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1、光纤通信复用技术光纤通信复用技术第1页，共30页，编辑于2022年，星期四主要内容主要内容v 光波分复用的基本概念光波分复用的基本概念v WDMWDM系统的工作原理与基本结构系统的工作原理与基本结构v 光波分复用系统的关键技术光波分复用系统的关键技术v 光时分复用光时分复用第2页，共30页，编辑于2022年，星期四7.1 7.1 光波分复用的基本概念光波分复用的基本概念n n波分（频分）复用波分（频分）复用n n波分复用（波分复用（波分复用（波分复用（WDM)WDM)WDM)WDM)n n频分复用（频分复用（频分复用（频分复用（OFDM)OFDM)OFDM)OFDM)n n密集波分复用（密集波
2、分复用（密集波分复用（密集波分复用（DWDM)DWDM)DWDM)DWDM)n n粗波分复用（粗波分复用（粗波分复用（粗波分复用（CWDM)CWDM)CWDM)CWDM)n n时分复用时分复用n n码分复用码分复用码分复用码分复用n n空分复用空分复用n n副载波复用副载波复用光纤通信复用技术第3页，共30页，编辑于2022年，星期四n电时分复用（电时分复用（TDM）存在的问题：）存在的问题：n“电子瓶颈电子瓶颈”限制：限制：10Gb/s40Gb/s10Gb/s40Gb/sn光纤色散限制光纤色散限制n单波长通信系统远不能有效利用光纤带宽单波长通信系统远不能有效利用光纤带宽signal1sign
3、al21 0 1 11 0 0 11 1 0 0 1 0 1 1TDM signal问题的提出问题的提出第4页，共30页，编辑于2022年，星期四n 波分复用（波分复用（WDMWDM）一根光纤同时传输一根光纤同时传输几个不同波长几个不同波长的光载波，每个光载波携带的光载波，每个光载波携带不同的不同的信息信息-波分复用（波分复用（WDMWDM）1 2 3 4 WDMn WDMWDM发展历程发展历程n1977年首先提出年首先提出n1300/1550双波长复用系统双波长复用系统n波长间隔波长间隔200GHz(1.6nm)；100GHz、50GHzn目前水平：商用系统：目前水平：商用系统：4010Gb
4、/s；实验室：；实验室：8240Gb/s=3.28Tb/snWDM技术成为目前光纤通信最具代表性的先进技术技术成为目前光纤通信最具代表性的先进技术光纤光纤问题的提出问题的提出第5页，共30页，编辑于2022年，星期四大容量光传输系统的发展大容量光传输系统的发展网络容量网络容量 目前目前 320Gbit/s1998年年160Gbit/s80Gbit/s 1997年年40Gbit/s 1995/1996 1997/1998 1999/2000 2000+年份年份将来的技术将来的技术320Gbit/s160Gbit/s80Gbit/s10Gbit/s20Gbit/s40Gbit/s5Gbit/s2.
5、5Gbit/s4 816 32 48 1632STM-16STM-64DWDMEDFAG.655光纤光子集成光纤光子集成长途光纤宽带传输的主要技术方向长途光纤宽带传输的主要技术方向第6页，共30页，编辑于2022年，星期四光纤损耗谱特性及单模光纤的带宽资源光纤损耗谱特性及单模光纤的带宽资源第三传输窗口第三传输窗口第二传输窗口第二传输窗口第一传输窗口第一传输窗口1300130015501550850850紫外吸收紫外吸收红外吸收红外吸收瑞利散射瑞利散射0.20.22.52.5损损 耗耗 (dB/km)(dB/km)波波 长长 (nm)(nm)OHOH离子吸收峰离子吸收峰光纤带宽：光纤带宽：130
6、0nm1300nm窗口约窗口约100nm100nm，1550nm1550nm窗口约窗口约100nm100nm，共共200nm200nm，约，约30THz30THz第7页，共30页，编辑于2022年，星期四n光纤带宽：光纤带宽：|f|=|c/|f|=|c/2 2|和和分别为中心波长和相应的波段宽度，分别为中心波长和相应的波段宽度，c c为真空中光为真空中光速速n波分复用（波分复用（WDMWDM）系统）系统波长为波长为1310nm1310nm的窗口：的窗口：1.261.261.36m1.36m，相应的带宽为，相应的带宽为17.5THz17.5THz波长为波长为1550nm1550nm的窗口：的窗口
7、：1.481.481.58m1.58m，相应的带宽为，相应的带宽为12.5THz12.5THz。两个窗口合在一起，总带宽超过两个窗口合在一起，总带宽超过30THz30THz。如果信道频率。如果信道频率间隔为间隔为10 GHz10 GHz，在理想情况下，在理想情况下，一根光纤可以容纳一根光纤可以容纳30003000个信道。个信道。波分复用（波分复用（WDMWDM）系统光纤的带宽）系统光纤的带宽第8页，共30页，编辑于2022年，星期四波分复用定义、特点波分复用定义、特点n 波分复用波分复用 (Wavelength Division Multiplexing WDM)(Wavelength Div
8、ision Multiplexing WDM)：一根光纤同时传输多个不同波长的光载波，把光纤可能：一根光纤同时传输多个不同波长的光载波，把光纤可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应用的波长范围划分成若干个波段，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。立的通道传输一种预定波长的光信号。q 一般的看法一般的看法,光载波复用数小于光载波复用数小于8 8波，信道间隔大于波，信道间隔大于3.2nm3.2nm的系统称为的系统称为波分复用波分复用(WDM)(WDM)。q 光载波复用数大于光载波复用数大于8 8波，信道间隔小于波，信道间隔小于3.2nm3.2nm的系统称的系统称为
9、为密集波分复用密集波分复用（DWDMDWDM）。）。第9页，共30页，编辑于2022年，星期四 波分复用的密集程度与其他电通信的频分复用密集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，就称为程度相当时，就称为光频分复用光频分复用(OFDM)。粗波分复用技术粗波分复用技术(CWDM)波长范围：波长范围：1280nm1625nmm；345nm波长间隔：波长间隔：20nm；16个信道个信道在城域网中，更低的硬件成本、功耗和体积更小在城域网中，更低的硬件成本、功耗和体积更小第10页，共30页，编辑于2022年，星期四WDMWDMWDMWDM基本工作原理：基本工作原理：基本工作原理：基本工作
10、原理：在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用），并耦合在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用），并耦合在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用），并耦合在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用），并耦合进光缆线路上同一根光纤中进行传输，在接收端将组合波进光缆线路上同一根光纤中进行传输，在接收端将组合波进光缆线路上同一根光纤中进行传输，在接收端将组合波进光缆线路上同一根光纤中进行传输，在接收端将组合波长的光信号进行分离（解复用），并作进一步处理后恢复长的光信号进行分离（解复用），并作进一步处理后恢复长的光信号进行分离（解复用），并作进一步处理后恢复长的光信号进行分离（解复用），并作进一步处理
11、后恢复出原信号送入不同终端。出原信号送入不同终端。出原信号送入不同终端。出原信号送入不同终端。7.2 WDM7.2 WDM系统的工作原理与基本结构系统的工作原理与基本结构 光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机 N 1 2 3EDFA功放功放线放线放预放预放MUXDEMUX典型的点对点光纤通信系统典型的点对点光纤通信系统 1 N 3 2光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机第11页，共30页，编辑于2022年，星期四WDMWDM系统波长区分配系统波长区分配目前光波分复用系统的工作主要波长：目前光波分复用系统的工作主要波长：15301565nm
12、15301565nm（C-band)C-band)第12页，共30页，编辑于2022年，星期四WDMWDM系统的基本构成系统的基本构成光分路插入传输：光分路插入传输：通过在中间设置光分插复用器光分插复用器(OADM)(OADM)或光交叉连接器光交叉连接器(OXC)(OXC)，可实现波长的上下路上下路(Add/Drop)(Add/Drop)和路由分配路由分配，这样就可以根据光纤通信线路和光网的业务量分布情况，合理地安排插入或分出信号11,2.n通路1 通路N 通路2 1LD LD LD 2 波长管理器nOAOA光纤 OADM 光纤光纤通路 1 通路N 通路 2 /1PD PD PD 2 n1 1
13、/12.n复用器解复用器/1 1第13页，共30页，编辑于2022年，星期四7.3 WDM7.3 WDM系统的关键技术系统的关键技术WDMWDM系统的主要问题：系统的主要问题：光源波长的稳定；光信道的串扰；光纤色散和光纤的非线性效应；EDFA对各波长信号的均匀有效放大；波长的路由和分配；网络的监控和安全问题。第14页，共30页，编辑于2022年，星期四WDMWDM系统的关键器件系统的关键器件 光源 光合波/分波器 光纤放大器 光分插复用器OADM 光转发器OTU 光交叉连接器OXC7.3 WDM7.3 WDM系统的关键技术系统的关键技术第15页，共30页，编辑于2022年，星期四WDMWDM传
14、输系统用的光源传输系统用的光源 WDMWDM光源应具备的特性：光源应具备的特性：单纵模，窄线宽，动态特性好 波长波定性高 驱动电流小 体积小，易集成 可高速调制 常用光源：常用光源：分布反馈（DFB）激光器 分布布拉格反射（DBR）激光器 光源调制光源调制 WDM系统中主要采用外调制器。目前应用的光外调制器有马赫曾德尔调制器第16页，共30页，编辑于2022年，星期四合波分波器合波分波器 功能：功能：将多个波长不同的光信号复合后送入同一根光纤中传送（复用器）将在一根光纤中传送的多个不同波长的光信号分解后送入不同的接收机（解复用器）特性要求：特性要求：信道间的串扰小、损耗平坦、隔离度高 损耗及其
15、偏差小 偏振相关性小 温度稳定性好 常见类型常见类型 ：光栅型、干涉滤波器型、集成光波导型OMOD1 2N1 NN11 2N第17页，共30页，编辑于2022年，星期四光放大器光放大器 功能：功能：补偿传输损耗，延长传输距离 特性要求：特性要求：高增益且在通带内增益平坦、高输出、宽频带、低噪声、增益特性与偏振不相关类型类型 ：EDFA、TDFA(掺铥光纤放大器)、RFA 第18页，共30页，编辑于2022年，星期四光放大器的增益带宽光放大器的增益带宽第19页，共30页，编辑于2022年，星期四光转发器光转发器 功能：功能：把非标准的波长转化为ITU-T所规定的标准波长，以满足系统的波长兼容性。
16、类型：类型：光电光变化形式(O/E/O)；光光转换形式(O/O)目前使用的还是光/电/光的变换形式应用应用 ：在发送端使用 在中继器使用 在接收端使用第20页，共30页，编辑于2022年，星期四光分插复用设备（光分插复用设备（OADMOADM）OADM(Optical Add/Drop Multiplexer)的功能：从OWDM系统中分下和插入一个或多个波长信道 OADM的原理：在结点本地先分接后复接多波长 输入多波长 输出DropAddODOM OADM的几种实现方法：平衡MZI+FBG；FBG+环形器输入1 2 N输出1 2 NxxOADM第21页，共30页，编辑于2022年，星期四光分插
17、复用设备（光分插复用设备（OADMOADM）FBG at s平衡MZI+FBGdropadd1 2 N 1 2 N 输入输出3dB耦合器FBG+环行器环行器环行器123123DropAddDEMUXMUX3dB耦合器1 2 N 输入1 2 N 输出第22页，共30页，编辑于2022年，星期四光分插复用设备（续）光分插复用设备（续）组网应用smOADMOADMOLTOLT链形OADMOADMOADMOADM环形第23页，共30页，编辑于2022年，星期四光交叉连接设备（光交叉连接设备（OXCOXC）n n光纤（空分）交叉连接器光纤（空分）交叉连接器n n多光纤输入输出，每路光纤中可以是多波长信多
18、光纤输入输出，每路光纤中可以是多波长信多光纤输入输出，每路光纤中可以是多波长信多光纤输入输出，每路光纤中可以是多波长信号，交换的基本单位是一路光纤的容量号，交换的基本单位是一路光纤的容量号，交换的基本单位是一路光纤的容量号，交换的基本单位是一路光纤的容量n n基本开关单元：基本开关单元：基本开关单元：基本开关单元：11111111；12121212；22222222n n波长选择交叉连接器波长选择交叉连接器WSXCWSXCn n波长变换交叉连接器波长变换交叉连接器WIXCWIXC第24页，共30页，编辑于2022年，星期四利用利用OADMOADM，OXCOXC构建构建WDMWDM全光网络全光网
19、络第25页，共30页，编辑于2022年，星期四7.4 7.4 光时分复用光时分复用OTDM OTDM 时分复用（TDM）：将通信时间等价分成一系列间隙，每一间隙只传播特定信号，各信号按时间顺序轮流传播。光时分复用（OTDM）的实质：将多个高速电调制信号分别转换为等速率光信号，然后在光层上利用超窄光脉冲进行时域复用，将其调制为更高速率的光信号。OTDM关键技术：超窄光脉冲产生与调制、全光时分复用、全光时分解复用和定时提取。对这些技术，国内外正在进行大量理论和实验研究，有些技术有一些成熟方案，有些技术还存在着相当大的困难。第26页，共30页，编辑于2022年，星期四OTDMOTDM技术的基本原理技
20、术的基本原理单波长工作简化网络 带宽按需分配分组交换和路由统计复用 数字再生第27页，共30页，编辑于2022年，星期四vvOTDMOTDMOTDMOTDM发展状况发展状况发展状况发展状况n nNTT:NTT:NTT:NTT:n n640Gbit/s 10Gbit/s64ch(OTDM)92640Gbit/s 10Gbit/s64ch(OTDM)92640Gbit/s 10Gbit/s64ch(OTDM)92640Gbit/s 10Gbit/s64ch(OTDM)92公里公里公里公里n n3Tbit/s 10Gbit/s16ch(OTDM)19ch(WDM)403Tbit/s 10Gbit/s
21、16ch(OTDM)19ch(WDM)403Tbit/s 10Gbit/s16ch(OTDM)19ch(WDM)403Tbit/s 10Gbit/s16ch(OTDM)19ch(WDM)40公里公里公里公里n nNortelNortelNortelNorteln n2.56Tb/s 40Gbit/s2ch(OTDM)32ch(WDM)1202.56Tb/s 40Gbit/s2ch(OTDM)32ch(WDM)1202.56Tb/s 40Gbit/s2ch(OTDM)32ch(WDM)1202.56Tb/s 40Gbit/s2ch(OTDM)32ch(WDM)120公里；公里；公里；公里；n n
22、OTDMOTDMOTDMOTDM前景展望前景展望前景展望前景展望n n十年间，十年间，十年间，十年间，OTDM OTDM OTDM OTDM 网络容量增加了网络容量增加了网络容量增加了网络容量增加了100100100100倍倍倍倍n n已经出现商业化已经出现商业化已经出现商业化已经出现商业化 80Gb/s OTDM 80Gb/s OTDM 80Gb/s OTDM 80Gb/s OTDM系统系统系统系统n nOTDMOTDMOTDMOTDM系统的潜在容量将达到系统的潜在容量将达到系统的潜在容量将达到系统的潜在容量将达到Tb/s Tb/s Tb/s Tb/s n n未来将构建基于未来将构建基于未来
23、将构建基于未来将构建基于OTDMOTDMOTDMOTDM技术的全光网络技术的全光网络技术的全光网络技术的全光网络OTDMOTDM技术发展及展望技术发展及展望第28页，共30页，编辑于2022年，星期四n nMIT,MIT,MIT,MIT,DEC and AT&T DEC and AT&T DEC and AT&T DEC and AT&T 工作组工作组工作组工作组1996 1996 1996 1996 HLAN,HLAN,HLAN,HLAN,网络容量可以达到网络容量可以达到网络容量可以达到网络容量可以达到100100100100Gb/sGb/sGb/sGb/s1999 1999 1999 19
24、99 首次采用远端桥接技术，实现首次采用远端桥接技术，实现首次采用远端桥接技术，实现首次采用远端桥接技术，实现HLANHLANHLANHLAN的互连。的互连。的互连。的互连。n nPrincetonPrincetonPrincetonPrinceton大学大学大学大学 1996 1996 1996 1996 8 8 8 8 节点节点节点节点ShuffleNet OTDMShuffleNet OTDMShuffleNet OTDMShuffleNet OTDM网络网络网络网络 1998 1998 1998 1998 24 24 24 24 节点节点节点节点ShuffleNet OTDMShuff
25、leNet OTDMShuffleNet OTDMShuffleNet OTDM网络网络网络网络n nBTBTBTBT实验室实验室实验室实验室1996 1996 1996 1996 采用采用采用采用ADMADMADMADM的的的的3 3 3 3节点节点节点节点OTDMOTDMOTDMOTDM网络网络网络网络,容量达到容量达到容量达到容量达到40404040Gb/sGb/sGb/sGb/s1997 1997 1997 1997 690690690690节点节点节点节点OTDMOTDMOTDMOTDM网络，容量达到网络，容量达到网络，容量达到网络，容量达到160160160160Gb/sGb/sGb/sGb/sOTDM OTDM 网络应用网络应用第29页，共30页，编辑于2022年，星期四OTDMOTDM骨干交换骨干交换第30页，共30页，编辑于2022年，星期四