用于波分复用的全光纤通信技术

毕业设计（论文）

题目用于波分复用的全光纤通信技术

姓名陈泛

所在学院电子与电气学院

专业班级计算机通信二班

学号 0842007201

指导教师吴丹霞

日期 2012 年 6 月 2 日

摘要

近年来，通信行业发展迅速，大量的通信新业务不断涌现，信息高速公路正在全球范围内以惊人的速度发展建立起来。所有这些应用都对大容量通信提出了越来越高的要求，使得光纤通信技术向着速度高、容量大、可伸缩性好的方向发展。

波分复用(WDM)系统的发展正是适应了这一时代潮流。应用这种技术可以在同一根光纤上传输多路信道，从而使通信容量成倍的扩大。不过，随着掺铒放大器(EDFA)在系统中的大量使用，也会带来一系列相关问题，如：色散、增益失衡、非线性效应等等。在建立一个WDM光纤通信系统的时候，必须很好地解决这些问题。在本文中，将讨论这些WDM 系统的关键技术，并给出一个WDM光纤通信系统的总体设计。主要工作如下：

1．在对国内外WDM系统理论和实验研究进展进行广泛研究的基础上，重点讨论实现WDM 系统的关键技术和如何克服色散、增益失衡和非线性等影响性能的因素。

2．基于国际电联的ITU-T系列参考标准和信息产业部的相关标准，进行32×10 Gbit／s480km的WDM光纤通信系统总体设计和规划。给出系统的详细参数并对系统性能进行相关计算，讨论优化系统的技术和手段。

关键词:WDM 光纤通信传输系统大容量系统

Abstract

Recently communication industry develop very fast,a large new communication services appered,the world is now building Cyber-high way. All these bring the need for larger and larger communication capacity,which stimulate fiber communication system develop towards adaptive,high speed,large capacity data transmission.

Wavelength division multiplexing (WDM) system developed following the trend. The system can greatly increase the transmission capacity by increasing th channels in a single fiber. But multi-wavelength transmission and thd employment of Erbiumdoped Droped Fiber Amplifier (EDFA) will cause a number of new problems,such as chromatic dispersion,gain fluctuation,fluctuation and non-linear effects etc. Ths problems should be solved in building WDM fiber transmission system. In this paper,the key technologeis in WDM system are discussed. The main parts in this project are as follows:

1.Based on the widely studing of references,the development on the theory and experiments of WDM system is reviewed. The degradation of the performance of the system,which is caused by chromatic dispersion,gain fluctuation and fluctuation and non-linear effects in fiber,is analysed and some scenarios are suggested to solve them.

2.Based on the revelant standards of ITU-T and related references,is designed. The general scheme of 32 X 10Gbit/s 480km WDM transmission system are designed for the most systems which fiber are model G.652. The parameters of the system are defined,and the performance is calculated.

Key words: WDM； Optical fiber communication； Transmission system； Large capacity system；

目录

摘要 (i)

Abstract (i)

第一章引言............................................................ - 1 -第二章全光纤OWDM通信系统. (2)

2.1 波分复用技术在光传输系统中的应用 (2)

2.2 系统构成描述 (2)

2.2.1 光纤激光器 (2)

2.2.2 EDFA掺铒光纤放大器 (4)

2.2.3 FBG滤波器 (4)

2.2.4 光检测器 (5)

2. 2. 5 OWDM系统的指标 (6)

2.3 波分复用技术的优点及其特点 (7)

第三章光纤通信技术原理及存在的问题 (8)

第四章光纤通信技术的研究现状与前景 (12)

4.1 波分复用器在光纤通信中的应用 (13)

4.2 光纤技术的发展及应用趋势 (14)

4.3 波分复用未来的发展趋势 (17)

结论 (20)

参考文献 (21)

致谢 (23)

第一章引言

在新一代高速全光通信网的研究中,作为相应的用于传输节点的高速信息传输技术, 光波分复用(OWDM)技术必将得到普遍推广,将成为未来全光高速率、长距离、大容

量光通信系统及宽带综合业务数字网(B-ISDN)的重要基础技术之一。这一点国际上已

有共识。目前已实用化的OWDM系统从总体上看有一个共同点,即它们均是光电器件

与光纤的组合体。这样就势必带来光纤与光电器件的正确衔接和耦合问题。实际上无论多么先进的系统也无法避免这种衔接带来的损耗以及种种不便和不可靠因素,而且这种

通信系统实质上仍属于光电子通信模式。目前传统的以电子技术为基础的信息传输技术的速率提高大大落后于光子技术,其微电子集成电路的极限速率为10 Gbit/s.所以其传

输速率、容量等最终受到通信制式制约。为了克服这一电子瓶颈,急需发展以光子技术

为基础的全光信息通信技术,以有效利用光纤传输系统的固有传输能力。而光纤自身的

潜在带宽容量远超过这一数字,因此应设法挖掘其潜藏的带宽,充分发挥光纤可传输更

高数字速率的优势。基于各种全光纤型器件的实现,将以光纤Bragg光栅(FBG)为基础

的窄带型FBG滤波器、光纤激光器、光纤耦合器、掺铒光纤放大器(EDFA)、光检测器

以及各种高性能的全光纤器件组合到一条传输光纤中,构成具有相关性能的光子组件或

光子系统,即所谓的全光纤(All-fibers)集成[1,2]。可以方便地在一条光纤线路上同时实现对不同波长信道的高速数据的密集OWDM和全光纤复用。

第二章全光纤OWDM通信系统

2.1波分复用技术在光传输系统中的应用

波分复用（WDM）是指在一根光纤中同时传输两个或多个光载波信号。传播的方向可以是同向的，也可以是反向的。根据 ITU-T 的有关协议，规定 1552.52nm波长为基准，信道间隔Δλ =0.8nm，或是 0.8nm 的倍数关系。目前多数的间隔是按照这个方法执行的由于信道间隔不同，目前的波分复用大体上分为三种情况：密集波分复用(DWDM)、粗波分复用(CWDM)和宽波分复用(WWDM)，在频宽 1000GHz 情况下，其波长间隔分别小于 8nm、50nm 和大于 50nm。对光源波长稳定性的要求是±Δλ 5。

一般来说，WDM 系统结构主要由以下五部分组成：光发射机、光中继放大、光接收机、光监控信道和网络管理系统

光发射机是 WDM 系统的核心，根据 ITU-T 的建议和标准，除了对 WDM 系统中发射激光器的中心波长有特殊要求以外，还需要根据 WDM 系统的不同应用来选择有一定容限的发射机。在发送端首先将来自各终端设备输出的光信号，利用光转发器（OTU）把符合ITU-TG.957 建议的非特定波长的光信号转换成具有稳定的特定波长的光信号；利用合波器合成多通路光信号；通过光功率放大器（BA）放大输出多通路光信号。光信号在进行一段距离光纤传输后，需要进行光中继放大，在进行整形后，信号传至接收端。在接收端，信号在经过前置放大器放大后，通过分波器分离成特定波长的光信道，要求接收机不仅要满足对光信号要高度灵敏，还要能承受一定的噪声，要有足够的带宽。光监控信道主要功能是监控系统内各信道的传输情况，在发送端产生光监控信号与光信号合波输出，在接收端将接收到的光信号进行分波，分离出监控信号和光信号。网络管理系统主要通过传输开销实现对 WDM 系统的配置管理、故障管理、性能管理、安全管理等功能，是与光网络传输相关的高层管理系统

2.2系统构成描述

光纤OWDM通信系统将由一系列新型全光纤器件构成。诸如,光纤激光器、EDFA、FBG滤波器及光检测器等。下面,将对该系统所涉及的几种重要的基础性器件作一些概述。

2.2.1光纤激光器

光纤激光器由于掺铒光纤具有增益特性,因此,当用980 nm或1 480 nm的泵浦激光激发时光纤中铒离子就会产生增益放大。只要引用适当的正反馈,激光放大器就会转变为光

纤振荡7器,即光纤激光器。而谐振腔只能反馈某一特定波长的光,具有选频特性。输出单频激光,再经过光隔离器(ISO)就可输出窄线宽、高功率、低噪声的信号激光。该激光器具有以下特点:1)激光介质又是导波介质,耦合效率高,加之纤芯很细,易形成高功率密度,其几何尺寸又具有很高的“表面积/体积”比,故该激光器具有很高的转换效率和很低的激光阈值;2)光纤谐振腔的腔镜可直接制作在光纤截面上,或采用光纤耦合器方式构成谐振腔。加之光纤具有极好的柔绕性。因此光纤激光器可以设计得相当小巧灵活;3)光纤激光器具有良好的光纤兼容性、输出稳定性和单色性。与半导体激光器(LD)相比,它有较高的光输出功率、较低的相对强度噪声(RIN)、极窄的线宽。光纤激光器的单模输出可达到10 mW 以上,其RIN为发射噪声极限。用有效的Er3+∶Yb3+光纤研制出7.6 mW单频激光器,其线宽小于2.5 kHz.显然优于线宽10 MHz的分布反馈(DFB)激光器。OWDM传输系统对光源的首要要求是可调谐性。光纤激光器的优点之一就是连续波长可调。当光栅和封包的光纤两者受力和受热均匀时,没有跳模现象。光纤长几厘米的光纤激光器在所加应变为1%时,其调谐范围（大于10nm小于1~2nm）。

2.2.2 EDFA掺铒光纤放大器

以EDFA为代表的掺铒光纤放大技术的成功,使得光纤通信容量及传输距离剧增。不仅迅速地扩大了光纤传输能力,而且对光发送器、光接收器以及光中继器的高速化具有强大的推动力。目前该器件已步入实用化阶段。EDFA在LD足够大的输出功率抽运下,能够对波长1.55μm窗口的一定带宽范围内提供稳定可靠的增益。因此说所用泵浦源的高功率和长寿命是保证EDFA性能的主要因素。掺铒光纤可以在几个波长上被有效地激励[3,4]。首先突破是采用1 480 nm InGaAsP多层量子阱(MQW)激光源;该波长处的泵浦增益系数较高,而且其波长与现有实用化的InGaAsP激光器相匹配。对980 nm的泵浦源而言,虽然它具有较高的量子转换效率,噪声低,是发展方向。但由于980 nm的LD性能还很不稳定,获得高功率泵浦源的技术比较困难,其长期寿命也是个问题。而且其输出模场的椭圆度较高,耦合入掺铒光纤(EDF)的泵浦能量相对较低。相对而言, 1 480 nm半导体激光管的性能较好,并且它和单模光纤的耦合效率也可达到65%以上。所以目前泵浦源多选用1 480 nm的MQW In-GaAsP激光器,其输出功率可达100 mW.当然泵浦功率也不宜过大,主要受限于光纤的布里渊散射。EDFA高效率、高增益、低噪声、宽频带、与偏振状态无关,易与传输光纤连接,连接损耗小。且光放大性能与调制方式以及传输速率无关。由此可构成各种速率的OWDM 传输系统,应用灵活。在光纤传输线路中间隔一定距离设置光纤放大器,以替代传统的再生中继的光/电和电/光转换,使线路成为全光传输系统。通常为扩展通信距离,必须以适当的方式补偿光纤传输的损耗,即在线路中插入必要的中继系统(均采用光-电-光转换形式的中继器),即相当于插入一对光端机。这种中继器的缺点是显而易见的,复杂、使用EDFA作为中继器则从根本上解决了这些问题。可使光纤线路中继距离从现在的30~50 km扩大到80~120 km.同时由于整条线路是全光传输,整个线路的中间不需要任何光/电和电/光转换,省去了电信号的处理和放大,大大简化了系统装置,减少了器件,提高了系统的可靠性。且同一EDFA可以对1.55μm窗口很宽的频带内的各种不同波长信号提供同样的增益。即多路光载波只需同一EDFA,非常经济。

2.2.3 FBG滤波器

在同一条光纤中复用和解复用多个频域排列紧密的波长信道,将极大地增加光通信的容量。实际上OWDM技术的关键之一是选用高性能的光波分复用器。基于全光纤通信构思,将新型全光纤器件FBG滤波器用于OWDM系统设计,以替代传统OWDM器件,更具先进性。目前通常使用的OWDM器件可分为利用熔融拉锥技术制备的光纤型波分复用器;采用多层介质薄膜的干涉滤波器型波分复用器;利用闪耀光栅的分光原理制备的光栅型波分复用器以及导波干涉型波分复用器等。干涉滤波器复用器的复用度较低,且只有采取特殊措施时才可能复用同一光纤传输窗口的信号;而光栅型波分复用器复用度虽高,但技术复杂。FBG具有

确定的中心反射波长。其最大中心反射率可高可低,最高可接近100%.FBG的反射带宽(FWHM)有大的制造调节范围。目前制造技术可达到0.028~40 nm,FBG对于光传播的附加损耗很小,约1 dB以下。由于FBG具有很好的选频作用,故这一器件在频域中呈现出丰富多彩的传输特性,能研制出性能优异的光纤带通滤波器以及各种全光纤集成器件。由于FBG的纤芯中的周期性折射率变化所产生的Bragg反射特性,使FBG实质是一种波长选择分布反射型带阻滤波器。利用FBG反射Bragg共振波长附近的光,将其与-3 dB光纤环路器相组合，既可得到在OWDM系统中具有重要作用的功能性器件FBG滤波器。

近年来,一些发达国家已投入相当的人力、物力,开展FBG及全光纤器件与集成系统的研究。美国AT&T的研究工作起步较早。1989年Meltz等人首次利用紫外光写入法研制成功FBG滤波器[6]。Chevnikov S V[7]也报道了用单个准分子激光器制作近100%反射率、FWHM为0.05 nm的FBG滤波器。其制作工艺简单,重复性好,可以灵活写入任何波长。日本NTT研制的FBG已生产出实用型产品。中心波长500~1 600 nm,反射率为0.01%~99%, FWFM 为0.1~20 nm[8]。国内的研制工作正加紧进行,其制备工艺日趋成熟。中科院上海光机所研制的FBG滤波器中心波长1 530.4 nm,带宽1 nm,信道隔离度15.5 dB,传输损耗低于0.7 dB(见赵浩,丁浩,刘斌等.光纤光折变光栅型光通信滤波器.深圳:深圳大学,全国光电子学年会论文集, 1996, 179)。中科院半导体研究所国家光电子中心与北方交通大学光波所合作开展研究,初步结果3 dB带宽0.4 nm,中心波长1 559.4 nm,反射率98.5%(见葛璜,安贵仁,任泽英等.紫外写入光纤布拉格光栅的实验研究.深圳:深圳大学,全国光电子学年会论文集, 1996, 172)

2.2.4 光检测器

将光信号转换成电信号的直接检测器件常用雪崩型光电二极管(APD)和PIN-PD.前者有倍增特性,接收灵敏度高,但结构较复杂,且由于带宽和噪声等问题难以提高速率。因此,为了现高速检测,需要研究新型的APD.这要从减小结电容,降低雪崩上升时间以及改进结构、材料方面入手。已有报道,采用超晶格薄模结构制作出10 Gbit/s光通信用APD,能无中继传输100 km.

PIN-PD结构简单,容易加宽频带。因无倍增作用,接收灵敏度低。近年来,由于EDFA的日趋实用化,PIN-PD与EDFA组合在一起,构成具有光前置放大器的直接检测光接收回路,很适合高速解调,应是该系统最佳的选择方案。其中EDFA承担接收回路的预放功能,减轻了接收电路的负担。而高灵敏度地接收高速光信号的前提是采用低噪声的ED-FA.

2.2.5 OWDM系统的指标

OWDM系统的性能指标主要有信道宽度、插入损耗和信道隔离度。信道宽度是指分配给某一特定光源的波长范围。由于实际光波长与标称波长有偏差,环境温度变化会引起激光器波长的变化,激光器本身也有线宽。在满足复用信道数量的前提下,光源的信道宽度应足够宽,即相邻光源之间的波长间隔应足够大,才能避免不同信道发射源之间的串扰。插入损耗是指由于FBG滤波器的引入而导致的功率损耗。包括FBG滤波器自身的固有损耗以及FBG 滤波器与光纤的连接损耗。FBG滤波器的固有损耗主要来自于光纤环路器和FBG的插入损耗。通常采用比较法测量。接入FBG滤波器时,测出器件输出端的输出功率P1,然后再用一段与器件等长度的传输光纤代替该器件。在相同的测试条件下,测出其输出功率P2.则其插入损耗

LI=- 10 lg(P2/P1)

FBG滤波器型OWDM插入损耗较低,通常在1 dB以下。信道隔离度I是指由一个信道耦合到另一个信道中信号的大小,它客观地反映了OWDM器件对波长的选择能力,即某一光路对其他光路中的光信号的隔离程度。这是系统最重要的性能指标。隔离度越高,耦合过去的信号越小,也即意味着信道之间的串扰越小。原则上隔离度大一些好,但具体允许值随用途的不同而定。通常在发射端,经选频光纤激光器的输出线宽较窄,只要相邻光源波长间隔足够大,就不会有很大的光功率发射到指定信道的光谱宽度之外。因此,对于信道间隔离度要求不太高。而在接收端,由于光检测器的灵敏度在很宽光谱范围内都很高,因而,信道隔离度不够好时,较少一点泄露信号都会影响光检测器的接收灵敏度。因此,对接收端FBG滤波器隔离度要求较高。影响隔离度的主要因素有不理想的滤波特性、光源间光谱的重叠、杂散光以及高功率应用下的光纤非线性等。对于具有有效的带通和通道插入功能的FBG滤波器来说,由于光纤环路器输入端口到输出端口的隔离度足够大,所以信道隔离度主要由FBG反射谱中对非Bragg波长的反射决定。这种反射谱越大,信道隔离度越小。因此,有必要提高FBG滤波器的尖锐滤波特性,即波长选择能力,以减小串扰。通常用变迹法抑制反射光谱旁瓣,改善其反射特性。使用窄带型FBG滤波器也可进一步抑制频带外的信号,从而减少散粒噪声。通常系统最大串扰耦合产生于相邻的信道。如图1所示,对波长λ2的信道,相邻信道波长为λ1和λ 3.在发送端仅输入信道波长λn的信号光,经复用和解复用后,在接收端测出第n路和第n-1路信道的出纤功率分别为P(n)λn(信号功率)和P(n-1)λn(串扰功率)。

则对波长λn的信道隔离度

Iλn=- 10 lg[P(n-1)λn/P(n)λn]

若最大串扰不是来自相邻信道,则此时应测量该信道和某一对该信道产生最大串扰耦合的信道隔离度作为其测量结果。

2.3波分复用技术的优点及其特点

W DM技术之所以在近几年得到迅猛发展是因为它具有下述优点：

（1）充分挖掘光纤的巨大带宽资源。光线具有巨大的带宽资源（低损耗波段），WDM 技术使一根光纤的传输容量比但波长传输增加几倍至几十倍甚至几百倍，从而增加了光纤的传输容量，降低了通信成本，具有很大的应用价值

和经济价值。

（2）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，完成各种电信业务信号和综合传输，如 PDH 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线，另外，对已经建成的光纤通信系统扩容方便，只要原系统的功率余量较大，就可以进一步增容而不必对原系统作大的改动。

（4）降低器件的超高速要求随着传输速率的不断提高，许多光电器件的响应速度已明显不足，使用WDM 技术可降低对一些器件在性能上的极高要求，同时又可实现大容量传输。

（5）高度的组网灵活性、经济性和可靠性WDM 技术有很多应用形式，如长途干线网、广播分配网、多路多址局域网。可以利用 WDM 技术选择路由，实现网络交换和故障恢复，从而实现未来的透明、灵活、经济且具有高度生存性的光网络。2、WDM 的现有水平和国内应用现状WDM 技术的发展与成熟是推动全光通信网络发展的最重要因素，正是由于几十个甚至上百个波长可以在一根光纤里面同时传输，基于波长的光交换变成了现实，传统的电交换体制才终于失去了统治地位。也正是由于波分复用技术，不同体制的信号如语音、文字、图形、视频等才有可能在一起传输。在国内，WDM 技术的演技和开发也很活跃，进展也十分迅速。武汉邮电科学研究院、北京大学、清华大学、邮电部无所机构先后进行了传输实验或建设试验工程。例如武汉邮电科学研究所在1997 年 10 月成功进行了 16（2.5Gbit/s ）600KM 单向传输系统的实验。并且容量为 40（10Gbit/s）的 WDM系统也进行了传输实验，更高技术水平的 WDM系统正在实验当中。国内 WDM 技术仍处于快速发展的阶段，许多厂商的 16、32 通路的 WDM 系统已投入商用。目前数百吉比特每秒的WDM 系统已近在网络中实际运行，2004年 4 月 19 日，武汉邮电科学研究所承担的国家 863 重大项目 32×10Gbit/s SDH 波分复用系统在广西南宁通过了国家验收。该项目是国家863 计划的项目的重中之重，系统在 STM-64 上现带内前向纠错（FEC）功能，提供 4个SDH10Gbit/s 终端复用器设备，2 个32×10Gbit/s WDM 中继机及 1 个网元管理系统，把系统应用到实际工程

第三章光纤通信技术原理存在的问题

光纤通信的原理是：在发送端首先要把传送的信息(如话音)变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息．

光纤通信是现代通信网的主要传输手段，它的发展历史只有一二十年，已经历三代：短波长多模光纤、长波长多模光纤和长波长单模光纤．采用光纤通信是通信史上的重大变革，美、日、英、法等20多个国家已宣布不再建设电缆通信线路，而致力于发展光纤通信．中国光纤通信已进入实用阶段．

光纤通信的诞生和发展是电信史上的一次重要革命与卫星通信、移动通信并列为20

世纪90年代的技术。进入21世纪后，由于因特网业务的迅速发展和音频、视频、数据、多媒体应用的增长，对大容量（超高速和超长距离）光波传输系统和网络有了更为迫切的需求。

光纤通信就是利用光波作为载波来传送信息，而以光纤作为传输介质实现信息传输，达到通信目的的一种最新通信技术。

通信的发展过程是以不断提高载波频率来扩大通信容量的过程，光频作为载频已达通信载波的上限，因为光是一种频率极高的电磁波，因此用光作为载波进行通信容量极大，是过去通信方式的千百倍，具有极大的吸引力，光通信是人们早就追求的目标，也是通信发展的必然方向。

光纤通信与以往的电气通信相比，主要区别在于有很多优点：它传输频带宽、通信容量大；传输损耗低、中继距离长；线径细、重量轻，原料为石英，节省金属材料，有利于资源合理使用；绝缘、抗电磁干扰性能强；还具有抗腐蚀能力强、抗辐射能力强、可绕性好、无电火花、泄露小、保密性强等优点，可在特殊环境或军事上使用。

光纤通信的应用领域是很广泛的，主要用于市话中继线，光纤通信的优点在这里可以充分发挥，逐步取代电缆，得到广泛应用。还用于长途干线通信过去主要靠电缆、微波、卫星通信，现以逐步使用光纤通信并形成了占全球优势的比特传输方法；用于全球通信网、各国的公共电信网（如我国的国家一级干线、各省二级干线和县以下的支线）；它还用于高质量彩色的电视传输、工业生产现场监视和调度、交通监视控制指挥、城镇有线电视网、共用天线（CATV）系统，用于光纤局域网和其他如在飞机内、飞船内、舰艇内、矿井下、电力部门、军事及有腐蚀和有辐射等中使用。

光纤传输系统主要由：光发送机、光接收机、光缆传输线路、光中继器和各种无源光器件构成。要实现通信，基带信号还必须经过电端机对信号进行处理后送到光纤传输系统完成通信过程。

它适合于光纤模拟通信系统中，而且也适用于光纤数字通信系统和数据通信系统。在光纤模拟通信系统中，电信号处理是指对基带信号进行放大、预调制等处理，而电信号反

处理则是发端处理的逆过程，即解调、放大等处理。在光纤数字通信系统中，电信号处理是指对基带信号进行放大、取样、量化，即脉冲编码调制（PCM ）和线路码型编码处理等，而电信号反处理也是发端的逆过程。对数据光纤通信，电信号处理主要包括对信号进行放大，和数字通信系统不同的是它不需要码型变换。

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网具有易于重构、良好的扩展性等巨大优势，已成为未来高速传输网的发展方向，但在真正实现之前，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WDM系统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，由于WDM系统可以在光通道上支持不同类型的业务信号，一旦WDM系统发生故障，操作系统应能及时发现故障，并找出故障原因。但到目前为止，相关的运行维护软件仍不成熟；在性能管理方面，WDM系统使用模拟方式复用及放大光信号，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数来准确衡量网络向用户提供的服务质量等。如果这些问题不及时解决，将阻碍WDM系发

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，特别是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系统间的互操作性以及WDM系统与传统系统间互连、互通，因此应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，如可调谐激光器等。对于一些大的运营公司来说，在网络中处理几个不同的激光器就已经非常棘手了，更不用说几十路光信号了。通常光网络中需要采用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。

任何一种技术体系都必须不断的发展,来满足用户不断的需求,光纤通信技术也不例外。有人认为:光纤通信的传输能力已经达到10Tbps,几乎用不完,而且现在大干线已经建设得差不多,埋地的剩余光纤还很多,光纤通信技术不需要更多的发展,但我认为它还具有很大的发展空间,会有很大的需求和市场。主要体现在:单纤双向传输技术、光纤到户(FTTH)接入技术、骨干节点的光交换技术和研发集成光电子器件等方面。

1单纤双向传输技术

单纤双向传输技术是相对于双纤双向传输来讲的,双纤传输时,收发信号分别在不同的两根光纤里传输,而单纤传输时,收发信号被调制在不同的波段后在同一根光纤里传输。以

前为了节约光纤资源,我们不断在光纤传输容量上下工夫,从PDH的8M、34M、140M到SDH 的155M、622M、2.5G、10G再到WDM的320G、1600G等，光纤的传输容量不断增大，从理论上讲光纤的传输容量是无限的，但受到设备器件的限制，传输容量大大降低，达不到理论效果。

目前光纤通信传送网都是通过双纤双向传输的，假如改用单纤双向传输技术就可以节约一半的光纤资源。对于现存的无数个庞大的光纤通信传送网来说，可以节约的光纤资源是可像而知的。研发出成熟单纤双向传输技术具有划时代意义。目前单纤双向传输技术已有实用，但主要用在光纤末端-----接入设备:PON无源光网络单纤光收发器等设备，骨干传送网上暂时还没有用到这个技术。从这个方面来讲，这也是光纤通信技术发展的一个方向。

2 光纤到户（FTTH）接入技术

根据社会发展形势，HDTV高清数字电视是将来的主流业务，怎么实现，就要靠带宽丰富的FTTH技术。FTTH是一种全透明全光纤的光接入王，适用于引进新业务，对传输制式，带宽和波长等基本上没有限制，并且ONU安装在用户处，供电维护升级更新都比较方便。可以认为HDTV是FTTH的主要推动力，即HDTV业务到来时，非FTTH不可。而且在FTTH

建成后可以逐步实现三网合一，即宽带上网接入，有线电视接入和传统固定电话接入。

3 骨干节点的光交换技术

光交换实际上可表示为：光纤通信传输+J交换。光纤只是解决传输问题，还需要解决光信号交换问题。现在正在开发大容量的光开关器件，用来实现光交换网络，具有代表性的是ASON————自动交换网络。

目前，少通道大容量的光交换已有实用。如用于保护，下路和小量通路调度等，一般采用机械光开关，热光开关来实现，通路数一般在8-16个。

采用光空分和光波分可构成非常灵活的光交换网。技术成熟的自动交换的光网络ASON，是光纤通信技术进一步发展的方向。

4 研发集成光电子器件

近几年，集成光电子器件有比较大的改进，我国的集成光电子器件也有一定进展。集成的小通道光开关和属于PLO技术的AWG有所突破。但与发达国家尚有较大差距。如果我

们不迎头赶上，就会重复如同微电子落后的被动局面。要实现单纤双向传输也好，FTTH也好，ASON也好，都需要有新的，体积小的，廉价的，集成化的光电子器件来支撑，集成光器件的研发成为光纤通信技术发展必不可少的环节。

第四章光纤通信技术的研究现状与前景

光纤通信自从问世以来，给整个通信领域带来了一场革命，它使高速率、大容量的通信成为可能。光纤通信由于具有损耗低、传输频带宽容量大、体积小、重量轻、抗电磁干扰、不易串音等优点而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年间增加了近一万倍，传输速度在过去的10年中大约提高了100倍。目前，我国长途传输网的光纤化比例已超过80%，预计到2010午，全国光缆建设长度将再增加约105km，并且将有11个大城市铺设10G以上的大容量光纤通信网络。

一、光纤通信技术的现状

光纤通信的发展依赖于光纤通信技术的进步。目前，光纤通信技术已有了长足的发展，新技术也不断涌现，进而大幅度提高了通信能力，并不断扩大了光纤通信的应用范围。

1.波分复用技术

波分复用WDM（Wavelength Division Multiplexing）技术可以充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源。根据每一信道光波的频率（或波长）不同，将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，把光波作为信号的载波，在发送端采用波分复用器（合波器），将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输。在接收端，再由一波分复用器（分波器）将这些不同波长承载不同信号的光载波分开。由于不同波长的光载波信号可以看作互相独立（不考虑光纤非线性时），从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。自从上个世纪末，波分复用技术出现以来，由于它能极大地提高光纤传输系统的传输容量，迅速得到了广泛的应用。

1995年以来，为了解决超大容量、超高速率和超长中继距离传输问题，密集波分复用DWDM（Dens Wavelength Division Multiplexing）技术成为国际上的主要研究对象。DWDM 光纤通信系统极大地增加了每对光纤的传输容量，经济有效地解决了通信网的瓶颈问题。据统计，截止到2002年，商用的DWDM系统传输容量已达400Gbit/s。以10Gbit/s为基础的DWDM系统已逐渐成为核心网的主流。DWDM系统除了波长数和传输容量不断增加外，光传输距离也从600km左右大幅度扩展到2000km以上。

与此同时，随着波分复用技术从长途网向城域网扩展，粗波分复用CWDM（Coarse Wavelength Division Multiplexing）技术应运而生。CWDM的信道间隔一般为20nm，通

过降低对波长的窗口要求而实现全波长范围内（1260nm～1620nm）的波分复用，并大大降低光器件的成本，可实现在0km～80km内较高的性能价格比，因而受到运营商的欢迎。

2.光纤接入技术

光纤接入网是信息高速公路的“最后一公里”。实现信息传输的高速化，满足大众的需求，不仅要有宽带的主干传输网络，用户接入部分更是关键，光纤接入网是高速信息流进千家万户的关键技术。在光纤宽带接入中，由于光纤到达位置的不同，有FTTB、FTTC、FTTCab 和FTTH等不同的应用，统称FTTx。

FTTH（光纤到户）是光纤宽带接入的最终方式，它提供全光的接入，因此，可以充分利用光纤的宽带特性，为用户提供所需要的不受限制的带宽，充分满足宽带接入的需求。我国从2003年起，在“863”项目的推动下，开始了FTTH的应用和推广工作。迄今已经在30多个城市建立了试验网和试商用网，包括居民用户、企业用户、网吧等多种应用类型，也包括运营商主导、驻地网运营商主导、企业主导、房地产开发商主导和政府主导等多种模式，发展势头良好。不少城市制订了FTTH的技术标准和建设标准，有的城市还制订了相应的优惠政策，这些都为FTTH在我国的发展创造了良好的条件。

在FTTH应用中，主要采用两种技术，即点到点的P2P技术和点到多点的xPON技术，亦可称为光纤有源接入技术和光纤无源接入技术。P2P技术主要采用通常所说的MC（媒介转换器）实现用户和局端的直接连接，它可以为用户提供高带宽的接入。目前，国内的技术可以为用户提供FE或GE的带宽，对大中型企业用户来说，是比较理想的接入方式。

xPON意味着包括多种PON的技术，例如APON（也称为BPON）、EPON（具有GE能力的称为GEPON）以及GPON。APON出现最早，我国的“863”项目也成功研发出了APON，但由于诸多原因，APON在我国基本上没有应用。目前用得比较多的是EPON中的GEPON，我国的GEPON依然属于“863”计划的成果，而且得到广泛的应用，还出口到日本、独联体、欧洲、东南亚等海外一些国家和地区。GPON由于芯片开发出来比较晚，相对不是很成熟。成本还偏高，所以，起步较晚，但在我国已经开始有所应用。由于其效率高、提供TDM业务比较方便，有较好的QoS保证，所以，很有发展前景。EPON和GPON各有优缺点，EPON更适合于居民用户的需求，而GPON更适合于企业用户的接入。

4.1 波分复用器在光纤通信中的应用

光纤通信系统由光发送机、光接收机及波分复用器三部分组成.波分复用器是光纤通信系统中的关键器件,如果没有使用WDM器件,系统将要多投人n一1根光纤,如果光纤通信的形式是由多个用户协同工作,那么使用WDM技术的优势会更加突出·WDM技术的主要技术

优势是:

(1)WDM技术使单根光纤的传输容量比用单波长传输时的容量呈几倍至几十倍的增长,可使现有光纤的带宽资源得到更好的利用·

(2)在长途干线传输中采用WDM技术能节约大量光纤,使信息传输成本大大降低·增大传输容量有两种可行方案:敷设更多的光纤,在已有的光纤上加装WDM·系统工程应用中具体采用何种方案要视成本而定·在长途干线传输中由于线路距离很长,增设光纤的费用会非常大,而收发两端整套WDM系统的成本并不因传输距离的长短而变化·另一方面,传输距离越长,中继站数越多,多根光纤与单根光纤相比则需要成倍增加多个EDFA放大器,从而使放大器的总成本增加·因此,在长途干线传输中应用WDM系统是非常合算的,但在短距离线路中则应分析比较增设光纤所需的成本和WDM系统的成本再做出合理的选择·

(3)波分复用具有很好的透明性·由于不同波长信道彼此是独立的,因而WDM技术使不同种类的信号(如数字信号模拟信号、PDH信号、SDH信号等)能在同一光纤上同时传输,使多媒体信号(如音频视频数据文字图像等)混合传输得以实现·

(4)WDM系统以波长路由方式代替传统的电子信号路由方式,以解复用器(如光栅)代替光电转换交换器件,消除了转发延迟,大大缓解了传统交换节点上的电子瓶颈问题,并增加传输系统的透明性·

(5)可实现单根光纤双向传输·由于许多通信(如打电话)都采用全双工方式,因此可节省大量的线路投资·

(6)WDM技术具有良好的扩容性,在现有的光纤线路上通过增加波长信道即可引入任意想要的新业务或新容量,不必对原系统作大的改动·

(7)随着传输速率的不断提高,许多光电器件的响应速度已显不足,WDM技术采用增加波长信道的方法,在确保足够大的传输容量需求前提下,又使单个波长信道的传输速率不至于太高,从而大大降低了对光电器件性能的极高要求·

(8)传输设备简化WDM·系统采用光放大器代替原来的光/电/光再生器,简化了设备,降低了传输成本·WDM系统的基本配置为集成式收/发机(Rx/Tx)、光分插复用器(OADM)、光交叉连接器(OXC)和光放大器(OA)·

(9)WDM技术为将来开发透明的自愈能力很强的全光网打下了坚实的基础

4.2光纤技术的发展及应用趋势

随着密集波分复用(DWDM)技术、光纤放大技术，包括掺铒光纤放大器(EDFA)、激光喇曼光放大器(SRA)、半导体放大器(SOA)和光时分复用(OTDM)技术的发展和广泛应用，光纤通信技术不断向着更高速率、更大容量的通信系统发展，而先进的光纤制造技术既能保持稳定、可靠的传输以及足够的富余度，又能满足光通信对大宽带的需求，并减少非线性损伤。

G.652常规单模光纤在需要支持更大容量更长距离和更宽频谱范围的传输系统中，以往并不突出的色散与非线l生效应等问题变得重要起来，其性能已难以满足这些要求。

光纤技术的进步可以从两个方面来说明：一是通信系统所用的光纤；二是特种光纤。早期光纤的传输窗口只有3个，即850nm(第一窗口)、1310nm(第二窗口)以及l550nm(第三窗口)。近几年相继开发出第四窗口(L波段)、第五窗口(全波光纤)以及S波段窗口。其中特别重要的是无“水峰”的全波窗口。这些窗口开发成功的巨大意义就在于从l280nm

到1625nm的广阔的光频范围内，都能实现低损耗、低色散传输，使传输容量几十倍、几百倍上千倍的增长。随着电信业务的不断更新与发展一些具有各自特点的光纤正受到运营商的亲睐。

1 多模光纤

多模光纤可用于850nm或1310nm波长的系统中。多模光纤衰耗较大，由于存在模间色散，传输带宽受限，故适用于较短距离传输，但多模光纤数值孔径(NA)值大(约为单模光纤的2～3倍)故连接耦合效率高。多模光纤大的有效通光面积允许大功率光信号传输与分配，而不会出现非线性。

近年来，高速以太网的快速发展，使得多模光纤的应用增速很快，这主要是因为世界光纤通信技术将逐步转向纵深发展，并行光互联元件的实用化也大大推动短程多模光缆市场的快速增长，从而使多模光纤的市场份额持续上升。多模光纤在数据链路、城域网以及用户分配网中具有广阔的应用前景。通信技术的不断进步，将进一步促进多模光纤的发展。

2 非零色散位移光纤(G.655光纤)

在理想状态下，整个波长应用区域中光纤的色散应为一个恒定值。然而所有光纤的色散均随波长的改变而改变，此变化的大小可由其色散斜率来量化，斜率越小，色散随波长变化的幅度越小。

非零色散位移光纤(G.655光纤)是针对G.652和G.653两种光纤在密集波分复用系统中使用存在的问题而开发出来的，其在1550nm窗口同时具备最小衰耗与较小的色散值。保持一定的光纤色散值可以有效克服DWDM系统中的四波混频现象，从而实现多波长密集复用。G.655光纤主要适用于高速率的密集波分系统，随着大容量传输系统的建设，G.655光纤将得到更广泛的应用。

3 全波光纤

随着人们对光纤带宽需求不断扩大，通信业界一直在努力探求消除“水吸收峰”的途径。全波光纤(All—Wave Fiber)的生产制造技术，从本质上来说，就是通过尽可能地消除0H离子的“水吸收峰”的一项专门的生产工艺技术，它使普通标准单模光纤在1385nm 附近处的衰减峰，降到足够低的程度。它消除了光纤玻璃中的0H离子，从而使光纤损耗完全由玻璃的特性所控制，“水吸收峰”基本上被“压平了，从而使光纤在1280～1625nm 的全部波长范围内部可以用于光通信，拓展了未来光波复片j的工作波长范围。

全波光纤与传统的单模光纤相比具有一下特征：

(1)在1400nm波段衰减降低200％。

(2)可使用的波长范围增加50％(从200nm增大到300nm)。

ITU-T将“全波光纤”定义为G.652c类光纤，丰要适用于ITU—T的G.957规定的SDH 传输系统和G.691规定的带光放大的单通道SDH传输系统。全波光纤在城域网建设中将会大有作为，从网络运营商的角度来考虑，有了全波光纤，就可以采用粗波分复用技术，取其信道间隔为20nm左右，这时仍可为网络提供较大的带宽，而与此同时，对滤波器和激光器性能要求却大为降低，这就大大降低了网络运营商的建设成本。全波光纤的出现使多种光通信业务有了更大的灵活性，由于有很宽的波带可供通信用，我们就可将全波光纤的波带划分成不同通信业务段而分别使用。可以预见，未来中小城市城域网的建设，将会大量采用这种全波光纤。

人类追求高速、宽带通信网络的欲望是永无止境的，在目前带宽需求成指数增长的情况下，全波光纤正越来越受到业界的关注，它的诸多优点已被通信业界广泛接受。

4 聚合物光纤

目前通信的主干线已实现了以石英光纤为基质的通信，但是，在接入刚和光纤人户(FTTH)工程中，石英光纤却遇到了较大的困难。由于石英光纤的纤芯很细(6～10nm)，光纤的耦合和互按都面临技术困难，因为需要高精度的对准技术，因此对于距离短、接点多的接入网用户是一个难题。而聚合物光纤(POF，Polymer Optical Fiber)由于其芯径大(0.2～1.5nm)，故可以使用廉价而又简单的注塑连接器，并且其韧性和可挠性均较好，数值孔径大，可以使用廉价的激光源，在可见光区有低损耗的窗口。

聚合物光纤分为多模阶跃型SI POF和多模渐变型G1—POF两大类，由于SI POF存在严重的模式色散，传输带宽与对绞铜线相似，限制在5MHz以内，即便在很短的通信距离内也不能满足FDDl、SDH、B-ISDN的通信标准要求，而Gl—POF纤芯的折射率分布呈抛物线，模式色散大大降低，信号传输的带宽在100m内可达2．5Gbit／s以上。因此，聚合物光纤是目前FTTH工程中最有希望的传输介质，有可能成为接入网，局域网等的理想传输介质。

5 光予晶体光纤

对石英光纤来说，光子晶体光纤(PCF，Photonic Crystal Fiber)的结构特点是在其中间沿轴向均匀排列空气孔，这样从光纤端面看，就存在一个二维周期性的结构，如果其中一个孔遭到破坏和缺失，则会出现缺陷，利用这个缺陷，光就能够在其中传播。PCF与普通单模光纤不同，由于它是由周期性排列空气孔的单一石英材料构成，所以有中空光纤或微结构光纤之称。PCF具有特殊的色散和非线性特性，在光通信领域将会有广泛的应用。

PCF引人注目的一个特点是，结构合理，具备在所有波长上都支持单模传输的能力，即所谓的“无休止单模”特性，这个特性已经有了很好的理论解释。这需要满足空气孔足