有线传输工程剖析

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1、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 Wirel

2、ess 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

3、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 Wire

4、less 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

5、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 Wireles

6、s 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15

7、25nm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 。

8、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

9、（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

10、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

11、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

12、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

13、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。 W

14、TI 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

15、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

16、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