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WTI Wireless Technology Innovation Institute 1 BUPT 通信工程师师 有线传输线传输 工 程 WTI Wireless Technology Innovation Institute 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 WTI Wireless Technology Innovation Institute 3 光纤纤通信基本理论论 WTI Wireless Technology Innovation Institute 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。 l 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 的光学玻璃衰减高达1000dB/Km。 l1970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光纤通信的发展历程 WTI Wireless Technology Innovation Institute 5 l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。 l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。 l不同种类的光纤也相继研发出来,比如色散位移光纤、保偏光 纤、掺杂光纤、塑料光纤、光子晶体光纤等等。 WTI Wireless Technology Innovation Institute 6 l 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。 l 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。 WTI Wireless Technology Innovation Institute 7 l 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。 WTI Wireless Technology Innovation Institute 8 l 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。 l 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。 l 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。 l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。 WTI Wireless Technology Innovation Institute 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: WTI Wireless Technology Innovation Institute 10 lSDH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 lITU-T于上世纪末提出的光传送网(OTN)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: WTI Wireless Technology Innovation Institute 11 l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 WTI Wireless Technology Innovation Institute 12 l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,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。 l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,这是因为光纤通信本身具有许多突出的优点: 光通信技术特点 WTI Wireless Technology Innovation Institute 13 l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。 l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。 l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。 WTI Wireless Technology Innovation Institute 14 l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: l光纤弯曲半径不宜过小; l光纤的切断和连接操作相对复杂; l 分路、耦合相对麻烦。 WTI Wireless Technology Innovation Institute 15 信号 光发 射机 光源中继器 检测器 光接 收机 信号 电E/光O转换 光纤 光O/电E转换 发送单元传输单元接收单元 连接器件 基本光纤系统组成 WTI Wireless Technology Innovation Institute 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 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 。 WTI Wireless Technology Innovation Institute 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。 纤芯包层保护套 WTI Wireless Technology Innovation Institute 18 光检测 器 光检测检测 器是把光信号转转化为电为电 信号的器 件。由于从光纤纤中传输过传输过 来的光信号 一般非常微弱且产产生了畸变变,因此光 通信系统对
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