【正文】 實現(xiàn)傳輸以外的許多重要功能，完成端到端的光傳輸、交換和 處理 等，這就形成了全光通信發(fā)展的第二階段，將是更完整的全光通信?，F(xiàn)在采用光傳輸技術(shù)是歷史的螺旋上升，光網(wǎng)絡(luò)是下一步必然的發(fā)展對象 （ 2）降低成本。在目前的光纖系統(tǒng)中，影響系統(tǒng)容量提高的關(guān)鍵因素是電子器件速率的限制，如電子交換速率大概為每秒幾百兆位，而只在大規(guī)模圖像傳輸研究領(lǐng)域達 Tbit／ s 的速率。半導(dǎo)體放大器的優(yōu)點是體積小 ，容易與其他半導(dǎo)體器件集成；缺點是性能與光偏振方向有關(guān)，器件與光纖的耦合損耗大。 摻鉺光纖放大器 20 世紀(jì) 80 年代末期，波長為 μm 的摻鉺 (Er)光纖放大器 (EDFA： Erbium Doped Fiber Amplifier)研制成功并投入實用，把光纖通信技術(shù)水平推向一個新 高度，成為光纖通信發(fā)展史上一個重要的里程碑。 8 （ 3）如果 輸入的信號光的光子能量等于能級 2 和能級 1的能量差，則處于能級 2 的Er3+將躍遷到基態(tài) (2→1) ，產(chǎn)生受激輻射光，因而信號光得到放大。 圖 (a)示出輸出信號光功率和輸入泵浦光功率的關(guān)系， 由圖可見，泵浦光功率轉(zhuǎn)換為信號光功率的效率很高，達到 %。 （ 3）摻珥光纖：長約 10~100m， Er 3+濃度約為 25mg/kg。 （ 1）對泵浦光源的基本要求是大功率和長壽命。熔拉雙錐光纖耦合器型和干涉濾波型波分復(fù)用器最適用。摻鉺光纖越長，飽和度越深。 (3) 噪聲指數(shù)小，一 般為 4～ 7 dB。已經(jīng)介紹過的副載波 CATV 系統(tǒng)， WDM 或 OFDM 系統(tǒng)，相干光系統(tǒng)以及光孤子通信系統(tǒng)，都應(yīng)用了 EDFA，并大幅度增加了傳輸距離。 （ 3）后置放大器（ BA）。而相對于摻鉺光纖放大器，光纖拉曼放大器具有更大的增益帶寬、靈活的增益譜區(qū)、溫度穩(wěn)定性好以及放大器自發(fā)輻射噪聲低等優(yōu)點，光纖拉曼放大器是唯一能在 1292～ 1660nm 的光譜上進行放大的器件。 光纖拉曼放大器的工作原理是基于石英光纖中的受激拉曼散射效應(yīng)，在形式上表現(xiàn)為處于泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)的弱信號與強泵浦光波同時在光纖中傳輸，從而使弱信號光即得到放大。 拉曼光纖放大器相對于摻鉺光纖放大器有明顯不 同： （ 1）理論上只要有合適的拉曼泵浦源，就可以對光纖窗口內(nèi)任一波長的信號進行放大，因此它具有很寬的增益譜； （ 2）可以利用傳輸光纖本身作增益介質(zhì)，此特點使光纖拉曼放大器可以對光信號的放大構(gòu)成分布式放大，實現(xiàn)長距離的無中繼傳輸和遠程泵浦，尤其適用于海底光纜通訊等不方便建立中繼站的場合； （ 3）可以通過調(diào)整各個泵浦的功率來動態(tài)調(diào)整信號增益平坦度； （ 4）具有較低的等效噪聲指數(shù)，此特點使其與常規(guī)的摻鉺光纖放大器混合使用時可大大降低系統(tǒng)噪聲指數(shù)。分布式拉曼放大器傳輸光纖本身就是增益介質(zhì)，信號在光纖中傳輸?shù)耐瑫r得到放大，使得拉曼放大器的等效噪聲指數(shù)為負。采用碲基光纖，其拉曼增益系數(shù) 比石英光纖高 16倍，峰值達到 55W/km。其增益譜線由于疊加在 1535（ EDFA 產(chǎn)生）、 1560（疊加產(chǎn)生）和 1600nm（拉曼放大產(chǎn)生）附近出現(xiàn) 3 個增益峰值，大小為 ~2dB 而在 1540 和 1560 附近出現(xiàn)兩個 0dB 左右的谷底。針對目前傳輸線路上鋪設(shè)的 G652 單模光纖所存在的色散較大的問題，可以將 DCF 光纖作為 G652 光纖的色散補償和色散斜率補償部分，組成補償型 FRA。 15 第三章 光復(fù)用技術(shù) 光纖 最重要的一個特點是容量大，可以傳送高速率的數(shù)字信號。 波分復(fù)用技術(shù)（ WDM） 隨著全球互聯(lián) 網(wǎng)（ Inter）的迅猛發(fā)展，以因特網(wǎng)技術(shù)為主導(dǎo)的數(shù)據(jù)通信在通信業(yè)務(wù)總量中的比列迅速上升，因特網(wǎng)業(yè)務(wù)已成 為多媒體通信業(yè)中發(fā)展最為迅速、競爭最為激烈的領(lǐng)域。 面對市場需求的增長，現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力的不足的問題，需要從多種可供選擇的方案中找出低成本的解決方法。第三種方案是波分復(fù)用（ WDM）技術(shù) 。人們在一種技術(shù)進行迅速的時候很少去關(guān)注另外的技術(shù)。 通信系統(tǒng)的設(shè)計不同，每個波長之間的間隔寬度也有不同。冷卻激光采用溫度調(diào)諧，非冷卻激光采用電子調(diào)諧。在鏈路的接收端，利用解復(fù)用器將分解后的波長分別送到不同的光纖，接到不同的接收機。 (2) 對各類業(yè)務(wù)信 號 “ 透明 ” ，可以傳輸不同類型的信號，如數(shù)字信號、模擬信號等，并能對其 (3) 網(wǎng)絡(luò)擴容時不需要敷設(shè)更多的光纖，也不需要使用高速的網(wǎng)絡(luò)部件，只需要換端機和增加一個附加光波長就可以引入任意新業(yè)務(wù)或擴充容量，因此 WDM 技術(shù)是理想的擴容手段。如果 WDM 系統(tǒng)不能進行有效的網(wǎng)絡(luò)管理，將很難在網(wǎng)絡(luò)中大規(guī)模采用。 2．互連互通 由于 WDM 是一項新生的技術(shù)，其行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定較粗，因此不同商家的 WDM 產(chǎn)品互通性較差，特別是在上層的網(wǎng)絡(luò)管理方面。通常光網(wǎng)絡(luò)中需要采用 4～ 6 個能在整個網(wǎng)絡(luò)中進行調(diào)諧的激光器，但目前這種可調(diào)諧激光器還無法進入商用。 克服非線性效應(yīng)的主要方法是改進光纖的性能，如增加光纖的有效傳光面積，以減小光功率密度；在工作波段保留一定量的色散，以減小四波混頻效應(yīng)；減小光纖的色散斜率，以擴大 DWDM 系統(tǒng)的工作波長范圍，增加波長間隔；同時，還應(yīng)盡量減小光纖的偏振模色散 ， 以及在減小四波混頻效應(yīng)的基礎(chǔ)上盡量減小光纖工作波段上的色散，以適應(yīng)單信道速率的不斷提高。其一是激光二極管的陣列，或是陣列的激光器與電子器件的集成，實際是光電集成回路 (OEIC)，與分立的 DFBLD 相比 ，這種激光器在技術(shù)上前進了一大步，它體積縮小、功耗降低、可靠性高，應(yīng)用上簡單、方便。 3．實現(xiàn) DWDM 的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備 實現(xiàn)光波分復(fù)用和傳輸?shù)脑O(shè)備種類很多，各個功能模塊都有多種實現(xiàn)方法，具體采用何種設(shè)備應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場條件和系統(tǒng)性能的側(cè)重點來決定。兩種技術(shù)都有兩種實現(xiàn)方法。 光分波器用于傳輸系統(tǒng)接收端，正好與光合波器相反，它具有一個輸入端口和多個輸出端口，它將多個不同波長的光信號分離開來。具有集成化程度高的特點，但是對環(huán)境較為敏感。對 EDFA 的基本要求是高增益且在通帶內(nèi)增益平坦、高輸出、寬頻帶、低噪聲、增益特性與偏振不相關(guān)等。目前在這個技術(shù)上的差異主要體現(xiàn)在光監(jiān)控通道（ OSC）波長選擇、監(jiān)控信號速率、監(jiān)控信號格式等方面。同時 WDM 系統(tǒng)還具有多路復(fù)用保護功能，對運行安全有利。每一結(jié)點的交叉連接也會是波長的或光的交叉連接。 正交 頻分復(fù)用技術(shù)（ OFDM） 正交頻分復(fù)用技術(shù)（ OFDM）的應(yīng)用已有 四五十 年的歷史，第一個 OFDM 技術(shù)的實際應(yīng)用是軍用的無線高頻通信鏈路。 OFDM 由于其頻譜利用率高、成本低等原因越來越受到人們的關(guān)注。 21 正交頻分復(fù)用技術(shù)的概念 所謂 OFDM 技術(shù) 其實是 Orthogonal Frequency Division Multiplexing 的英文縮寫，其具體意思為直角頻率多路傳輸分割復(fù)用技術(shù)。在對每個載波完成調(diào)制以后，為了增加數(shù)據(jù)的吞吐量，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋植捎昧艘环N叫作 HomePlug 的處理技術(shù)，來對所有將要被發(fā)送數(shù)據(jù)信號位的載波進行合并處理，把眾多的單個信號合并成一個獨立的 傳輸信號進行發(fā)送。 OFDM 技術(shù)能夠持續(xù)不斷地監(jiān)控傳輸介質(zhì)上通信特性的突然變化。 22 正交頻分復(fù)用技術(shù)的特點 OFDM 的重要性不僅僅在于它是 等其它高性能無線技術(shù)的基礎(chǔ)，更重要的是 OFDM 技術(shù)與傳統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)相比存在下面的優(yōu)勢特點： 1． OFDM 調(diào)制頻帶利用率高、抗脈沖噪聲特性好，不過該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上要有數(shù)字信號處理器來提供高速數(shù)據(jù)服務(wù)，系統(tǒng)實現(xiàn)起來相對復(fù)雜一點； 2． OFDM 技術(shù)能夠應(yīng)對隨時可能出現(xiàn)的干擾信號，它可對使用多種頻率方面存在的一些問題進行快速修正，并可以對那些在通信傳輸過程中遭到破壞的信號數(shù)據(jù)位進行自動重建； 3． OFDM 技術(shù)通過在復(fù)數(shù)的高速的 射頻上對傳送的信號進行編碼，讓被傳輸?shù)男盘栐趥鬏斶^程中不容易被竊取，從而保證信號傳送具有更高的安全性； 4． OFDM 技術(shù)對傳輸線路上的多路徑外界信號干涉有較強的抵抗力，它不僅可以克服信號傳輸?shù)恼系K，而且還能提高通信傳輸?shù)乃俣龋虼嗽谝恍毫迎h(huán)境中通訊它將非常有吸引力； 5． OFDM 技術(shù)每赫茲的帶寬更高，這樣無線系統(tǒng)的容量也就更大，而且它抗信號衰落性能更好，目前 OFDM 技術(shù)已經(jīng)被采用在無線局域網(wǎng)環(huán)境中，在未來該技術(shù)能使無線通信速度達到 10 Mbit/s 左右； 6． OFDM 技術(shù)通過提供隊列服務(wù)，來解決了在移動 傳輸高速數(shù)據(jù)時所引起的無線信道性能變差的問題，從而克服傳輸介質(zhì)中外界信號的干擾，提高傳輸信道的通信質(zhì)量； OFDM 技術(shù)既可用于移動的無線網(wǎng)絡(luò)，也可以用于固定的無線網(wǎng)絡(luò)，它通過在樓層、使用者、交通工具和現(xiàn)場之間的信號跳換，解決其中的信息沖突問題。其中之一就是采用正交頻分多路技術(shù)（ OFDM）。當(dāng)對每個載波完成調(diào)制以后， OFDM 引擎將包含所有待發(fā)送數(shù)據(jù)信號位的載波合并為一個信號，然后進行發(fā)送。 HomePlug 技術(shù)據(jù)此自動地確定一個能保證成功通信的門限，以便與傳輸介質(zhì)的特性相適應(yīng)。 除了變化的輸電線傳輸特性，隨時可能出現(xiàn)的、一般僅持續(xù)約一毫秒的雜波脈沖也會破壞數(shù)據(jù)流。但是，由于衛(wèi)星通信和移動通信中帶寬的限制，所以 CDMA 技術(shù)尚未充分發(fā)揮優(yōu)點。 OCDMA 通信系統(tǒng)給每個用戶分配一個唯一的光正交碼的碼字作為該用戶的地址碼。當(dāng)然，從目前情況來看，由于技術(shù)方面的原因， OCDMA 并不成熟，距離實用化還有一段路要走。傳統(tǒng)電子交換機的端口速率只有幾Mb/s 到幾百 Mb/s，不僅限制了光纖通信網(wǎng)絡(luò)速率的提高，而且要求在眾多的接口進行頻繁的復(fù)用 /解復(fù)用，光 /電和電 /光轉(zhuǎn)換，增加了設(shè)備復(fù)雜性和成本，降低了系統(tǒng)的可靠性。 空分光交換的核心器件是光開關(guān)。 這種 22 光交換模塊是最基本的光交換單元，它有兩個輸入端和兩個輸出端，通過電壓控制， 可以實現(xiàn)平行連接和交叉連接，如圖 (b)所示。在接收端用分接器恢復(fù)各路原始信號，如圖 (a) 所謂時隙互換，就是把時分復(fù)用幀中各個時隙的信號互換位置。圖 (a)和 (b)分別示出波長選擇法交換和波長變換法交換的原理框 設(shè)波分交換機的輸入和輸出都與 N條光纖相連接，這 N 條光纖可能組成一根光纜。 圖 (a) 波長選擇法交換； (b) 波長變換法交換 然后，以 W 個空分交換器輸出的不同波長的信號再通過合波器 (復(fù)用器 )WMUX 復(fù)接到輸出光纖上。 什么是“交叉連接”？“交叉連接”這個術(shù)語本來是指在電信部門的配線 架上用人工的方式進行系統(tǒng)互聯(lián)的一種方法。光交叉連接設(shè)備則是能把光通道信號或某個波長的光信號從一根光纖直接接到另一根光纖上去的設(shè)備。輸入接口、輸出接口與光纖鏈路相連，分別對輸入和輸出信號進行適配和放大。 通過空分交叉和波長交叉的結(jié)合，將能大大提高交叉連接矩陣的容量和靈活性。支持單波長從 155Mbit/s 到 2..5Gbit/s SDH速率等級以及 10Gbit/s 線路速率的連接，單根光纖復(fù)用波長數(shù)目為 8； （ 2） 具有光纖鏈路空域無阻賽交換功能。 保護倒換時間小于 50ms，信號中斷時間小于 10ms； （ 5） 具有波長轉(zhuǎn)換功能，支持虛波長通道傳送； （ 6） 波長信道光功率均衡； （ 7） 光功率 /光信噪比 /誤碼率檢測。具體實現(xiàn)可用圖 1 和圖 2 所示兩種基本結(jié)構(gòu)。經(jīng)過光通道交叉連接的光纖鏈路信號與光線層次交叉連接后的光纖鏈路信號同時送入輸入側(cè)交叉連接矩陣，完成無阻塞的交叉連接，提高節(jié)點配置的靈活性。 另一種方案如圖 所示。第一種方案需要的光開關(guān)的規(guī)模較小，為 N N，第二種方案結(jié)構(gòu)緊湊，但需要的（ N+T） (N+S)光開關(guān)，開關(guān)規(guī)模較大，對光纖鏈路的性能監(jiān)測比較麻煩。本文設(shè)計的光交叉連接節(jié)點不考慮廣播或多播功能，并且不集成光通道上下路功能，因此光交叉配置模塊僅包含交叉連接模塊。根據(jù)節(jié)點是否支持 O/E/O 波長變換能力，該型 OPXC又可劃分為 (1) 無波長變換型，可用于波長通道網(wǎng)絡(luò)，則不需配置下部分光開關(guān)矩陣； (2) 完全波長變換型，可用于虛波長通道網(wǎng)絡(luò)，光通道嚴(yán)格無阻塞，則不需配置上部分光開關(guān)矩陣； 32 (3) 部分波長變換型，可用于虛波長通道網(wǎng)絡(luò)，光通道有限阻塞。為了方便敘述，下面的部分只畫出工作系統(tǒng)，如圖 所示。 圖 光通道交叉連接（ OPXC）結(jié)構(gòu)的模塊模型 綜合以上討論，確定了系統(tǒng)的總體框架。其中，模塊內(nèi)部的光交換網(wǎng)絡(luò)被分割為兩大領(lǐng)域，不需進行波長變換的光通道連接上部的光開關(guān)矩陣。 在上述兩種方案中，光纖鏈路級的交叉連接必須使用光開關(guān)矩陣，光通道層的交叉連接則可以在空域上實現(xiàn)，也可以在波長域上實現(xiàn)。 31 圖 兩個功能層次的 OXC 方案 2 采用兩個功能層次的 OXC 方案可以大大的提高節(jié)點所能支持的光纖鏈路數(shù)和總的光通倒數(shù)，適應(yīng)大規(guī)模 DWDM 網(wǎng)絡(luò)發(fā)展要求。在輸入交叉連接矩陣是嚴(yán)格無阻塞的情況下；輸出側(cè)交叉連接模塊可以用非嚴(yán)格無阻塞方式實現(xiàn)。它使用了一個 NN(N=N1+N2)光交叉連接矩陣將輸入光纖鏈路分成兩組。 技術(shù)路線 從光傳送網(wǎng)的三層模型出發(fā)，完整的光交叉連接傳送設(shè)備應(yīng)有兩個層次組成，即光通道交叉連接（ OPXC）和光纖鏈路交叉連接（