第9讲_光纤通信新技术(1).ppt

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1、第九讲第九讲(1)(1)光通信新技术光通信新技术lPDH系统系统 SDH系统系统l波分复用波分复用 WDM 密集波分复用密集波分复用 DWDMl副载波复用通信副载波复用通信l新型光纤研制新型光纤研制l光放大技术光放大技术l光交换技术光交换技术 l相干光通信相干光通信l光弧子通信光弧子通信目前光纤通信的目前光纤通信的热点热点 研究方向最终实现全光通信研究方向最终实现全光通信!4/4/20232主要内容主要内容 一、一、波分复用波分复用WDM WDM 二、二、光弧子通信光弧子通信三、三、全光通信网全光通信网四、光接入技术四、光接入技术4/4/20233l波分复用波分复用 Wavelength Di

2、vision Multiplexing WDMl频分复用频分复用 Frequency Division Multiplexing FDM FDMFDM与与WDMWDM在本质上是没有区别的。在本质上是没有区别的。通常把光载波间隔在通常把光载波间隔在1nm1nm以上的系统称为以上的系统称为WDMWDM或或DWDM;DWDM;当光载波间隔在当光载波间隔在1nm1nm以下的系统称为以下的系统称为FDMFDMl时分复用时分复用 Time Division Multiplexing TDM 将一帧时间将一帧时间T T划分为划分为n n个时隙，每一个时隙只传输固定的信道，个时隙，每一个时隙只传输固定的信道，

3、与与TDMTDM相比，相比，OTDMOTDM中电光和光电转换分别位于复用之前和解复用之后，中电光和光电转换分别位于复用之前和解复用之后，电子器件及电子器件及E/OE/O和和O/EO/E变换单元只工作于支路信号速率上。变换单元只工作于支路信号速率上。目前技术难点在于接收精确同步。目前技术难点在于接收精确同步。l空分复用空分复用 Space Division Multiplexing SDMl副载波复用副载波复用 Subcarrier Division Multiplexing SCM第一节第一节 波分复用波分复用WDMWDM各种复用方式各种复用方式 4/4/202341.波分复用的基本概念波分复

4、用的基本概念 波分复用是光纤通信中的波分复用是光纤通信中的一种传输技术一种传输技术,它利用了一根它利用了一根光纤可以同时传输多个不同波长的光载波的特点光纤可以同时传输多个不同波长的光载波的特点,把光纤可把光纤可能应用的波长范围划分成若干个波段能应用的波长范围划分成若干个波段,每个波段用作一个独每个波段用作一个独立的通道传输一种预定波长的光信号。通常将波分复用缩立的通道传输一种预定波长的光信号。通常将波分复用缩写为写为WDMWDM。光波分复用的实质是在光纤上进行光波分复用的实质是在光纤上进行光频分复用光频分复用每个波每个波长之间的间隔宽度也有差别。按照通道间隔的差异，长之间的间隔宽度也有差别。按

5、照通道间隔的差异，WDMWDM可可以细分为以细分为:WWDMWWDM （Wide-WDM,Wide-WDM,通道间隔等于或者大于通道间隔等于或者大于25nm25nm）MWDMMWDM (Mid-WDM,(Mid-WDM,通道间隔小于通道间隔小于25 nm,25 nm,而大于而大于3.2 nm)3.2 nm)DWDMDWDM (Dense-WDM,(Dense-WDM,通道间隔小于或者等于通道间隔小于或者等于3.2 nm)3.2 nm)。通道可以是等间隔的，也可以是非等间隔的。通道可以是等间隔的，也可以是非等间隔的。4/4/202352.2.单模光纤的频带资源单模光纤的频带资源 光纤的带宽很宽。

6、如图所示，在光纤的两个低损耗光纤的带宽很宽。如图所示，在光纤的两个低损耗传输窗口：传输窗口：波长为波长为1.31um(1.251.31um(1.251.35um)1.35um)的窗口，相应的窗口，相应的带宽为的带宽为17700 GHz17700 GHz；波长为波长为 1.55um(1.501.55um(1.501.60um)1.60um)窗窗口，相应的带宽为口，相应的带宽为12500 GHz12500 GHz。两个窗口合在一起，总两个窗口合在一起，总带宽超过带宽超过30 THz30 THz。如果信道频率间隔为。如果信道频率间隔为10GHz10GHz，在理想，在理想情况下，一根光纤可以容纳情况下

7、，一根光纤可以容纳30003000个信道。个信道。4/4/20236 DWDMDWDM系系统统是是在在1550 nm波波长长区区段段内内，同同时时用用8，16或或更更多多个个波波长长在在一一对对光光纤纤上上(也也可可采采用用单单光光纤纤)构构成成的的光光通通信信系系统统，其其中中各各个个波波长长之之间间的的间间隔隔为为1.6 nm、0.8 nm或或更更低低，约约对对应应于于200 GHz,100 GHz或更窄的带宽。或更窄的带宽。WDMWDM、DWDMDWDM和和OFDMOFDM在本质上没有多大区别在本质上没有多大区别 以以往往技技术术人人员员习习惯惯采采用用WDM 和和DWDM来来区区分分是

8、是1310/1550 nm 简简单单复复用用还还是是在在1550 nm波波长长区区段段内内密密集集复复用用，但但目目前前在在电电信界应用时，都采用信界应用时，都采用DWDM技术。技术。由由于于1310/1550 nm的的复复用用超超出出了了EDFA的的增增益益范范围围，只只在在一一些些专专门门场场合合应应用用，所所以以经经常常用用WDM这这个个更更广广义义的的名名称称来来代代替替DWDM。4/4/20237 WDM技技术术对对网网络络升升级级、发发展展宽宽带带业业务务(如如CATV，HDTV 和和IP over WDM等等)、充充分分挖挖掘掘光光纤纤带带宽宽潜潜力力、实实现现超超高高速速光光纤

9、纤通通信信等等具具有有十十分分重重要要意意义义，尤尤其其是是WDM加加上上EDFA更更是是对对现现代代信信息息网网络具有强大的吸引力。络具有强大的吸引力。目目前前，“掺掺铒铒光光纤纤放放大大器器(EDFA)+密密集集波波分分复复用用(WDM)+非非零零色色散散光光纤纤(NZDSF，即即G.655光光纤纤)+光光子子集集成成(PIC)”正正成成为为国国际际上上长长途途高高速速光光纤纤通通信信线线路的主要技术方向。路的主要技术方向。4/4/20238 如如果果一一个个区区域域内内所所有有的的光光纤纤传传输输链链路路都都升升级级为为WDM传传输输，我我们们就就可可以以在在这这些些WDM链链路路的的交

10、交叉叉(结结点点)处处设设置置以以波波长长为为单单位位对对光光信信号号进进行行交交叉叉连连接接的的光光交交叉叉连连接接设设备备(OXC)(OXC)，或或进进行行光光上上下下路路的的光光分分插插复复用用器器(OADM)(OADM)，则则在在原原来来由由光光纤纤链链路路组组成成的的物物理理层层上上面就会形成一个新的光层。面就会形成一个新的光层。在在这这个个光光层层中中，相相邻邻光光纤纤链链路路中中的的波波长长通通道道可可以以连连接接起起来来，形形成成一一个个跨跨越越多多个个OXC和和OADM的的光光通通路路，完完成成端端到到端端的的信信息息传传送送，并并且且这这种种光光通通路路可可以以根根据据需需

11、要要灵灵活活、动动态态地地建建立立和和释释放放，这就是目前引人注目的、这就是目前引人注目的、新一代的新一代的WDM全光网络。全光网络。4/4/20239 光光波波分分复复用用器器和和解解复复用用器器是是WDM技技术术中中的的关关键键部部件件，将将不不同同波波长长的的信信号号结结合合在在一一起起经经一一根根光光纤纤输输出出的的器器件件称称为为复复用用器器(也也叫合波器叫合波器)。反反之之，经经同同一一传传输输光光纤纤送送来来的的多多波波长长信信号号分分解解为为各各个个波波长长分别输出的器件称为分别输出的器件称为解解复用器复用器(也叫分波器也叫分波器)。从从原原理理上上讲讲，这这种种器器件件是是互

12、互易易的的(双双向向可可逆逆)，即即只只要要将将解解复用器的输出端和输入端反过来使用，复用器的输出端和输入端反过来使用，就是复用器。就是复用器。因此复用器和解复用器是相同的因此复用器和解复用器是相同的(除非有特殊的要求除非有特殊的要求)。3.WDM3.WDM系统的基本形式系统的基本形式4/4/202310WDM系统的基本构成主要有以下两种形式：系统的基本构成主要有以下两种形式：1）双纤单向传输双纤单向传输。单向。单向WDM传输传输是指是指所有光通路同时在所有光通路同时在一根光纤上沿同一方向传送。如图所示，在发送端将载有一根光纤上沿同一方向传送。如图所示，在发送端将载有各种信息的、具有不同波长的

13、各种信息的、具有不同波长的已调光信号已调光信号1，2，n通通过光复用器组合在一起，并在一根光纤中过光复用器组合在一起，并在一根光纤中单向传输单向传输。由于。由于各信号是通过不同光波长携带的，因而彼此之间不会混淆。各信号是通过不同光波长携带的，因而彼此之间不会混淆。在接收端通过光解复用器将不同波长的信号分开，完成多在接收端通过光解复用器将不同波长的信号分开，完成多路光信号传输的任务。反方向通过另一根光纤传输的原理路光信号传输的任务。反方向通过另一根光纤传输的原理与此相同。与此相同。4/4/202311WDM系统的基本形式系统的基本形式(续续)（2）单纤双向传输单纤双向传输。双向。双向WDM传输是

14、指光通路传输是指光通路在一根光纤上在一根光纤上同时同时向两个不同的方向传输。如向两个不同的方向传输。如图所示，图所示，所用波长相互分开所用波长相互分开，以实现，以实现双向全双双向全双工工的通信。的通信。(关键点）关键点）4/4/202312WDM系统的基本形式系统的基本形式(续续)双向双向WDM系统在设计和应用时必须要系统在设计和应用时必须要考虑几个关考虑几个关键的系统因素键的系统因素:为了抑制多通道干扰（为了抑制多通道干扰（MPI），），必须注意到必须注意到光光反射反射的影响、双向通路之间的的影响、双向通路之间的隔离隔离、串扰串扰的类型和的类型和数值、两个方向传输的功率电平值和相互间的依赖数

15、值、两个方向传输的功率电平值和相互间的依赖性、性、光监控信道光监控信道（OSC）传输和自动功率关断等问传输和自动功率关断等问题。题。同时要使用同时要使用双向光纤放大器双向光纤放大器，所以双向所以双向WDM系统的开发和应用相对说来要求较高，但与单向系统的开发和应用相对说来要求较高，但与单向WDM系统相比，双向系统相比，双向WDM系统可以系统可以减少减少使用光纤使用光纤和线路放大器的数量。和线路放大器的数量。4/4/202313四、光波分复用器的性能参数四、光波分复用器的性能参数 另外，通过在中间设置另外，通过在中间设置光分插复用器光分插复用器（OADM）或或光交叉连接器光交叉连接器（OXC），）

16、，可使各可使各波长光信号进行合流与分流，实现波长的上下波长光信号进行合流与分流，实现波长的上下路（路（AddDrop）和和路由分配路由分配，这样就可以根，这样就可以根据光纤通信线路和光网的业务量分布情况，合据光纤通信线路和光网的业务量分布情况，合理地安排插入或分出信号。理地安排插入或分出信号。光波分复用器是波分复用系统的重要组成光波分复用器是波分复用系统的重要组成部分，为了确保波分复用系统的性能，部分，为了确保波分复用系统的性能，对波分对波分复用器的基本要求是复用器的基本要求是：插入损耗小，隔离度大，：插入损耗小，隔离度大，带内平坦，带外插入损耗变化陡峭，温度稳定带内平坦，带外插入损耗变化陡峭

17、，温度稳定性好，复用通路数多，尺寸小等。性好，复用通路数多，尺寸小等。4/4/2023144.光波分复用器的性能参数光波分复用器的性能参数（1）插入损耗插入损耗。插入损耗。插入损耗是指是指由于增加光波分复用器由于增加光波分复用器解复用器而产生的附加损耗，定义为该无源器件的输解复用器而产生的附加损耗，定义为该无源器件的输入和输出端口之间的光功率之比，即入和输出端口之间的光功率之比，即 a10lg Pi/P0 (dB)其中其中Pi为发送进输入端口的光功率；为发送进输入端口的光功率；P0为从输出端口为从输出端口接收到的光功率。接收到的光功率。（2）串扰抑制度串扰抑制度。串扰。串扰是指是指其他信道的信

18、号耦合进某一其他信道的信号耦合进某一信道，并使该信道传输质量下降的影响程度，有时也信道，并使该信道传输质量下降的影响程度，有时也可用隔离度来表示这一程度。对于解复用器可用隔离度来表示这一程度。对于解复用器 Cij=-10lg Pij/Pi (dB)其中其中Pi是波长为是波长为i的光信号的输入光功率，的光信号的输入光功率，Pij是波长是波长为为i的光信号串入到波长为的光信号串入到波长为j信道的光功率。信道的光功率。4/4/2023154.光波分复用器的性能参数光波分复用器的性能参数(续续)（3）回波损耗）回波损耗。回波损耗是指从无源器件的输入端口返。回波损耗是指从无源器件的输入端口返回的光功率与

19、输入光功率的比，即回的光功率与输入光功率的比，即 RL10 lg Pr/Pj （dB）其中其中Pj为发送进输入端口的光功率，为发送进输入端口的光功率，Pr为从同一个输为从同一个输入端口接收到的返回光功率。入端口接收到的返回光功率。（4）反射系数）反射系数。反射系数是指在。反射系数是指在WDM器件的给定端口器件的给定端口的反射光功率的反射光功率P，与入射光功率与入射光功率A之比，即之比，即 R10 lg Pr/Pj （dB）（5）工作波长范围。工作波长范围。工作波长范围是指工作波长范围是指WDM器件能够器件能够按照规定的性能要求工作的波长范围按照规定的性能要求工作的波长范围。（6）信道宽度。信道

20、宽度。信道宽度是指信道宽度是指各光源之间各光源之间为避免串扰应为避免串扰应具有的波长间隔。具有的波长间隔。4/4/202316 5.WDM系统的基本结构系统的基本结构 实实际际的的WDM系系统统主主要要由由五五部部分分组组成成：光光发发射射机机、光光中中继继放放大、光接收机、光监控信道和网络管理系统，如下图所示大、光接收机、光监控信道和网络管理系统，如下图所示。4/4/202317 光发射机光发射机光发射机光发射机位位于于WDM系统的发送端。系统的发送端。在发送端首先将来自终端设备在发送端首先将来自终端设备(如如SDH端机端机)输出的输出的光信号，利用光信号，利用光转发器光转发器(OTU)把符

21、合把符合ITU-T G.957建议的建议的非特定波长的光信号转换成符合非特定波长的光信号转换成符合ITU-T G.692建议的具有建议的具有稳定的特定波长的光信号稳定的特定波长的光信号。OTUOTU对输入端的信号波长没有特殊要求，可以兼容对输入端的信号波长没有特殊要求，可以兼容任意厂家的任意厂家的SDH信号，其输出端满足信号，其输出端满足G.692的光接口，即的光接口，即标准的光波长和满足长距离传输要求的光源；利用合波标准的光波长和满足长距离传输要求的光源；利用合波器合成多路光信号；器合成多路光信号；通过通过光功率放大器光功率放大器(BA：Booster Amplifier)放大输出多路光信号

22、。放大输出多路光信号。4/4/202318 用用掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)对光信号进行对光信号进行中继放大中继放大。在在应应用用时时可可根根据据具具体体情情况况，将将EDFA用用作作“线线放放(LA：Line Amplifier)”,“功放功放(BA)”和和“前放前放(PA：Preamplifier)”。在在WDM系系统统中中，对对EDFA必必须须采采用用增增益益平平坦坦技技术术，使使得得EDFA对对不不同同波波长长的的光光信信号号具具有有接接近近相相同同的的放放大大增增益益。与与此此同同时时，还还要要考考虑虑到到不不同同数数量量的的光光信信道道同同时时工工作作的的各各种种情情况

23、况，保保证证光光信信道道的增益竞争不影响传输性能。的增益竞争不影响传输性能。在在接接收收端端，光光前前置置放放大大器器(PA)放放大大经经传传输输而而衰衰减减的的主主信信道道光光信信号号，分分波波器器从从主主信信道道光光信信号号中中分分出出特特定定波波长长的的光光信信号号。接接收收机机不不但但要要满满足足一一般般接接收收机机对对光光信信号号灵灵敏敏度度、过过载载功功率率等等参参数数的的要要求求，还要能承受有一定光噪声的信号，要有足够的电带宽。还要能承受有一定光噪声的信号，要有足够的电带宽。4/4/202319 光监控信道光监控信道(OSC：Optical Supervisory Channel

24、)的主要功能是：的主要功能是：监监控控系系统统内内各各信信道道的的传传输输情情况况，在在发发送送端端，插插入入本本结结点点产产生生的的波波长长为为s(1510 nm)的的光光监监控控信信号号，与与主主信信道道的的光光信信号号合合波波输输出出；在在接接收收端端，将将接接收收到到的的光光信信号号分分离离，输输出出s(1510 nm)波波长长的的光光监监控信号和业务信道光信号。控信号和业务信道光信号。帧帧同同步步字字节节、公公务务字字节节和和网网管管所所用用的的开开销销字字节节等等都都是是通通过过光光监控信道来传送的。监控信道来传送的。网网网网络络络络管管管管理理理理系系系系统统统统通通过过光光监监

25、控控信信道道物物理理层层传传送送开开销销字字节节到到其其他他结结点点或或接接收收来来自自其其他他结结点点的的开开销销字字节节对对WDM系系统统进进行行管管理理，实实现现配配置置管管理理、故故障障管管理理、性性能能管管理理和和安安全全管管理理等等功功能能，并并与与上上层层管管理理系统系统(如如TMN)相连。相连。4/4/202320 目目前前国国际际上上已已商商用用的的系系统统有有：42.5 Gb/s(10 Gb/s),82.5 Gb/s(20 Gb/s),162.5 Gb/s(40 Gb/s),402.5 Gb/s(100 Gb/s),3210 Gb/s(320 Gb/s),4010 Gb/s

26、(400 Gb/s)。实实验验室室已已实实现现了了8240 Gb/s(3.28 Tb/s)的的速速率率，传传输输距距离离达达3100 km=300km。OFC2000(Optical Fiber Communication Conference)提供的情况有：提供的情况有：Bell Labs:82路路40 Gb/s=3.28 Tb/s在在3100 km=300 km的的True Wave(商商标标)光光纤纤(即即G.655光光纤纤)上上，利利用用C和和L两两个个波波带带联联合合传传输；输；日日本本NEC:16020 Gb/s=3.2 Tb/s，利利用用归归零零信信号号沿沿色色散散平平坦坦光光纤

27、，经过增益宽度为纤，经过增益宽度为64 nm的光纤放大器，传输距离达的光纤放大器，传输距离达1500 km;4/4/2023211.充分利用光纤的巨大带宽资源充分利用光纤的巨大带宽资源 光光纤纤具具有有巨巨大大的的带带宽宽资资源源(低低损损耗耗波波段段)，WDM技技术术使使一一根根光光纤纤的的传传输输容容量量比比单单波波长长传传输输增增加加几几倍倍至至几几十十倍倍甚甚至至几几百百倍倍，从从而而增增加加光光纤纤的的传传输输容容量量，降降低低成成本本，具具有有很很大大的的应应用用价价值值和和经济价值。经济价值。2.同时传输多种不同类型的信号同时传输多种不同类型的信号 由由于于WDM技技术术使使用用

28、的的各各波波长长的的信信道道相相互互独独立立，因因而而可可以以传传输输特特性性和和速速率率完完全全不不同同的的信信号号，完完成成各各种种电电信信业业务务信信号号的的综综合合传传输输，如如PDH信信号号和和SDH信信号号，数数字字信信号号和和模模拟拟信信号号，多多种种业务业务(音频、视频、数据等音频、视频、数据等)的混合传输等。的混合传输等。6.WDM6.WDM技术的主要特点技术的主要特点4/4/202322 3.节省线路投资节省线路投资 采采用用WDM技技术术可可使使N个个波波长长复复用用起起来来在在单单根根光光纤纤中中传传输输，也也可可实实现现单单根根光光纤纤双双向向传传输输，在在长长途途大

29、大容容量量传传输输时时可可以以节节约约大大量量光光纤纤。另另外外，对对已已建建成成的的光光纤纤通通信信系系统统扩扩容容方方便便，只只要要原原系系统统的的功功率率余余量量较较大大，就就可进一步增容而不必对原系统作大的改动。可进一步增容而不必对原系统作大的改动。4.降低器件的超高速要求降低器件的超高速要求 随随着着传传输输速速率率的的不不断断提提高高，许许多多光光电电器器件件的的响响应应速速度度已已明明显显不不足足，使使用用WDM技技术术可可降降低低对对一一些些器器件件在性能上的极高要求，同时又可实现大容量传输。在性能上的极高要求，同时又可实现大容量传输。4/4/202323 5.高度的组网灵活性

30、、高度的组网灵活性、经济性和可靠性经济性和可靠性 WDM技技术术有有很很多多应应用用形形式式，如如长长途途干干线线网网、广广播播分分配配网网、多多路路多多址址局局域域网网。可可以以利利用用WDM技技术术选选择择路路由由，实实现现网网络络交交换换和和故故障障恢恢复复，从从而而实实现现未未来的透明、来的透明、灵活、经济且具有高灵活、经济且具有高度生存性的光网络。度生存性的光网络。4/4/2023244/4/202325 随着光纤损耗不断下降，光信号幅度的衰减越来越不随着光纤损耗不断下降，光信号幅度的衰减越来越不成为限制通信系统中继距离的主要制约因素。相反地，在成为限制通信系统中继距离的主要制约因素

31、。相反地，在Gb/sGb/s以上的高速光纤通信系统中，由于各种色散，即以上的高速光纤通信系统中，由于各种色散，即群速群速度色散（度色散（GVDGVD）而造成的光脉冲在传播过程中的而造成的光脉冲在传播过程中的脉冲展宽脉冲展宽却成为限制通信距离的关键制约因素。却成为限制通信距离的关键制约因素。18341834年英国海军工程师年英国海军工程师Scott Scott RusselRussel观察到河面上船观察到河面上船过后隆起的水波可以保形传输，从此揭开了孤子理论的研过后隆起的水波可以保形传输，从此揭开了孤子理论的研究序幕。究序幕。19731973年，年，HasegawaHasegawa与与Tappe

32、rtTappert一起从理论上证明了光一起从理论上证明了光孤子脉冲能在光纤中保形传输这一现象，这种发现诱发了孤子脉冲能在光纤中保形传输这一现象，这种发现诱发了人们将光孤子作为一种信息载体用于高速通信的遐想。人们将光孤子作为一种信息载体用于高速通信的遐想。第二节第二节 光孤子光纤通信光孤子光纤通信 Soliton4/4/202326 光孤子现象光孤子现象：用较大功率的长波激光（其波长：用较大功率的长波激光（其波长大于零色散波长）在光纤中传播，产生大于零色散波长）在光纤中传播，产生非线性效非线性效应应形成负色散，以抵消光纤本身的色散所引起的形成负色散，以抵消光纤本身的色散所引起的脉冲展宽现象。脉冲

33、展宽现象。是一种孤立波是一种孤立波，它在传播过程中，它在传播过程中没有能量弥散，没有能量弥散，特别是超短光脉冲特别是超短光脉冲即脉冲宽度达即脉冲宽度达到到psps量级，它通过光纤传输时将没有任何色散而量级，它通过光纤传输时将没有任何色散而保持脉冲形状不变。保持脉冲形状不变。光孤子光孤子(SolitonSoliton)是经光纤长距离传输后，其是经光纤长距离传输后，其幅度和宽度都不变的超短光脉冲幅度和宽度都不变的超短光脉冲(psps数量级数量级)。第二节第二节 光孤子光纤通信光孤子光纤通信 Soliton4/4/202327 为为了了增增加加传传输输距距离离，在在光光纤纤线线路路上上，每每隔隔一一

34、定定的的距距离离，可可设设置置一一个个光光纤纤放放大大器器，以以周周期期地地补补充充光光功功率率的的损损耗耗。但但是是多多个个光光纤纤放放大大器器产产生生的的噪噪声声累累积积又又妨妨碍碍了了传传输输距距离离的的增增加加，因因而而要要求求提提高高传传输输信信号号的的光光功功率率，这这样样便便产产生生非非线线性性效效应应。非非线线性性效效应应对对光光纤纤通通信信有有害害也也有有利利，事事实实表表明明，克克服服其其害害还还不不如如利利用用其利。其利。光光纤纤非非线线性性效效应应和和色色散散单单独独起起作作用用时时，在在光光纤纤中中传传输输的的光光信信号号都都要要产产生生脉脉冲冲展展宽宽，对对传传输输

35、速速率率的的提提高高是是有有害害的的。但但是是如如果果适适当当选选择择相相关关参参数数，使使两两种种效效应应相相互互平平衡衡，就就可可以以保保持持脉脉冲冲宽度不变，宽度不变，因而形成光孤子。因而形成光孤子。4/4/2023281.光孤子的形成光孤子的形成 在在讨讨论论光光纤纤传传输输理理论论时时，假假设设了了光光纤纤折折射射率率n和和入入射射光光强强(光光功功率率)无无关关，始始终终保保持持不不变变。这这种种假假设设在在低低功功率率条条件件下下是是正确的，获得了与实验良好一致的结果。正确的，获得了与实验良好一致的结果。然然而而，在在高高功功率率条条件件下下，折折射射率率n随随光光强强而而变变化

36、化，这这种种特特性称为性称为非线性效应非线性效应。光光纤纤折折射射率率n n随随光光强强|E|E|2 2而而变变化化特特性性，称称为为克克尔尔(Kerr)(Kerr)效效应应，这这种种变变化化虽虽然然很很小小(10(10-10-10)，但但对对光光纤纤传传输输特特性性的的影影响响还还是是很很大的。大的。4/4/202329 光强感应的折射率变化光强感应的折射率变化引起的相位变化使脉冲不同引起的相位变化使脉冲不同部位产生不同相移的特性，部位产生不同相移的特性，称为称为自相位调制自相位调制(SPM)(SPM)。相移使脉冲频率改变分相移使脉冲频率改变分布，其前部布，其前部(头头)频率降低，频率降低，

37、后部后部(尾尾)频率升高。这种情频率升高。这种情况称况称脉冲已被线性调频脉冲已被线性调频，或，或称称啁啾啁啾(Chirp)(Chirp)。脉冲的光强频率调制脉冲的光强频率调制 4/4/202330 图图示示出出光光脉脉冲冲在在反反常常色色散散光光纤纤中中传传输输时时，由由于于非非线线性性效效应应产产生生的的啁啁啾啾被被压压缩缩或或展展宽宽。对对反反常常色色散散光光纤纤，群群速速度度与与光光载载波波频频率率成成正正比比，在在脉脉冲冲中中载载频频高高的的部部分分传传播播得得快快，而而载载频频低的部分则传播得慢。低的部分则传播得慢。4/4/202331 对对正正常常色色散散光光纤纤，结结论论正正相相

38、反反。因因此此，具具有有正正啁啁啾啾的的光光脉脉冲冲通通过过反反常常色色散散光光纤纤时时，脉脉冲冲前前部部(头头)频频率率低低，传传播播得得慢慢，而后部而后部(尾尾)频率高，传播得快。频率高，传播得快。这这种种脉脉冲冲形形象象地地被被称称为为“红红头头紫紫尾尾”光光脉脉冲冲。在在传传播播过过程中，程中，“紫紫”尾逐渐接近尾逐渐接近“红红”头，因而脉冲被压缩。头，因而脉冲被压缩。相相反反，具具有有负负啁啁啾啾的的光光脉脉冲冲通通过过反反常常色色散散光光纤纤时时，前前部部(头头)传传播播得得快快，后后部部(尾尾)传传播播得得慢慢，“紫紫”头头和和“红红”尾尾逐逐渐渐分分离离，结结果果脉脉冲冲被被展

39、展宽宽。由由此此可可见见，适适当当选选择择相相关关参参数数，可以使光脉冲宽度保持不变。可以使光脉冲宽度保持不变。4/4/2023322.光孤子通信系统的构成和性能光孤子通信系统的构成和性能 光光孤孤子子源源产产生生一一系系列列脉脉冲冲宽宽度度很很窄窄的的光光脉脉冲冲，即即光光孤孤子子流流，作作为为信信息息的的载载体体进进入入光光调调制制器器，使使信信息息对对光光孤孤子子流流进进行行调调制制。被被调调制制的的光光孤孤子子流流经经掺掺铒铒光光纤纤放放大大器器和和光光隔隔离离器器后后，进入光纤进行传输。进入光纤进行传输。为为克克服服光光纤纤损损耗耗引引起起的的光光孤孤子子减减弱弱，在在光光纤纤线线路

40、路上上周周期期地地插插入入EDFA，向向光光孤孤子子注注入入能能量量，以以补补偿偿因因光光纤纤传传输输而而引引起起的的能能量量消消耗耗，确确保保光光孤孤子子稳稳定定传传输输。在在接接收收端端，通通过过光光检检测测器和解调装置，恢复光孤子所承载的信息。器和解调装置，恢复光孤子所承载的信息。4/4/202333孤子源孤子源调制调制脉冲源脉冲源EDFA隔离器隔离器探测探测光纤传输系统光纤传输系统EDFAEDFAEDFA 光孤子通信系统构成方框图光孤子通信系统构成方框图4/4/202334 光光孤孤子子源源是是光光孤孤子子通通信信系系统统的的关关键键。要要求求光光孤孤子子源源提提供供的的脉脉冲冲宽宽度

41、度为为ps数数量量级级，并并有有规规定定的的形形状状和和峰峰值值。光光孤孤子子源源有有很很多多种种类类，主主要要有有掺掺铒铒光光纤纤孤孤子子激激光光器器、锁锁模模半半导导体体激激光光器器等等。目目前前，光光孤孤子子通通信信系系统统已已经经有有许许多多实实验验结结果果。例例如如，对对光光纤纤线线路路直直接接实实验验系系统统，在在传传输输速速率率为为10 Gb/s时时，传传输输距距离离达达到到1000 km；在在传传输输速速率率为为20 Gb/s时时，传传输输距距离离达达到到350 km。对对循循环环光光纤纤间间接接实实验验系系统统，传传输输速速率率为为2.4 Gb/s，传传输输距距离离达达12

42、000 km；改改进进实实验验系系统统，传传输输速速率率为为10 Gb/s，传传输输距距离离达达106 km。4/4/202335 循环光纤间接光孤子实验系统图循环光纤间接光孤子实验系统图 光隔离器光隔离器调制器调制器锁模锁模激光器激光器EDFA光隔离器光隔离器1 dB耦合器耦合器微波频谱微波频谱分析仪分析仪EDFA光纤光纤EDFA光纤光纤EDFA光纤光纤25 km25 km25 km4/4/202336 事事实实上上，对对于于单单信信道道光光纤纤通通信信系系统统来来说说，光光孤孤子子通通信信系系统统的的性性能能并并不不比比在在零零色色散散波波长长工工作作的的常常规规(非非光孤子光孤子)系统更

43、好。系统更好。循循环环光光纤纤间间接接实实验验结结果果表表明明，零零色色散散波波长长常常规规系系统统的的传传输输速速率率为为2.4 Gb/s时时，传传输输距距离离可可达达21 000 km，而而为为5 Gb/s时时可可达达14 300 km。然然而而，零零色色散散波波长长系系统统只只能能实实现现单单信信道道传传输输，而而光光孤孤子子系系统统则则可可用用于于WDM系系统统，使使传传输输速速率率大大幅幅度度增增加加，因因而而具具有有广广阔的应用前景。阔的应用前景。4/4/202337 1全光网的概念全光网的概念 全光网是指用户与用户之间的信号传输与交换全部采用全光网是指用户与用户之间的信号传输与交

44、换全部采用光波技术，即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域光波技术，即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行，而其在各网络节点的交换则使用高可靠、大容量和内进行，而其在各网络节点的交换则使用高可靠、大容量和高度灵活的光交叉连接设备（高度灵活的光交叉连接设备（OXC）。）。2全光网的基本结构全光网的基本结构 可以分为光网络层和电网络层。可以分为光网络层和电网络层。光网络层的拓扑结构可以是环形、星形和网孔形等，交光网络层的拓扑结构可以是环形、星形和网孔形等，交换方式各采用空分、时分或波分光交换。目前国际上所试验换方式各采用空分、时分或波分光交换。目前国际上所试验的全光网更注重于波分光交

45、换的应用。的全光网更注重于波分光交换的应用。第三节第三节 全光通信网全光通信网4/4/202338全光网的基本结构全光网的基本结构4/4/202339 3全光网络中的关键技术全光网络中的关键技术 （1）光交叉连接设备（）光交叉连接设备（OXC）（2）光分插复用器（）光分插复用器（OADM）（3）掺铒光纤放大器（）掺铒光纤放大器（EDFA）（4）全光网的管理、控制和运作）全光网的管理、控制和运作 网络层与传输层一致的问题。网络层与传输层一致的问题。使用新的监控方法的问题。使用新的监控方法的问题。协调处理好不同系统、不同传输层之间关系的问题。协调处理好不同系统、不同传输层之间关系的问题。4/4/2

46、02340 4全光网的特点全光网的特点 全光网通过波长选择器来实现路由选择，即以波长来全光网通过波长选择器来实现路由选择，即以波长来选择路由，对传输码率、数据格式以及调制方式具有透明性选择路由，对传输码率、数据格式以及调制方式具有透明性的优点。的优点。全光网不仅可以与现有的通信网络兼容，而且还可以全光网不仅可以与现有的通信网络兼容，而且还可以支持未来的宽带综合业务数字网以及网络的升级。支持未来的宽带综合业务数字网以及网络的升级。全光网络具备可扩展性。可同时扩展用户、容量和种全光网络具备可扩展性。可同时扩展用户、容量和种类。类。全光网还具备可重构性，动态地改变网络结构，可为全光网还具备可重构性，

47、动态地改变网络结构，可为突发业务提供临时连接，从而充分利用网络资源。突发业务提供临时连接，从而充分利用网络资源。全光网的光网络层有许多光器件，可靠性高，维护费用全光网的光网络层有许多光器件，可靠性高，维护费用低。低。4/4/202341推荐网站推荐网站巨龙巨龙 http:/ http:/ http:/ http:/ http:/ http:/ http:/ http:/ http:/ http:/ 宽带超节点交换机宽带超节点交换机广东北电广东北电 http:/ http:/ http:/ http:/ http:/ http:/ telecom http:/ ADSL系统系统,Cable Modem阿尔卡特阿尔卡特 http:/ http:/ http:/ Modem接入设备接入设备,IP网络产品网络产品飞利浦宽带网络飞利浦宽带网络 http:/ http:/ http:/ http:/ http:/ http:/ http:/ http:/.tw/成都电缆厂成都电缆厂 http:/www.cdc- http:/www.shuang- http:/ http:/ http:/ http:/ http:/ http:/ http:/ http:/ http:/ http:/ You 4/4/202346