光纤通讯系统-器件和网络

光纤通信器件、系统和网络内容提要1.光纤通信发展历程简要回顾2.光纤通信的最新进展3.从中国信息通信发展趋势看光纤通信的未来4.光纤通信的支撑技术1、光纤通信发展历程简要回顾10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015ELFVFVLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF自由空间波长，m频率，Hz电力、电话无线电、电视微波红外可见光双铰线同轴电缆光纤卫星/微波AM无线电FM无线电通信波段划分及相应传输媒介频段划分传输介质传输技术的演进•模拟信号数字传输：高质、安全、集成……•光纤传输：宽带、低损、无电磁干扰、价低……•光纤数字传输综合好处→PDH飞速发展•PDH的组网缺点→SDH：灵活的组网能力、强大的网管、带宽管理及自愈保护……•SDH与PDH均为TDM（时分复用）电子电路限制高速SDH的发展电子瓶颈•波分复用（WDM，DWDM）+EDFA扩展传输容量的新手段•全光通信网信息高速公路的骨干网为充分利用光子学的宽带性，传输系统的走向为:电子型光电混合型全光型。(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光发送再生中继再生中继EDMUX电复用电解复用光接收(2)光电混合型光纤传输系统(3)DWDM光纤传输系统OMUXODMUXOAOAOA光发送光发送光发送λ１λ２λΝλ１，λ２……λΝ光接收光接收光接收λ１λ２λΝTXEDFAEDFATXTXTXTXTXTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX40km40km40km40km40km40km40km40km40km1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXMUX120km120km120kmWDM+EDFA革新了光纤传输DEM20多年来光纤通信技术在发掘、利用光纤带宽资源，扩展光纤传输能力方面进展神速。（传输能力主要指：通信容量和传输距离）。①在光波长和光纤类型方面•多模光纤单模光纤•短波长800nm长波长1300nm、1550nm•一纤一波一纤多波②在单纤传输容量方面？2、光纤通信的最新进展•DWDM及相关技术在90年代中期开始走向成熟并进入商业化应用。•AT&T于2019年3月建立了世界上第一条8通道的DWDM系统。•AT&T、MCI、Worldcom、Sprint等公司在他们美国境内的90%网络上装上了DWDM系统。•2019年-2019年，全球DWDM市场从17亿美元增加到22亿美元，年增长率为32％。系统增加到4000多条，增长率为98%。至2019年市场总额预计为74亿美元。增长率为23%。超长距离（全光无中继）•Corvis：160()2.5(Gb/s)3200(km)(Chicago-Seattle)•Alcatel:48()10(Gb/s)4000(km)超高密度•Nortel、Sycamore：160()10(Gb/s)开始推向商用•Lucent:1022()系统已在实验室成功。超大容量•Siemens:7.04Tb/s(17640G)50km•NEC:3.2Tb/s(16020G)1500kmDWDM的最新报导7.04(Tb/s)÷64(kb/s/路)=1.1(亿路电话)0000000000000001111111118kHz3、从中国信息通信发展趋势看光纤通信的未来我国光纤通信的现状•1986年建立了国内第一条光缆干线宁汉光缆•2019年建成8纵8横光纤骨干网，覆盖了除台湾外所有省会城市和75％地市。•目前，我国长途骨干网的光缆长度达到了17万公里，并经中美、中日、中韩等海缆和欧亚大陆桥光缆与国际光缆网连接。•我国总的光缆线路总长度超过100万公里，居世界前列。FLAG－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•在光纤通信线路建设的同时，果断地将传输技术从正在广泛发展的PDH，跳越式地改用SDH（SynchronousDigitalHierarchy，同步数字系列）。•SDH传输技术的优越性有：1、SDH在传输高速信息时，比PDH更经济有效；2、其灵活的组网能力和强大的生存能力增加了网络性能；3、根据ITU-T制定的SDH标准，能构成统一的网络，允许不同厂家设备共用。•目前，我国99.8％的国家长途线路均采用SDH，已拥有世界上最大的基于SDH的光纤通信网路。•IP业务爆炸性增长（300%）•IP业务的不确定性造成网络资源的不平衡•带宽租用业务正在兴起•宽带接入业务（ADSL等）的发展和宽带新业务新应用，如：HDTV(16M)，战场通信(2.8T)，Telepresence(15T)等。•网络生存性要求消耗大量容量(多30-130%)•带宽换QoS的轻载网新思路需要更大的带宽•通信市场的正弹性定律和竞争的刺激骨干网的容量需求全球通信业务，特别是数据业务急剧增长网络业务量数据年增40%电话年增10%201920002019201920192019年份全球话音和数据业务发展趋势预测用户数速率峰值容量模拟MODEM100万56kb/s56Gb/sADSL100万6Mb/s6Tb/s以太网100万100Mb/s100Tb/sAPON100万155Mb/s155Tb/s接入速率与骨干网容量的关系•未来5-10年内，网上的数据业务将超过话音业务（骨干网约3年，全网最有可能7-8年）•业务总量将大幅度增加（数百倍）•IP业务将最终成为主导的联网协议•未来5年内省际干线网带宽将以100%的速度增长。中国网络业务发展趋势4、光纤通信的支撑技术超宽带、超高速带来新的技术挑战衰减损耗输入信号输出信号时间时间色散脉冲展宽频率非线性新频率光纤中的损耗、色散和非线性及其对光信号传输的影响。在传输损耗方面，主要是打通1.31.55m窗口。使整个低损耗窗口扩展至1.281.625m，共计345nm，即约43THz。若采用0.4nm（即50GHz）的波长间隔进行WDM，能安排800个信道。OH¯吸收峰RSIAUA45THz光放大器(OA)是WDM成功的关键。随着波长数目的增加，宽带OA成为研究重点，具有很大市场。光放大器类型：•掺杂（稀土元素：铒、氟、镨等）光纤放大器,如EDFA•半导体光放大器（SOA）•受激喇曼光纤放大器随着传输速率的提高，色散成了制约光纤通信系统的主要因素之一。例如G.652光纤2.5Gbit/s时，400km10Gbit/s时，25km•色散位移光纤（DSF,G.653）：将零色散波长移至1550，曾认为是长距离传输的理想光纤。但在加载WDM时，发现光纤非线性（四波混频，FWM）引起信道间串扰，致使系统无法工作。•少量的色散有利于FWM的抑制。今后将采用非零色散光纤(NZDF,G.655)。•对已铺设的常规光纤(G.652)，采用色散补偿技术，克服色散的影响。1.9281.931.9321.9341.9361.9381.94x101401234567x10-13w1=1.931e14;w2=1.931e14+1e11;w3=1.931e14+2.6e11;w5=1.931e14+3.4e11;L=50km四波混频模拟结果,光纤长度50公里DWDM光纤传输系统色散补偿OMUXODMUXOA光发送光发送光发送λ１λ２λΝ光接收光接收光接收λ１λ２λΝ正色散光纤负色散、大光斑光纤支撑DWDM的器件与子系统自聚焦透镜（SelfocLens）1个周期（Pitch）折射率分布•光学不变原理：光束的宽度和发散角的乘积为常数。•SelfocLens通过对光束进行扩束，达到准直目的。光纤P/4自聚焦透镜P/4自聚焦透镜光纤单模光纤准直器结构80光纤P/4自聚焦透镜P/4自聚焦透镜光纤单模光纤准直器的应用光波分复用器DEM1234MUX1234•波分复用合波器（WDM）/分波器（WDDM）是将不同波长光信号进行组合/分开的器件，是DWDM系统最基本的无源器件。通过它，光纤的频带资源可以得到充分利用。•WDM的基本功能是将N个不同波长的光信号合在一起，输入至光纤中去；WDDM则是将N个合在一起的不同波长光信号分开。中心波长：符合ITU-T建议，即WDM系统的技术要求L,200,100GHzGHzf=DL,2,1,0,1.193(THz)nfnfn=D=L,6.1,8.0,52.1552nmnmnmnDD=绝对参考e.g.采用EDFA的32波长DWDM系统各信道的频率安排如下：1.192(THz)nfn0.1=L,2,1,0n=,31波分复用器分类：•980/1550、1480/1550泵浦/信号波分复用器（全光纤熔融拉锥型）。•1310/1550波分复用器（全光纤熔融拉锥型）。•1550波段内粗波分复用器（有可能用全光纤熔融拉锥方法实现）。1、粗波分复用器2密集波分复用器DWDM一、干涉滤光膜型波分复用器输入光纤14320(监管信道)干涉滤光膜1—161—1516干涉滤光膜型DWDM的一种工艺方案1—1415二、光栅型波分复用器输入光14321.体光栅型2.光纤光栅型布拉格光栅1—161—151616161—15、161—15、16FBG环形器光纤光栅的应用三、阵列波导光栅型波分复用器(AWG)AWG12341234123412341234123412341234光开关光开关类型1、机械式光开关•移动光纤、套管或自聚焦透镜式电磁驱动、压电陶瓷驱动等•移动反射镜、透射镜式2、磁光、电光效应式光开关3、集成光学光开关•集成光波导光开关（电光、热光）M-Z型光开关•MEMS用DWDM+光开关可构成OADM、OXC等光交换系统本节点信息输入光纤1234DEMMUX输出光纤123411223344RXTX123412341234123412341234动态交叉连接光开关11光隔离器和环行器•Faraday效应：不具有旋光性的材料，在外磁场作用下，使通过它的偏振光的偏振面发生旋转。具有这种效应的材料叫磁光材料。•磁光材料引起的光偏振面旋转方向取决于外加磁场，与光的传播方向无关（非互易）。•这种效应与材料的固有旋光效应不同，在固有旋光效应材料中，旋转方向取决于光的传播方向，与外加磁场无关(互易)。外加磁场外加磁场Fara