器在单条光纤上同时发送多束不同波长激光的技术。每个信号经过数据（文本、语音、视频等）调制后都在它独有的色带内传输。WDM能使电话公司和其他运营商的现有光纤基础设施容量大增。制造商已推出了WDM系统，也叫DWDM（密集波分复用）系统。DWDM可以
22、支持150多束不同波长的光波同时传输，每束光波最高达到10Gb/s的数据传输率。这种系统能在一条比头发丝还细的光缆上提供超过1Tb/s的数据传输率。,40,第一阶段：萌芽期双波长WDM（1310/1550nm）系统80年代在美国AT&T网中使用，速率为217Gb/s。第二阶段：缓慢期TDM技术主导。波分复用器/解复用器和光放大器在90年代初才开始商用化。第三阶段：1995年开始WDM技术发展很快，特别是基于掺铒光纤放大器EDFA的1550nm窗口密集波分复用（DWDM）系统。Ciena推出了162.5Gb/s系统，而 Lucent公司推出的WaveStar OLS 1.6T 1610Gb/s系
23、统，目前已达1.6Tb/s速率。,WDM的发展过程,41,发展迅速的主要原因在于：（1）光电器件的迅速发展，特别是EDFA的成熟和商用化，使在光放大器（15301565nm）区域采用技术成为可能；（2）利用TDM方式已接近硅和镓砷技术的极限，TDM已无太多的潜力，且传输设备价格高；（3）已敷设G.652光纤1550nm窗口的高色散限制了TDM10Gb/s系统的传输，光纤色散的影响日益严重。从电复用转移到光复用，即从光频上用各种复用方式来提高复用速率是必然趋势，WDM技术是目前能够商用化最简单的光复用技术。,42,TFF的原理是采镀膜的方式，以气相沉积的原理，将所需膜层一层层镀在薄平板玻璃（如O
24、hara WMS-02）上，当光线通过不同种的滤波片后，不同的波长便被分别滤出，达到分波的效果。AWG是在矽晶圆上沉积二氧化矽膜层，续以微影制程及反应式离子蚀刻法定义出数组波导，最后加上保护层即可制成；AWG原理是利用波导的物理特性将不同波长的波分出。FBG是以紫外线照射光纤，使光纤丝中的部分材质变化成近似布拉格绕射光栅，利用光学绕射的特性将不同波长的波分出。,DWDM的关键元件技术,当前在光通迅界常用的DWDM大多是在15301565nm的波段中，分出32个或更多的波长。在当前市售的DWDM中，阿尔卡特（Alcatel）已推出能分出256信道的DWDM，朗讯（Lucent）所属的贝尔实验室也
25、已经研发出1022信道的DWDM。,43,EDFA光放大器。在EDFA的制造上是以常规石英系光纤为母材掺进铒离子，由于铒离子的掺入，提供了一个1550nm的能带，使得原本的讯号和高功率泵激激光（pumping laser，波长980nm或1480nm，功率101500mW）得以提高光讯号的强度。MuxDeMux是DWDM系统使用中不可或缺的两种元件。Mux是负责将数个波长汇集至一起的元件；DeMux则是负责将汇集至一起的波长分开的元件。未来MuxDeMux将朝向多信道数及高速开发以外，推测也会陆续朝包含衰减器、加解密等增加追加价值的方向开发。OADM是DWDM系统中一个重要的应用元件。其作用是
26、在一个光导纤维传送网络中塞入取出（Add-Drop）多个波长信道；置OADM于网络的结点处，以控制不同波长信道的光讯号传至适当的位置。塞入取出波道固定的OADM已进入量产，不过可藉由外部命令控制塞入取出波道的OADM仍在开发中。,DWDM系统的关键器件,44,OXC是下一代光通迅的路由交换机，用在因DWDM而生成的多波道数据路由及线路调度，其功能包含网络的路由器及电信的交换机。OXC设置于网络上重要的汇接点，汇集各方不同波长的输入，再将各讯号以适当的波长输送至合适的光导纤维中。它可提供光导纤维切换（Fiber switching，连接不同光导纤维，波长不转换）、波长切换（Wavelength
27、switching，连接不同光导纤维，波长经转换）、及波长转换（Wavelength conversion，输出至同一光导纤维，波长经转换）三种切换功能。OXC并提供路由恢复、波长管理、及话务弹性调度，准备在下一代IP Over DWDM的电信网络体系结构中，直接以光讯号传送替换现有的电讯号交换路由的地位。,DWDM系统的关键器件,45,WDM技术就是为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源，根据每一信道光波的频率（或波长）不同可以将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，把光波作为信号的载波，在发送端采用波分复用器（合波器）将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输。在接收端，再
28、由一波分复用器（分波器）将这些不同波长承载不同信号的光载波分开的复用方式。,46,1、波分复用频带,1）WDM，DWDM2）DWDM的复用频带(1530-1560)nm region called C-band,(1570-1610)nm region called L-band,(1480-1520)nm region called S-band,WDM光传送网络基本概念,47,2、DWDM系统的标准波长,48,波分复用光纤网络特点,波长路由透明性网络结构的扩展性可重构性可扩容性可操作性可靠性和可维护性,特点：,49,容量大，质量高充分利用带宽资源开放性透明传输为大业务量节点建立直通光通道利
29、用WADM和WXC提供了灵活的网络重构能力波长再利用另一种空分可靠性路由重选性,WDM光传送网络的特点,50,WDM网络选路,光交叉互连节点(Optical cross-connecter,OXC),光上/下话路节点(Optical add/drop multiplexer,OADM),波长通道WP:是在WDM网络选路时，在不同的节点之间使用同一波长虚波长通道(VWP):节点间存在波长变换器，不同的节点间的光波长发生改变,51,WDM的发展方向,全光网智能化全业务支持组网方式点到点链环多环网状网应用干线网本地网城域网接入网用户驻地网,52,We are Thinking,and Innovating,Thank you!,WTI,
