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1、第四章 光 纤 通 信,4.1 概 述4.2 光 纤4.3 光 发 射 机4.4 数字光接收机4.5 光 中 继 器4.6 掺铒光纤放大器(EDFA)4.7 光波分复用（WDM）4.8 新 型 光 纤4.9 全光通信网简介,4.1 概 述,4.1.1 光纤通信的概念及发展方向光纤通信是以光波为载频、光导纤维（简称光纤）为传输媒质的一种通信方式。光纤通信工作频率范围为f=105107GHz，对应的波长范围为=0.3310-6cm。,强度是指单位面积上的光功率。强度调制就是在发送端用电信号通过调制器控制光源的发光强度，使光强随着信号电流线性变化，从而将电信号转变成相应的已调光信号送入光纤进行传输。
2、光纤通信具有以下特点：传输频带宽，通信容量大。传输损耗低、中继距离长。抗电磁干扰。保密性强，无串话干扰。,4.1.2 光纤通信的工作窗口光纤的损耗系数随着波长而变化，为获得低损耗特性，光纤通信选用的波长范围在 0.81.8m，并称0.81.0m为短波长波段，1.01.8m为长波长波段。(1000 纳米(nm)=1 微米0.001 毫米(mm)=1 微米0.0001 厘米(cm)=1 微米),4.2 光 纤,4.2.1 光纤的结构和分类光纤由纤芯和包层两部分组成，纤芯完成光信号的传输，包层是为了将光信号封闭在纤芯中并保护纤芯。纤芯和包层的折射率不同，设纤芯、包层的折射率分别为n1、n2,则n1n
3、2。,(1)根据光纤横截面上折射率分布的不同，分为阶跃型光纤和渐变型光纤。(2)根据光纤中传输模式数量的不同，分为单模光纤和多模光纤。,4.2.2 光纤的传输特性1.损耗光纤的传输损耗是影响系统传输距离的重要因素，光纤自身的损耗主要有吸收损耗和散射损耗。2.色散光脉冲信号经光纤传输，到达输出端会发生时间上的展宽，这种现象称为色散。3.非线性效应光纤通信中，激光器输出的高功率导致光纤的非线性极为显著。,4.3 光 发 射 机,4.3.1 光源在光纤通信系统中光源的作用是将被传输的电信号转换为光信号送入光纤，即完成电/光转换任务。1.LD的特性半导体激光器在注入电流达到一定数值（IIt）时，才发出
4、激光；而IIt时发出的是荧光，即LD具有阈值性。,2.LED的特性LED与LD的差别是它没有光学谐振腔，不能产生激光，靠自发辐射发光，产生的是荧光。4.3.2 光发射机的组成直接强度调制的数字光发射机组成方框图如图4-3-2所示，其作用是将PCM设备送来的电信号进行电/光变换，并处理成为满足一定要求的光信号后送入光纤传输。,图4-3-2 光发射机方框图,(1)光源是光发射机的关键器件，它产生光纤通信系统所需要的载波。(2)输入接口在电发射机与光发射机之间解决阻抗、功率及电位的匹配问题。(3)线路编码。,(4)调制电路将电信号转变为调制电流，以便实现对光源输出功率的调制。(5)控制电路包括自动温
5、度控制（ATC）和自动光功率控制（APC）电路，这是防止环境温度变化和器件老化，影响输出光功率的稳定而采取的措施。,4.3.3 数字光纤通信的线路码型适用于光纤通信系统的线路码型主要有mBnB码、插入比特码和加扰码。1.mBnB码mBnB码又叫分组码，是把输入的信息码流以m比特（mB）分为一组，再按一定规则变换成n比特（nB）一组的码组输出。,2.插入比特码这种码型是把输入的信息码流按m比特分为一组，再在每组的m位之后插入一个比特，组成线路码。3.加扰码扰码是把已知的二进制序列按一定方法加入到信息码流中，在接收端，用同样方法再恢复出原来的信息码流。,4.4 数字光接收机,4.4.1 光接收机的
6、组成光接收机的作用是把经过光纤传输后，脉冲幅度被衰减、宽度被展宽的微弱光信号转变为电信号，并放大、再生，恢复出原来的信号。光信号传送到接收端，通过光电检测器的光/电转换作用变成电信号，再送入前置放大器放大。,4.4.2 光电检测器光电检测器是影响光接收机性能的主要器件，对它的要求是：（1）响应波长：每种材料制造的光电检测器对光波有固定的峰值响应波长，不同材料的光电检测器峰值响应波长不同。（2）光电转换效率：工程上用响应度和量子效率两个物理量来衡量光电转换效率。,（3）响应速度：是描述光电检测器生成的光电流随着入射光信号变化快慢的物理量，用上升时间和下降时间（统称响应时间）表示。（4）暗电流I：
7、是指无光照射时，光电检测器的输出电流（反向电流）。（5）要求光电检测器的主要特性随外界环境和温度的变化尽可能小，以提高系统的稳定性和可靠性。,4.5 光 中 继 器,光中继器有两种类型。一种是光光中继器，这种光中继器直接对光信号进行放大处理。另一种是光电光中继器，这种光中继器对光信号进行间接放大。,4.6 掺铒光纤放大器(EDFA),光纤放大器包括稀土掺杂光纤放大器和利用非线性效应的常规光纤放大器。损耗是限制无中继传输距离的主要原因。掺铒光纤放大器如图4-6-1所示，它使光纤通信的传输方式产生了革命性的变化。,图4-6-1 掺铒光纤放大器示意图,掺铒光纤放大器有许多优点，首先它工作在1.55m
8、，正好是波分复用系统工作波段；其次，它的增益带宽很宽，达30nm或更高，可以实现各路光信号的同时放大，尤其实用于密集波分（DWDM)系统；第三，它的增益高，约为2040dB，且有较高的饱和输出功率，可用于功率放大；第四，它能做到低噪声工作；第五，它便于与光纤通信系统连接，耦合损耗小，可达0.1dB；最后，它所需泵浦光功率低，约数十毫瓦，泵浦效率较高。,4.7 光波分复用（WDM）,波分复用技术是利用单模光纤在低损耗区的巨大带宽，在发端将多路处在不同光波长上的信道合波后送进同一芯光纤进行传输，每一个光波长传输一个TDM信号，只要各波长间有足够的间隔，就不会相互干扰，在收端又将这些合在一起的波长分
9、开，称为“波分复用（WDM）”系统。,90年代中期以前，WDM系统发展速度并不快，主要原因在于时分复用（TDM）技术比较成熟，而波分复用则受到器件发展水平的制约。90年代中期以后，DWDM迅速发展。,4.7.1 波分复用系统的基本形式WDM系统主要有如下的两种形式：1.双纤单向传输单向WDM是指所有光波长同时在一根光纤上沿同一方向传送（如图4-7-1所示），在发送端将载有各种信息的、具有不同波长的已调光信号1，2，3，4，n通过光复用器组合在一起，并在一根光纤中单向传输。,图4-7-1 双纤单向传输的WDM系统,2.单纤双向传输单纤双向传输如图4-7-2所示。双向是指不同光波长在一根光纤上同时
10、向两个不同的方向传输，但是两个方向所用的波长相互分开，以实现两个方向的全双工通信。单向WDM系统在开发和应用方面都比较广泛。双向WDM系统的优点是只使用一根光纤和较少的光纤放大器，但同时对系统的要求也高。,图4-7-2 单纤双向传输的WDM系统,4.7.2 波分复用系统的基本结构与工作原理WDM系统主要由以下五部分组成：光发射机、光中继放大、光接收机、光监控信道和网络管理系统。,1.光发射机在发送端，将来自终端设备（例如SDH端机）的光信号，利用光转发器（OTU）将符合ITU-T G.957建议的非特定波长的光信号转换成具有稳定的特定波长的光信号；然后利用光复用器（OMU)将多路标准的光信号合
11、成多通路的光信号；最后经过后置功率放大器（BA）放大输出多通路光信号。,（1）光复用器(OMU)和光解复用器(ODU)OMU完成不同波长光信号的波分复用。（2）光放大器(OA)在发端使用的称光功率放大器BA（Booster Amplifier)，收端使用的称前置放大器PA（Preamplifier)，中继站使用的则称使用线路放大器LA（Line Amplifier)。,（3）光波长转换器(OTU)OTU的作用有两个。第一，将不同厂商的SDH设备接入WDM系统中。第二，实现不同速率等级信号的混合传输,例如千兆以太网与STM-16的混合传输。不采用OTU的系统称集成式系统，如图4-7-5所示。,图
12、4-7-5 集成式WDM系统的基本结构EDFA:掺铒光纤放大器SDH:同步数字传输系统,开放式系统(open system)在SDH或数据信号与WDM设备间有光波长转换器，它可以在不改变光信号数据格式的情况下，把光波长按照一定的要求重新转换成符合波分复用系统的要求。集成式系统常叫为被动式WDM，它要求SDH设备需具有G。692光接口，包括波长和长距离传输地光源。开放式系统和集成式系统的优缺点比较如表4-7-1所示。,图4-7-6 无再生功能的OTU示意图,2.光监控信道由于WDM在整个光复用段不进行电的再生，所以系统的监控信息不能利用SDH的开销来传送。3.网络管理设备网络管理系统通过光监控信
13、道物理层传送开销字节到其他节点或接收来自其他节点的开销字节对WDM系统进行管理，实现配置管理、故障管理、性能管理、安全管理等功能，并通过Q3接口与上层网管系统相连。,4.光接收机在接收端，衰减后的光信号经过前置放大器（PA）放大后，用分波器（ODU）从主信道光信号中分离出特定波长的光信道。5.光分插复用器（图中未画）光分插复用器(OADM)在光域完成信号的分插复用，它的功能是从传输设备中有选择地下路（drop）到达本地的光信号，同时上路（add）本地用户发往另一节点用户的光信号，而不影响其他波长信道的传输。,6.光交叉连接（图中未画）光交叉连接（OXC）是光网络最重要的网络元件，它的主要功能是
14、：光通道的交叉连接和本地上下路功能。除此之外，实用的OXC还应当包含光监控模块、光功率均衡模块、光放大模块，具有管理系统，不仅能对网元实行监控与管理，并且能够实现波长路由算法，实现网络的动态重构和故障的自动恢复。,4.7.3 波分复用系统的主要特点1.充分利用光纤的巨大带宽资源WDM充分利用了光纤的巨大带宽资源（低损窗口），使一根光纤的传输容量比只使用单波长传输时增加了几倍甚至几十倍，从而增加了光纤的传输容量，降低了成本。,2.同时传输多种不同类型的信号由于WDM技术中使用的各波长相互独立，因而可以传输特性完全不同的信号，完成各种业务信号的综合和分离，甚至数字信号与模拟信号也可以同时传输。,3
15、.节约光纤资源采用WDM技术使若干个波长复用起来在一根光纤中传输，在长途传输过程中可以节约大量的光纤资源。4.降低对高速电子器件的要求随着传输速率的提高，许多电子器件的响应速度已经明显不足，而波分复用技术则可以弥补这方面的不足。,5.可平滑升级WDM网络可以为急于解决带宽需求问题的运营公司提供平滑稳妥的网络升级方案。6.网络的保护和恢复网络的保护与恢复是保证网络运转的手段，它与网络的拓扑结构密切相关，必须在网络建设时仔细考虑。,4.8 新 型 光 纤,4.8.1 非零色散光纤（G.655光纤）光纤的短工作波长是850nm，长工作波长是1310nm和1550nm，光纤的损耗在1310nm为0.3
16、5db/km，在1550nm为0.20dB/km。,4.8.2 全波光纤全波光纤（又称无水吸收峰光纤）对于长途干线网来说，近来发展的G.655光纤可在长距离、高速率的波分复用系统中提供极好的传输特性。在13501450nm范围，因为在1385nm附近出现氢氧离子吸收高峰，光纤损耗太大，以致不利使用。,全波光纤有以下特点：全波光纤由于消除了13501450nm波段水峰损耗，开创了前所未有的位于13501450nm的光谱窗口，使光纤的可应用波长范围达到12801625nm，可提供比现在普通单模光纤超出100nm的有效波长范围，至少是常规光纤使用波段的1.6倍。,在1400nm附近，全波光纤的色散只
17、有常规光纤在1550nm波段的一半以下，这可使信号无补偿传输距离增加一倍以上。一根光纤上同时存在多种服务，可以将不同的业务分配给最适合的波长传输。可用波长范围扩展后，容许使用波长间隔较宽、波长精度和稳定度要求较低的元器件。方便的运行方式。4.8.3 用于局域网的新型多模光纤,4.9 全光通信网简介,4.9.1 全光网的基本概念 第一代是电网络，网络节点通过电缆连接在一起，传输和交换的都是电信号。第二代是所谓的电光网络，传输媒介用光缆取代了电缆，但节点处理的仍是电信号。为了解决这一问题，人们提出了第三代“全光网”的概念，即从源节点到目的节点的数据传输过程中始终在光域内，WDM加上全光节点技术就构
18、成全光网络，这就避免了在所经过的节点上的光/电、电/光的多次转换。,4.9.2 全光网的特点(1)大容量：WDM每个波长可以支持2.5Gbits、10Gbits甚至更高的速率，实验室已经实现了6.4Tbits的传输容量。(2)波长路由：在同一光纤中传输的信号波长彼此独立，因此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。,(3)透明性：由于全光网中的信号传输全部在光域内进行，不再有电中继，因此全光网对传输码率、数据格式和调制方式具有透明性，可以提供多种协议业务，可不受限制地提供端到端的业务。,(4)兼容性：全光传送网要得到市场的认可，必须能够兼容原有传送网技术，与现有传送网相连
19、并允许现有技术继续发挥作用，从而能够维护用户原来的投资，全光网还要支持未来的宽带综合业务数字网。(5)网络结构的扩展性：全光网具有扩展性，而且是在尽量不影响已有通信的同时扩展用户、容量、种类等。(6)可重构性：全光网的可重构性是指光波长层次上的重构。,4.9.3 全光网的关键技术全光网关键技术是全光节点技术。全光网络节点分为网络节点和接入节点。网络节点由光交叉连接（OXC)设备组成，主要完成波长选择和光通道交换。接入节点主要由光分插复用（OADM)设备构成，主要完成对SDH和ATM信道上下话路。全光网络技术包括：,1.光放大中继技术在光通信系统中，如何提高光信号传输距离，减少中继站数目，降低系
20、统成本，一直是人们不断探索的目标。2.光交换目前电子交换的发展已接近了电子速率的极限。为了解决电子瓶颈限制问题，人们开始在交换系统中引入光子技术，实现光交换。,3.光交叉连接（OXC）目前的选路功能，如交叉连接和分插复用只能在较低的速率实现。4.波长转换技术在WDM系统中，波长数确定了信道数。,5.光分插复用器（OADM）OADM是一种小型化的OXC设备，它的功能是：ADM可以通过内部的交换单元使其具有交叉矩阵的时隙交换功能；可以灵活地从主信号码流中分出一些支路信号（下电路）和插入一些支路信号（上电路）；利用ADM可以构成自愈环，提供有效的线路和通道保护。,6.控制和管理技术全光网中的管理包括
21、：结构管理：包括波长路由和波长转换，即在光波长层次上提供和重构网络。光学特性管理：包括光功率、噪声、色散和波长对准等的管理，目的是维持连接的性能。安全管理：全光网的透明性带来了前两代网络中不存在的安全性问题。,4.9.4 当前全光网发展中存在的一些问题（1）IP数据以何种方式成帧并通过WDM传输；如何将低速数据网络层与高速光传送网速率适配。（2）制定各种接口规范和技术标准。（3）EDFA带宽是有限的，一般在1530nm和1560nm之间，大约30nm左右，这就使得可用的波长资源受到了限制。,（4）OXC、OADM使串扰变得更加严重。（5）全光网中级联滤波器系统的总传输函数是所有光滤波器的传输函数之积，使总的有效带宽减小。（6）现在波长转换技术还不成熟。,
