光通讯基础理论精.ppt

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1、光通讯基础理论第1页，本讲稿共58页光通信技术发展现状和趋势光通信技术发展现状和趋势 第一年第一年第二年第二年第三年第三年第四年第四年第五年第五年光带宽光带宽9 个月个月随随着着INTERNETINTERNET业业务务的的发发展展，人人们们对对通通信信带带宽宽的的需需求求越越来来越越大大，有有专专家家统统计计光光通通信信的的带带宽宽每每9 9个个月月翻翻一一倍倍，比比用用来来形形容容半半导导体体科科技技的的摩摩尔尔定定律律还还快快，称称为为“超超摩摩尔尔定定律律”。近几年：近几年：近几年：近几年：第2页，本讲稿共58页光通信技术发展的两大方向光通信技术发展的两大方向从应用范围来说从应用范围来说

2、:主干传输向高速率、超大容量、超长距离主干传输向高速率、超大容量、超长距离 的的OTN光传送网发展，最终实现全光网；光传送网发展，最终实现全光网；接入向低成本、综合接入、宽带化的光纤接入向低成本、综合接入、宽带化的光纤 接入网发展，最终实现光纤到户和光纤到接入网发展，最终实现光纤到户和光纤到 桌面。桌面。第3页，本讲稿共58页 OTN的基础是密集波分复用DWDM，DWDM的基础是电或光的TDM技术。国际上实验室水平TDM已达100Gbs，DWDM已达总容量7Tbs(176x40Gb/s)。第4页，本讲稿共58页 1996年DWDM系统在北美进入大规模 应用阶段。国际上目前的商用产品 以（816

3、）2.5Gbs系统为主流。现40个波道的系统已投入商用，16010Gbs系统也已投放市场 （由Nortel提供）。DWDM在国际上应用情况在国际上应用情况第5页，本讲稿共58页DWDM系统的发展趋势系统的发展趋势 充分利用目前使用的C波段 （1530nm1560nm）的能力，尽可能增加波道数。向L波段（1570nm1610nm）甚至更宽发展。将C、L波段连起来使用，使DWDM的波道数更多。第6页，本讲稿共58页1996200020042008OADM点对点点对点DWDM固固定定波波长长上上下下的的DWDM网络网络OADMOADMOADMOADMDWDM环网环网,可重构波长上下可重构波长上下 O

4、XCOXCOXCOXCOXC光光交交叉叉连连接接、互互联联的的光光环环网网和格型网络和格型网络容容量量增增大大,光光纤减少纤减少灵灵活活带带宽宽分分配配、光层保护光层保护波波长长转转换换、波波长长选选路路、端对端波长业务端对端波长业务光网络发展趋势光网络发展趋势自自动动交交换换光光网网络络ASON诞生诞生?!第7页，本讲稿共58页国内光通信应用的发展现状国内光通信应用的发展现状全国已敷设光缆的总长度已超过100万公里。近两年我国在长达3万公里、18条光缆干线上主要 采用了82.5Gbs以上的波分复用技术进行扩容 改造。目前国内电信一级骨干网的建设一般已开始采用 32X2.5Gbs和32X10G

5、b/s的DWDM系统,而二级骨干 网的建设一般也至少是162.5GbsDWDM系统。第8页，本讲稿共58页 中兴通讯从中兴通讯从1995年进入光通讯领域至今，光通讯产品年进入光通讯领域至今，光通讯产品不断的发展壮大，现已与移动、数据等一起成为公司三大不断的发展壮大，现已与移动、数据等一起成为公司三大重点发展的战略性产品。重点发展的战略性产品。光通讯在中兴通讯中战略地位光通讯在中兴通讯中战略地位第9页，本讲稿共58页光通讯产品连续三年销售额大幅增涨光通讯产品连续三年销售额大幅增涨第10页，本讲稿共58页光通讯产品的销售额在公司中的份额迅速扩大光通讯产品的销售额在公司中的份额迅速扩大国内光通讯产品

6、中市场占有率和综合排名为第三国内光通讯产品中市场占有率和综合排名为第三第11页，本讲稿共58页中兴光通讯的现状中兴光通讯的现状4现有开发人员现有开发人员500余人，其中余人，其中80%以上具有硕士及以上以上具有硕士及以上学历；学历；4与众多著名大学有着技术和人才等各方面的合作关与众多著名大学有着技术和人才等各方面的合作关系，如清华、北邮、电子科大等。系，如清华、北邮、电子科大等。中兴通讯光通信人才济济中兴通讯光通信人才济济第12页，本讲稿共58页4深深圳圳研研究究所所：主主要要从从事事如如STM-1、STM-4、STM-16、STM-64及及STM-256等等等等级级的的SDH和和及及相相关关

7、的的综综合合业业务务节节点点设设备备的的研研发发和改进工作；和改进工作；4北北京京研研究究所所：主主要要从从事事光光电电子子器器件件及及模模块块、DWDM、OADM、OXC等产品和研发工作；等产品和研发工作；4联联合合实实验验室室（中中兴兴北北邮邮）：从从事事OADM、OXC、波波长长路路由由器器WR、ASON等的研究等的研究中兴通讯光通信雄厚的研发实力中兴通讯光通信雄厚的研发实力第13页，本讲稿共58页4无无锡锡合合资资公公司司：主主要要从从事事光光放放大大器器件件（EDFA、Raman放放大大器器）等光电器件的生产；等光电器件的生产；4技技术术中中心心研研究究部部：主主要要从从事事SDH等

8、等专专用用ASIC系系列列、新新型型光光器器件件的的研研发发及及对对最最新新技技术术如如光光时时分分复复用用OTDM、光光孤孤子子O-Soliton等等的的跟跟踪研究。踪研究。中兴通讯光通信雄厚的研发实力中兴通讯光通信雄厚的研发实力第14页，本讲稿共58页中兴通讯光通信的核心技术中兴通讯光通信的核心技术4中兴通讯研制的系列光传输产品完全拥有自主知识产权，中兴通讯研制的系列光传输产品完全拥有自主知识产权，并积累了大量的核心技术；其中自主开发的专用并积累了大量的核心技术；其中自主开发的专用ASIC芯片和光电器件得到规模应用，极大地提高了产品芯片和光电器件得到规模应用，极大地提高了产品的技术含量和性

9、价比；的技术含量和性价比；4无锡合资公司研发成功的系列放大器件（无锡合资公司研发成功的系列放大器件（EDFA、Raman放大器），不仅使产品更加完善，而且掌握了大放大器），不仅使产品更加完善，而且掌握了大量在光网络方面的核心技术，为以后的光网络发展打下量在光网络方面的核心技术，为以后的光网络发展打下了坚实基础了坚实基础。第15页，本讲稿共58页中兴通讯现有光通信产品线中兴通讯现有光通信产品线4ZXSM-10G4ZXSM-2500E4ZXSM-150/600/25004ZXSM-600C4ZXSM-150C4ZXSM-104ZXWM-8/164ZXWM-32/40/80/160多波长系统多波长系

10、统单波长系统单波长系统第16页，本讲稿共58页中兴通讯现有光通信产品线中兴通讯现有光通信产品线4ZXSM-OADM4ZXSM-OXC4ZXSM-ASON4ZXSM-ITG自由波长系统自由波长系统第17页，本讲稿共58页中兴光通讯的发展方向中兴光通讯的发展方向4在在单单波波长长系系统统方方面面重重点点发发展展10G、40G产产品品及及其其所所属属的的综综合合业业务务节节点点设设备备等等；加加强强对对光光时时分分复复用用OTDM、光光孤孤子子O-Soliton等方面的研究。等方面的研究。4在在多多波波长长系系统统方方面面重重点点发发展展1600G/160、OADM、OXC及及ASON等等4在在器器

11、件件部部分分加加强强高高速速、超超高高速速光光电电器器件件和和超超大大规规模模专专用用芯芯片的研发与应用。片的研发与应用。第18页，本讲稿共58页2001.42001.42001.62001.62002.42002.42002.92002.9紧凑型紧凑型SDH高端高端SDH6222.5G10G40G增强增强2.5Gb/s融合节点融合节点DWDM/OTN322.5G3210GOADMOXC低端融合节点低端融合节点高端融合节点高端融合节点80波波DWDM160波波DWDM中兴通讯光通信产品中兴通讯光通信产品Roadmap第19页，本讲稿共58页广义的光通信：43000年前的烽火台；41791年，法

12、国人发明了信号灯。光通讯史话光通讯史话光通信就是利用光波来载送信息，实现通信光通信就是利用光波来载送信息，实现通信第20页，本讲稿共58页41880年贝尔发明光话，他以日光为光源，大气为传输媒介，传输距离是200米；41881年贝尔发表了论文关于利用光线进行声音的复制与产生；4贝尔的光话始终没有实用化：1、没有可靠的、高强度的光源；2、没有稳定的、低损耗的传输媒介。光纤通讯史光纤通讯史现代光通信现代光通信-光话光话第21页，本讲稿共58页41960年，第一台单色相干振荡光源-红宝石激光器问世；1962年，半导体激光器问世；41970年贝尔实验室制作出可以在常温下连续工作的铝镓砷（AlGaAs）

13、半导体激光器。4美国林肯实验室首先利用氦氖激光器通过大气传输一路彩色电视信号（大气传输试验）光通讯史话光通讯史话1970年光纤通信元年年光纤通信元年第22页，本讲稿共58页4气候对通信的影响非常严重。（如雾、雨等）4大气的不稳定性，当气温变化时，其密度和折射率发生变化，气流的影响使光线发生抖动和漂移，使通信的信噪比劣化，传输不稳定。4大气传输系统要求通信的收发两地在视距范围内，限制了使用范围。光通讯史话光通讯史话大气传输系统大气传输系统第23页，本讲稿共58页4直到60年代中期，优质光学玻璃的损耗仍高达1000dB/km。4英国标准电信研究所的华裔科学家高锟博士于1966年发表了一篇论文，提出

14、利用带有包层材料的石英玻璃光纤作为光通信媒介；41970年美国康宁（Corning）公司制成损耗为20dB/km的低损耗石英光纤。光纤通讯史光纤通讯史1970年光纤通信元年年光纤通信元年第24页，本讲稿共58页40=0.85um多模光纤通信系统（1977年）；40=1.3um多模光纤通信系统；40=1.3um单模光纤通信系统（1984年）；40=1.55um单模光纤通信系统（80年代中后期）；光纤通讯史光纤通讯史光纤通信分代光纤通信分代第25页，本讲稿共58页4反射：1=1 4折射：n 1 sin 1=n 2 sin 24 全反射：sin 1=n 2/n 1 平面波的反射和折射平面波的反射和折

15、射n 2n 1112第26页，本讲稿共58页4在光纤的数值 孔径角内，以某一角度射入光纤端面，并能在光纤的纤芯到包层界面上形成全反射的传播光线就可称为一个光的传输模式。光纤光纤光纤的传播模式光纤的传播模式 高次模 基模 低次模第27页，本讲稿共58页4多模光纤：阶越型光纤 渐变型光纤（G.651）4单模光纤：标准常规光纤（G.652）色散位移光纤（G.653）非零色散位移光纤（G.655）色散补偿光纤 大有效面积光纤光纤光纤光纤的传播模式光纤的传播模式第28页，本讲稿共58页光纤光纤色散色散脉冲展宽脉冲展宽T光脉冲信号中的不同频谱成份在光纤中的传光脉冲信号中的不同频谱成份在光纤中的传输速度不同

16、，导致脉冲信号传输后展宽甚至输速度不同，导致脉冲信号传输后展宽甚至离散。离散。第29页，本讲稿共58页 光纤色散效应对传输的影响光纤色散效应对传输的影响1 0 1 0 1 0 1 1 0 11 0 1 0 1 0 1 1 0 1InputOutput脉冲展宽 (ps)=D(ps/nm*km)*S(nm)*L(km)TimeTime脉冲展宽脉冲展宽 1/4 比特周期时会引起误码比特周期时会引起误码 第30页，本讲稿共58页4产生信号生信号间干干扰;4当偏振相关当偏振相关损耗耗产生的二次效生的二次效应可能可能产生生PMD与色度色散之与色度色散之间的的耦合从而增加色散的耦合从而增加色散的统计分量分量

17、;4解决解决办法之一是改法之一是改进光光纤工工艺或在系或在系统输入入输出端插入偏振控出端插入偏振控制器制器。光纤光纤偏振模色散偏振模色散PMD4由由光光纤的的双双折折射射引引起起,诸如如应力力、弯弯曲曲、扭扭绞、温度等随机引入、温度等随机引入第31页，本讲稿共58页4吸收损耗本征吸收紫外吸收（电子谐振）红外吸收（分子谐振）非本征吸收（金属杂质、氢氧根）4散射损耗瑞利散射光纤光纤损耗损耗第32页，本讲稿共58页光纤光纤光纤类型和损耗谱光纤类型和损耗谱 EDFA带宽带宽1.21.31.41.51.61.7波长波长(mm)损耗损耗(dB/km)0.10.20.40.81.00-20-101020色散

18、色散(ps/nm-km)损耗耗(各各类光光纤)SMFDSFNZDF+NZDF-G.652G.653G.655+G.655-第33页，本讲稿共58页光纤光纤色散受限距离色散受限距离B2*D*L 105(Gb/s)2ps/nm假设光源无啁啾的情况下:2.5 Gb/s 10 Gb/sSMF(G.652)960 km 60 km (D=17ps/km/nm)NZDF(G.655)4800 km 300 km (D=2ps/km/nm)在光源有啁啾的情况下:啁啁啾啾对系系统传输距距离离的的影影响响由由色色散散容容限限参参数数值表表示示。如如色色散散容容限限值为12800ps/nm,SMF（G.652）光

19、光纤的的色色散散参参量量值取取D=20ps/km/nm，则该光光源源的的色色散散受受限限距距离离为640 公公里。里。第34页，本讲稿共58页4 L=CDT/D km4光源的色散容限CDT ps/nm4光纤的色散参量值 D ps/nm.km 4 G.652 1550nm 1720 ps/nm4 1310nm 3.55 ps/nm4 G.655 1550nm 26 ps/nm光纤光纤色散受限距离简单计算色散受限距离简单计算第35页，本讲稿共58页4光纤4光接头4色散代价4光线路光功率损耗冗余4光端设备光功率冗余光纤光纤光功率损耗光功率损耗第36页，本讲稿共58页色散受限距离的计算色散受限距离的计

20、算L=(PsPrPpCMc)/(f+s)衰耗受限的中继距离计算方法衰耗受限的中继距离计算方法衰耗受限的中继距离计算方法衰耗受限的中继距离计算方法最坏值法最坏值法最坏值法最坏值法式中式中 L 再生段距离再生段距离 Ps S点寿命终了时点寿命终了时的最小平均发送功率的最小平均发送功率;Pr R点寿命终了时点寿命终了时的最差灵敏度的最差灵敏度(BER10-12);Pp L16.2光通道代价光通道代价2dB，其余取，其余取1dB;C 所有活动连接器衰减之和所有活动连接器衰减之和,每个连接器衰减每个连接器衰减0.5dB。Mc 光缆富余度光缆富余度,（通常取（通常取3dB）;f 光纤衰减系数（通常取光纤衰

21、减系数（通常取0.20dB/Km或或0.22dB/Km）;s 光纤熔接接头每公里衰减系数光纤熔接接头每公里衰减系数(通常取通常取0.05dB/Km)。第37页，本讲稿共58页通常通常认为光光纤是是线性的媒性的媒质，即光，即光纤的的各各项特征参量不随光特征参量不随光场的的变化而化而变化，化，实际上，上，这仅仅是在光是在光场较弱的情况下弱的情况下的的现象。当在象。当在强光光场作用下，光作用下，光纤介介质对光光场会呈非会呈非线性响性响应，这种非种非线性响性响应会会产生很生很强的的频率率变换和和许多其他效多其他效应。在小芯径，。在小芯径，损耗低的耗低的单模光模光纤中尤中尤其如此。其如此。光纤光纤光纤非

22、线性效应光纤非线性效应第38页，本讲稿共58页4受激散射受激散射受激拉曼散射受激拉曼散射（SRS）受激布里渊散射（受激布里渊散射（SBS）4光光纤克克尔(折射率引起折射率引起)效效应自相位自相位调制（制（SPM）交叉相位交叉相位调制（制（XPM）四波混四波混频（FWM）光纤光纤光纤非线性效应光纤非线性效应第39页，本讲稿共58页4受激散射：当光场很强时，光子的能量很大，使光纤受激散射：当光场很强时，光子的能量很大，使光纤介质介质“激发激发”，产生拉曼散射（，产生拉曼散射（SRSSRS）和布里渊散射）和布里渊散射（SBS)SBS)。与瑞利散射不同，瑞利散射是一种弹性散射，被散射的光与瑞利散射不同

23、，瑞利散射是一种弹性散射，被散射的光频率保持不变，拉曼散射（频率保持不变，拉曼散射（SRSSRS）和布里渊散射（）和布里渊散射（SBS)SBS)散射的光频率降低，因此使得传输的能量降低，在光散射的光频率降低，因此使得传输的能量降低，在光纤中形成一种损耗机制。纤中形成一种损耗机制。拉曼散射（拉曼散射（SRSSRS）的剩余能量转化为频率高的分子震动，）的剩余能量转化为频率高的分子震动，布里渊散射（布里渊散射（SBSSBS）的剩余能量转化为频率很低的声子震）的剩余能量转化为频率很低的声子震动。动。光纤光纤光纤非线性效应光纤非线性效应第40页，本讲稿共58页4在很高功率作用下，受激拉曼散射（在很高功率

24、作用下，受激拉曼散射（SRS）和受激布里渊散射（）和受激布里渊散射（SBS)散散射可以射可以导致致较大的光大的光损耗，当入射光功率超耗，当入射光功率超过一定一定阈值时，两种，两种散射的散射光散射的散射光强都随入射光功率呈指数增加。都随入射光功率呈指数增加。对于拉曼散射（于拉曼散射（SRS），工作在），工作在1550nm波波长的的单模光模光纤的散的散射射阈值功率功率为570mw，而光通信系，而光通信系统中的光中的光发射功率一般小于射功率一般小于10mw，因此拉曼散射的影响可忽略不，因此拉曼散射的影响可忽略不计。布里渊散射（布里渊散射（SBS）的散射）的散射阈值功率功率为1mw，对光光纤的的损耗有

25、耗有明明显得影响。得影响。受激散射效受激散射效应可在光通信系可在光通信系统中得到利用，如通中得到利用，如通过它它们将特定的将特定的泵浦光能量浦光能量转化成信号光能量，化成信号光能量，实现光放大。光放大。光纤光纤光纤非线性效应光纤非线性效应第41页，本讲稿共58页4光光纤克克尔(折射率引起折射率引起)效效应在功率在功率较低的情况下，石英介低的情况下，石英介质的折的折射率与作用的光功率无关。但在光功射率与作用的光功率无关。但在光功率率较高的情况下，出高的情况下，出现非非线性，即折性，即折射率随光功率的射率随光功率的变化而化而变化。化。光纤光纤光纤非线性效应光纤非线性效应第42页，本讲稿共58页4自

26、相位自相位调制（制（SPM）由于克由于克尔效效应，光在介，光在介质中中传播播时将将产生一个非生一个非线性相移，由于性相移，由于这种相移是由种相移是由光光场自身引起的，所以自身引起的，所以这种非种非线性机理性机理称称为自相位自相位调制（制（SPM）。）。自相位自相位调制（制（SPM)可可导致光致光纤中中传播的播的光脉冲的光光脉冲的光谱大大的展大大的展宽。光纤光纤光纤非线性效应光纤非线性效应第43页，本讲稿共58页4交叉位交叉位调制（制（XPM）当两个或两个以上的光使用不同的当两个或两个以上的光使用不同的载频同同时在光在光纤中中传输时，由于克，由于克尔效效应可可以以导致交叉相位致交叉相位调制（制（

27、XPM）的非）的非线性性现象，也就是某一个信道的非象，也就是某一个信道的非线性相性相移不移不仅与本信道的功率有关，与本信道的功率有关，还与其他与其他信道的功率有关。信道的功率有关。光纤光纤光纤非线性效应光纤非线性效应第44页，本讲稿共58页光纤光纤四波混频FWM效应4信道间相互作用产生新的频率信道间相互作用产生新的频率4如如果果有有三三个个频频率率为为w w1、w w2、w w3的的光光同同时时在在光光纤纤中中传传输输，由由于于非非线线性性将将引引起频率为起频率为w w4 w w1 w w2 w w3的光场。的光场。w w1w w2w ww w1w w3w w1 w w2 w w3w w光纤光

28、纤w w3w w1 w w2 w w3w w2第45页，本讲稿共58页FWM是影响系统性能的主要非线性效应：是影响系统性能的主要非线性效应：当当FWM产生的新频率落入信道带宽范围内时，会产生的新频率落入信道带宽范围内时，会引起信道强度起伏和信道间串扰。引起信道强度起伏和信道间串扰。补偿措施：措施：*采用非零色散位移光采用非零色散位移光纤（G.655）和常）和常规单模光模光纤（G.652）*采用大有效采用大有效纤芯面芯面积光光纤（LEAF）*控制入控制入纤功率功率第46页，本讲稿共58页4直接调制直接调制4EAEA调制调制4LiNbO3LiNbO3调制调制4M-Z(-M-Z(-族族)调制调制光调

29、制光调制第47页，本讲稿共58页 DWDM技术是在波长技术是在波长1550nm窗口附近，窗口附近，EDFA能提供增益的波长范围内，能提供增益的波长范围内，选用密集的但相互又有一定选用密集的但相互又有一定波长间隔的多路光载波，各波长间隔的多路光载波，各自受不同数字信号的调制，自受不同数字信号的调制，复合在一根光纤上传输，提复合在一根光纤上传输，提高了每根光纤的传输容量。高了每根光纤的传输容量。DWDM技术原理技术原理1545nm1560nm光波长光波长 DWDM技术技术 EDFA1535nm第48页，本讲稿共58页WDM系统结构系统结构 OO T T U U SDHSDH(155(155MM，6

30、22M622M2 2.5.5GG、10G)10G)、PDHPDH、ATMATM、IPIP GG.692692开放式开放式开放式开放式集成式集成式集成式集成式 SDHSDH(155(155MM，622M622M2 2.5.5GG、10G)10G)、PDHPDH、ATMATM、IPIP GG.957957OMU(OAD)第49页，本讲稿共58页WDM光谱特性光谱特性波长波长相相对对功功率率要求：信道间功率均衡良好的光谱特性（顶平而沿陡）要求：信道间功率均衡良好的光谱特性（顶平而沿陡）第50页，本讲稿共58页DWDM复用复用/解复用器解复用器 滤波器型滤波器型阵列波导光栅型阵列波导光栅型耦合器型耦合

31、器型 衍射光栅型衍射光栅型 1 2 3 4。第51页，本讲稿共58页EDFA结构结构铒掺杂光纤铒掺杂光纤隔离隔离器器WDM耦合器耦合器PinPoutN21N21隔离隔离器器泵浦激光泵浦激光器器980nm,1480nm第52页，本讲稿共58页EDFA原理原理980nm1480nmN1N30N2 1550nm1550nm受激辐射受激辐射信号光信号光泵浦光泵浦光第53页，本讲稿共58页EDFA增益平坦措施增益平坦措施+增益增益EDFA增益增益谱波长波长均衡器均衡器增益增益波长波长得到的增益谱得到的增益谱增益增益波长波长铝或其它离子铝或其它离子光光纤纤第54页，本讲稿共58页Digital Warpe

32、r数字包封数字包封前前 向向 纠 错FEC;性能性能监视;信信令令路路由由选择和和光光层保保护倒倒换SONET/SDHFDDIATMSDLIPGbEPDHOptical Channel(OCH)LayerOptical Multiplex Section(OMS)Optical Transmission Section(OTS)TxRxRxTx OCH PayloadOCH-SOCH-TCOCH-P第55页，本讲稿共58页Digital Warper数字包封数字包封以以10Gb/s为例例:净负荷速率荷速率:9.95328Gb/sFEC 数据速率数据速率:669.13Mb/sOCH-OAM 速率速率:41.82Mb/s总线路数据速率路数据速率:10.66423Gb/s帧速率速率:326.7KHz帧周期周期:3.06us第56页，本讲稿共58页未来未来IP传送传送第57页，本讲稿共58页谢谢！第58页，本讲稿共58页