第四讲(王春华)光通信与全光网1

2020年1月24日7时49分12012-2013(冬)通信学院王春华2020年1月24日7时49分21.光纤的通信发展历程2.光纤传输技术3.全光网技术2020年1月24日7时49分31.光通信的发展历程1873年，美国人莫尔斯发明了电报，用电传输了文字信息；1876年，美国人贝尔发明了电话，用电传输了声音；1924年，英国人贝尔德发明了电视机，用电传输了图像；1946年，美国美国宾夕法尼亚大学，电子计算机。电报、电话和电视都是用无线电或有线电传输信息，电通信作为信息传输的有效通道，一直沿用了一个多世纪。20世纪----电子世纪21世纪----光子世纪,光子技术将带来一场超过电子技术的产业革命.光子技术的应用:（1）作为光子发生与控制的激光技术和产业。（2）运算速度更快的光子计算机。（3）存储量大的光存储技术。（4）代替现行通信方式光通信。（5）全息光技术。2020年1月24日7时49分41.2通信传输媒介分类及相应波段划分10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015ELFVFVLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF自由空间波长，m频率，Hz频段划分传输介质有线：光纤（频率很高1014，载波能力强）铜线（同轴线、屏蔽与非屏蔽双绞铜线）无线：微波、无线电力、电话无线电、电视微波红外可见光卫星/微波光纤同轴电缆双铰线2020年1月24日7时49分5光纤传输的容量15301675nm1260单纤全部可用频段为400nm，单根纤芯可传500个波长若每波长信道速率40Gb/s,单根纤芯可传20Tb/s0.2dB0.3dB500路x40Gb/s=20Tb/s2020年1月24日7时49分610Gb/s能作什么？1.ASCIICharacter(8bit)109Char./s(1000books)2.语音信道(64Kb/s)155,000Channels3.高清电视(60Mb/s)160Channels压缩后(20Mb/s)500Channels4.GigabitEthernet(1Gb/s)8Channels2020年1月24日7时49分7光纤的优点:近乎无限的带宽（没有光纤就没有当今的信息高速公路)低损耗（0.2dB/km)，（传输距离远）无电磁干扰，信号传输质量高，保密性好耐化学腐蚀光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设；低价（光纤是石英玻璃拉制成形,原材料来源丰富，并节约了大量有色金属）2020年1月24日7时49分8信息社会的通信需求2020年1月24日7时49分9电信号输入半导体激光器光探测器电信号输出fiberEE/OO/EE§3.光通信的发展激光的发明主要是半导体激光器（60年代-）光纤技术的发展（70年代--）半导体探测器（60年代--）WDM技术的出现（90年代--）光放大技术（90年代---）几个里程碑：2020年1月24日7时49分103.1半导体激光器的发展•1960年美国休斯公司实验室的西奥多梅曼发明红宝石激光这就是在光频下发明了连续波的振荡器。1961年出现He—Ne激光器之后，便开始了光通信的研究(自由空间与透镜波导)。•半导体双异质结激光器1969年研究成功GaAlAs在室温下，连续工作的半导体激光器。由于半导体激光器体积小，发光谱线窄以及与光纤的耦合效率高、价格低廉等优点，已成为光通信不可缺少的光源器件。2020年1月24日7时49分11•1870年，英国物理学家廷德尔在实验中观察到，把光照射到盛水的容器内，从出水口向外倒水时，光线也沿着水流传播，出现弯曲现象，这好象不符合光只能直线传播的定律。•1955年光纤才得到实际应用。当时在英国伦敦英国学院工作的卡帕尼博士，发明了用极细的玻璃制做的光导纤维。•1966年高锟提出光纤波导的概念，当时最好光纤的损耗1000dB/km，但他推测出小于20dB/km的损耗是可以做到的并可进入商用。•1974年美国康宁公司的French采用MCVD方法制出损耗小于4dB/km的石英光纤，从此石英光纤正式登上光通信的宝座。3.2光纤的发展2020年1月24日7时49分12•半导体光电探测器的进步1970年代半导体光电探测器的技术已很成熟当时的PIN二极管，入射一个光子可产生一个电子。雪崩光电二极管(APD)入射一个光子则可产生10~100个电子。3.3光电探测器的发展由于光源、光探测器及光纤均已成功。所以在70年代后期光纤通信便正式登上通信的舞台。2020年1月24日7时49分13数字通信系统2020年1月24日7时49分14(1)传统的电传输系统---）EMUX电端机再生中继再生中继EDMUX电复用电解复用电端机同轴电缆、微波……O/E/O光缆EMUX再生中继再生中继EDMUX电复用电解复用光接收(2)光电混合型光纤传输系统光发送95年光纤放大器的出现---OAMP+DWDM2020年1月24日7时49分15(3)DWDM光纤传输系统OMUXOAOAOA光发送光发送光发送λ１λ２λΝλ１，λ２……λΝ光接收光接收光接收λ１λ２λΝODMUX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX40km40km40km40km40km40km40km40km40km1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTXWDM+EDFA革新了光纤传输2020年1月24日7时49分16光通信容量的发展历程？74~94：一个数量级/4年95~：指数增长，数量级/6个月摩尔定律（数量级/18month.)2020年1月24日7时49分17全光网系统2020年1月24日7时49分18FLAG－FiberOpticLinkaroundtheGlobe架空光缆直埋光缆北京上海至欧洲至日本FLAG至韩国至朝鲜至俄罗斯我国光缆骨干网分布图至东南亚2020年1月24日7时49分19NationalBackboneProvidere.g.BBN/GTEUSbackbonenetwork2020年1月24日7时49分20光纤究竟敷设到那里？------到家门口，到桌面！FTTHWAN+MAN+LANInternetLeasedLineServiceNodesFrame/CellRelayInteractiveVideoTelephoneONUFTTHOpticalFiberTP,ADSLOLTONUONUNTNTONUPassiveOpticalSplitterFTTxOps业务节点FTTBFTTCFTTCabCoax,HFC2020年1月24日7时49分21SONETDataCenterSONETSONETSONETDWDMDWDMAccessLongHaulAccessMetroMetro全光网地域分布2020年1月24日7时49分22Point-to-PointFibreTransmissionDenseWavelengthDivisionMultiplexingDWDM+OpticalADMsDWDM+OADMs+OXCsAllOpticalNetworks全光网的演进2020年1月24日7时49分23光网的演进方向•1stGeneration:物理层上光纤传输取代电传输–SONET(synchronousoptical)inTDM–GbitEthernet，FTTH，etc.•2ndGeneration:光交换和光波长复用WDM–WDM环–波长路由网络（节点以波长为单位交换路由）•3thGeneration:光包交换（全光处理+光包交换）2020年1月24日7时49分24现在大多数光纤网络中,只是在点---点传输;节点交换与包头处理---电处理;正向全光传输,全光节点交换与处理方向发展.Links----光纤Nodes----O/E/O光?Source:Master7_7光组网技术2020年1月24日7时49分25每个节点需要(OEO)转换速度远低于传输速度SDHOpticalOutSDHT/XSDHR/XElectricallevelsSDHOpticalinSDHT/XSDHR/XElectricallevelsSDHOpticalinSDHOpticalOutSDHProc.&SwitchingSDHNodeO/E/O节点处理的缺点2020年1月24日7时49分26光传输+光节点交换交换不再是OEO,而是OOO转换但是控制依然电控光处理可能，但应用在大交换粒度的情况下:即framebitinterval信号在边远节点转换回电信号Source:Master7_7OpticalNetworkOXC:OpticalCrossConnectOADM:OpticalAdd-dropmultiplexer现有的光组网2020年1月24日7时49分27All-OpticalSwitching•光波长交叉互联(OXC)–波长交换路由(WRS)DWDMFibersinDWDMDemuxDWDMDemuxDWDMFibersoutDWDMMuxDWDMMuxAll-opticalOXC波长交换与波长变换2020年1月24日7时49分28光空间交换1-DMEMSMicro-mirrorArrayDigitalMirrorControlElectronics1011WavelengthDispersiveElementInputFiberOutputFiber1OutputFiber2Input&OutputfiberarrayOutputAddDropInput2020年1月24日7时49分29允许波长粒度的上下路复用Wavelengths123412341234Wavelengths1234OADMDroppedWavelength(s)AddedWavelength(s)WDM波长上下路分插复用2020年1月24日7时49分30132132DemuxMuxDropWavelengthsAddWavelengthsInputCirculator(IC)OutputCirculator(OC)InputFibreGratings(IFG)OutputFibreGratings(OFG)DWDMoutDWDMinOADM—光上下路分插复用器2020年1月24日7时49分31光波长变换(WC)NoWC123Newrequest13WithWC123Newrequest13WC2020年1月24日7时49分32Source:Master7_7OADMOADMOADMOADMWavelengths1234123412341234NodeANodeDNodeBNodeCNotewavelengthreuseofbluewavelength(no