《光纖通信技術與設備》課件-第8章

第8章光纖通信新技術

8.1光波分復用

8.2光孤子通信8.3相干光通信8.4全光通信8.5PTN本章小結8.1光波分復用

纖通信中，PDH和SDH系列采用時分復用方式，時分復用方式是提高數字通信傳輸效率、降低傳輸成本的有效措施。隨著傳輸頻率的提高，光纖色散的影響也越來越嚴重，光纖的光譜范圍尚未得到充分開發(fā)。因而系統(tǒng)引入新的技術——光波分復用技術，從光域上用波分復用方式來提高傳輸速率。8.1.1光波分復用技術簡介

1.概念

光波分復用技術是在一根光纖上同時傳送多波長光信號的一項技術。它在發(fā)送端將不同波長的光信號組合起來(復用)，并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進行傳輸，在接收端又將組合波長的光信號分開(解復用)并作進一步處理，恢復出原信號送入不同的終端。因此，此項技術稱為光波分復用(OWDM，OpticalWavelengthDivisionMultiplexing)技術。習慣上常將OWDM稱為WDM。圖8–1單模光纖的帶寬資源要能在一根光纖上同時傳輸多個波長信號，光纖就必須有足夠的帶寬資源。目前單模光纖的適用工作區(qū)有兩個，即1310nm和1550nm波長段兩個低損耗區(qū)域。單模光纖的帶寬資源如圖8-1所示。1310nm波長段有100nm的低損耗區(qū)，約為1260nm~1360nm。1550nm波長段有100nm的低損耗區(qū)，約為1480nm~1580nm。因此，兩個工作波長段總共約有200nm低損耗區(qū)可用。所以單模光纖尚有絕大部分的帶寬資源有待開發(fā)。把這些低損耗窗口中信道間隔減小，兩個波長的間隔為1.6nm、0.8nm或更低，使一條光纖能實現8、16或更多的波長通信。這種情況下的波分復用稱為密集波分復用(DWDM)。

2.WDM的特點

WDM技術對擴容升級網絡、發(fā)展帶寬業(yè)務、挖掘帶寬資源、實現全光網絡具有重要的意義。WDM得到世界各國的重視，具有以下突出的特點：

(1)利用低損耗帶寬，實現超大容量傳輸。

(2)可同時傳輸多種不同類型的信號。WDM技術使用的各波長的信道互相獨立，因而可以傳輸特性和速率完全不同的信號，完成各種電信業(yè)務的綜合傳輸，如聲音、圖像和數據均可使用不同波長來傳輸。

(3)降低了對器件超高速的要求。隨著傳輸速率不斷提高，許多光電器件的響應速度已明顯不足。使用WDM技術，可降低對一些器件性能上的極高要求，同時又能實現大容量傳輸。

(4)復用/解復用器結構簡單、體積小、可靠性高。復用/解復用器是一個無源光學器件，由于不含電源，因而器件具有結構簡單、體積小、可靠、易于和光纖耦合等特點。此器件是雙向可逆的，因此可以在一根光纖上實現雙向傳輸。

(5)高度的組網靈活性、經濟性和可靠性。利用WDM技術實現網絡交換和恢復,從而實現透明、靈活、經濟且有高度生存性的光網絡。

(6)節(jié)省線路投資。實現單根光纖雙向傳輸后，節(jié)約了光纖資源，降低了成本。

(7)存在插入損耗和串光問題。復用/解復用器件的使用會引入插入損耗,這將降低系統(tǒng)的可用功率。此外，一根光纖中不同波長的光信號會產生相互影響，造成串光，從而影響接收靈敏度。3.對WDM的要求對WDM的要求包括：(1)插入損耗低。(2)有良好的帶通特性。(3)分辨率高。(4)隔離度大。(5)溫度特性好。8.1.2波分復用系統(tǒng)的基本傳輸形式

WDM傳輸系統(tǒng)主要有雙纖單向傳輸、單纖雙向傳輸兩種結構形式。

1.雙纖單向傳輸雙纖單向傳輸系統(tǒng)中，單向WDM是指所有光通路同時在一根光纖上沿同一方向傳送，在發(fā)送端將載有各種信息具有不同波長的已調光信號通過光復用器組合在一起，并在一根光纖中單向傳輸，由于各信號是通過不同波長攜帶的，所以彼此之間不會混淆。在接收端通過光解復用器將不同光波長的信號分開，完成多路光信號傳輸的任務。

由此可見，采用單向傳輸結構的WDM系統(tǒng)可以很方便地擴大系統(tǒng)的傳輸容量，其總量為各不同波長信道傳輸容量之和。反方向通過另一根光纖傳輸，原理相同，雙纖單向WDM傳輸系統(tǒng)如圖8-2所示。圖8–2雙纖單向傳輸系統(tǒng)

2.單纖雙向傳輸雙向WDM是指光通路在一根光纖上同時向兩個不同方向傳送，所有波長相互分開，以實現彼此雙方全雙工的通信聯絡。單向WDM系統(tǒng)在開發(fā)和應用方面都比較廣泛。雙向WDM系統(tǒng)的開發(fā)和應用相對來說技術要求更高些，雙向WDM系統(tǒng)在設計及應用時要考慮到幾個關鍵因素，如為了抑制多通道的干擾，必須要注意到光反射的影響、雙向通路之間的隔離、串話的類型和數值、兩個方向傳輸的功率電平和相互間的依賴性及自動功率關斷等問題。同時還必須使用雙向放大器。但與單向WDM系統(tǒng)相比，雙向WDM系統(tǒng)可以減少使用光纖和線路放大器的數量。單纖雙向WDM傳輸系統(tǒng)如圖8-3所示。8.1.3波分復用系統(tǒng)的基本結構與原理

WDM系統(tǒng)主要由以下五個部分組成：光發(fā)送機、光中繼放大、光接收機、光監(jiān)控信道和網絡管理系統(tǒng)。WDM系統(tǒng)總體結構示意圖如圖8-4所示。圖8–3單纖雙向傳輸系統(tǒng)8.1.3波分復用系統(tǒng)的基本結構與原理

WDM系統(tǒng)主要由以下五個部分組成：光發(fā)送機、光中繼放大、光接收機、光監(jiān)控信道和網絡管理系統(tǒng)。WDM系統(tǒng)總體結構示意圖如圖8-4所示。圖8–4

WDM基本結構在發(fā)送端，光發(fā)送機是WDM系統(tǒng)的核心，根據ITU-T的建議和標準,除了對WDM系統(tǒng)中發(fā)送激光器的中心波長有特殊要求之外，還要根據WDM系統(tǒng)的不同應用(主要是傳輸光纖的類型和無中繼傳輸的距離)來選擇具有一定色散容量的發(fā)送機。在發(fā)送端首先將來自終端設備(例如SDH端機)輸出的光信號，利用光轉發(fā)器把符合ITU-TG.957建議的非特定波長的光信號轉換成穩(wěn)定的特定波長的光信號，再利用合波器合成多通路光信號，通過光功率放大器(BA)放大輸出多通路光信號。經過長距離傳送后(80km~120km)，需要對光信號進行光中繼放大。目前使用的光放大器多為摻鉺光纖放大器(EDFA)，在WDM系統(tǒng)中必須采用增益平坦技術，使EDFA對不同波長的光信號具有相同的放大增益。同時，還需要考慮到不同數量的光信道同時工作的各種情況，能夠保證光信道的增益競爭不影響傳輸性能。在應用時，可根據具體情況,將EDFA用作線路放大器(LA)、功率放大器(BA)和前置放大器(PA)。

在接收端，光前置放大器放大經傳輸而衰減的主信道光信號，采用分波器從主信道光信號中分出特定波長的光信號。接收機不但要滿足一般光接收機對光信號靈敏度、過載功率等參數的要求，還要能承受有一定噪聲的信號，要有足夠的帶寬性能。

光監(jiān)控信道的主要功能是監(jiān)控系統(tǒng)內各信道的傳輸情況。在發(fā)送端，插入本節(jié)點產生的波長為λS(1510nm)的光監(jiān)控信號，與主信道的光信號合波輸出；在接收端，將接收到的光信號分波，分別輸出波長為λS(1510nm)的光監(jiān)控信號和業(yè)務信道信號。幀同步字節(jié)、公務字節(jié)和網管所用的開銷字節(jié)等都是通過光監(jiān)控信道來傳遞的。

網絡管理系統(tǒng)通過光監(jiān)控信道傳送開銷字節(jié)到其他節(jié)點,或接收來自其他節(jié)點的開銷字節(jié)對WDM系統(tǒng)進行管理,實現配置管理、故障管理、性能管理、安全管理等功能，并與上層管理系統(tǒng)互連。

8.1.4光源技術在介紹光源技術之前，我們先了解一下傳輸系統(tǒng)的光接口標準。

G.957——SDH設備和系統(tǒng)的光接口；

G.691——帶有光放大器的SDH單信道的速率到達STM-64系統(tǒng)的光接口；

G.692——帶有光放大器的多信道系統(tǒng)的光接口。對于DWDM設備來說，要承載業(yè)務，就必須使業(yè)務的信號變換符合G.692要求。因此DWDM系統(tǒng)對于光源有以下兩個方面的要求：

(1)頻率要求。G.692中允許的WDM的通道頻率是基于192.1THz、最小間隔是50G/100GHz的頻率間隔系列;

(2)色散容限要求。WDM系統(tǒng)的電再生間距可達640km，而SDH系統(tǒng)的電再生間距僅50km~60km，因此WDM對于光源的色散容限要求要遠大于SDH對光源的要求;在WDM系統(tǒng)中，使用OTU單元來實現對光信號的轉化，如圖8-5所示，光波長轉換技術(OTU)的主要功能就是進行波長轉換，采用光-電-光變換的方法實現波長轉換，首先利用光電探測器將從SDH光端機過來的光信號轉換成電信號，經過限幅放大、時鐘提取/數據再生后，再將電信號調制到激光器或外調制器上，將光通路信號的非標稱波長轉換成符合ITU-TG.692規(guī)定的標稱光波長，然后接入DWDM系統(tǒng)。圖8–5

OTU原理圖下面分別介紹光源類型和光源的調制技術。

1.光源類型目前廣泛使用的半導體光源包括激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)。

LD是相干光源，入纖功率大,譜線窄,調制速率高，適用于長距高速系統(tǒng)；LED是非相干光源，入纖功率小,譜線寬,調制速率低，適用于短距低速系統(tǒng)。DWDM系統(tǒng)的光源采用半導體激光器。

2.DWDM系統(tǒng)激光器調制方式目前，光源強度調制的方法主要有兩類：直接調制和間接調制(即外調制)。

1)直接調制直接調制是用電脈沖碼流直接控制半導體激光器的工作電流，從而使其發(fā)出與電信號脈沖相應的光脈沖流。例如當電脈沖信號為“1”時，激光器的工作電流大于其閾值電流，所以它會發(fā)出一個光脈沖；而當電脈沖信號為“0”時，激光器的工作電流因低于其閾值電流而不發(fā)光。直接調制原理如圖8-6所示。圖8–6直接調制

直調方式簡單、損耗小、成本低。但是，激光器工作電流的超高速變化容易導致調制啁啾。啁啾現象的產生將限制系統(tǒng)的傳輸速率和距離。直接調制方式通常運用于G.652光纖、傳輸距離小于100km、速率小于2.5Gb/s的傳輸系統(tǒng)。

2)間接調制(即外調制)外調制方式是指讓激光器處于連續(xù)發(fā)光狀態(tài)，用電脈沖信號間接地控制(調制)激光器發(fā)出的連續(xù)光，最后獲得光脈沖流。外調制原理如圖8-7所示。

圖8–7外調制在外調制時，激光器會產生穩(wěn)定的大功率激光，而外調制器則以低啁啾對其進行調制，從而獲得遠大于直接調制的最大色散值。外調制方式適用于速率大于2.5Gb/s的長距離傳輸系統(tǒng)。目前，常用的外調制器包括電吸收型調制器(EA)和波導型鈮酸鋰馬赫-曾德爾(M-Z)調制器。

(1)電吸收型調制器(EA)。調制器使用受電脈沖信號控制的吸收器，去吸收或不吸收由連續(xù)波半導體激光器(CW)發(fā)出的光波，從而使光脈沖流受電脈沖信號碼流的間接控制。EA光源具有體積小、集成度高、驅動電壓低和耗電量少等特點，其最大色散值可達12000ps/nm。

(2)波導型鈮酸鋰馬赫-曾德爾(M-Z)調制器。輸入端，CW處于連續(xù)波工作狀態(tài)，它所發(fā)出的光經分波器分為兩路相等的信號分別進入調制器的兩個光支路。在電脈沖碼流的控制下，分別對光信號進行相位調制。輸出端，兩個光支路由合波器合成，當兩路光支路中的信號相位相反時，合波器無光信號輸出；當兩路光支路中的信號相位相同時，合波器有光信號輸出,從而實現光脈沖流受電脈沖碼流控制的目的。

M-Z光源的調制速率高、最大色散值大、消光比大，啁啾聲系數在理論上可以為零,其缺點在于調制狀態(tài)與光的偏振態(tài)有關，調制器與激光器之間必須用保偏光纖連接。

3.DWDM系統(tǒng)光源的特點

(1)提供標準、穩(wěn)定的波長。

DWDM系統(tǒng)對每個復用通路的工作波長有非常嚴格的要求，波長漂移將導致系統(tǒng)無法實現穩(wěn)定、可靠的工作。常用的波長穩(wěn)定措施包括溫度反饋控制和波長反饋控制。

(2)提供比較大的色散容限值。光纖傳輸可能會受到系統(tǒng)損耗和色散的限制，隨著傳輸速率的提高，色散的影響越來越大。其中，色散受限可通過選用色散系數較低的光纖光纜或譜寬狹窄半導體激光器的辦法來解決。由于光纜已經敷設完畢，所以努力減小光源器件的譜寬是解決色散受限的有效手段。8.1.5光波分復用和解復用技術

1.概述

光波分復用器與解復用器屬于光波分復用器件，又稱為合波器與分波器，實際上是一種光學濾波器件。在發(fā)送端，合波器(OM)的作用是把具有標稱波長的各復用通路光信號合成為一束光波，然后輸入到光纖中進行傳輸，即對光波起復用作用。在接收端，分波器(OD)的作用是把來自光纖的光波分解成具有原標稱波長的各復用光通路信號，然后分別輸入到相應的各光通路接收機中，即對光波起解復用作用。由于光合波器、光分波器性能的優(yōu)劣對系統(tǒng)的傳輸質量有決定性的影響，因此，要求其衰耗、偏差、信道間的串擾必須小。以下將簡要介紹4種常見的波分復用器，以及不同波長數量的DWDM系統(tǒng)常用的復用器類型。

2.常用光波分復用器簡介

1)光柵型波分復用器光柵型波分復用器屬于角色散型器件,其利用不同波長的光信號在光柵上反射角度不同的特性，分離、合并不同波長的光信號，工作原理如圖8-8所示。光柵型波分復用器具有優(yōu)良的波長選擇性，波長間隔可縮小到0.5nm左右。但是，由于光柵在制造上要求非常精密，不適合大批量生產，因此常用于實驗室科學研究。圖8–8光柵型波分復用器原理圖

2)介質薄膜型波分復用器介質薄膜型波分復用器由薄膜濾波器(TFF)構成。TFF由幾十層不同材料、不同折射率和不同厚度的介質膜組合而成。其一層為高折射率材料，一層為低折射率材料，從而對一定的波長范圍呈通帶，而對另外的波長范圍呈阻帶，形成所要求的濾波特性。介質薄膜型波分復用器的工作原理如圖8-9所示。圖8–9介質薄膜型波分復用器原理圖

介質薄膜型波分復用器是一種結構穩(wěn)定的小型無源光器件，信號通帶平坦，插入損耗低，通路間隔度好。

3)陣列波導波分復用器(AWG)陣列波導波分復用器是以光集成技術為基礎的平面波導型器件，其工作原理如圖8-10所示。

AWG結構緊湊，插損小，是光傳送網絡中實現合波與分波的優(yōu)選方案。圖8–10陣列波導型復用器原理圖

4)耦合型波分復用器耦合型波分復用器是將兩根或者多根光纖靠貼在一起適度熔融而成的一種表面交互式器件，一般用于合波器，其工作原理如圖8-11所示。耦合器型波分復用器只能實現合波功能，制造成本低，但是引入損耗較大。圖8–11耦合器型合波器原理圖

3.DWDM系統(tǒng)的復用/解復用器件不同波長系統(tǒng)使用的光波分復用器件對應關系如表8-1所示。表8-1

DWDM系統(tǒng)與光波分復用器件的對應關系8.1.6波分復用系統(tǒng)的特點

(1)充分利用光纖的巨大帶寬資源。光纖具有巨大的帶寬資源(低損耗波段)，WDM技術使一根光纖的傳輸容量比單波長傳輸增加幾倍、幾十倍甚至幾百倍，從而增加了光纖的傳輸容量，降低了成本，具有很大的應用價值和經濟價值。

(2)同時傳輸多種不同類型的信號。由于WDM技術使用的各波長的信道相互獨立，因而可以傳輸特性和速率完全不同的信號，完成各種電信業(yè)務信號的綜合傳輸，如PDH信號和SDH信號、數字信號和模擬信號、多種業(yè)務(音頻、視頻、數據等)的混合傳輸等。

(3)節(jié)省線路投資。采用WDM技術可使N個波長復用起來在單根光纖中傳輸，也可實現單根光纖雙向傳輸，在長途大容量傳輸時可以節(jié)約大量光纖。另外，對已建成的光纖通信系統(tǒng)擴容方便，只要原系統(tǒng)的功率裕量較大，就可進一步增容而不必對原系統(tǒng)作大的改動。

(4)降低器件的超高速要求。隨著傳輸速率的不斷提高，許多光電器件的響應速度已明顯不足，使用WDM技術可降低對一些器件在性能上的極高要求，同時又可實現大容量傳輸。

(5)高度的組網靈活性、經濟性和可靠性。

WDM技術有很多應用形式，如長途干線網、廣播分配網、多路多址局域網?？梢岳肳DM技術選擇路由，實現網絡交換和故障恢復，從而實現未來的透明、靈活、經濟且具有高度生存性的光網絡。

8.1.7波分復用系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

(1)提高單通道速率。WDM的通道速率由早期的2.5Gb/s發(fā)展為商用的10Gb/s，目前已有了40Gb/s速率的商用產品。實驗室正在研究160Gb/s速率的技術。

(2)增加復用波長數，減小波長間隔。16、32路波長已大量使用，132路波長已商用，實驗室正在研究1022路波長技術，波長間隔由3.2nm、1.6nm、0.8nm、0.4nm減小至0.1nm。

(3)擴大應用波段。波分復用使用波段在不斷擴大，早期主要應用C波段(1530nm~1565nm)，目前應用C+L波段(L波段的波長范圍為1565nm~1625nm)，S波段(1460nm~1530nm)也在不斷被開發(fā)利用。

(4)向全光網絡發(fā)展。以波長為單位對信號進行交叉連接，向全光網發(fā)展。8.2光孤子通信

孤子(Soliton)又稱孤立波，是一種特殊形式的超短脈沖，或者說是一種在傳播過程中形狀、幅度和速度都維持不變的脈沖狀行波。有人把孤子定義為：孤子與其他同類孤立波相遇后，能維持其幅度、形狀和速度不變。孤子這個名詞首先是在物理的流體力學中提出來的。1834年，美國科學家約翰·斯科特·羅素觀察到這樣一個現象：在一條窄河道中，迅速拉一條船前進，當船突然停下時，在船頭形成的一個孤立的水波迅速離開船頭，以每小時(14～15)km的速度前進，而波的形狀不變，前進了(2～3)km才消失。他稱這個波為孤立波。其后，1895年，卡維特等人對此進行了進一步研究，人們對孤子有了更清楚的認識，并先后發(fā)現了聲孤子、電孤子和光孤子等現象。從物理學的觀點來看，孤子是物質非線性效應的一種特殊產物。從數學上看，它是某些非線性偏微分方程的一類穩(wěn)定的、能量有限的不彌散解。即是說，它能始終保持其波形和速度不變。孤立波在互相碰撞后，仍能保持各自的形狀和速度不變，好像粒子一樣，故人們又把孤立波稱為孤立子，簡稱孤子。

1973年，孤立波的觀點開始引入到光纖傳輸中。在頻移時，由于折射率的非線性變化與群色散效應相平衡，光脈沖會形成一種基本孤子，在反常色散區(qū)穩(wěn)定傳輸。由此，逐漸產生了新的電磁理論——光孤子理論，從而把通信引向非線性光纖孤子傳輸系統(tǒng)這一新領域。光孤子就是這種能在光纖中傳播,長時間保持形態(tài)、幅度和速度不變的光脈沖。利用光孤子特性可以實現超長距離、超大容量的光通信。8.2.1光孤子傳輸原理光脈沖在光纖中傳播，當光強密度足夠大時會引起光脈沖變窄，脈沖寬度不到1個ps，這是非線性光學中的一種現象，稱為光孤子現象。若使用光孤子進行通信可使光纖的帶寬增加10～100倍，使通信距離與速度大幅度提高。對于常規(guī)的線性光纖通信系統(tǒng)而言，限制其傳輸容量和距離的主要因素是光纖的損耗和色散。隨著光纖制作工藝的提高，光纖的損耗已接近理論極限，因此光纖色散成為實現超大容量光纖通信亟待解決的問題。

光纖的色散使得光脈沖中不同波長的光傳播速度不一致，結果導致光脈沖展寬，限制了傳輸容量和傳輸距離。由光纖的非線性所產生的光孤子可抵消光纖色散的作用，因此，利用光孤子進行通信可以很好地解決這個問題。光纖的群速度色散和光纖的非線性，二者共同作用使得孤子在光纖中能夠穩(wěn)定存在。當工作波長大于1.3μm時，光纖呈現負的群速度色散，即脈沖中的高頻分量傳播速度快，低頻分量傳播速度慢。在強輸入光場的作用下，光纖中會產生較強的非線性克爾效應，即光纖的折射率與光場強度成正比，進而使得脈沖相位正比于光場強度，即自相位調制，這造成脈沖前沿頻率低，后沿頻率高，因此脈沖后沿比脈沖前沿運動得快，引起脈沖壓縮效應。當這種壓縮效應與色散單獨作用引起的脈沖展寬效應平衡時即產生了束縛光脈沖——光孤子，它可以傳播得很遠而不改變形狀與速度。8.2.2光孤子傳輸系統(tǒng)的組成光孤子傳輸系統(tǒng)是由激光器(孤子源)、光調制器、光放大器、光探測器、判決器(或解調器)和光纖等組成的一體化通信系統(tǒng)。

孤子激光器產生的是光孤子脈沖。光孤子通信系統(tǒng)中所用的孤子源一般并非嚴格意義上的孤子激光器，只是一種類似孤子的超短光脈沖源，它產生滿足基本光孤子能量、頻譜等要求的超短脈沖，這種超短光脈沖在光纖中傳輸時自動壓縮、整形而形成光孤子。半導體激光器是適用于光纖通信系統(tǒng)的光源。較理想的孤子源是增益開關分布反饋半導體激光器，該激光器依靠大電流的注入形成窄脈沖，結構簡單，且重復頻率可調，但產生的光脈沖啁啾噪聲大，所以在入纖前要進行消啁啾處理。孤子的峰值功率與光纖色散的平方成反比，因此長距離光孤子通信系統(tǒng)的傳輸媒質采用色散位移單模光纖，該光纖將色散零點從1.3μm移到1.55μm處，既滿足1.55μm處低色散要求，又利用了光纖在1.55μm附近的低損耗特性。光纖的損耗不可避免地消耗孤子能量，當能量不滿足孤子形成的條件時，脈沖喪失孤子特性而展寬，但只要通過摻餌光纖放大器給孤子補充能量，孤子即自動整形。利用孤子的這一特性可進行全光中繼，不再需要像常規(guī)光纖通信系統(tǒng)那樣在中繼站進行光—電—光的轉換，實現了全光傳輸。摻餌光纖放大器是理想的能量補償手段，它的成功應用極大地促進了光孤子傳輸研究的進展。每30km～50km加一個摻餌光纖放大器，是一種集總式能量補償方式。在這樣的系統(tǒng)中，如果放大器的間距遠小于孤子的特征長度，則能形成所謂“導引中心孤子”(或稱為路徑平均孤子)，它可以超常距離穩(wěn)定傳輸，即使光纖的色散有抖動，這種孤子也是穩(wěn)定的。在放大器的間距與孤子的特征長度可比擬時，如果使進入光纖的脈沖峰值功率大于基態(tài)孤子所要求的峰值功率，則所形成的孤子也能長距離穩(wěn)定傳輸，這種技術通常被稱為預加重技術，也稱為動態(tài)光孤子通信。光孤子在使用集總摻餌光纖放大器的系統(tǒng)中能穩(wěn)定傳輸的特性是光孤子通信能實用的一個關鍵。光孤子也很容易實現波分復用(即利用不同波長的光孤子在同一光纖中傳輸)和偏振復用(即利用不同偏振方向的光孤子在同一光纖中傳輸)，可進一步提高傳輸質量。采用光放大器不可避免地帶來自發(fā)輻射噪聲，這是一種熱噪聲，與孤子相互作用后造成孤子中心頻率的隨機抖動,進而引起孤子到達接收端時間的抖動，即戈登-豪斯效應，這一現象是限制孤子傳輸系統(tǒng)的容量、放大器間隔等系統(tǒng)指標的重要因素。在放大器后加一個帶通濾波器可以較好地抑制戈登-豪斯效應。8.2.3光孤子通信的實用化進程光孤子通信是實現超長距離高速通信的重要手段，它被認為是第五代光纖通信系統(tǒng)。近年來美、日、英等國相繼進行了光孤子通信實驗。美國的貝爾實驗室先后進行了傳輸距離為4000km、6000km、15000km的光孤子傳輸實驗，驗證了光孤子跨洋通信的可能性，并且完成了32Gb/s、90km無誤碼光孤子數據傳輸實驗。日本的NTT公司在完成了5Gb/s、400km和10Gb/s、300km孤子傳輸實驗的基礎上，又完成了20Gb/s、200km和10Gb/s、1000km直通傳輸實驗。有人用光纖環(huán)路的形式來驗證光孤子通信的最終潛力，先后成功地進行了2.4Gb/s傳輸12000km、2.5Gb/s傳輸14000km、32.4Gb/s傳輸12000km等實驗。另有實驗表明光孤子在10Gb/s碼率下保持的距離超過106km。所有這些都充分說明了光孤子通信的可行性及其巨大的應用前景。如果整個傳輸光纖本身都輕微摻雜受到泵浦而以分布方式補償光纖損耗，則系統(tǒng)的性能可大大改善。目前人們正努力研究這種“無損耗”光纖，有一實驗已證實短至450fs的光孤子脈沖沿摻鉺光纖傳輸了18.2km。另外采用波分復用技術，孤子通信系統(tǒng)的有效碼率可提高幾倍，利用偏振復用，正交偏振的孤子以兩個信道同時在光纖中傳輸，可以進一步提高碼率?？傊M管光孤子通信要真正實用化尚需解決一系列具體問題，但人們相信在不久的將來這一技術一定會被推廣和應用。8.2.4光孤子通信的優(yōu)越性及特點光孤子通信具有以下特點:

(1)容量大：傳輸碼率一般可達20Gb/s，最高可達100Gb/s以上。

(2)誤碼率低和抗干擾能力強：基階光孤子在傳輸過程中保持不變及孤子的絕熱特性決定了孤子傳輸的誤碼率大大低于常規(guī)光纖通信，甚至可實現誤碼率低于10-12的無差錯光纖通信。

(3)可以不用中繼站：只要對光纖損耗進行增益補償，即可將光信號無畸變地傳輸極遠距離，從而免去了光電轉換、重新整形放大、檢查誤碼、電光轉換、再重新發(fā)送等復雜過程。8.3相干光通信

前面各部分研究的光纖通信系統(tǒng)都是采用光強度調制直接檢測方式，即接收的信號光子到基帶信號的直接轉換。無論是數字還是模擬方式，雖然極限靈敏度很高，例如數字系統(tǒng)中的量子極限靈敏度為10個光子每比特。但實際接收機的靈敏度受光檢測器及前置放大器噪聲的限制，達400~4000個光子每比特，比量子極限低10dB~20dB。直接檢測系統(tǒng)的性能類似于包絡檢波的收音機，而外差收音機則可獲得高得多的靈敏度和選擇性。在衛(wèi)星及微波通信中使用外差技術后也大大提高了性能。顯然，在光纖通信中采用外差或零差檢測方式預期也可顯著提高接收靈敏度和選擇性，這就是所謂的相干光纖通信。自20世紀80年代起，由于LD的頻譜純度及穩(wěn)定性有了長足的進展，相干光纖通信的研究及實驗才得到迅速發(fā)展。但近年來隨著EDFA技術的成熟，直接檢測系統(tǒng)，尤其是波分復用技術與EDFA的結合，使系統(tǒng)性能大大提高。例如，直接檢測接收機用KDPA作前置放大器時，接收靈敏度輕而易舉就可提高20dB，使相干光纖通信的優(yōu)勢愈來愈小。再加上相干光纖通信系統(tǒng)對元器件的苛刻要求，近來人們對它的研究興趣已顯著下降。因此，本節(jié)僅對相干光纖通信技術的基本原理及主要問題作簡要介紹。8.3.1相干光通信的基本工作原理相干光通信如同傳統(tǒng)的無線電和微波通信一樣，在發(fā)送端對光載波進行幅度、頻率或相位調制；在接收端，則采用零差監(jiān)測或外差監(jiān)測進行解調。相干光纖通信原理框圖如圖8-12所示。圖8–12相干光纖通信原理框圖在發(fā)送端，采用外光調制方式將信號以調幅、調相或調頻的方式調制到光載波上，再經光匹配器送入光纖中傳輸。當信號光傳輸到達接收端時，首先與一本振光信號進行相干混合，然后由探測器進行探測。其中，發(fā)射端的光匹配器是保證從光調制器輸出的已調光波的空間復數幅度分布和單模光纖中的基模HE11之間有盡可能好的匹配，以及已調光波的偏振狀態(tài)和單模光纖中的本征偏振狀態(tài)相匹配。接收端的光匹配器是為了達到光混頻器最大可能的混頻效率而使接收的光復數振幅和偏振與本振光波相匹配。光隔離器的作用是避免反射光反饋回信號光源或本振光源而引起光源頻譜發(fā)生展寬，甚至是多縱模工作。相干光通信根據本振光信號頻率與接收到的信號光頻率是否相等，可分為外差檢測相干光通信和零差檢測相干光通信。前者經光電檢波器獲得的是中頻信號，中頻信號還需二次解調才能被轉換成基帶信號。根據中頻信號的解調方式不同，外差檢測又分為同步解調和包絡解調。外差同步解調中，探測器上輸出的中頻信號通過一個中頻帶濾波器后分成兩路，其中一路用作中頻載頻恢復，恢復出的中頻載波與另一路中頻信號進行混頻，再由低通濾波器輸出基帶信號。外差包絡解調是在包絡檢測器后接一個低通濾波器而直接檢測出基帶信號。外差檢測相干光通信不要求本振光與信號光之間的相位鎖定和光頻率嚴格匹配。對于后者而言，光信號經光電檢波器后被直接轉換成基帶信號，而不用二次解調，但它要求本振光頻率與信號光頻率嚴格匹配，并且要求本振光與信號光的相位鎖定。8.3.2相干光通信的優(yōu)點相干光通信充分利用了相干通信方式具有的混頻增益、出色的信道選擇性及可調性等特點。與IM-DD(強度調制直接檢測)系統(tǒng)相比，相干光通信具有以下獨特的優(yōu)點:

(1)靈敏度高，中繼距離長。相干光通信的一個最主要的優(yōu)點是相干探測能改善接收機的靈敏度。在相干光通信系統(tǒng)中，經相干混合后的輸出光電流的大小與信號光功率和本振光功率的乘積成正比；由于本振光功率遠大于信號光功率，從而使接收機的靈敏度大大提高，以致于可以達到探測器的點噪聲極限，并因此也增加了光信號的傳輸距離。

(2)選擇性好，通信容量大。相干光通信的另一個主要優(yōu)點是可以提高接收機的選擇性，從而可充分利用光纖的低損耗光譜區(qū)(1.25μm～1.6μm)，提高光纖通信系統(tǒng)的信息容量。如利用相干光通信可實現信道間隔小于1GHz～10GHz的密集頻分復用，充分利用了光纖的傳輸帶寬，可實現超高容量的信息傳輸。

(3)可以使用電子學的均衡技術來補償光纖中光脈沖的色散效應。如使外差檢測相干光通信中的中頻濾波器的傳輸函數正好與光纖的傳輸函數相反，則可降低光纖色散對系統(tǒng)的影響。

(4)具有多種調制方式。在直接檢測系統(tǒng)中，只能使用幅度調制方式對光波進行調制。而在相干光通信中，除了可以對光波進行幅度調制外，還可以進行頻率調制或相位調制，如ASK、FSK、PSK、DPSK、CPFSK等，其具有多種調制方式。相干光通信以其獨特的優(yōu)點，在光纖通信中得到了廣泛的應用，不僅在點對點系統(tǒng)中繼續(xù)向著更高速更長距離的方向發(fā)展，在海底通信上也有著巨大的市場潛力。而且，利用相干檢測的調諧選擇性，可以大大提高光纖網絡的功能和靈活性，這在本地網和多用戶接入網中有著廣泛的應用前景。相干光通信技術與光波分復用、副載波復用、光放大技術的密切結合與互相滲透，將使光纖通信在技術上發(fā)生根本變化。8.4全光通信

通信網物理層的發(fā)展經歷了三個階段。第一代通信網采用銅線(纜)把用戶節(jié)點連接在一起，銅線是窄帶線路，節(jié)點設備全由電子元器件構成，因此信息傳輸與處理的容量和速率均有限；第二代通信網中用光纖代替銅線，實現了寬帶低誤碼的傳輸。尤其是近來的WDM技術，使點—點的傳輸容量取得了突破性進展。但傳統(tǒng)的節(jié)點電子交換設備，使交換過程的電子瓶頸成了限制通信網吞吐能力的主要因素。目前的通信網就屬于第二代網絡，已經難以滿足日益增長的信息需求。第三代通信網將是全光通信網，不但節(jié)點之間的通信是由沿光纖的高速光通道進行的，而且節(jié)點中的交換過程將由全光交叉連接(OXC)或光分插復用(OADM)設備來完成。由于光交換時光信號不需光-電或電-光轉換，直接在光域對信道進行處理，因此不受光電器件速率和帶寬的限制，可實現高速大容量的節(jié)點。這種節(jié)點對比特速率及調制格式完全透明，大大提高了網絡的開放性、共享性、靈活性與兼容性，簡化了節(jié)點管理,提高了帶寬的利用率，代表了通信網的發(fā)展方向。全光通信是指用戶與用戶之間的信號傳輸與交換全部采用光波技術，即數據從源節(jié)點到目的節(jié)點的傳輸過程都在光域內進行，而其在各網絡節(jié)點的交換則采用全光網絡交換技術。全光通信與傳統(tǒng)的通信網絡及現有的光纖通信系統(tǒng)相比，具有如下特點：

(1)全光通信是歷史發(fā)展的必然。電子交換機代替了模擬傳輸，在數字傳輸之后，引入了數字交換,光傳輸是技術發(fā)展的產物，光網絡是下一步發(fā)展的必然趨勢。

(2)降低成本。在采用電子交換及光傳輸的體系中，光／電及電／光轉換的接口是必要的，如果整個采用光技術可以避免使用這些昂貴的光電轉換器材。而且，在全光通信中大多采用無源光學器件，從而降低了成本和功耗。

(3)解決了“電子瓶頸”問題。在目前的光纖系統(tǒng)中，影響系統(tǒng)容量提高的關鍵因素是電子器件速率的限制，如電子交換速率約為每秒幾百兆位，只在大規(guī)模圖像傳輸研究領域可達Tb／s的速率。CMOS技術及ECL技術的交換機系統(tǒng)速率可以達到Gb／s級,不久的將來，采用砷化鎵技術可使速率達到幾十Gb／s以上，但是電子交換的速率也似乎達到了極限。為此，實現更高的速度則應采用光交換與光傳輸相結合的全光通信。

(4)極大地提高了光纖的傳輸容量和節(jié)點的吞吐量，適應未來通信網高速寬帶的要求。

(5)OXC和OADM對信號速率和格式透明,可建立一個支持多種通信格式、透明的光傳送平臺。

(6)以波長路由為基礎，可實現網絡的動態(tài)重構和故障的自動恢復，構成具有高度靈活性和生存性的光傳送網。由于IP及多媒體業(yè)務的急速增長，極大地推動了長距離傳送網中對帶寬的需求，全光網是滿足這種需求的最有效途徑。因此，全光網技術是目前通信網領域最熱門的課題。對全光網技術的研究在全球迅速展開，目前已建立了多個試驗網，如北美的MONET、NTON、WEST，歐洲的PHOTON、METON等。

MONET的目標是把網絡結構、先進技術、網絡管理和網絡經濟綜合在一起，實現一種高性能、經濟有效、可靠的多波長光網,其大小最終可擴展成全國網。MONET主要著眼于網絡測試和演示、網絡結構與經濟性研究及一些關鍵技術的研發(fā)。

MONET的關鍵網絡單元有：波長終端復用器、波長ADM、波長放大器、波長選擇交叉連接、波長交換交叉連接、波長路由器等。

MONET的現場試驗網由三個部分組成：MONETNewJersey網(以AT＆TBelllabs為中心的星形網，連接三個節(jié)點)、WashingtonDC網(為三節(jié)點環(huán)形網)以及連接這兩個試驗區(qū)的多波長長途光纖鏈路。網的單信道速率為2.5Gb／s及10Gb／s，在1560nm附近復用了8個波長，間隔200GHz，網中應用了可調諧DBR-LD、可調諧WC、調諧接收機及WGR等單元器件。

MONET中，未來的通信網應是分層結構的，即它包括基礎層(即多波長光層)、中間的電子層及最上面的應用層。光層由受網管控制、可重新配置的網絡單元組成，用于支持電子層業(yè)務傳送，該層對所傳送的信息比特率及格式是透明的，有利于將來的升級擴容；電子交換層位于光層上面，包括ATM、SONET/SDH傳統(tǒng)交換形式及未來可能的電傳送信號；應用層包括音頻、視頻、數據等多種應用信號。8.5

PTN

8.5.1

PTN的定義分組傳送網(PTN)是指這樣一種傳送網絡架構和具體技術：在IP業(yè)務和底層光傳輸媒質之間設置了一個層面，該層面針對分組業(yè)務流量的突發(fā)性和統(tǒng)計復用傳送的要求而設計；以分組為內核，實現多業(yè)務承載；具有更低的總體使用成本(TCO)；秉承光傳輸的高可用性和可靠性、高效的帶寬管理機制和流量工程、便捷的OAM和網管、可擴展和較高的安全性的傳統(tǒng)優(yōu)勢。8.5.2

PTN的發(fā)展背景

隨著新興數據業(yè)務的迅速發(fā)展、帶寬的不斷增長、無線業(yè)務的IP(InternetProtocol)化演進、商業(yè)客戶VPN(VirtualPrivateNetwork)業(yè)務應用，對承載網的帶寬、調度、靈活性、成本和質量等綜合要求越來越高。傳統(tǒng)以電路交叉為核心的SDH(SynchronousDigitalHierarchy)網絡存在成本過高、帶寬利用率低、不夠靈活的弊端，運營商陷入占用大量帶寬的數據業(yè)務的微薄收入與高昂的網絡建設維護成本的矛盾之中。同時，傳統(tǒng)的非連接特性的IP網絡和產品，又難以嚴格保證重要業(yè)務的傳送質量和性能，已不適應于電信級業(yè)務的承載?，F有傳送網的弊端如下：

(1)TDM(TimeDivisionMultiplex)業(yè)務的應用范圍正在逐漸減少。

(2)隨著數據業(yè)務的不斷增加，基于MSTP(MultiServiceTransportPlatform)的設備的數據交換能力難以滿足需求。

(3)業(yè)務的突發(fā)特性加大，MSTP設備的剛性傳送管道將導致承載效率的降低。

(4)隨著對業(yè)務電信級要求的不斷提高，傳統(tǒng)基于以太Ｘ、MPLS(MultiProtocolLabelSwitching)ATM(AsynchronousTransferMode)等技術的網絡不能同時滿足網絡在QoS(QualityofService)、可靠性、可擴展性、OAM(Operation，AdministrationandMaintenace)和時鐘同步等方面的需求。綜上所述，運營商亟需一種可融合傳統(tǒng)語音業(yè)務和電信級業(yè)務要求，低OPEX(OperatingExpenditure)和CAPEX(CapitalExpenditure)的IP傳送網，構建智能化、融合、寬帶、綜合的面向未來和可持續(xù)發(fā)展的電信級網絡。

8.5.3PTN的產生在電信業(yè)務IP化趨勢推動下，傳送網承載的業(yè)務從以TDM為主向以IP為主轉變，這些業(yè)務不但有固網數據，更包括近幾年發(fā)展起來的3G業(yè)務。而目前的傳送網現狀是SDH/MSTP、以太網交換機、路由器等多個網絡分別承載不同業(yè)務,各自維護，難以滿足多業(yè)務統(tǒng)一承載和降低運營成本的發(fā)展需求。因此，傳送網需要采用靈活、高效和低成本的分組傳送平臺來實現全業(yè)務統(tǒng)一承載和網絡融合，分組傳送平臺(PTN)由此應運而生。以T-MPLS(TransportMulti-ProtocolLabelSwitching)為代表的PTN設備，作為IP/MPLS或以太網承載技術和傳送網技術相結合的產物，是目前CE(CarrierEthernet)的最佳實現技術之一，具有面向連接和利用分組交換核心實現分組業(yè)務的高效傳送的特征，不僅能較好地承載電信級以太網(CE)業(yè)務，具有標準化、可擴展性、高可靠性、嚴格的QoS和完善的OAM等五個基本屬性，而且兼顧了傳統(tǒng)的TDM業(yè)務。8.5.4

PTN的特點

PTN網絡是IP/MPLS、以太網和傳送網三種技術相結合的產物，具有面向連接的傳送特征，適用于承載電信運營商的無線回傳網絡、以太網專線、L2VPN以及IPTV(InternetProtocolTelevision)等高品質多媒體數據業(yè)務。

PTN網絡具有以下特點：

·

基于全IP分組內核；

·秉承SDH端到端連接、高性能、高可靠、易部署和維護的傳送理念；

·保持傳統(tǒng)SDH優(yōu)異的網絡管理能力和良好體驗；

·融合IP業(yè)務的靈活性和統(tǒng)計復用、高帶寬、高性能、可擴展的特性；

·具有分層的網絡體系架構，傳送層劃分為段、通道和電路各個層面，每一層的功能定義完善，各層之間的相互接口關系明確清晰，使得網絡具有較強的擴展性，適合大規(guī)模組網；

·采用優(yōu)化的面向連接的增強以太網、IP/MPLS傳送技術，通過PWE3仿真適配多業(yè)務承載，包括以太網幀、MPLS(IP)、ATM、PDH、FR(FrameRelay)等；

·為L3(Layer3)/L2(Layer2)乃至L1(Layer1)用戶提供符合IP流量特征而優(yōu)化的傳送層服務，可以構建在各種光網絡/L1/以太網物理層之上；

·具有電信級的OAM能力，支持多層次的OAM及其嵌套，為業(yè)務提供故障管理和性能管理；

·

提供完善的QoS保障能力，將SDH、ATM和IP技術中的帶寬保證、優(yōu)先級劃分、同步等技術結合起來，實現承載在IP之上的QoS敏感業(yè)務的有效傳送；

·

提供端到端(跨環(huán))業(yè)務的保護。8.5.5