東南大學碩士學位論文 摘要 波分復用( w d m ) 技術的發(fā)展推動了下一代的通信網(wǎng)絡的結構體系的變革w d m 網(wǎng) 絡體系的發(fā)展需要靈活、可靠、實時的網(wǎng)絡管理控制技術來發(fā)揮光網(wǎng)絡的優(yōu)勢由于光 網(wǎng)絡物理結構本身導致的信號傳輸損傷，使縟進行網(wǎng)絡贅源分配與控制的節(jié)點管理模塊 在進行路由與波長分配時必須考慮物理層的特性，以保證網(wǎng)絡的可靠性與服務質量。光 纖鏈路中光信號的傳輸損傷來源于光纖色散、非線性等多種因素，需要建立光信號傳輸 以及與各個網(wǎng)絡器件的模型方可實現(xiàn)傳輸損傷的評估本文致力于研制基于元件庫的 w d m 光網(wǎng)絡高速光信號傳輸損傷綜合評估軟件，重點建立了光纖、摻鉺光纖放大器 ( e d f a ) 、光發(fā)射機、接收機等網(wǎng)絡器件的虛擬元件庫結構和模型，給出了點到點的物理 層鏈路波形、誤碼率特性評估方法，編制了物理層傳輸損傷仿真軟件。l 司時實現(xiàn)了圖形 化用戶界面為w d m 光網(wǎng)絡的設計優(yōu)化等工作提供了便利的分析工具 論文第一章首先簡述了光網(wǎng)絡技術的發(fā)展概況，重點介紹了光網(wǎng)管理與控制的系統(tǒng) 構架、波長分配與路由技術網(wǎng)絡中主要器件引入的傳輸損傷，以及在最近幾年興起的 微波光子網(wǎng)絡技術。第二章介紹了光網(wǎng)絡傳輸性能綜合評估仿真軟件的設計方案與軟件 結構。第三章為w d m 光網(wǎng)絡鏈路信號的傳輸分析，從數(shù)理分析模型入手將網(wǎng)絡元件的 模型設計成具體的軟件模塊，構成虛擬的元件庫，從系統(tǒng)的角度，提出了完整的物理鏈 路性能的評估方法，并通過于實驗數(shù)據(jù)的對比驗證了模型的正確性。第四章討論了w d m 光網(wǎng)絡光傳輸鏈路元件模型及信號的傳輸損傷，較為詳細分析了光纖中引起傳輸損傷的 各種效應，如色散、自相位調制、交叉相位調制、四波混頻等采用數(shù)值計算的方法， 建立了對光纖性能的評估方法，構成了光纖元件庫框架和光通信元件庫第五章基于已 研制的軟件，模擬和仿真了在通常配置條件下的光鏈路中波形的傳輸特點，計算了鏈路 誤碼率特性，得出了與實際較為一致的結果，從而驗證軟件的可行性和實用性 關鍵詞：w d m 光網(wǎng)絡，微波光子鏈路，傳輸損傷，元件庫，數(shù)值仿真平臺 a b s t r a c t b s t r a e t r e v o l u t i o no ft h en e x tg e n e r a t i o nt e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka r c h i t e c t u r e sh a s b c e nb r o u g h t 、v i t l lt h ed e v e l o p m e n to fw a v e g u i d e 出v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( w d m ) t e e h n 0 1 0 9 y n 虻g r e a td e m a n df o rb a n d w i d t hb yi pd a t as i n v i c e sc a l lb es a t i s f i e db y t h eb r o a d e nb 缸d w i d t hf r o mw d mr e q u i r e sf l e x i b l e r e l i a b l ea n dr e a l - t i m en e t w o r k m a n a g e m e n ta n dc o n t r o lt e c h n o l o g y , i no r d e rt op e r f o r mt h ei m p o r t a n tf u n c t i o n so f o v t i c a ln e t w o r ki at h en l o s te f f e c t i v ew a y d u et ot r a n s m i s s i o ni m p a i r m e n tc a u s e db y t h c p h y s i c a ll a y e r , r o u t i n ga n dw a v e l e n g t ha s s i g n m e n ta l g o r i t h mf o rn e t w o r k m a n a g e m e n tm u s tt a k et h ep e r f o r m a n c eo fp h y s i e a ll a y e ri n t oa c c o u n ti no r d e rt o g u a r a n t e et h et e l i a b i l i t yo fn e t w o r ka n dt h eq u a l i t yo fs e r v i c e s t r a n s m i s s i o n i m p a i r m e n t so r i g i n a t ef r o mc h r o m a t i cd i s p e l s i o n i n f i b e r s , n o n l i n e a re f f e c t s , p o l a r i z a t i o nn l o d ed i s p e r s i o n , n o d ee r o s s t a l i qn o i s ei n t r o d u c e db yo p t i c a la m p l i f i e r s , c t e n 比e v a l u a t i o no ft r a n s m i s s i o ni m p a i r m e n t sr e q u i r e sm o d e l i n go fe v e r yn e t w o r k c o m p o n e n t1 ks i m u l a t i n gm o d e lf o rf i b e r , e r b i u md o p t x if i b e ra m p l i f i e r ( e f d a ) o o t i e a ls 0 1 1 l r 髓a n d 刪v 盯h a v eb e e n e s t a b l i s h e di n t h i sd i s s e r t a t i o n 1 f l 磚 p e r f o r m a n c eo fw a v e f o r ma n db i ta r l r o rp r o b a b i l i t yh a sb e e ne v a l u a t e da n dg e n e r a l r e s u l t sa r eo b t a i n e du s i n go l n s i r e u l a t i o ns o t t w a r c i n c h a p t e ri t h eg e n e r a l s i t u a t i o no fo p t i c a ln e t w o r kd e v e l j i p m e n ta n d a r c h i t e c t u r e sa n dt h et e c h n o l o g yo fr o u t i n ga n dw a v e l e n g t ha s s i g n m e n ta b r i e f l y i n t r o d u c e d n 把t r a n s m i s s i o ni m p a i r m e n t si n t r o d u c e db yt h em a i nc o m p o n e n t sa r e d i s c u s s e da n dt h em i c r o w a v ep h o t o n i et e c h n o l o g yi si n t r o d u c e da sc o m p l e m e n t i n c h a p t e r2 。t h ed e s i g no fs o f t w a r ew d m s i mi sp r e s e n t e da sw h o l e i nc h a p t e r3 ，t h e p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nm o d e lf o rt h ew h o l ep h y s i c a ll i n ki sp r o p o s e di nt h es y s t e m l e v e lb a s e0 1 1t h ep r e v i o u sc o m p o n e n tm o d e l s c o m p o n e n tm o d e l sa r cd e s i g n e di n t o s o t t w a r em o d u l e st oo r g a n i z et h ec o m p o n e n tl i b r a r y s i m u l a t i o ns o f t w a r ei s a c c o m p l i s h e du s i n gs o t t w a r ee n g i n e e r i n gm e t h o db a s e d0 1 1t h ec o m p o n e n tl i b r a r y i n c h a p t e r4 d e t a i la n a l y s i s o fi r a n s m i s s i o ni m p a i r m e n t s i r l t r o d u c e c b yf i b e r i s p r e s e n t e d , i n c l u d i n g c h r o m a t i c d i s p e r s i o n , s e l f - p h a s em o d u l a t i o n , c r o s s - p h a s e m o d u l a t i o na n df o u r - w a v em i x i n g 1 1 圮p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o ni sc o m p l e t e du s i n g u u m e r i e a lm e t h o d i nc h a p t e r5 t h ep e r f o r m a n c eo fo p t i c a li i n ki so b t a i n e du s i n g t h ed e s i g n e ds i m u l a t i o ns o f h 黜w h i c hv e r i f i e st h ef e a s i b i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yo f t h es o t t w a r e k e yw o r d s ：w d m ，m w p , t r a n s m i s s i o ni m p a i r m e n t s ，c o m p o n e n tl i b r a r y , ， n u m e r i cs i m u l a t i o np l a t f o r m 東南大學學位論文獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得 的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含 其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得東南大學或其它教育機構 的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均 己在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 研究生簽名：豹姆犟 日期：業(yè) 東南大學學位論文使用授權聲明 東南大學、中國科學技術信息研究所、國家圖書館有權保留本人所送交學位 論文的復印件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文。本人 電子文檔的內容和紙質論文的內容相一致。除在保密期內的保密論文外，允許論 文被查閱和借閱，可以公布( 包括刊登) 論文的全部或部分內容。論文的公布( 包 括刊登) 授權東南大學研究生院辦理。 研究生簽名：導師簽名；- 圣! ! 羔日期： 第一章緒論 第一章緒論 隨著網(wǎng)絡化時代的到來，人們對信息的需求與日俱增“。1 。迅速發(fā)展的各種新型業(yè)務對 通信網(wǎng)絡的容量提出了更高的要求。光纖是一種高帶寬低損耗的優(yōu)良傳輸介質，在通信 網(wǎng)絡的物理傳輸層起著舉足輕重的作用，而波分復用( 刪) 技術的發(fā)展又進一步挖掘了光纖 帶寬的潛力己成為下一代光網(wǎng)的基礎和信息傳輸?shù)闹饕脚_，且將成為構成寬帶城域網(wǎng) ( i l n ) 、接入網(wǎng)及局域阿( l n ) 的主要技術手段” 然而，隨著單信道速率和復用波長數(shù)量的不斷增加，一些物理效應對信號質量的損傷不 可避免，光信號在經(jīng)過光纖段、光節(jié)點器件和光放大器時將產(chǎn)生抖動、漂移、串擾以及噪 聲，這些物理效應最終限制了網(wǎng)絡的容量和規(guī)模“”。因此，開展傳輸損傷的研究是刪光 網(wǎng)絡設計、網(wǎng)絡節(jié)點管理資源動態(tài)分配以及進一步改善網(wǎng)絡性能豹關鍵“”本章將在 回顧和總結刪技術發(fā)展的基礎上針對鄹m 光網(wǎng)光信號傳輸、光碼調制技術以及節(jié)點管理 技術展開討論，并提出考慮網(wǎng)絡傳輸性能的新型光網(wǎng)節(jié)點資源動態(tài)配置方案 1 11 d m 光網(wǎng)絡的發(fā)展概述 1 1 1w d m 光網(wǎng)技術研究與發(fā)展現(xiàn)狀 近十幾年來波分復用技術得到了突飛猛進的發(fā)展，單信道傳輸速率迅速提高不少電 信公司已推出4 0g b s 的商用系統(tǒng)“”，而實驗系統(tǒng)的單信道速率目前己達到或超過1 6 0 g b s 在增加波長信道數(shù)量方面8 ，1 6 ，3 2 個波長的刪光網(wǎng)絡系統(tǒng)已經(jīng)大范圍使用。l o o 個波長的系統(tǒng)也走向商用，而實驗室里的成績尤為突出，己完成1 0 2 2 個波長的復用試驗。”， 信道間隔已達到2 5g i i z 另外在擴寬應用波長范圍方面，除了充分利用c 波段的傳輸能 力外，己向l 波段s 波段發(fā)展。未來的w 蹦將在全波段窗口( 1 3 u i - 1 6 m ) 工作目前 i f6t b s _ 蹦系統(tǒng)已經(jīng)開始商用，日本n e c 和法國阿爾卡特公司分別在1 0 0 公里距離上實 現(xiàn)了總容量為l o 9 tb s ( 27 3 x 40 g b s ) ?！焙涂側萘繛? 0 2 tb s ( 2 5 6 x4o g b s ) 的傳輸 容量最新世界記錄。w 聊系統(tǒng)除了波長數(shù)和傳輸總容量不斷突破以外，為了盡量減少電再 生點的數(shù)量，全光傳輸距離也在大幅度擴展，基于分布式喇曼放大器、超強前向糾錯( f e c ) 、 色散管理、光均衡以及高效調制格式技術等，目前已達到了4 0 0 0l 【l n 無電中繼的水平 仰m 技術還具有無可比擬的光信道直接聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢”“由于光分叉復用( o a d m ) 和光交 叉連接( 0 x c ) 技術的成熟，利用波分復用和波長路由技術，將一個波長作為一個通道，全部 在光域進行路由選擇。通過可重構的選路節(jié)點建立端到端的“虛波長”通路，實現(xiàn)源和目的 1 東南大學碩士學位論文 之問端到端的光連接高速長距離大容量、高可靠性強生存性可重構性成為i p - w i ) w 光 網(wǎng)絡研究目標 目前，世界各國研究開發(fā)中的光網(wǎng)絡主要集中在美國、歐洲和日本如美國高級防御研 究計劃署( d a i c p a ) 資助由b e l l c o r e 領導、與哥倫比亞大學、北方電信以及職公司等一流大 學與實驗室聯(lián)手的全光網(wǎng)絡計劃、歐洲的r a c e - i i 研究計劃、歐盟由阿爾卡特公司 牽頭的a c t s 計劃以及i b w 公司的r a i n b o w 計劃等這些網(wǎng)絡計劃既建立了許多試驗平 臺，又進行了現(xiàn)場試驗，以研究光網(wǎng)絡結構、光網(wǎng)絡管理、光纖傳輸、光交換和光網(wǎng)絡對新 業(yè)務的適應性等關鍵技術與此同時包括i t u - t a n s i t 1 x i 5 協(xié)會、光互聯(lián)網(wǎng)論壇 ( o i f ：o p t i c a li n t e r n e t w o r k i n gf o r u m ) 和i e t f 在內的標準化組織也都積極致力于對可 重構光網(wǎng)絡的研究 在我國，光纖通信也取得長足的發(fā)展電信領域建成八橫八縱的網(wǎng)狀國家一級干線和諸 多環(huán)網(wǎng)結構的省內二級干線：聯(lián)通、移動、廣電、吉通等也在建設或規(guī)劃建設自己的一級干 線和以環(huán)網(wǎng)或環(huán)套環(huán)結構為主的二級干線：網(wǎng)通規(guī)劃建設一個國家級的i po v e r 肼明多環(huán) 網(wǎng)絡，覆蓋包括北京、上海、廣州在內的1 5 個主要城市，總長度接近7 0 0 0 k m 。由國家8 6 3 計劃支持的中國高速信息示范網(wǎng)( c i n o n e t ) 為未來光i p 網(wǎng)技術的研究、開發(fā)、溯試提供了 優(yōu)良的試驗平臺“1 。 隨著w d w 光網(wǎng)絡傳輸容量的日益增大，一旦同絡故障導致傳輸業(yè)務失效將丟失大量 信息造成巨大經(jīng)濟損失，因此網(wǎng)絡控制和管理、生存性和可重構性己經(jīng)成為目前網(wǎng)絡研究的 熱點1 光層生存性技術具有響應快速、靈活的特點，能夠有效提高網(wǎng)絡的服務質( q o s ) 。 減少業(yè)務的丟失。然而，它不能處理所有類型的故障。不能對高層故障進行保護，無法對業(yè) 務的不同部分提供不同等級的保護等。所以對網(wǎng)絡的生存性而言，需要多層保護機制這對 網(wǎng)絡的控制和管理也提出了更高的要求。 1 1 2w d m 光網(wǎng)構架 1 1 2 1 光網(wǎng)絡分層模型 根據(jù)g 8 7 2 建議，光網(wǎng)絡自上而下垂直劃分為光通道層( o c h ) 、光復用段層( o m s ) 和光 傳輸段層( o t s ) ，兩個相鄰層之間構成客戶服務層關系。在光層之上承載各種格式的數(shù)字業(yè) 務信號，可以是s 陰s o n e t 、i p 和 t m 信號等。這種分層結構充分考慮了從s o h 網(wǎng)絡到 刪光網(wǎng)的平滑過渡可滿足網(wǎng)絡規(guī)劃和管理的需要。 光通道層一為透明傳送各種不同格式的客戶層信號提供端到端的光通路聯(lián)網(wǎng)功能。功能 2 第一章緒論 包括：為靈活的網(wǎng)絡選路安捧光通道連接( 包括選擇路由和分配波長) ；處理光通道層 開銷，如波長標記、端口連接性、載荷標志( 速率，格式、線路碼) 以及波長保護能力 等；提供光通道層的檢測、管理功能：在發(fā)生故障時通過重新選路或直接把工作業(yè)務 切換到預定的保護路由來實現(xiàn)保護倒換和網(wǎng)絡恢復此層包含o x c 和o a 蹦相關功能 光復用段層負責相鄰兩個波長復用傳輸設備問多波長復用光信號的完整傳輸為多波 長光信號提供聯(lián)網(wǎng)功能主要功能包括：為保證適配信息的完整性處理光復用段開銷； 為網(wǎng)絡的運行和維護提供光復用段的檢測和管理功能；提供復用段層的生存性。波分復 用器解復用器屬于此層。 光傳輸段層o t s 為光信號在同類型的光傳輸媒介( 如g 6 5 2 ， g6 5 3 g6 5 5 光纖等) 上提供傳輸功能，光放大器所提供的功能屬于此層。o r s 的功能還包括對光放大器或中 繼器的檢測和控制功能等，涉及到功率均衡問題、即f a 增益控制問題和色散的積累和 補償問題 1 1 2 2w d m 光網(wǎng)拓撲“1 光網(wǎng)的物理拓撲是網(wǎng)絡節(jié)點的物理連接關系，它是網(wǎng)絡節(jié)點和光纖鏈路的集合?；疚?理拓撲有線形、星形、環(huán)形、樹形和網(wǎng)孔形結構，可組合成各種復雜的網(wǎng)絡結構，應用得較 多為環(huán)狀網(wǎng)、雙環(huán)網(wǎng)和網(wǎng)格網(wǎng)光網(wǎng)絡可橫向分割為核心網(wǎng)、城域本地網(wǎng)和接入網(wǎng)。核心 網(wǎng)傾向于采用網(wǎng)狀結構，城域本地網(wǎng)多采用環(huán)型結構接入網(wǎng)將是環(huán)型和星型相結合的復 合結構，如圖i 1 1 所示。邏輯拓撲指網(wǎng)絡節(jié)點之間業(yè)務分布狀況，它與物理拓撲緊密聯(lián)系， 比較常見的幾種結構如圖1 1 2 所示 圖1 1 1 光網(wǎng)絡橫向分割結構 東南大學碩士學位論文 囂圓 橢簟量黟 f ”及置蓐 騷 彩 圈1 1 2 基本邏輯拓撲 f f d m 光網(wǎng)的物理拓撲反映了物理媒質的連接關系，拓撲的復雜度與網(wǎng)絡節(jié)點的端口數(shù)量 緊密相關，它的設計是以滿足網(wǎng)絡業(yè)務需求為目的、對網(wǎng)絡節(jié)點的地理分布和節(jié)點之問的物 理連接關系進行優(yōu)化的過程：而邏輯拓撲反映了光通道層的網(wǎng)絡連接、傳輸和處理能力，拓 撲的復雜度與節(jié)點端口數(shù)量、復用的波長數(shù)量以及網(wǎng)絡的功能結構都有直接的關系對它的 設計是依據(jù)己有的物理拓撲，以提高網(wǎng)絡運營指標為目的，優(yōu)化光通道層網(wǎng)絡功能的過程。 1 1 3w d m 光網(wǎng)元器件 構建理想的w d m 光網(wǎng)，有賴于科學合理的網(wǎng)絡架構設計，與此同時，很大程度上也取決 于新型大容量光纖、- 蹦光源、波長轉換器、光放大器、光分插復用器( o a d m ) 和光交叉互連 ( 0 x c ) 等聊全光器件的開發(fā)和研制。光網(wǎng)絡的傳輸性能與元器件的特性密切相關。 1 1 3 1 光纖 i t u - t 認可的4 種類型單模光纖如表l1 1 所示“。色散是光纖的一個重要參數(shù)對 于單通道速率為1 0 gb s 的眄m 系統(tǒng)。色散容限為1 0 0 0 p s n m ，而到了4 0 g b s 這樣高的速率， 色散容限只有6 2 p s n m 。而且由于色散斜率的影響，經(jīng)過長距離傳輸后。不同波長的殘余色 散差別將越來越大，所以，精確的色散補償顯得尤為重要。 表1 1 1 單模光纖典型特性參數(shù) 括準單攥光紓色融盤移光坪l ，損耗最小斃纖非零色散位咎光纖 g 6 踢 ( g 6 孫 ( q 6 5 f q 6 5 5 ) 殲芯直徑 f o - i m l o f 7 4 3 i o 1 0 j 女1 0 i 女o 簟止姥蝌ol “p 1 2 # d1 2 7 01 3 5 0 - i 曲0i , i s 0 l s 5 m 處色 度色敵 t 7 2 03 j t c - - p = j u mk m 衰減( d i ”k m )0 2 0 - o ”0 2 1 5o 笛o 丑o 2 5 p m d ( 啪，b 1 1 哪5 蚰jm c j m t $ d w d m4 0 0 b b 革信道越長 柏o 叭曲d 、v d m 應用雇光纖蠢信泉統(tǒng) 系統(tǒng) 歪高傳輸長逢干餞系統(tǒng) 4 第一章緒論 康寧( c o r n i n g j l 推出的商用化大有效面積光纖( l e a f ) ，可以有效地克服由于密集波分復 用注入光纖豹有效面積上的斃強過大而產(chǎn)生的了非線性效應”1 ，朗訊( l u c e n t ) 推出的降低色 散斜率的真波光纖( t r u e w a v er e d u c e ds l o p ef i b e r ，t w - r s ) 。有效地克服了1 4 0 0 波 段由于0 i i 一根引起的較大的損耗，可提供接近3 0 0 r j 的可用帶寬”1 ，l e a f 和t w - r s 光纖 共罰款稱為第二 i ce 6 5 5 光纖z 0 0 2 年7 月，珂爾卡特雄出了面向城域網(wǎng)的特銳 ( t e r m i g l l t ) 光纖，它具有非零色散位移光纖特點通過利用更多的傳輸頻帶增加每條頻 帶的信道數(shù)量可以將當今的系統(tǒng)升級到更高速度( 1 0 g 一4 0 ( ；b s ，甚至更高) 此外。光子晶體光纖( p c f ”1 近年來取得了綴太進展由于p c f 的纖芯廈積大于傳統(tǒng) 光纖纖芯面積的1 0 倍左右，當用于傳輸高功率光時而無須擔心出現(xiàn)非線性效應。并且p c f 在波長低于1 3 ln 日可以獲得反常色散同時保持單模傳輸?shù)渃 r y s t a lf i b e r s 公 霹于2 0 0 3 年4 月推出了兩種薪型p c b 一種是?？諝獠▽Ч庾幽軐W隙晶體光綏”疆p b f ) 。 此晶體光纖的纖芯是中空的，利用空氣作為空氣波導使光可以在特殊的能帶隙中傳輸。可用 于高功率傳輸?shù)葢茫毫硗庖环N是“雙包層高數(shù)值孔徑摻鏡晶體光纖”( d 例n f ) 。該光纖可 以用在光纖激光器或龍纖放大囂中，另外由于該光纖具有光敏性，還可以在其上刻寫光纖光 柵。2 0 0 3 年6 月，英國b l a z e p h o t o n i c s 公司推出了新的s o l i d - c o r e 光子晶體光纖，包括 種偏振保持光纖，針對非線性應用的細纖芯光纖以及e n d l e s s l y 標準單模光纖。這些光纖 基于純凈的非摻雜硅土制作通過包層的細孑l 實現(xiàn)了對光信號在纖芯的束縛這種機制可以 實現(xiàn)許多傳統(tǒng)光纖無法實現(xiàn)的功能，比如偏振保持光纖可以實現(xiàn)傳統(tǒng)偏振保持光纖3 0 倍的 偏振非敏感性，非線性光纖則可以實現(xiàn)窄脈沖的額譜展寬e n d l e s s l y 單模光纖則可以實現(xiàn) 全波長的單模特性。 1 1 3 2 激光器調制器集成光源”1 刪光網(wǎng)絡對光源的要求是高速、低啁啾、工作波長穩(wěn)定。從目前發(fā)展趨勢上看激光囂 調制器集成光源是首選方案。它具有激光器波長穩(wěn)定、可調以及調制器的高速，低啁嗷 等功能。目前。主要有兩種集成光源：一是d f b 半導體激光器與電吸收( e a ) 調制器的單片 集成；二是d f b 半導體激光器與h z 型調制器的單片集成。另外也有分布布拉格反射器( d b r ) 激光器與調制器的單片集成以及有半導體與光纖光柵構成的混合集成嗨r 激光器。 4 0gb i t s 或更高速率的調制器集成光源和波長可調諧或者波長可選擇特性的集成光 源成為目前的研究熱點。2 0 0 3 年8 月，l u c e n t 公司貝爾實驗室報道了使用調制速率達到4 0 cb i t s 的d f b e a 集成光源。實現(xiàn)r z 碼在n 2 一o s f 光纖中傳輸1 2 0 0l 【m 的實驗記錄”。美 國a g i l i t y 通信公司的y a a k u l o v a 等人提出一種多項可調的混合集成d b r 光源，覆蓋 東南大學碩士學位論文 9 0 個波長信道( 信道間隔5 0 g h z ) ，線寬小于2 姍z ，實現(xiàn)了波長、功率和工作模式多項控 制，顯示了很高的波長穩(wěn)定性和可靠性。美國h p b 公司推出的e b s - 4 0 2 2 寬帶光源，其輸 出功率可達2 2 d b m ，在c 波段如的帶寬上，其平坦度l 這些為刪通信系統(tǒng)進一步 實現(xiàn)高速光傳輸?shù)於嘶A 1 1 。3 3 波長轉換器件 實現(xiàn)波長變換有光電光( o e 0 ) 變換和全光變換兩大類。光電光型已經(jīng)實用，但是其變換 效率低，對信號不透明。目前研究熱點集中在全光波長變換上全光波長轉換模塊在接入端 應用是對從路由器或其它設備來的光信號進行轉換，將非匹配波長上的光信號轉換到符合 i t u 規(guī)定的標準波長上然后插入到光耦合器中；而當它用于波長交換節(jié)點時，它對光通路進 行交換和執(zhí)行波長重用功能，因此它在波長路由全光網(wǎng)中有著非常巨大的作用寬帶透明 經(jīng)和快速響應是波長轉換器的基本要求。在全光波長交換的多種( 包括交叉增益調翻，交叉 相位調制、四波混頻、非線性光學環(huán)境) 技術中，最有前途的全光轉發(fā)器是在半導體光放大 器( s o a s ) 中基于交叉相位調制原理集成進m a c h - z e h n d e r 干涉儀0 配i ) 或m i c h e l s o n 干涉儀 0 【i ) 而構成的帶波長轉換器，它被公認為是實現(xiàn)高速、大容量光網(wǎng)絡中波長轉換的理想方案 1 i 3 4 光放大器 目前的光網(wǎng)絡通過光放大器實現(xiàn)光信號的放大，可認為具有光i r 功能。需指出的是， 光3 r 技術不在本文討論范圍。摻鉺光纖放大器( e d f a ) 已被廣泛應用于長距離通信系統(tǒng)中 在1 5 5 0 h m 窗口提供3 0 a m 左右的平坦增益帶寬日前己有基于摻鉺光纖的雙帶光纖放大器 ( e b f a ) ，其帶寬可覆蓋1 5 2 8 - - 1 6 1 0 n m 范圍，由常規(guī)的e d f 和擴展帶光纖放大器船f a 共同 組成相類似的產(chǎn)品有b e l l 實驗室的超寬帶光放大器o w o ，它有8 0 的可用帶寬可對單 根光纖中多達1 0 0 路波長信道進行放大，覆蓋了c 波段和l 波段 半導體光放大器( s o a ) 是用i n g a a s p 四元材料在光通信窗口對光信號提供增益s o a 結 構與半導體激光器相似，增益與輸入光信號的偏振態(tài)有關；與光纖的耦合效率低；對多波長 信道放大時將導致f w m 等非線性效應引起通道闖的串擾等問題。 近年來光纖拉曼放大器倍受關注，已成為研制開發(fā)的熱點。從目前的技術看來也只有拉 曼放大技術才能實現(xiàn)光傳輸過程中的分布式放大2 0 0 1 年7 月底a l c a t e l ( 阿爾卡特) 公司通 過分布式f i a 技術在實驗室中成功地實現(xiàn)了3 2 x4 0 6 b s ， 2 4 0 0l 【m 的遠程傳輸“ 1 1 3 5w i ) m 網(wǎng)絡節(jié)點元件 1 m u x d 咖x 密集波分復用懈復用器主要有3 種類型：薄膜濾波器型、光纖布拉格光柵型和陣列波 6 第一章緒論 導光柵( ) 型。其中 復用復用器以其優(yōu)越的擴容性能及實現(xiàn)了高性能、多通道、高波 長分辨率，可大規(guī)模重復生產(chǎn)和可與多種光通信器件集成等眾多優(yōu)點，已逐步進入實用化階 段是o a i ) n 和o x c 的重要組成部分目前國際先進水平已做出4 0 0 通道的a w g ，其波長間 隔為0 0 8 r i m 串擾低q ：- 3 0 d b 2 光開關 目前實用的光開關陣列大都用l i n b 0 3 光波導開關實現(xiàn)，但這種光開關矩陣大規(guī)模單片 集成難度較大尤其難以與操作電路實現(xiàn)o e i c 集成。由于阿絡中信息資源的利用率決定于 o x c 的集成規(guī)模和運行的靈活程度，所以最終的o x c 應當是單片集成的其關鍵是發(fā)展高速 響應s i 基波導光開關，而利用電注入折變效應構成的s o i 型s i o zls i 波導光開關，可以 實現(xiàn)小于微秒的光開關運作有望實現(xiàn)大規(guī)模單片集成。 3 o a d r o a d m 位于多節(jié)點w 蹦光網(wǎng)的中間點處，是一種在光域進行波長業(yè)務分插的分插復用設 備，包括解復用( d 腳u 】【) 、分插控制濾波單元及復用( h l j 】( ) 單元可重構型o a 蹦通過使用光 開關、可調諧濾波器等光器件，能動態(tài)調節(jié)q 矗蹦節(jié)點上下路信道的波長。從麗實現(xiàn)了光網(wǎng) 絡動態(tài)重構。 4 o x c o x c 目前主要有以下三種：基于光纖級的交叉連接( f x c ) 波長選擇性交叉連接( w s x c ) 和波長可交換交叉連接( w i x c ) 其中w i x c 夠使信道的頻率( 或波長) 轉換或改變。因此可以 實現(xiàn)嚴格無阻塞的波長交換和波長重用，提供虛波長路由( w p ) ，在業(yè)務恢復和提供方面有 最大的靈活性。 1 1 4w d m 光網(wǎng)組網(wǎng)技術 構建高速、大容量的光網(wǎng)不僅需要開發(fā)和研制高效實用的光子器件還需要高速光交換 技術、智能化的網(wǎng)絡管理技術以及寬帶接入等組網(wǎng)技術。 光交換也可分為分組交換和電路交換( 波長交換) 兩種形式。波長交換利用波長開關實現(xiàn) 不同波長通路之間的交換，是一種粗粒度、面向連接的的光交換方式o a 腳和o x c 是構建 基于波長交換的刪光網(wǎng)的關鍵器件。光子分組交換技術以其高速和對數(shù)據(jù)速率、數(shù)據(jù)格式 透明和良好的重構性而表現(xiàn)出獨有的優(yōu)勢 智能自動交換光網(wǎng)絡，實現(xiàn)網(wǎng)絡管理和控制智能化，能夠動態(tài)、自動完成端到端光通道 的建立，拆除和修改，并且當網(wǎng)絡出現(xiàn)故障時，能夠根據(jù)網(wǎng)絡拓撲信息、可用的資源信息、 7 東南大學碩士學位論文 配置信息等動態(tài)地指配最佳恢復路由 新一代智能光月終由刪加光交換機組成。它的核心層設備是光交換機，個設備便可 以綜合完成以前幾個設備的功能，組網(wǎng)簡單，維護方便。此外，智能光同絡的特點是交換粒 度小，并具有疏導功能，這兩個特點為智能光網(wǎng)絡實現(xiàn)任意級聯(lián)、虛擬容量、虛環(huán)保護和網(wǎng) 狀恢復等奠定了基礎。光交換機的大容量表現(xiàn)在交換矩陣達到幾百兆，設備l og b p s 接口達 到幾十個并可擴展到多tb p s 1 1 5m w p 微波光子系統(tǒng)及其應用 自2 0 世紀鯽年代以來。由于半導體激光器、集成光學、光纖光學和微波單片集成電 路( 塒i c ) 的發(fā)展， 以及在半導體材料和工藝方面的兼容性 使得原來在光波和微波毫 米波兩個電磁波工作波段各自獨立發(fā)展的、面向各類應用( 通信、雷達、遙測遙感等) 的技 術，為了構成遍布全球乃至可輻射到宇宙空間的寬帶信息基礎設施，不斷在不同層面和內容 上趨于交叉，并逐漸緊密結合其主要表現(xiàn)形式為一方面射頻、微波和毫米波技術不斷尋 求向更短波長的應用空間，另一方面光波技術也在探究中、遠紅外區(qū)域的開拓應用領域的 可能，二者在各自發(fā)展的過程中自然而然的相互滲透，多種技術和多個學科領域( m u l t i t e c h n o l o g i c a la n dm u l t i - d i s c i p l i n a r y ) 交匯融合，以求不斷更新技術，形成更大的市場 微波光子學( m w p ) 是在這一背景下產(chǎn)生的新興的交叉學科 l l l r p 定義和范疇 唧p 可以定義為研究光波與微波、毫米波波段電磁信號之問相互作用的學科。它包括光 對微波信號的產(chǎn)生、放大與交換的調控作用；以及微波在光波上的調制、折射偏振及信號 傳遞的調控作用兩個方面。前者主要利用光對微波半導體器件有源層中載流子濃度和運動的 激發(fā)與控制；后者則利用導光媒質的極化與載流子分布受微波場變化而導致光導率、折射 與偏振特性的改變或材料對光信號的電吸收效應 m w p 系統(tǒng)技術的研究 微波光子技術在光纖同軸網(wǎng)絡( h f c ) 、寬帶無線接入、移動蜂窩射頻通信以及作為各種 光接入網(wǎng)方式的用戶接入中均有應用。微波光子系統(tǒng)的主要目的就是在不數(shù)字化信號的前提 下，通過光纖技術傳輸模擬的微波信號。在微波光子系統(tǒng)中，微波光調制器件，光纖和光電 解調器件是最基本的組成器件。微波的光調制技術可分為內( 直接) 調制和外( 間接) 調制兩種 調制方式。下圖i 1 3 是微波光子系統(tǒng)的基本示意圖； 8 第一章緒論 圖1 1 3 徽波光子系統(tǒng) 混合光纖同軸網(wǎng)絡 同軸電纜網(wǎng)絡目前正被用作電視信號的廣播傳輸。如果只是用來廣播電視信號的話，衛(wèi) 星通信系統(tǒng)的建立和維護費用將比混合光纖同軸網(wǎng)絡低的多混合光纖同軸網(wǎng)絡是多種數(shù)據(jù) 服務的理想傳輸介質，也是非常有競爭力的寬帶接入方式。典型的混合光纖同軸網(wǎng)絡如圖。 圈i 1 4 混合光纖同軸霸絡l 奪無線寬帶接入 混合光纖同軸網(wǎng)絡2 無線寬帶接入技術是近年來研究的熱點，它提供了用以替代已有的雙絞線和電纜環(huán)路的 接入方法，它布設容易、擴展性好、更加靈活，是理想的未來的寬帶接入方式。無線寬帶接 入可以建立在蜂窩系統(tǒng)上，使用基站來為用戶提供無線的射頻接入連接。每個蜂窩基站都 和名為本地節(jié)點( l o c a ln o d e ) 的中心站點連接，本地節(jié)點和蜂窩之間的雙向傳輸可以是光 或無線傳輸 圈1 1 5 寬帶無線接入 9 東南大學碩士學位論文 光纖毫米波系統(tǒng) 這是目前引起產(chǎn)業(yè)界極大興趣的一項w m p 應用技術，是未來寬帶移動通信的很好的解決 方案而且還可以應用在- l l ( w i r e l e s sl o c a ll o o p ) 、交通管理系統(tǒng)和無線局域網(wǎng)中由 于要實現(xiàn)寬帶的無線接入，因此需要非常大的射頻帶寬只有毫米波波段符合要求 其他光接入網(wǎng)方式的補充 f t t x 和船m 光接入網(wǎng)方式目前由于成本問題還難以實現(xiàn)到戶的接入，因此在最大限度 使用已有設施( 如同軸電纜、電話線) 的前提下。提出了多種射頻光子混合解決方案，如 a d s l 、l m d s 、m o d e m 等h f r 技術 在現(xiàn)代科學技術領域，尤其是在現(xiàn)代信息通信領域光子技術的產(chǎn)生和應用是必然的趨 勢，與電相比，光的帶寬更大、速度更快、頻率更高、光傳輸?shù)膿p耗更低、光產(chǎn)品的重量更 輕、成本也更低。這是不可抵擋的優(yōu)勢所以在傳統(tǒng)的電子技術領域中滲透和應用越來越多 的光子技術是科學技術發(fā)展的必然 1 2 刪光網(wǎng)絡的信號 w d m 光網(wǎng)絡相對于點到點系統(tǒng)引入了o x c 和0 刪節(jié)點，并廣泛使用了光開關、光濾波 囂、即f 等光器件。由于目前各種光器件性能還不是很理想，節(jié)點結構設計仍有待完善， 使光信號質量在傳輸過程中不斷下降；此外，對于無中繼再生的長距離傳輸，光纖中的p m i ) 、 非線性效應也會導致高速光信號傳輸性能的惡化文獻中將這些傳輸限制成為傳輸損傷 t z - 1 7 ，造成傳輸損傷的因素主要有信道串擾、放大器噪聲積累、色度色散、偏振模色散( p m i ) ) 、 非線性效應等。這些效應造成傳輸信號的損傷，最終限制了帆瑚網(wǎng)絡的容量和規(guī)模”1 。圖 i 2 i 為) t d m 網(wǎng)絡中傳輸損傷積累效應示意圖。 囂囪臼囪囪囪囪 圈1 2 i 喇光網(wǎng)絡傳輸損傷積景效應不囂圈 1 2 1w d m 光網(wǎng)絡的元件對光信號的影響 網(wǎng)絡中每一條光路的傳輸損傷都與構成光路的每一個元件相關。完整的仿真需要對w 叫 光兩絡中所有的網(wǎng)絡器件進行性能分析。討論和分析它們對光信號的影響。光網(wǎng)絡中主要元 器件有： 1 0 第一章緒論 1 2 l l 光源 光傳輸?shù)墓庠催€在發(fā)展中，除了一些短程的和低速的系統(tǒng)幾乎所有的光傳輸系統(tǒng)都是 用半導體激光器作為光源從發(fā)展趨勢來看是激光器調制器集成光源是首選方案并且從 固定波長發(fā)展到波長可調諧。經(jīng)強度調制后的光源在發(fā)射時，會將半導體激光器本身產(chǎn)生的 噪聲和激光器與光纖之間互相作用產(chǎn)生的噪聲帶入系統(tǒng)，但在計算傳輸損傷的時候，這些噪 聲無需考慮 1 2 1 2 光纖 光纖是進行光傳輸?shù)闹饕橘|，長距離光通信所用的光纖都是最低損耗窗口在1 5 5 0f a 附近的單模光纖。i t u _ t 認可的4 種類型的單模光纖為標準單模光纖( g 6 5 2 ) 、色散位移單 模光纖( g 6 5 3 ) 、截止位移單模光纖( g 6 5 4 ) 和非零色散位移單模光纖( g 6 5 5 ) 光纖對光信 號傳輸?shù)男阅苡绊懽顬閺碗s對光纖的研究也較為透徹1 光纖最主要的一個性能指標是損耗，雖然單模光纖在工作波長下?lián)p耗可以小到0 2 d b k m ，但長距離的傳輸使光功率必須得到補償。光信號脈沖在光纖中傳輸時，由于光脈沖 不可能達到理想的單一頻率，脈沖中的不同頻率分量的傳輸速度隨波長呈非線性變化。導致 光脈沖在時域展寬，引起信號畸變或碼間干擾。隨著傳輸距離的增加，色散也會累積由于 現(xiàn)有的光纖大部分是標準單模光纖，使用色散補償光纖( d c f ) 或色散補償器件對色散進行補 償才能使系統(tǒng)適應長距離、高速率的傳輸。 隨著刪信道間隔的不斷減小和可用波長范圍的不斷擴大，光纖中的單位功率水平越來 越高，信號與光纖非線性互作用開始出現(xiàn)，非線性效應和色散一起成為影響高速密集波分復 用系統(tǒng)的主要因素。光纖中的非線性效應包括自相位調制( s 蹦) 、交叉相位調制( x 刪) 、四波 混頻( f 唧) 等。s 蹦與色散相互作用導致脈沖變形：交叉相位調制引起各個波長信道之間的 非線性耦合，產(chǎn)生串擾或信號衰減。f 喇引起信號串擾，降低系統(tǒng)性能。光纖中另外的非線 性效應包括受激拉曼散射和受激布里淵散射，不在討論之列 單信道傳輸速率的提高，偏振模色散( p m d ) 變得十分突出f m d 導致系統(tǒng)誤碼率增加， 且補償技術較為復雜，被認為是限制傳輸速率的最終因素 1 2 1 3 光放大器 由于光纖的衰減使得在無放大器的光纖中的最大傳輸距離人約2 0 0l ( m ， 長距離的傳輸 必須使用放大器來補償功率的損耗。8 0 年代半導體光放大器( s o a ) 得到了發(fā)展，但直至摻鉺 光纖放大器( e d f a ) 的出現(xiàn)徹底變革了長距離傳輸系統(tǒng)。典型的長距離鏈路在光發(fā)射端、接收 端各有一個、在傳輸鏈路上有一系列的e d f ，e d f a 主要的性能參數(shù)是放大增益與 s e 噪聲。 l l 東南大學碩士學位論文 l s e 噪聲在鏈路中積累，并在線路中與信號一起被其它的e d f 放大。l s e 噪聲在光接收端造 成誤碼率增加，是系統(tǒng)主要的傳輸損傷因素之一 i 2 i 4 復用解復用器 復用器的作用是將空間分離的單波長信號合成刪信號，使多個波一長同時在一根光纖 中傳輸。理想情況下各波長信道中的光信號經(jīng)過復用器后在輸出端口應保持不變t 但由于 器件性能的不理想性。某些波長信道中的信號會以一定的比例泄漏至其它信道，從而形成串 擾。解復用器的作用是將輸入的刪信號在空間上分離為單波長信號由于器件的隔離度有 限，在輸出端口還會有幅度較小的其他波長的信號這部分信號即為解復用器引入的串擾 1 2 i 5 節(jié)點器件 光網(wǎng)絡的節(jié)點器件要為o a d m 和o x c o a i ) w 用在中間節(jié)點處，大部分流量要繼續(xù)傳遞而 小部分流量在本地節(jié)點開始或終比( 上下路) 的情況。o a d m 對于線性拓撲結構等簡單網(wǎng)絡結 構是很有用的，但對于復雜的網(wǎng)狀拓撲和多個波長的網(wǎng)絡則需要o x c 光信號在o a d m 與o x c 中進行傳輸與交換時會產(chǎn)生類似刪x d 髓u 】( 中的串擾問題而造成信號損傷由于結構更為 復雜，特別是o x c ，串擾的分析比較困難。 i 2 1 6 光接受器 現(xiàn)有的光強度調制直接檢測( i m d d ) 系統(tǒng)中，光接收機包括光檢測器、前端放大器和檢測 電路通信用的光檢測器為半導體光電二極管，主要有p i n 光電二極管和雪崩光電二極管 ( a id ) ，a p d 中的電流增益可以產(chǎn)生的響應度遠大于傳統(tǒng)的光電二極管，是克服低光功率系 統(tǒng)中的熱噪聲限制的一個有效手段。數(shù)字光接收機中有多種噪聲源，其中主要的的噪聲有： 散彈噪聲( 量子噪聲) 、拍頻噪聲、熱噪聲和暗電流噪聲”。”。 i 2 i 7 波長轉換器 在高容量的動態(tài)刪網(wǎng)絡中，波長轉換