第七章 光通信新技术,【知识要点】 到目前为止，人类所建立的使用化的光纤通信系统，无论是传输模拟信号还是数字信号，也无论是低速率的多模光纤系统还是高速率的单模光纤系统，几乎都是采用强度调制方式。这种光纤通信方式的主要优点是调制和解调容易实现，成本低。但是由于在接收端采用直接检测方式，导致光接收机灵敏度受限于光监测器及前置放大器产生的各种噪声，从而使这类系统的中继距离和传输容量受到限制。进入20世纪90年代以后，光纤通信技术更新越来越频繁，新技术不断涌现，在本章主要介绍一些已经实用化或者有重要应用前景的光通信新技术，如光波分复用技术、光交换技术、光孤子通信、光接入网技术等，以便使读者对光通信的发展有进一步的认识。,7.1 光时分复用技术 光时分复用（OTDM）技术指利用高速光开关把多路光信号在时域里复用到一路上的技术。OTDM的原理与电时分复用相同，只不过电时分复用是在电域中完成，而光时分复用是在光域中进行，即将高速的光支路数据流（如10Gbit/s，甚至40Gbit/s）直接复用进光域，产生极高比特率的合成光数据流。 这种方法避开使用高速电子器件而改用宽带光电器件。电时分复用和解复用的基本原理是每个基带数据流在复用信道上分配一个时隙。复用器把基带数据流组装成较高比特速率的比特流，而解复用器把已复用的数据流拆分成原来的低速比特流。在电TDM信号中，各个支路脉冲的位置由复用器时钟来控制；在光TDM中，则各支路脉冲的位置用光学方法来实现，并由光纤耦合器来合路，因而复用和解复用设备中的电子电路只工作在相对较低的速率。,如图7.1a所示为电时分复用系统。对于N个基带信道，每个信道比特率为B，复用比特率为NB。如果B很高，或者B虽不高，但是N却很多，此时复用后的比特率NB就很高，在复用器和电/光转换器（E/O）中，就存在电子瓶颈问题。在光/电转换和解复用端，电子设备必须在复用后的比特率下工作，也存在电子瓶颈问题。 电子瓶颈来源于：数字集成电路的限制；在E/O和O/E转换器中，由于驱动激光器或调制器的高功率和低噪声线性放大器的速度限制；激光器和调制器调制带宽的限制。至今，这些问题已经限制电复用系统的最大比特率为40Gbit/s。 如图7.1b所示表示光时分复用系统。该系统的E/O和O/E转换器（即光发射机和接收机）已变成基带信号，与信号处理有关的所有电子设备均工作在基带比特速率下，不存在电子瓶颈问题。解复用器所需要的控制信号既可以是电的，也可以是光的，这要取决于解复用技术。目前，大多数光解复用器是基于使用电子控制信号的电光方法实现的。对于OTDM系统中的解复用器，电子控制信号的带宽并不需要很宽。,图7.1电时分复用和光时分复用系统比较 a)电时分复用b)光时分复用,光时分复用又分为比特交错光时分复用和分组交错光时分复用。 比特交错光时分复用时，首先由锁模激光器产生窄脉冲周期序列，然后将窄脉冲周期序列分路为n路，每路窄脉冲周期序列分别被一路支路数据流（电信号）外调制，对已调制过的第i支路光数据流（i=1，2，n）脉冲通过适当长度的硅光纤延时i（1km的光纤提供约5s的时延）。这样，不同支路光脉冲流延迟时间不同，在时间上复用不会重叠，便于数据流的复接。 分组交错光时分复用和比特交错光时分复用一样，首先由锁模激光器产生窄脉冲周期序列，然后将窄脉冲周期序列分路为n路，每路窄脉冲周期序列分别被一路支路数据流（电信号）外调制。,7.2 光波分复用技术 光波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）技术一般有粗波分复用（CWDM）、密集波分复用（DWDM）和光频分复用（OFDM）之分。一般的看法是光载波复用数小于8波，信道间隔大于3.2nm的系统为CWDM。而光载波复用数大于8波，信道间隔小于3.2nm的系统称为DWDM。波分复用的密集程度与其他电通信的频分复用密集程度相当时，就称为OFDM。OFDM和WDM之间在原理上没有多大区别。在1300nm和1500nm传送窗口，ITU-T标准指定WDM信道间隔为100GHz。 7.2.1 WDM工作原理,图7.2光波分复用,WDM技术是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术，其基本原理是在发送端将13001600nm波段中许多不同波长的光信号同时注入同一根光纤传输，在接收端又将组合波长的光信号分开，恢复出原信号后送入不同的终端，这种技术即为波分复用技术（Wavelength Division Multiplexing，WDM），如图7.2所示。,7.2.2 WDM系统的基本结构 目前，“掺铒光纤放大器（EDFA）+密集波分复用（DWDM）+非零色散光纤（NZDSF，即G.655光纤）+光子集成（PIC）”成为国际上长途高速光纤通信线路的主要技术方向。 就像电频分复用（FDM）一样，在发射端多个信道调制各自的光载波，在接收端使用光频选择器件对复用信道解复用，就可以取出所需的信道。使用这种制式的光波系统就称作波分复用系统。一个典型的WDM系统主要由5部分组成：光发射机、光放大器、光接收机、光监控信道和网络管理系统，如图7.3所示。,图7.3典型的WDM系统组成,光发射机位于WDM系统的发送端。在发送端首先将来自终端设备输出的光信号，利用波长复用器把不同波长的光信号同时注入同一根光纤传输。在接收端又将组合波长的光信号分开，恢复出原信号后送入不同的终端来进行信号处理。 经过一定距离传输后，要用光放大器对光信号进行中继放大。在应用时可根据具体情况，将光放大器用作“在线放大器”“后置放大器”和“前置放大器”。在WDM系统中，光放大器一般使用掺铒光纤放大器（EDFA），对EDFA必须采用增益平坦技术，使得EDFA对不同波长的光信号具有接近相同的放大增益。与此同时，还要考虑到不同数量的光信道同时工作的各种情况，保证光信道的增益竞争不影响传输性能。在接收端，前置放大器放大经传输而衰减的主信道光信号，波长解复用器从主信道光信号中分出特定波长的光信号。接收机不但要满足一般接收机对光信号灵敏度、过载功率等参数的要求，还要能承受有一定光噪声的信号，要有足够的电带宽，波长解复用器必须具有窄谱宽工作能力等。,WDM系统有单纤双向波分复用系统和双纤单向波分复用系统。单纤双向波分复用系统，它只用一根光纤，多个波长的信号可以在两个方向上同时传播。双纤单向波分复用系统，是用一对光纤，在每一根光纤中光单向传输。目前真正实用化的光波分复用系统是162.5Gbit/s，1610Gbit/s和322.5Gbit/s，3210Gbit/s，4010Gbit/s。我国目前也已达到了这一实用化水平。,7.2.3 WDM系统的主要特点 1. 充分利用光纤的带宽资源 光纤具有巨大的带宽资源（低损耗波段），WDM技术使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍，甚至几百倍，从而增加光纤的传输容量，降低成本，有很大的应用价值和经济价值。 2. 扩容升级 采用WDM技术对已建成的光纤通信系统扩容方便，在网络扩充和发展中，无需对光缆线路进行改造，只需更换光发射机和光接收机即可实现，是理想的扩容手段，而且利用增加一个附加波长即可引入任意想要的新业务或新容量。 3. 透明传输 由于WDM系统按光波长的不同进行复用和解复用，而与信号的速率和电调制方式无关，即对数据是“透明”的。因此可以传输特性完全不同的信号，如PDH信号和SDH信号，数字信号和模拟信号，多种业务（音频、视频、数据等）的混合传输等。,4. 高度的组网灵活性、经济性和可靠性 利用WDM技术构成的新型通信网络比用传统的电时分复用技术组成的网络结构要大大简化，而且网络层次分明，各种业务的调度只需调整相应光信号的波长即可实现。 WDM技术有很多应用形式，如长途干线网、广播分配网、多路多址局域网等。可以利用WDM技术选择波长路由和波长交换，实现网络交换和故障恢复，从而实现未来的透明、灵活、经济且具有高度生存性的光网络。 5. 可兼容全光交换 在未来可望实现的全光网络中，各种电信业务的上/下、交叉连接等都是在光上通过对光信号波长的改变和调整来实现的。因此，WDM技术将是实现全透明、具有高度生存性的全光网络的关键技术之一。,7.2.4 WDM光网络 WDM技术极大地提高了光纤的传输容量，随之带来了对电交换结点的压力和变革的动力。为了提高交换结点的吞吐量，必须在交换方面引入光子技术，从而引起了WDM全光通信的研究。WDM全光通信网是在现有的传送网上加入光层，在光上进行分插复用（OADM）和OXC，目的是减轻电结点的压力。由于WDM全光网络能够提供灵活的波长选路能力，又称为波长选路网络（Wavelength Routing Network）。,图7.4基于WDM和波长选路的光网络与单波长网络的关系 基于WDM和波长选路的全光网络与单波长网络的关系，如图7.4所示。,1.WDM光传送网的分层结构 ITUT的G.872（草案）已经对光传送网的分层结构提出了建议。建议的分层方案是将光传送网分成光通道层（OCH）、光复用段层（OMS）和光传输段层（OTS）。与SDH传送网相对应，实际上是将光网络加到SDH传送网分层结构的段层和物理层之间，如图7.5所示。由于光纤信道可以将复用后的高速数字信号经过多个中间结点，不需电的再生中继，直接传送到目的结点，因此可以省去SDH再生段，只保留复用段，再生段对应的管理功能并入到复用段结点中。为了区别，将SDH的通道层和段层称为电通道层和电复用段层。,图7.5光传送网的分层结构 a）SDH网络b）WDM网络c）电层和光层的分解,光通道层为不同格式（如PDH565Mbit/s，SDH STM-N，ATM信元等）的用户信息提供端到端透明传送的光信道网络功能，其中包括：为灵活的网络选路重新安排信道连接；为保证光信道适配信息的完整性处理光信道开销；为网络层的运行和管理提供光信道监控功能。 光复用段层为多波长信号提供网络功能，它包括：为灵活的多波长网络选路重新安排光复用段连接；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；为段层的运行和管理提供光复用段监控功能。 光传输段层为光信号在不同类型的光媒质（如G.652，G.653，G.655光纤）上提供传输功能，包括对光放大器的监控功能。 WDM光网络的结点主要有两种功能，即光通道的上下路功能和交叉连接功能，实现这两种功能的网络元件分别是光分插复用器（OADM）和光交叉连接器（OXC）。,2.WDM光网络的实际应用 为了加深对WDM光网络的了解，我们简单地介绍一下美国的MONET网。MONET是“多波长光网络”的简称，该项目是由AT&T，Bell core和朗讯科技发起的，参加单位有Bell亚特兰大、南Bell公司、太平洋Telesis、NSA（美国国家安全局）和NRL（美国海军研究所）。MONET试验网包括3个部分：MONET New Jersey网、Washington，D.C网和连接两个地区的多波长长途光纤链路，如图7.6所示。在New Jersey是以AT&T Bell Labs为中心的星形网，在Washington，D.C是3结点的环形网。该网络在1560nm附近复用了20个WDM信道，单信道速率有3种，即1.2Gbit/s，2.5Gbit/s和10Gbit/s。在网络中还使用了可调谐激光器和可调谐波长转换器等单元器件。,该网络的试验目标是把网络结构、先进技术、网络管理和网络经济结合在一起，实现一种高性能的、经济的和可靠的多波长网络，最后将该网扩展为全国网。 支持MONET观点的人认为，未来的通信网是分层的。基础层是基于WDM的光层，用于支持电层的业务传送，该层由透明的、可以重新配置的和完全受网管控制的光网络单元构成；光层之上的层是电层，可能是SDH或ATM等电传送信号；最上层是应用层。为此，MONET项目定义和开发了一组MONET网络单元。例如，WTM（波长终端复用器）、WADM（波长分插复用器，即OADM）、WAM