光通信技术高效应用介绍

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1、光通信技术简介 前言 z自从Marconi在光纤上实现信号传送之后， 利用光纤介质传送信息的技术和系统得到 了极大的发展，近十年内的进展更为迅速 。 z传输速率的提高：2Mb/s140Mb/s 2.5Gb/s10Gb/s40Gb/s直至Tb/s量级。 z传输系统的发展：PCMPDHSDH WDMOTN z光通信技术和器件的发展：价格更低，功 能更强大。 光纤通信的优势 z传输速率快，光速为30万公里每秒。 z传送带宽大，可达30THz，2.5Gb/s仅占带 宽的0.008%。 z安全可靠。 z信号损伤和失真较小。 z是未来各种高速、宽带业务传输的必然选 择。 光纤特性基本概念 z 依据国际标准

2、进行电子信号处理。 z 将信号转换为光波频带可以利用后来发展起来的光纤 传输的优势。 electrical signal processing E / O - Conversion Optical Transmission Fiber as transmission medium electrical signal processing O / E - Conversion Electrical transmission Electrical transmission 光谱特性 wavelength 紫外红外 Invisible Invisible 可见 850 nm 980 nm 1310

3、nm 1480 nm 1550 nm 1625 nm 光通信频带范围 光纤通信波长范围目前利用 850, 1310nm和1550nm三个窗口 光纤结构 z无论哪一种光纤均由芯、覆层和包层组成。 z根据波导模式有单模和多模光纤。 core cladding coating n core n cladding n core n cladding 阶梯光纤 渐进光纤 光信号在阶梯光纤中传输 ncladding ncore c half acceptance angle N.A. core cladding coating z 数值孔径 NA = z 临界角 critical = arc sin (n

4、cladding /ncore) 光信号在渐进光纤中传输 ncladding ncore core cladding coating z在芯边界通过准连续的折射率变化约束光信号 在光纤中传输。 光纤通信原理 相速度 c c = x f wavelength f frequency 真空中的相速度 c0 c0 = 300 000 Km/s 折射率ni ni = c0 : ci ni refractiv index in medium i c0 velocity in vacuum ci velocity in medium i 折射定律 sin 1 / sin 2 = n2 / n1 = c1

5、/ c2 1 angle of incident in medium 1 2 angle of transition medium 2 n1 refractiv index in medium 1 n2 refractiv index in medium 2 c1 velocity in medium 1 c2 velocity in medium 2 光纤类型 z 一般采用单模光纤： z G.652光纤（常规单模光纤 SMF） 色散 17 ps/nm.km(1550nm) 模场直径 10.5 m Aeff 80 m2 z G.653光纤（色散位移光纤 DSF） z G.655光纤（非零色散位

6、移光纤 NZDSF） 1）ITU-T 色散(1530-1565 nm ) 0.1 D 6ps / nm.km 模场 直径 8-11 m 2）康宁 (LEAF-大等效面积光纤） 陆缆：零色散波长 (1510 nm) 模 场直径 9.6 m Aeff 72 m2 色散(1530-1565 nm ) 1 D 6ps / nm.km 海缆：零色散波长 (1585 nm) 模场直径 9.6 m Aeff 72 m2 3）朗讯 （真波光纤） Aeff 55 m2 信号在光纤中传输损耗的产生 a) b) d) c) 损耗来源 z a) 吸收 z b) 散射 z c) 宏弯 (external bending

7、s) z d) 微弯 (internal) 典型光纤损耗曲线（1） 单模光纤 8001000120014001600 wavelength / nm - 1. window2. window3. window 瑞利散射 1/ 10 1 0.1 红外吸收 attenuation coefficient / dB/km - 多模光纤 典型光纤损耗曲线（2） z多模光纤的损耗高于单模光纤。 z瑞利散射对光纤传输产生极大的限制： 瑞利散射是不可避免的损耗机制，在各个方向上散射，并 且依赖波长。在短波方向限制大，逐步向长波方向减小。 z红外吸收在长波方向限制传输。OH吸收峰在 1400nm附近。 z造成

8、三个传输窗口：850, 1310nm和1550nm 。 弯曲下光纤损耗 attenuation coefficient / dB/km - 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 0,0 3,0 2,0 1,0 wavelength / nm - 未弯曲光纤 宏弯光纤 微弯光纤 色散概念 白光源 孔径 光谱 棱镜 光信号通过介质时与折射率密切相关，折射率与波长 的关系是一函数。 非单一波长的光信号在介质中传输色散。 色散体系结构 总色散 (ps/ nm -km) 多模色散 波导色散 单模色散 材料色散 多模色散 不同的传输模式引起传输路径的不同，从而引起

9、即是 在光速恒定条件下的时延差异。 时延的差异造成信号脉冲展宽。 材料色散 , c0 , c1 不同波长的光在介质中以不同的速度传输，即是在相同传输路径 下也会引起不同的时延，造成信号脉冲展宽。 实际信号总是非绝对单色，含有多个波长成分，即总有谱线宽度 。 光纤色散对信号的影响 STM-4 STM-16 色散造成信号失真，限制传输距离和传输速率。 Non-linearities scale as (optical power)2 单模光纤色散曲线 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 衰减 (dB/km) 1600170014001300120015001100 波长(nm) EDF

10、A 频带 20 10 0 -10 -20 色散(ps/nm.km) G.652 & G.654 G.653 衰减 (所有) G.655 偏振模色散 偏振模色散 单模光纤的光场可分解为两个 偏振态 在介质中快轴和慢轴有不同能够的群速度 通过介质传输，引起了脉冲展宽 色度色散 脉冲包含补贴波长成分 不同的波长按不同的速度传输 引起信号脉冲展宽，导致失真 色散和损耗限制 电信号调制成光信号原理 z 一般采用根据电信号直接通过电流驱动系统发射的直接强度调制技 术。根据传输距离，调制器和调制方式有多种。 z 激光器工作在阈值电流之上。 Popt If t - LED fmod: up to 250 Mb

11、aud Popt If Ith t - LASER fmod: up to 10 Gbaud 激光器调制方式和无电再生距离 电再生器 z恢复损伤和失真的信号。 z电再生器通过光/电/光变换。 z电再生器为3R再生器实现再放大、在整形 、再定时。 O/E 调制器 E/O DFB Laser 传送信息速率和帧格式 zPCM帧格式，速率2M，传送电话或数据。 zPDH帧格式，速率为2M8M34M140 ，传送电话或数据。 zSDH帧格式，速率为155M622M2.5G- 10G等，可传送电话、数据和视频信息。 z发展到透明格式和速率的传送。可任意传 送信息。主要随着波分复用技术的发展变 为现实。 S

12、DH概念 SDH- 复用器 SDH- 复用器 交叉 连接 # SDH- 电再生器 再生段再生段 复用段 通道 SDHSDHSDH PDHPDH 复用段 SDH帧结构 270 270 列 (字节) 1 9 1 3 5 9 4 RSOH MSOH AU PointerPayload (transport capacity) STM1 RSOH: Regenerator section overhead MSOH: Multiplex section overhead Payload: Area for information transport Transport capacity of one

13、Byte: 64 kbit/s Frame capacity: 270 x 9 x 64 kbit/s = 155.520 Mbit/s Frame repetition time: 125 us SDH网络示意（1） TM DXC ADM ADM ATM Switch STM-4/-16 2Mbit/s 34Mbit/s 140Mbit/s STM-1 LAN 2Mbit/s ADM STM-1 STM-1, STM-4 8Mbit/s 34Mbit/s 140Mbit/s SDH的分查复用器（ADM）组成保护环 PDH支路和ATM等信息通过SDH网络传送 SDH网络示意（2） STM-4

14、STM-16 STM-1 STM-1 Exchange FlexMux 用户 接入 Mux 64/2M Local Exchange 干线网 层 2 干线网 层 1 复用技术 目前PDH、SDH等技术均采用时分复用（TDM）技术。 波分复用 OpticalOpticalComposite OpticalComposite Optical 小结 z损耗和色散是影响光传输的主要因素。 z电再生器的采用提高传输距离和信号质量 。 z调制技术和电子信号帧格式迅速发展。 z传送速率随着技术的发展有PCM 2M发展到 SDH 2.5G的传送。 z时分复用（TDM）技术在传送中普遍采用 ，但进一步发展存在电子瓶颈技术限制。