波分复用的光纤通信技术

光纤通信系统与光网络大作业作业类别：技术类波分复用的光纤通信技术13050120080曾扬舰2016年5月30号摘要：光纤通信为人类社会的信息传递开辟新的天地，自1966年被发明出来后，就开始成为信息技术领域的研究热点，通信技术不断革新，新器件不断被研发出来，传输速率逐渐加快，光纤网络越来越多，光纤通信在国家社会经济发展中的作用越来越突出。随着互联网的普及，许多国家的数据业务流量已大大超出语音业务流量，并成为推动核心网络发展的巨大推动力。数据业务对网络带宽的需求较大，对网络的动态分配能力要求高，采用传统人工配置的网络连接方式不利于通信网络的发展，而光波分复用技术（WDM）的发明为通信网络带来新的曙光，带来了新的传输手段。本文从光波分复用技术的概念、分类、系统结构，光波分复用技术的优点，光波分复用关键技术，光波分复用的主要应用，光波分复用的发展方向以及关键难点等方面，简单地介绍光波分复用技术。第一章WDM光纤通信系统1.1波分复用技术的简述波分复用(WDM)是将两种或多种不同波长的光载波信号(携带各种信息)在发送端经复用器(亦称合波器，Multiplexer)汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术；在接收端，经解复用器(亦称分波器或称去复用器，Demultiplexer)将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。1.2波分复用的系统结构1.2.1波分复用光纤通信系统:N个光发射机分别发射N个不同波长，经过光波分复用器WDM合到一起，耦合进单根光纤中传输。到接收端，经过具有光波长选择功能的解复用器DWDM，将不同波长的光信号分开，送到N个光接收机接收。1.2.2双向WDM系统:图中WDM/DWDM是具有波长选路功能的复用/解复用器。光发射机T1发射的光信号，经WDM/DWDM送入传输光纤，在接收端，再经另一个MD的波长选择后送到接收机R1接收。T2和R2是另一方向传输的发射和接收端机。1.3波分复用系统的优点及特点1）充分挖掘光纤的巨大带宽资源。利用光纤的低损耗波段,增加光纤的传输容量,使一根光纤传送信息的物理限度增加一倍至数倍。目前我们只是利用了光纤低损耗谱(1310nm-1550nm)极少一部分,波分复用可以充分利用单模光纤的巨大带宽约25THz,传输带宽充足。2）能够同时传输多种不同类型的信号。由于WDM技术使用的各波长的信道相互独立，因而可以传输特性和速率完全不同的信号，完成各种电信业务和综合传输，如PHD信号和SDH信号，数字信号和模拟信号，多种业务（音频、视频、数据等）的混合传输等。3）降低线路成本。采用WDM技术可以使N个波长复用起来在单根光纤中传输，也可实现单根光纤双向传输，在长途大容量传输时可以节约大量光纤，另外对已经建成的光纤通信系统扩容方便，只要使系统的功率余量较大，就可以进一步扩容而不必对原系统作大的改动。目前,由于多路载波的光波分复用对光发射机、光接收机等设备要求较高,技术实施有一定难度,同时多纤芯光缆的应用对于传统广播电视传输业务未出现特别紧缺的局面,因而WDM的实际应用还不多。但是,随着有线电视综合业务的开展,对网络带宽需求的日益增长,各类选择性服务的实施、网络升级改造经济费用的考虑等等,WDM的特点和优势在CATV传输系统中逐渐显现出来,表现出广阔的应用前景,甚至将影响CATV网络的发展格局。第二章WDM光纤通信关键技术和难点2.1关键技术主要包括三大技术：光源技术、光放大技术、光传输技术。具体如下：1、光源的波长稳定问题。WDM系统需对光源的波长进行精确的设定和控制，以防引起波长漂移而造成系统无法稳定可靠工作。目前主要采用两种方法：一是温度反馈控制法；二是波长反馈控制法。2、光信道间的串扰问题。光信道间的串扰是影响接收机灵敏度的主要因素，取决于光纤的非线性和无源光解复用器的滤波特性，在1.6nm或0.8nm信道间隔下，光解复用器在2.5Gbps系统中可以保证隔离度大于25dB。3、光纤色散效应对传输的影响问题。采用EDFA解决了衰减限制，增大了传输距离，但色散也随之增加，原来的衰减限制系统变成了色散限制系统，如2.5Gbps的色散受限距离为930公里，而10Gbps的色散受限距离仅为60公里。4、光纤的非线性效应问题。常规光通信系统功率不大，光纤呈线性传输。采用WDM光功率增大后，光纤将呈现出非线性特性，极大限制EDFA的放大性能和长距离无中继传输的实现。G.655光纤是专门为高速WDM系统设计的。5、EDFA的增益平坦问题。WDM系统对EDFA有一个特殊要求—增益平坦。通常EDFA在1550nm波长的带宽为35—40nm，波长不同而有增益偏差，多级放大后偏差积累，造成低端和高端信道特性恶化，可致使整个系统不能正常工作。6、EDFA光放大器级联使用时的噪声积累问题。EDFA的噪声系数理论上可以达到3dB，实际应用中一般为4—6dB左右。信噪比劣化程度与级联放大器的数量和放大器之间的跨距有关，一般光纤段跨距控制在80—120公里以内。2.2关键难点以WDM技术为基础的具有分插复用功能和交叉连接功能的光传输具有易于重构、良好的扩展性等巨大优势，已成为未来告诉传输网的发展方向，但是在真正实现前，还必须解决下列问题。1.网络管理目前，WDM系统的网络管理，特别是具有复杂的上\下通路需求的WDM网络管理仍处于不成熟期。如果不能进行有效的网络管理，将很难在网络中大规模采用。例如在故障管理方面，一旦WDM系统故障，要求操作系统应该及时发现故障，并找出故障原因。但是到目前为止，相关的运行维护软件仍不成熟；性能管理方面，WDM系统使用模拟方式复用放大光信号，因此常用的比特误码率并不适用于衡量WDM的业务质量，必须寻找一个新的参量来准确衡量。2.互连互通由于WDM是一项新生的技术，其行业标准制定较粗，因此不同商家的WDM产品互通性较差，特别在上层的网络管理方面。为了保证WDM系统在网络中大规模实施，需保证WDM系统间的互操作性及WDM系统与传统系统间互连、互通，因此需要加强光接口设备的研究。3.光器件一些重要光器件的不成熟将直接限制未来光传输网的发展，比如可调谐激光器等。通常光网络需要采用4~6个能在整个网络中进行调谐的激光器，但目前这种可调谐激光器还无法进入商用。第三章WDM光纤通信技术的研究现状及前景光纤通信自从问世以来，给整个通信领域带来一场革命，使得高速率、大容量的通信成为可能，具有损耗低、传输频带宽、容量大、体积小、抗电磁干扰等优点备受业内人士的青睐，发展非常迅速。光纤通信系统的传输容量从1980年到2000年这20年增加了近一万倍，传输速度在过去的十年间大约提高了100倍。我国在WDM光通信技术领域的研究与开发已经取得了较大的成果，特别是在传输技术方面已形成产品，并投入商业运行。3.1波分复用在光纤通信中的主要应用1）为宽带网络建设提供了拓展平台。由于可提供话音、数据和图像等方式的完美汇聚传输，因此伴随着光通信带宽需要的日益增加，WDM将成为光纤应用领域的首选技术。2）应用与广泛的区域范围。WDM不仅能应付信息流量的剧增，保护原有线路投资，降低建设和维护成本，还可在建设和应用光子网络方面发挥独特的技术优势。此外，它还将在发展超大容量的光传输、实现更为广阔的区域范围内的信息传递等方面发挥重要作用。3）满足网络扩容需求。由于主要通过改变基础速率和提高每根光纤的传输容量来提高光缆传输的总容量，故WDM能以较低的成本实现在有限的传输管缆芯数中逐步扩容升级。此外，它还可与IP技术结合，实现路由器数据在WDM中透明传输，从而简化设备构成。4）为日益增长的网络规模提供扩展空间。由于具有透明性、可重构性、网络生存性强等优点，未来的WDM光网络将向基于光波长选路、光波长交换的灵活组网方向发展，并最终成为具有快速网络恢复及重构能力的光传输网。3.2波分复用的发展方向WDM技术问世时间不长，但由于具有许多显著的优点迅速得到推广应用，并向全光网络的方向发展。全光技术的发展表现在以下几个方面：1）可变波长激光器。光纤通信用的光源即半导体激光器只能发出固定波长的光波。将来会出现激光器光源的发射波长可按需要进行调谐发送，其光谱性能将更加优越，而且具有更高的输出功率、稳定性和可靠性。不仅如此，可变波长的激光器更有利于大批量生产，降低成本。2）全光中继器。中继器需要经过光-电-光的转换过程，即通过对电信号的处理来实现再生（整形、定时、数据再生）。电再生器体积大、耗电多、成本高。掺铒光纤放大器虽然可以用来作再生器使用，但它只是解决了系统损耗受限的难题，而无法解决色散的影响，这就对光源的光谱性能提出了极高的要求。未来的全光中继器不需要光-电-光的处理过程，可以对光信号直接进行再定时、再整形和再放大，而且与系统的工作波长、比特率、协议等无关。由于它具有光放大功能，所以解决了损耗受限的难题，又因为它可以对光脉冲波形直接进行再整形，所以也解决了色散受限方面的难题。3）光交叉连接设备（OXC）。未来的OXC可以利用软件对各路光信号灵活的交叉连接。OXC对全光网络的调度、业务的集中与疏导、全光网络的保护与恢复等都将发挥作用。4）光分插复用器（OADM）。采用的OADM只能在中间局站上、下固定波长的光信号，使用起来比较僵化。未来的OADM对上、下光信号将完全可控，通过网管系统就可以在中间局站有选择地上、下一个或几个波长的光信号，使用起来非常方便，组网（光网络）十分灵活。目前全光网络的发展仍处于初期阶段，但它已显示出了良好的发展前景。从发展趋势上看，形成一个真正的、以WDM技术与光交换技术为主的光网络层，建立纯粹的全光网络，消除电光瓶颈已成为未来光通信发展的必然趋势，更是未来信息网络的核心，也是通信技术发展的最高级别，更是理想级别。结论：通过对WDM技术的学习，从对这项技术一无所知到写出自己的论文，总体来说，光纤通信新技术是为了更好的满足社会通信要求推出并逐渐占领市场一种新型的技术。由于随着社会发展步伐的不断推进，人们对光纤通信技术的要求越来高，除了能够快速通信外，还需要有较好保密功能、通信速度和通信质量，因此光纤通信新技术除了要继承过去的光纤通信技术的优点外，还需要不断的往更高的方向发展，从而真正的使光纤通信新技术满足现代社会越来越高的要求。WDM技术具有明显的技术优势，推广应用WDM技术显得尤为重要。以后通信传输网的发展趋势将会是全光网络，直接处理光信号是其一大特点，这就使网络结构复杂度减小，并使造价减少，另外对于网络的安全性、可靠稳定性也做出了积极贡献。即使目前这种技术还不完善，但就光纤通信的需要看，其带来的好处将大于坏处。而着眼于广义角度，若将前一个世纪比作电网络时代，那么21世纪将是光网络占据统治地位的时代。参考文献：[1]刘增基,《光纤通信基础》,西安电子大学出版社2005[2]韦乐平.光纤通信技术的发展与展望[J].电信技术,2006,(n)[3]金松,等.光波分复用技术[M].北京:邮电大学出版社，2005[4]WalterGoralski,《光网络与波分复用》,人民邮电出版社2003[5]张劲松，陶智勇,《光波分复用技术》,北京邮电大学出版社,2002[6]李玉权，高剑刚，刘杰VCSEL.技术及其在光互连中的应用[J]，光子技术，2010,1:8-12[7]刘伟平，陈舜儿，蒋郁，浅析WDM-PON及多波长光源的发展趋势[J].光纤与电缆及其应用技术，2011.1:4-5