光通訊基礎(chǔ)理論

1、宋 甲 偉中興通訊培訓(xùn)中心光通信技術(shù)發(fā)展概述光通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì) 第一年第二年第三年第四年第五年光帶寬9 個(gè)月存儲(chǔ)器12 個(gè)月 摩爾定律18 個(gè)月隨著INTERNET業(yè)務(wù)的發(fā)展，人們對(duì)通信帶寬的需求越來(lái)越大，有專家統(tǒng)計(jì)光通信的帶寬每9個(gè)月翻一倍，比用來(lái)形容半導(dǎo)體科技的摩爾定律還快，稱為“超摩爾定律”。近幾年：光通信技術(shù)發(fā)展的兩大方向從應(yīng)用范圍來(lái)說(shuō): 主干傳輸向高速率、超大容量、超長(zhǎng)距離 的OTN光傳送網(wǎng)發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)全光網(wǎng)； 接入向低成本、綜合接入、寬帶化的光纖 接入網(wǎng)發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)光纖到戶和光纖到 桌面。OTN的基礎(chǔ)是密集波分復(fù)用DWDM，DWDM的基礎(chǔ)是電或光的TDM技術(shù)。國(guó)際上實(shí)驗(yàn)室

2、水平TDM已達(dá)100Gbs，DWDM已達(dá)總?cè)萘?Tbs(176x40Gb/s)。 1996年DWDM系統(tǒng)在北美進(jìn)入大規(guī)模 應(yīng)用階段。 國(guó)際上目前的商用產(chǎn)品 以（816）2.5Gbs系統(tǒng)為主流。 現(xiàn)40個(gè)波道的系統(tǒng)已投入商用， 16010Gbs系統(tǒng)也已投放市場(chǎng) （由Nortel提供）。DWDM在國(guó)際上應(yīng)用情況DWDM系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 充分利用目前使用的C波段 （1530nm1560nm）的能力， 盡可能增加波道數(shù)。 向L波段（1570nm1610nm） 甚至更寬發(fā)展。 將C、L波段連起來(lái)使用， 使DWDM的波道數(shù)更多。1996200020042008OADM點(diǎn)對(duì)點(diǎn)DWDM固定波長(zhǎng)上下的DWDM網(wǎng)絡(luò)

3、OADMOADMOADMOADMDWDM環(huán)網(wǎng),可重構(gòu)波長(zhǎng)上下 OXCOXCOXCOXCOXC光交叉連接、互聯(lián)的光環(huán)網(wǎng)和格型網(wǎng)絡(luò)容量增大,光纖減少靈活帶寬分配、光層保護(hù)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換、波長(zhǎng)選路、端對(duì)端波長(zhǎng)業(yè)務(wù)光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)ASON誕生?!國(guó)內(nèi)光通信應(yīng)用的發(fā)展現(xiàn)狀全國(guó)已敷設(shè)光纜的總長(zhǎng)度已超過(guò)100萬(wàn)公里。近兩年我國(guó)在長(zhǎng)達(dá)3萬(wàn)公里、18條光纜干線上主要 采用了82.5Gbs以上的波分復(fù)用技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)容 改造。目前國(guó)內(nèi)電信一級(jí)骨干網(wǎng)的建設(shè)一般已開始采用 32X2.5Gbs和32X10Gb/s的DWDM系統(tǒng),而二級(jí)骨干 網(wǎng)的建設(shè)一般也至少是162.5GbsDWDM系統(tǒng)。 中興通訊從1995年進(jìn)入光

4、通訊領(lǐng)域至今，光通訊產(chǎn)品不斷的發(fā)展壯大，現(xiàn)已與移動(dòng)、數(shù)據(jù)等一起成為公司三大重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略性產(chǎn)品。 光通訊在中興通訊中戰(zhàn)略地位光通訊產(chǎn)品連續(xù)三年銷售額大幅增漲光通訊產(chǎn)品的銷售額在公司中的份額迅速擴(kuò)大國(guó)內(nèi)光通訊產(chǎn)品中市場(chǎng)占有率和綜合排名為第三中興光通訊的現(xiàn)狀現(xiàn)有開發(fā)人員500余人，其中80%以上具有碩士及以上學(xué)歷；與眾多著名大學(xué)有著技術(shù)和人才等各方面的合作關(guān)系，如清華、北郵、電子科大等。中興通訊光通信人才濟(jì)濟(jì)深圳研究所：主要從事如STM-1、STM-4、STM-16、STM-64及STM-256等等級(jí)的SDH和及相關(guān)的綜合業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的研發(fā)和改進(jìn)工作；北京研究所：主要從事光電子器件及模塊、DWDM

5、、OADM、OXC等產(chǎn)品和研發(fā)工作；聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室（中興北郵）：從事OADM、OXC、波長(zhǎng)路由器WR、ASON等的研究中興通訊光通信雄厚的研發(fā)實(shí)力無(wú)錫合資公司：主要從事光放大器件（EDFA、Raman放大器）等光電器件的生產(chǎn)；技術(shù)中心研究部：主要從事SDH等專用ASIC系列、新型光器件的研發(fā)及對(duì)最新技術(shù)如光時(shí)分復(fù)用OTDM、光孤子O-Soliton等的跟蹤研究。中興通訊光通信雄厚的研發(fā)實(shí)力中興通訊光通信的核心技術(shù)中興通訊研制的系列光傳輸產(chǎn)品完全擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并積累了大量的核心技術(shù)；其中自主開發(fā)的專用ASIC芯片和光電器件得到規(guī)模應(yīng)用，極大地提高了產(chǎn)品的技術(shù)含量和性價(jià)比；無(wú)錫合資公司研發(fā)成功的系

6、列放大器件（EDFA、Raman放大器），不僅使產(chǎn)品更加完善，而且掌握了大量在光網(wǎng)絡(luò)方面的核心技術(shù)，為以后的光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。中興通訊現(xiàn)有光通信產(chǎn)品線ZXSM-10GZXSM-2500EZXSM-150/600/2500ZXSM- 600CZXSM-150CZXSM-10ZXWM-8/16ZXWM-32/40/80/160多波長(zhǎng)系統(tǒng)單波長(zhǎng)系統(tǒng)中興通訊現(xiàn)有光通信產(chǎn)品線ZXSM-OADMZXSM-OXCZXSM- ASONZXSM-ITG自由波長(zhǎng)系統(tǒng)中興光通訊的發(fā)展方向在單波長(zhǎng)系統(tǒng)方面重點(diǎn)發(fā)展10G、40G產(chǎn)品及其所屬的綜合業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)設(shè)備等；加強(qiáng)對(duì)光時(shí)分復(fù)用OTDM、光孤子O-Soliton

7、等方面的研究。在多波長(zhǎng)系統(tǒng)方面重點(diǎn)發(fā)展1600G/160、OADM、OXC及ASON等在器件部分加強(qiáng)高速、超高速光電器件和超大規(guī)模專用芯片的研發(fā)與應(yīng)用。2001.42001.62002.42002.9緊湊型SDH高端SDH6222.5G10G40G增強(qiáng)2.5Gb/s融合節(jié)點(diǎn)DWDM/OTN322.5G3210GOADMOXC低端融合節(jié)點(diǎn)高端融合節(jié)點(diǎn)80波DWDM160波DWDM中興通訊光通信產(chǎn)品Roadmap廣義的光通信：3000年前的烽火臺(tái)；1791年，法國(guó)人發(fā)明了信號(hào)燈。光通訊史話光通信就是利用光波來(lái)載送信息，實(shí)現(xiàn)通信1880年貝爾發(fā)明光話，他以日光為光源，大氣為傳輸媒介，傳輸距離是200

8、米；1881年貝爾發(fā)表了論文關(guān)于利用光線進(jìn)行聲音的復(fù)制與產(chǎn)生；貝爾的光話始終沒(méi)有實(shí)用化： 1、沒(méi)有可靠的、高強(qiáng)度的光源； 2、沒(méi)有穩(wěn)定的、低損耗的傳輸媒介。光纖通訊史現(xiàn)代光通信-光話1960年，第一臺(tái)單色相干振蕩光源-紅寶石激光器問(wèn)世；1962年，半導(dǎo)體激光器問(wèn)世；1970年貝爾實(shí)驗(yàn)室制作出可以在常溫下連續(xù)工作的鋁鎵砷（AlGaAs）半導(dǎo)體激光器。美國(guó)林肯實(shí)驗(yàn)室首先利用氦氖激光器通過(guò)大氣傳輸一路彩色電視信號(hào)（大氣傳輸試驗(yàn)）光通訊史話1970年光纖通信元年氣候?qū)νㄐ诺挠绊懛浅?yán)重。（如霧、雨等）大氣的不穩(wěn)定性，當(dāng)氣溫變化時(shí)，其密度和折射率發(fā)生變化，氣流的影響使光線發(fā)生抖動(dòng)和漂移，使通信的信噪比劣

9、化，傳輸不穩(wěn)定。大氣傳輸系統(tǒng)要求通信的收發(fā)兩地在視距范圍內(nèi)，限制了使用范圍。光通訊史話大氣傳輸系統(tǒng)直到60年代中期，優(yōu)質(zhì)光學(xué)玻璃的損耗仍高達(dá)1000dB/km。英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)電信研究所的華裔科學(xué)家高錕博士于1966年發(fā)表了一篇論文，提出利用帶有包層材料的石英玻璃光纖作為光通信媒介；1970年美國(guó)康寧（Corning）公司制成損耗為20dB/km的低損耗石英光纖。光纖通訊史1970年光纖通信元年0=0.85um多模光纖通信系統(tǒng)（1977年）；0=1.3um多模光纖通信系統(tǒng)； 0=1.3um單模光纖通信系統(tǒng)（1984年）；0=1.55um單模光纖通信系統(tǒng)（80年代中后期）； 光纖通訊史光纖通信分代反射：

10、1=1 折射：n 1 sin 1 =n 2 sin 2 全反射： sin 1 = n 2 / n 1 平面波的反射和折射n 2n 1112在光纖的數(shù)值 孔徑角內(nèi)，以某一角度射入光纖端面，并能在光纖的纖芯到包層界面上形成全反射的傳播光線就可稱為一個(gè)光的傳輸模式。光纖光纖的傳播模式 高次模 基模 低次模多模光纖：階越型光纖 漸變型光纖（G.651）單模光纖：標(biāo)準(zhǔn)常規(guī)光纖（G.652） 色散位移光纖（G.653） 非零色散位移光纖（G.655） 色散補(bǔ)償光纖 大有效面積光纖光纖光纖的傳播模式光纖色散脈沖展寬T光脈沖信號(hào)中的不同頻譜成份在光纖中的傳輸速度不同，導(dǎo)致脈沖信號(hào)傳輸后展寬甚至離散。 光纖色散

11、效應(yīng)對(duì)傳輸?shù)挠绊? 0 1 0 1 0 1 1 0 11 0 1 0 1 0 1 1 0 1InputOutput脈沖展寬 (ps) = D(ps/ nm*km) * S(nm) * L(km)TimeTime脈沖展寬 1/4 比特周期時(shí)會(huì)引起誤碼 產(chǎn)生信號(hào)間干擾;當(dāng)偏振相關(guān)損耗產(chǎn)生的二次效應(yīng)可能產(chǎn)生PMD與色度色散之間的耦合從而增加色散的統(tǒng)計(jì)分量;解決辦法之一是改進(jìn)光纖工藝或在系統(tǒng)輸入輸出端插入偏振控制器。光纖偏振模色散PMD由光纖的雙折射引起,諸如應(yīng)力、彎曲、扭絞、溫度等隨機(jī)引入吸收損耗本征吸收紫外吸收（電子諧振）紅外吸收（分子諧振）非本征吸收（金屬雜質(zhì)、氫氧根）散射損耗瑞利散射光纖損耗光

12、纖光纖類型和損耗譜 EDFA帶寬1.21.31.41.51.61.7波長(zhǎng) (mm)損耗 (dB/km)0.10.20.40.81.00-20-101020色散 (ps/nm-km)損耗 (各類光纖)SMFDSFNZDF+NZDF-G.652G.653G.655+G.655-光纖色散受限距離B2 * D * L 105(Gb/s)2ps/nm假設(shè)光源無(wú)啁啾的情況下: 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)在光源有啁啾的情況下:啁啾對(duì)系統(tǒng)傳輸距離的

13、影響由色散容限參數(shù)值表示。如色散容限值為12800ps/nm,SMF（G.652）光纖的色散參量值取D=20ps/km/nm，則該光源的色散受限距離為640 公里。 L = CDT/D km光源的色散容限CDT ps/nm光纖的色散參量值 D ps/nm.km G.652 1550nm 1720 ps/nm 1310nm 3.55 ps/nm G.655 1550nm 26 ps/nm光纖色散受限距離簡(jiǎn)單計(jì)算光纖光接頭色散代價(jià)光線路光功率損耗冗余光端設(shè)備光功率冗余光纖光功率損耗色散受限距離的計(jì)算L=(PsPrPpCMc)/( f+ s) 衰耗受限的中繼距離計(jì)算方法最壞值法式中 L 再生段距離

14、Ps S點(diǎn)壽命終了時(shí)的最小平均發(fā)送功率; Pr R點(diǎn)壽命終了時(shí)的最差靈敏度(BER10-12); Pp L16.2光通道代價(jià)2dB，其余取1dB; C 所有活動(dòng)連接器衰減之和,每個(gè)連接器衰減0.5dB。 Mc 光纜富余度, （通常取3dB）; f 光纖衰減系數(shù)（通常取0.20dB/Km或0.22dB/Km）; s 光纖熔接接頭每公里衰減系數(shù)(通常取0.05dB/Km)。通常認(rèn)為光纖是線性的媒質(zhì)，即光纖的各項(xiàng)特征參量不隨光場(chǎng)的變化而變化，實(shí)際上，這僅僅是在光場(chǎng)較弱的情況下的現(xiàn)象。當(dāng)在強(qiáng)光場(chǎng)作用下，光纖介質(zhì)對(duì)光場(chǎng)會(huì)呈非線性響應(yīng)，這種非線性響應(yīng)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的頻率變換和許多其他效應(yīng)。在小芯徑，損耗低的單

15、模光纖中尤其如此。光纖光纖非線性效應(yīng)受激散射受激拉曼散射 （SRS）受激布里淵散射（SBS）光纖克爾(折射率引起)效應(yīng)自相位調(diào)制（SPM）交叉相位調(diào)制（XPM）四波混頻（FWM）光纖光纖非線性效應(yīng)受激散射：當(dāng)光場(chǎng)很強(qiáng)時(shí)，光子的能量很大，使光纖介質(zhì)“激發(fā)”，產(chǎn)生拉曼散射（SRS）和布里淵散射（SBS)。與瑞利散射不同，瑞利散射是一種彈性散射，被散射的光頻率保持不變，拉曼散射（SRS）和布里淵散射（SBS)散射的光頻率降低，因此使得傳輸?shù)哪芰拷档?，在光纖中形成一種損耗機(jī)制。拉曼散射（SRS）的剩余能量轉(zhuǎn)化為頻率高的分子震動(dòng)，布里淵散射（SBS）的剩余能量轉(zhuǎn)化為頻率很低的聲子震動(dòng)。光纖光纖非線性效應(yīng)

16、在很高功率作用下，受激拉曼散射（SRS）和受激布里淵散射（SBS)散射可以導(dǎo)致較大的光損耗，當(dāng)入射光功率超過(guò)一定閾值時(shí)，兩種散射的散射光強(qiáng)都隨入射光功率呈指數(shù)增加。對(duì)于拉曼散射（SRS），工作在1550nm波長(zhǎng)的單模光纖的散射閾值功率為570mw，而光通信系統(tǒng)中的光發(fā)射功率一般小于10mw，因此拉曼散射的影響可忽略不計(jì)。布里淵散射（SBS）的散射閾值功率為1mw，對(duì)光纖的損耗有明顯得影響。受激散射效應(yīng)可在光通信系統(tǒng)中得到利用，如通過(guò)它們將特定的泵浦光能量轉(zhuǎn)化成信號(hào)光能量，實(shí)現(xiàn)光放大。光纖光纖非線性效應(yīng)光纖克爾(折射率引起)效應(yīng)在功率較低的情況下，石英介質(zhì)的折射率與作用的光功率無(wú)關(guān)。但在光功率較

17、高的情況下，出現(xiàn)非線性，即折射率隨光功率的變化而變化。光纖光纖非線性效應(yīng)自相位調(diào)制（SPM）由于克爾效應(yīng)，光在介質(zhì)中傳播時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)非線性相移，由于這種相移是由光場(chǎng)自身引起的，所以這種非線性機(jī)理稱為自相位調(diào)制（SPM）。自相位調(diào)制（SPM)可導(dǎo)致光纖中傳播的光脈沖的光譜大大的展寬。光纖光纖非線性效應(yīng)交叉位調(diào)制（XPM）當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上的光使用不同的載頻同時(shí)在光纖中傳輸時(shí)，由于克爾效應(yīng)可以導(dǎo)致交叉相位調(diào)制（XPM）的非線性現(xiàn)象，也就是某一個(gè)信道的非線性相移不僅與本信道的功率有關(guān)，還與其他信道的功率有關(guān)。光纖光纖非線性效應(yīng)光纖四波混頻FWM效應(yīng)信道間相互作用產(chǎn)生新的頻率如果有三個(gè)頻率為w1、 w2

18、、 w3的光同時(shí)在光纖中傳輸，由于非線性將引起頻率為w4 w1 w2 w3的光場(chǎng)。w1w2ww1w3w1 w2 w3w光纖w3w1 w2 w3w2FWM是影響系統(tǒng)性能的主要非線性效應(yīng)：當(dāng)FWM產(chǎn)生的新頻率落入信道帶寬范圍內(nèi)時(shí)，會(huì)引起信道強(qiáng)度起伏和信道間串?dāng)_。補(bǔ)償措施：采用非零色散位移光纖（G.655）和常規(guī)單模光纖（G.652）采用大有效纖芯面積光纖（LEAF）控制入纖功率直接調(diào)制EA調(diào)制LiNbO3調(diào)制M-Z(-族)調(diào)制光調(diào)制 DWDM技術(shù)是在波長(zhǎng)1550nm窗口附近，EDFA能提供增益的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，選用密集的但相互又有一定波長(zhǎng)間隔的多路光載波，各自受不同數(shù)字信號(hào)的調(diào)制，復(fù)合在一根光纖上傳輸

19、，提高了每根光纖的傳輸容量。DWDM技術(shù)原理1545nm1560nm光波長(zhǎng) DWDM技術(shù) EDFA1535nmWDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu) O T U SDH(155M，622M2.5G、10G)、PDH、ATM、IP G.692開放式集成式 SDH(155M，622M2.5G、10G)、PDH、ATM、IP G.957OMU(OAD)WDM光譜特性波長(zhǎng)相對(duì)功率要求：信道間功率均衡良好的光譜特性（頂平而沿陡）DWDM復(fù)用/解復(fù)用器 濾波器型陣列波導(dǎo)光柵型耦合器型34衍射光柵型 34 1234。343434 34 EDFA結(jié)構(gòu)鉺摻雜光纖隔離器WDM耦合器PinPoutlNl2l1lNl2l1隔離器泵浦激光器980nm,1480