光纤拉曼放大器在光纤通信系统中的性能研究
随着信息化社会的发展,将人们从时空的束缚中得以解放。通信在整个社会的发展中扮演着不可忽略的角色。而光纤通信以其低干扰、大容量,长距离、低损耗等优势承载着通信的骨干网络。随着光纤通信系统的传输距离不断增长,为了克服光纤自身的衰减损耗,要求必要的提高信号进入光纤的初始光功率,但功率越高受激拉曼散射效应越明显,对系统性能影响越大。因此以掺铒光纤放大器为主要代表的中继放大器,在一定程度上缓解了功率矛盾。然而,掺铒光纤放大器存在着成本高、带宽窄等缺点。此时,光纤拉曼放大器,以其低成本、非线性失真小,增益带宽几乎无限,输出功率高饱和,相对其他系统构造简单等优势,成为了长距离、大容量的密集波分复用系统广泛使用的理想技术。拉曼放大器,以受激拉曼散射效应为放大原理,以系统光纤作为放大介质,利用高功率的短波长光波作为泵浦对长波长、低功率信道的信息光波进行全程放大。泵浦在对信号放大时,并非等增益放大,而是受很多因素的影响,呈现出波动状态,所以要求光纤&
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随着光纤通信技术和多媒体技术的快速发展，网络电视、视频电话、远程教育、远程医疗、电子图书馆以及电子办公系统等一些在过去似乎遥不可及的梦想和技术正逐渐走进我们的生活，而在这个发展过程中，光纤拉曼放大器(FRA)以其独有优势将使其在未来的长途骨干网和城域网中发挥重要作用。但是拉曼放大器的实用化强烈的依赖于两重要个因素：大功率泵浦源和足够平坦的增益谱。随着大功率激光器制作工艺日趋成熟，增益谱的平坦特性已成为拉曼放大器设计中考虑的首要问题。本文将重点讨论如何实现光纤拉曼放大器增益平坦化以及光纤拉曼放大器在实际通信系统中的实验研究。本文将首先简要介绍一下整个光纤通信技术、光纤拉曼放大器的发展历程和研究现状以及光纤拉曼放大器增益平坦化研究的意义。其次重点介绍光拉曼放大器的增益平坦化研究的理论、模拟以及相关实验研究，其具体内容包括：第一：本文将采用单步以及多步平均功率算法来解多信道多泵浦的光纤拉曼放大器的传输方程，并且对其增益谱进行平坦优化，...&
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在海量数据时代的背景下,光放大器已经成为超大容量、超长距离全光通信系统中不可缺少的关键器件之一,正是因为它能够对光信号进行直接放大,极大降低设备成本和系统复杂度。其中,光纤拉曼放大器(RFA)具有增益高、带宽大、噪声低等优点,在理论研究和系统应用中有极高的价值。虽然RFA已经商用,但仍存在如超宽带、高阶拉曼效应等诸多值得深入研究的内容。早期关于高阶RFA的研究,打破了传统RFA的噪声极限,但尚未成熟、走向应用。本论文集中研究高阶RFA和相关的数学建模,研究高阶RFA的噪声、增益和带宽等关键性能,并对其应用展开研究。其主要研究内容和创新性成果如下：(1)研究了高阶自发辐射的机理,针对有效模场面积在高阶泵浦范围不再是常量的情况,对高阶RFA的数学模型进行了修正,并提出了一种基于矩阵形式的变步长龙格库塔法来求解拉曼耦合方程,可有效降低其算法的复杂度、减小运算时间。利用该修正模型求解,得出结论：高阶斯托克斯线可以作为高阶RFA的泵浦源。...&
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构建与特高压输电网相配套的长跨距无中继光纤通信系统对我国特高压电网的安全运营具有重要意义。本文在概述了无中继光纤通信系统的国内外研究现状和关键技术的基础上,主要进行了如下工作:基于功率预算的简单原则,给出了不同速率不同跨距下无中继光纤通信系统的设备配置方案;基于拉曼放大器的半解析模型,模拟分析了拉曼放大器结构参数与其性能参数之间的关系;基于遥泵放大器的数值计算模型,模拟分析了遥泵放大器结构参数与其性能参数之间的关系。论文给出的无中继系统设备配置方案为电力长跨距无中继光纤通信系统的实际规划提供了参考依据,论文给出的拉曼放大和遥泵放大单元的模拟分析结果为电力长跨距无中继光纤通信线路性能的优化提供了理论依据。&
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随着人们对通信速率和通信容量需求的不断增长,光纤通信技术得到了长足的发展,密集波分复用技术得到了广泛的应用。作为光纤通信系统中重要组成部分的光放大器也需要新技术的出现和发展。目前技术比较成熟的EDFA已经逐渐达到其性能的上限,不能满足大容量、宽带、超长距离传输系统的要求。光纤拉曼放大器具有优越的低噪声性能和宽带增益,可以解决光网络的传输损耗问题,提高光网络的传输容量,并且有助于更加充分合理的利用带宽资源,因而成为目前光通信中的一个研究热点。本文首先简要概述了光纤通信和光放大器的发展现状,比较了半导体光放大器、稀土掺杂光纤放大器和非线性光纤放大器的特点及应用,介绍了光纤拉曼放大器的发展历史和应用前景。然后研究了拉曼放大器的基本原理、结构、泵浦特性和噪声特性以及对系统性能的改善。本文的主要工作是研究多泵浦光纤拉曼放大器的数学模型、数值算法、增益特性及优化设计等问题。多泵浦、多信道的拉曼放大器仿真模型是比较复杂的,由包含多泵浦、多信道...&
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当今社会已经进入了信息时代,光纤通信系统是信息社会中各种信息传送的主要工具。随着视频业务、云计算业务和移动宽带业务的快速发展,人们对带宽需求量越来越大,亟需提高光纤通信系统带宽和容量。光纤通信系统的带宽和容量主要受损耗、色散、非线性效应等相关因素的影响,这些问题可以通过调制编码技术、FEC技术、RAMAN放大技术等手段来解决。本论文在研究了光纤通信系统中的编码调制理论和实现方法基础之上,重点研究了网格编码调制(TCM)和低密度奇偶校验编码(LDPC)相结合的级联编码调制方案以及增益谱优化的拉曼放大技术。论文的主要创新工作如下:(1)研究了网格编码的调制技术,提出了星座映射、子集分割、子集译码以及整体的维特比译码方案。设计了 16QAM、32QAM以及TCM-32QAM等不同调制格式的编码方法,仿真分析了其编码增益和性能。(2)研究了低密度奇偶校验编码(LDPC)的原理、编译码方案及实现流程,分析了不同码率的LDPC-BPSK以及...&
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光纤通信的现状及发展日期：
林金桐教授，是北京邮电大学校长，博士生导师。长期从事光通信工程、高速光通信系统、宽带光纤接入网等方向的研究和教学工作。为光通信前沿课题组学术带头人，中国通信学会国际学术交流委员会副主任，全国高校工科电子类教学指导委员会专业组副主任委员，北京信息通信学会副理事长。 我们节选了北京邮电大学校长 林金桐老先生的一段课程，希望能给大家一定的帮助 光纤通信的现状及发展主要介绍三个方面的内容：第一是，回顾光通信发展的里程碑；第二是光通信的复用技术。WDM/OTDM/OCDMA；第三是光通信的网络，智能光网络，光接入网技术，全光网。特别介绍中国电信、中国网通的光通信发展趋势以及移动通信问题。一、 光通信发展的里程碑光通信应该从哪里开始呢？1966年一位中国学者高琨在英国提出一个命题。他当时提出的建议说，如果我们制作光纤能够使它氢氧根离子比较少的话，光纤的衰减是可以比较小的，是可以作为光通信的。在他以前人们讨论光通信时都很复杂，现在想起来都很可笑的。做一个玻璃管里面镀银，光在里面反射，这样送光，没有一个光纤的概念，是高琨博士提出光纤的概念，我们想到人类历史，三个国家很重要，就是中国、英国和美国。中国是对农业文明有杰出的贡献，英国是对工业文明有杰出的贡献，而美国是对信息革命有杰出的贡献。中国那时很强大，就是中国在农业革命技术领先，发明创造非常多，如水稻、茶叶、蚕丝。英国在工业革命方面的发明创造非常多，蒸汽机、火车、汽车、轮船，这些都是英国人发明的。信息革命开始你可以看到大多数都来自美国，电报、电话，然后是各种各样计算机、半导体、集成电路，都是在美国那里发明的，因此他现在耀武扬威，因为他掌握最新的技术。很高兴1966年光纤就开始重新有我们中国人的名字。他后来到香港中文大学当校长，高琨博士已退休，现在香港一个网络公司任顾问，他也是北邮的名誉教授，常到北邮讲学。他提出，如果光纤做的好，20 db／KM是能够实现的。这个设想用了四年时间，康宁公司就做出来了，20db／KM，现在就更不得了了，衰减很小很小，到1978年一共用了12年的时间，美国就真的使用了，光纤的通信系统就实现了。80年代就用单模光纤，80年代后期1.5微米的色散位移光纤就有了，1988年SDH的标准就出来了，1987年英国南普林斯大学发明了光纤放大器，我自己很荣幸参加了这个工作，在南普林斯大学工作了五年，参加了激光器和放大器的发明过程，到90年代中期就开始利用光纤放大器来建造WDM的系统。美国的AT&T投入了历史上最大的一笔钱，投资改造美国所有的光通信网络，WDM就是波分复用技术，光纤传输系统的发展，从此就可以使用了。1970年美国corning公司研制成功了20 db/km 光纤。 图（1）大容量光传输系统的发展图里面看得非常清楚，以前都是电的，叫时分复用，速率一点一点高起来，从140、400、810、1.6G、2.4G、10G这样起来的，而90年代使用的光通信系统走了另一条更快的速度，就是用了WDM波分复用系统，目前我们很容易做到6.4KG／bit这样一个速率。海底光缆我们用的是比较低速率的280，比如在太平洋海底80年代用的是280兆，到了90年代，自从有了WDM系统，光放大的系统以后，我们可以在这个已经投入使用的每一个波长用的是10G／bit ,用了16个波长,在光缆里面用了四根光纤。现在从中国打电话到美国，一接就通，就是容量够了，在太平洋、大西洋海底，光缆的容量已经足够，连接两个大陆的通信容量，但是在80年代打电话有时老打不通，就是因为容量不够。如果我们比一下，从280兆到现在乘16再乘4，这是千万倍的增长。我们研究光通信几十年，实际就研究三个问题，一个是衰减的问题，就是光信号进来的时候大，慢慢就小了，就是有吸收的、有散射的，有缺陷，把光跑掉了，这是要研究的第一个问题，目前还在研究，就是让它衰减越小越好；第二个就是色散，进来的很好的很规矩的波形，光的脉冲，到出来的时候就展宽了；第三个，进来光的波长频率还是很纯的，但是传输以后就出来别的频率了，这个别的频率如果可以滤掉一个频率那也罢了，不影响通信，问题是这个频率产生是这两个频率混合的结果，我们担心的是在接收的时候有别的频率进来就串话了，我们把这个叫非线性。因为我们在大学物理、中学物理里面讲光的特性时没有这个非线性，绿的光和红的光是不相干的。但是在光纤里如果越来越长，让两个频率差不多的光一起走的时间很长而且功率很大——因为我们现在用的是单模光纤，光的能量很集中，在这时产生的效应叫光的非线性效应，他们会在光之间有混合，我们在光学里面叫四波混频。这些都是光学研究的问题，一般的大学物理就不谈，但是我们光通信现在就碰到这样的问题，所以我们研究的是三个问题，一直到现在也是这三个问题。解决了这三个问题，光通信就更发展，容量就更增加。当我们刚开始研究光通信的时候，我是第一拨研究生，跟着叶培大教授，我们研究的波长是0.85微米，在这个位置上，它的衰减很大，但是我们发现，有一个地方衰减就比较小是1.3微米，这是我们第二个窗口，这是80年代用的窗口，我们还发现1.5微米时衰减更小，小到0.2db／KM以下，高琨博士讲20db／KM，现在是0.2db／KM，100倍。他是科学家，提出的是一个方向，工程师们把这个衰减越做越小，我们现在可达到的水平是 0.2db/KM以下，我们在这个区域工作。光纤放大器的功劳就在于，我有一个放大器，只要你落在这些位置的波长，我都可以给你同时放大，因此你可以波长复用，波分复用就在这里，你只要每一个信道用的是在这里的红的里面一个一个的波长，是分隔的，经过这个放大器时所有的频道我都给你放大。因此我们在做光通信的时候，不仅仅是一个波长，而是这么多波长一起放大，是在一个单模光纤里面走，这个贡献人们称它为革命性的贡献。而且现在我们全国的很多线路都采用了WDM的技术，美国全国的线路已经全部改造成WDM的技术。 图（2）光纤中的色散（衰耗，所有光钎类型，标准单模光纤，非零色散位移光纤，淘汰1385nm波峰，色散位移光纤）色散的图形我们用了这样一个图来介绍，就是标准的单模光纤的色散，0色散点就是1.3微米的第二个窗口，色散是最小，也就是一个脉冲走到远端的时候，它的形状保持的最好，如果你用不同的波长，它就会变成一个具备-10皮秒／纳米／公里的色散，因此一个脉冲到了那头可能变成这么宽的脉冲，这样一来，就减少你的通信容量。80年代有一个课题，研究生做的，教授关心的，就是把这根线（红线）能不能挪到这边来，因为我们想用1.55这个波长来做光通信，但是如果1.55做光通信的话，色散在这个位置上，将近20皮秒，我们希望把这根红线挪成这根紫线，所以这根光纤我们叫做色散位移光纤，就是把色散从0点挪到了1.55，叫做DSF，在埋设光缆的时候就是要考虑这一点。由于光纤放大器的发明与波分复用技术的采用，因此又出现一个问题，如果色散真是0点的话，那么四波混频产生的非线性效应就非常强，所以整个概念上我们又有一个研究题目，就是色散不能失灵，就好像两个人走路一样快，老讲话，你们的思想交流，就慢慢影响，如果走的有快有的话，你们的影响就比较少。因此90年代就出来一个研究题目，叫做非0 的色散位移光纤，大家觉得用这样的光纤，非线性效应可以抑制一定的程度，而色散并不很大，这是最好的一种方式，因此国际标准就出来了。如果你真的要用波分复用系统的话，最好用这种光纤。用绿线代表色散的光纤，红的这根虚线是衰减的损耗曲线，1.3微米的地方有一个比较好的点色散比较小，1.5的地方也有比较小的色散。当年高琨博士60年代研究的问题就是这个峰是谁吸收的？怎么出来一个衰减呢？是氢氧根离子吸收的。他那里有一个振动的谱，就是吸收这个光，取得这个能量。现在没有水的叫做零氢氧根的，光纤也在研究当中，级别上能够研究成的话，我们就可以用波分复用的一个范围。一根光纤里可以送的光谱很多，所以有人说，光纤传输的带宽是无限的。虽然有的夸张，但是是真的，真的是有无穷大的容量。也有人说传送是不要钱的，埋了一根光纤你就随便用，从1.3到1.6所有的波长都可以用。如有一个放大器把你的波长都可以放大的话，在一根小小的光纤里它可以容纳的光的频率是多得不得了，所以说带宽是无限大的，传输是不花钱的。电信公司怎么赚钱呢？后面要讲到，网络利用时要有新的办法，要把波长租给别人。总结一下光通信是怎么进步过来的。光源：发光二极管频谱比较快，色散会比较大，到激光器（雷泽激光器）到半导体激光器然后到单频激光器，这里还有多个模式的，再发展到现在可以调的激光器，因为我们要波分复用，在这个波长上，如果这个信道从乌鲁木齐到西安，用了五个波长，但是到兰州我停下来一个波长，从兰州到西安要上一个信道的话，激光器是换呢还是用可调的方法让它的频率动一动？我们现在采用的方法是叫频率（光波长）动一动，这个信道我可以用别的方法控制另一个信道，这叫可调的半导体激光器。现在这是一个大的题目，也有进展。光纤：光纤是从多模光纤到单模的光纤，单模的光纤没有色散，色散很小，使得容量增加的很大，到色散位移光纤，从1.3的窗口挪到1.5的时候，色散必须位移，这个光纤是在80年代解决的问题，到90年代我们用波分复用的时候，不需要0色散而是非0色散，非0 色散光纤是90年代的光纤。后来又有一种光纤，简单讲一下，如果1.3已经埋在地下了，我想新疆大部分是1.3的光纤，但是我要用波分复用的系统，改进这个光缆，把这个光缆全部拆掉，又有一种新的光纤不用拆，我给你一个色散补偿光纤，你用1.3 是有色散，我用1.5的波长有色散，但是信号到达终端时，我给你补偿回来，原来是正色散的我给你负色散，因此又发明了色散补偿光纤。这种色散补偿光纤在哪里用的，当你要用原来的1.3微米光缆系统，把它改进为1.56微米的光的波分复用系统的时候，我们再在后面使它再把这个光纤色散补偿过来，因此我们原来的一个光缆就可以用一个新的波分复用网络，我们需要改进的就是加色散补偿光纤。波长：光通信的进步是从0.85微米到1.3微米，再到1.55微米，再进展到WDM1.55微米附近的这个波分复用系统。将来还要向长波和短波长的波段继续拓展。速率：我们的速率从几兆（第一个光通信系统是8兆，两个电话局之间），现在是千兆，G、T，提升了百万倍，甚至于更高，10G、100G才是我们的目标，兆到千兆再到千千兆，这样一个速率是一个进步。调制：非归0码的调制，将来和现在已经开始转到归0的内调制，逐渐变到外调制。也就是激光器给我发脉冲就行了，至于脉冲怎么走，我有一个信号来调制它，我是在外头调制。目前大部分光通信系统都是内调制的，给你一个电流你就给我光，没有光就没有功率。将来发展的过程是要归0 ，然后是外调制。应用：更可以理解了，我们从语音的应用，电话、到IP应用到多媒体应用，光通信是从主干线逐渐向下面推广，接入网光通信用的也越来越多，当然移动和无线是一个很活跃的领域，光通信有没有可能到用户家里。二、 光通信复用技术.下面介绍一下WDM波分复用技术。我们在讲复用的时候，一根光纤里面，用各种各样的技术使得光通信的容量越来越大，其实就是复用，波长复用是指一根光纤里面走很多很多的波长，每一根波长到了那头把它分开就行了。这在高中物理里就知道怎么分开了。三百年前，牛顿就知道，赤橙黄绿青蓝紫，用一个三角形棱镜就行了，就分开了。现在道理完全一样，很多光进来了，一个一个不相干的，大家走大家的路，到那边只要分开就行了。一分开，不同的路就采纳不同的信息，这时走的是一根光纤，这就是波分复用的一个概念。但是问题在于我们以前的系统，光的和电的中继系统，必须把光的信号变成电的信号，电信号再整形、定时、再放大，然后再变成光信号，它走不远，没法放大，这个过程当中波分复用给卡住了。每一个波长的光必须有一个自己的中继器，如果用一个自己的中继器，不同的光波长到这以后分开来中继放大，这时成本不合算，如果这样还不如采用别的方法来扩大容量，仅仅是因为有了光纤放大器以后，才有这种可能，所有波长的光在我这个放大器中同时被放大，因此，从乌鲁木齐就一直传到北京，波分复用系统就可以采用。，如果没有光放大的话，不可能实现。我们在这里介绍几点，一个介绍原理，一个介绍波分复用系统，然后是非线性、其它新的元器件、新的核心部件，要组成一个网要有很多部件才行。 图（3）掺铒光纤增益谱掺铒光纤放大器有一个增益谱，如果原来信号是这么多，我可以增加30db，把铒离子掺在石英玻璃里面，它就会有这个特性，信号进来以后就可以放大，而且发现谱比较长。第一批发明是在英国的南普林斯大学，1985年开始做，1986年有一些成果，我们有三篇文章投到美国的KELIO激光会议，他看这个组有三篇文章讲这个问题，他马上把级别提高，特邀你们做报告，就讲你们这个研究，一般的报告是八分钟，我给你二十分钟，讲完之后大家就知道掺铒有这个特性，而且能够产生激光。既然能够产生激光就能够放大，从那时起全世界大量的人力物力就投入掺铒激光放大，有了大量的人力物力财力投入以后，到了1991年真的演示光的放大器就出来了。我在那里留学本来一年两年就回国，当时一个石油公司投资的，他们决定向光电子领域进军，有一部分资金挪到光通信领域来。当时条件就是推迟几个月。发表文章告诉我，他就给钱，因此我后来就又留在英国继续做了。有了这么一个曲线以后，使得我们后面的工作就有了方向。如果把掺铒光纤放在这里，能量不会产生只会转换，能量从哪里来，有一个叫PAOTU光，用0.98微米的一个激光器给他供应能量，使掺铒光纤放大器有能量的储备，然后1.55信号光从这里走的时候，放大的是这个信号光，因为谱比较宽，所以进来的光出来时都放大，如果是30db 就是1000倍，这个器件发明后，波分复用就开始应用了。波分复用很简单，就是不同波长光经过电信号调制在频率不同的波长上，不同波长光统统进到耦合器里来，让它变成一个光纤，这些器件都已经完成了。比如最简单的就是把几个光纤拧在一起，然后拉长。光有个特点，一拉长光就往外跑，互相往外跑时就走到一根光纤里来了，这叫新型耦合器，这都是有我们成熟的技术的，这是WDM的基本原理。到那头又要把他们全部分开，把光分开也有不同的办法。原来是一种1.31的系统，必须经过40公里在这里有一个中继器，把光变成电，再进行放大、整形，再变成光走，不同的光波长只能走一个，调制的速率不能透明，这个中继器就是为140兆设计的，变成550兆、2.5G的时候就不通过，因为电信号就是这么设计的，你要升级必须把所有的东西都铲掉。 图（3）掺铒光纤增益谱掺铒光纤放大器有一个增益谱，如果原来信号是这么多，我可以增加30db，把铒离子掺在石英玻璃里面，它就会有这个特性，信号进来以后就可以放大，而且发现谱比较长。第一批发明是在英国的南普林斯大学，1985年开始做，1986年有一些成果，我们有三篇文章投到美国的KELIO激光会议，他看这个组有三篇文章讲这个问题，他马上把级别提高，特邀你们做报告，就讲你们这个研究，一般的报告是八分钟，我给你二十分钟，讲完之后大家就知道掺铒有这个特性，而且能够产生激光。既然能够产生激光就能够放大，从那时起全世界大量的人力物力就投入掺铒激光放大，有了大量的人力物力财力投入以后，到了1991年真的演示光的放大器就出来了。我在那里留学本来一年两年就回国，当时一个石油公司投资的，他们决定向光电子领域进军，有一部分资金挪到光通信领域来。当时条件就是推迟几个月。发表文章告诉我，他就给钱，因此我后来就又留在英国继续做了。有了这么一个曲线以后，使得我们后面的工作就有了方向。如果把掺铒光纤放在这里，能量不会产生只会转换，能量从哪里来，有一个叫PAOTU光，用0.98微米的一个激光器给他供应能量，使掺铒光纤放大器有能量的储备，然后1.55信号光从这里走的时候，放大的是这个信号光，因为谱比较宽，所以进来的光出来时都放大，如果是30db 就是1000倍，这个器件发明后，波分复用就开始应用了。波分复用很简单，就是不同波长光经过电信号调制在频率不同的波长上，不同波长光统统进到耦合器里来，让它变成一个光纤，这些器件都已经完成了。比如最简单的就是把几个光纤拧在一起，然后拉长。光有个特点，一拉长光就往外跑，互相往外跑时就走到一根光纤里来了，这叫新型耦合器，这都是有我们成熟的技术的，这是WDM的基本原理。到那头又要把他们全部分开，把光分开也有不同的办法。原来是一种1.31的系统，必须经过40公里在这里有一个中继器，把光变成电，再进行放大、整形，再变成光走，不同的光波长只能走一个，调制的速率不能透明，这个中继器就是为140兆设计的，变成550兆、2.5G的时候就不通过，因为电信号就是这么设计的，你要升级必须把所有的东西都铲掉。 图（4）掺铒光纤放大器（EDFA）（掺饵光纤，光信号，甭浦激光器，光隔离器，输出，择波耦合器，剩余甭浦）自从用了光放大器以后，升级就比较简单。我们现在的系统就变成这样，放大器埋在海底下就别动了，它的寿命到了你就换，寿命不倒你就一直用下去。而很多的波长同时进来，从这里走过去，把很多的波长分开以后，各走各的，这样一个系统很明显，是一个先进的系统，这就是我们中国光通信正在建设的一个系统。美国是90年代后期，投了大量资金已经改造好的一个系统，那时我们把它叫做下一代，对我们中国来讲，也可以称为下一代光通信系统。关于非线性效应不多讲，理论性过于复杂，大家更多的知道一千瓦／公里时，非线性效应就比较明显，就是它的功率×距离，（一千瓦／公里），非线性效应就必须考虑。刚学光通信的时候，只考虑色散和衰减，没有想到这个问题，就是因为更突出才有了波分复用系统。从乌鲁木齐到法兰克福是几千上万公里，而且功率是越来越大，因此非线性效应就越来越明显，不得不考虑。所以有一些新的考虑，由单模光纤、色散位移光纤，又非0 色散位移光纤，色散补偿光纤。非0 色散位移光纤，在2000年左右，不同的公司生产了不同的光纤，这些不同的光纤都在推销它的市场，相信，在最近几年还会考虑采用非0 色散光纤铺设。新疆的网会碰到的这样问题，到底采用什么样的光纤来改造光通信网络。光纤放大器当初色散是1.53－1.56，30纳米这样一个范围，这是南普林斯大学最初的贡献。现在我们在不同的领域都可以放大，这是最近十年光电子取得的成就，这个放大可以拓展一点，加上不同的材料连起来都可以放大。因此要波分复用的话，给你放大的复用器件都准备好了。我们把80年代后期发明的光纤放大器叫做常规的波段，叫C波段，把长一点的波段叫L波段，比较短，短波段叫S波段，再短一点的波段叫S+波段。最近几年研究并没有停止，而是在不断进步。另外还有一个放大叫拉曼放大，拉曼是一个过世的科学家，他早就知道有这种放大效应，它放大的区域就更广，在整个的区域里都可以放大。有人会问，既然当初就知道这个放大，为什么开始研究的是掺铒放大，这些都是受技术的影响。拉曼放大要在很大的预制功率底下才能够得到放大，这个预制功率要百千万瓦，而我们前面几十年做不出。一个半导体激光器来产生一瓦十瓦的，都是毫瓦级的。现在光电子的器件也在逐步进步，现在可以做出100瓦的半导体激光器。如果要用固体激光器来做光通信，根本不行。当你的激光器的水平到了那个时候，人们就开始考虑用拉曼放大，拉曼放大也是很多公司投资研究的放大器。因此我们讲，第一个光通信窗口是0.85，第二个窗口的1.3，第三个窗口是1.5，第四个窗口向外播也是可以有80个信道，在这里可以有460个传播的信道，第五个，如果我们把这里的光纤衰减拉平了，如果我们能找到放大的设备，光通信都可以做波分复用。我们用比较干燥的办法制造光纤，因此衰减曲线拉平了，而放大器件又找到了，光通信就可以有非常宽的波段，甚至于又出来第四个窗口。拉曼放大器已经有很多实验，不多讲。请大家记住，要放大必须给能量。他的放大是宽幅的，拉曼式的放大，这个实验给了C波段有6db的增益，L波段有5db的增益，这是实验的结杲。 图（5）WDM系统第四和第五工作窗口向大家总结一下WDM的技术，从前几年到去年的水平，到5.12 阿尔卡特，这样大公司做出了几个传输系统都是轻而易举地，没有问题。实际上是市场需求决定的。比如日本富士通用了211个波长，在一个光纤里面走，每一个波长是10G，因此他传输的是7200公里，要在全国用我们的通信容量是多大。经过传输以后每一个波长211个波长，分别放在L波段、C波段，这些元器件都是有一定的集成度的。如果211个不同的半导体激光器分开做的话，那就麻烦了，因为激光器的波长要飘，因为温度的不同它要挪，这时混在一起就分不开了。 图（6）211个波长经过7,221km传输后光谱 在国家863计划里，希望半导体研究所的人做出这样的器件，这些器件发出来的光进了你的光系统能不能分开，光通信系统的色散非线性效应能不能处理，不同的领域都有不同的题目在做，研究生就是干这些的。我们要组成波分网络，它的主要器件有这些，第一个传输技术里要有一个耦合器，或者合波器、分波器，有时都叫着耦合器，有很多波长的光能不能把它并成一个波长在一个光纤里出来，一个光纤里面传输的很多波长能不能分开？我们国家的经济发展很快，但是我们的高科技公司哪一个具备自己知识产权，能够生产这些东西的公司很少很少，或者说没有。当中国各电信真的要大规模的铺设WDM网络的时候，而且是用光的办法来解决的话，这些器件都不可少。第二个器件是宽带放大器，前面讲得比较多，第三个器件是光的分叉复用器（OADM）。很多光的波进来以后，能不能想加一个就加一个，想让某一个波长下来就下来，这里头组织的结构是什么，用什么样的原理？这就变成一个很关键的器件，但这个关键的器件没有中国的公司能做，我们有三五年的落后是必须承认的。第四个是更复杂的一个器件，光的交叉连接，很多光都在一个单模光纤里进来了。在乌鲁木齐这里，有很多进来的口，欧洲过来的，北京的、兰州的都在这里交汇，还有我们内部伊犁的、阿克苏的都在这里交汇的话，有没有可能几个波长的光都传输到某一个地方去了，这个叫交叉连接。这个用什么办法来解决？很难。当WDM一提出来，当90年代国际上大的电信公司网络都变成WDM网络时，这些做器件的公司马上就上来了。光交叉连接的元器件还都在研究当中，有少量的产品可以用，但是因为生产量少，所以价格都是很昂贵的。比如说，现在有一个动态光的分叉复用器，可以使一路输入光有32个信道进来了，可以叫它下载第三个频率，第五个频率，第十五个频率，十六个、十八个、十九个频率，下来六个波长，在兰州就下来了，还有二十六个继续往乌鲁木齐送。如果在兰州给乌鲁木齐一个信号一个第十六个波长，就从这里进来就是了，这种叫动态的光的分叉复用器。 图（7）OADM功能描述 还有一种器件是可以调制的一种滤波器，因为我们在将来的网络里面，可能要挡住一些不同的信号光，叫滤波器，这种滤波器也有一些产品，使用铌酸锂材料做的产品，这些器件也是在大学里、研究所研究的器件，为了将来能在全光网络里应用。比如说，列阵波导也是这样一种器件，这个叫微电子机械系统，也是作为光交叉连接的一个侯选器件，因为现在还都是实验的网络，没有真的网络在用。如果真的网络用的话，那它就是很有生命力的期器件。我们在讲光开关的时候,都是一般指用不同的方法使得光进行开关或者有或者没有，这就叫光的开关。还有一种叫光子开关，用光来控制光，这是很难的一件事情。因为光纤的传输不可能一直是直线的，它要拐弯，这个任务就由微电子机械系统（MEMS）来完成，让一束光按照我们的要求拐弯，办法是用一组镜子进行反射、抵射，即是用机械的方法进行交叉连接，这是现在所想到的最好的办法，因为单模光纤是微米级的，镜子的反射稍有偏差就将无法接收，所以精确度必须很高很高。举个例子，一个电棒打出去，谁能用光的办法叫光拐弯，一个光笔一指就直射出去了，谁能用光的办法叫这个红光拐个弯？研究了几十年没有实用的东西，现在最笨的办法，也是目前可能是最好的办法，还是用机械的办法，但是这个机械要加上微小这个字，还要加上用集成电路，还要有非常精密的仪器来驱动它。现在国际年会已经来了三、五年了，每年还在开，就是在研究这些东西。听起来很可怜，光通信那么先进，怎么还用机械的方法来做，没有办法，现在想到的最好的办法还是这个，有些产品也是非常昂贵的，学校里做科研买不起这些东西。所以这些器件都是我们将来的侯选器件，都是在研究过程当中，包括朗讯公司都提供这样的产品。都有一部分科学家和技术人员在研究这些东西，但是今年是不是上市，明年是不是已经有中国电信就决定用，很难做决定。难就难在，到底买不买，到底建不建，对于老师和研究生来讲，反而简单，告诉你性能是什么，好处在哪里，一篇文章就发表出去了，但真正难的是商业上到底用不用。
图（8）阵列波导（AWG）：全光网络侯选器件 我们作了分叉复用器以后，已经有比较成熟的产品，就是这样一种产品要有四个波长下来的话，波分复用系统到了这个节点的时候就把波长全部分开，我们想叫它下来就下来，新的波长也通过这个开关送上去，送上去是信号在这里放大以后同时并成一路到一个单模光纤继续往前走，分叉复用器就解决了这个问题。我们需要两个器件，一个是可调谐的滤波器，另一个是可调谐的激光二极管，调制电信号使得发的光受到我的调制。将来的网络就是，在长距离的光波传输网络里，如果将来用光的交换的话，用的就是交叉连接。有了分叉复用器把波长分给了某一个小区，这个小区，支持这个系统，支持IP，支持SDH，支持AT这样一种网络采用了光的分叉复用器，采用了光的交叉连接，来构筑WDM的一种设想。我们现在可以供应OXC光的交叉连接，光交换逐渐逐渐采用，放大的波长可以到160纳米，前两年是40、60，现在是160， 总的速率可以达到1.76db－6.4db。光的交换和光的路由器在十年应该可以使用，光的信号处理，要能够更多另外一个功能叫3R，目前还都在研究的阶段。WDM技术发展的趋势，就是这样一个趋势，将来全光网络，能够实现是时间表，我们定在2010年。
第二个复用技术是时分复用技术。我们讲归0 码，就是归0 以后，这块都是它的信号时间，但是没有信号，我们就利用这样的归0码能不能在这里插入别的信号，如果能插入，红的是红的信道，蓝的是蓝的信道，在这里传送的信息就多了，在电信号里叫时分，在光信号里用光的脉冲把它插进去。重要是在终端要把它分开，红的归红的去检测，变成电话，电视，重新解码，蓝的就是蓝的，粉的就是粉的，这个过程当中就叫光的时分复用。这个信号它的好处在于单波长。另外带宽是按需分配的，不用时就不用送这些蓝的粉的，送红的就够了，如 图（9）OTDM技术的基本原理?????? 单波长工作 简化网络 带宽按需分配 分组交换和路由 统计复用 数字再生 果需要蓝的信道就上去了，它可以便于分组交换和路由，这是波分复用最大的一个好处。统计复用是指不同时间时速率到底应该多大，便于数字的再生，这是它的优点。跟光通信一样早就有人预计了，1966年我们讲光通信时，大家就说了，将来的光通信应该是光的时分复用，但是那时还没预计到光的放大器在90年代真的投入使用了，即使光的放大器投入使用后，OTDM的研究也没有停止，比如北电前年就做到2.56的OTDM和WDM的混用的，32个波长的WDM，两个信道的OTDM，一共做到了每一个信道是40G，做到了2.56db/bit，120公里。对于OTDM的网络，也有很多在做，麻省理工、DEG公司这些公司、普林斯顿大学都在做这些网络， 英国电信也在做这些网络。有可能将来主干线上是WDM。我这个研究组也做OTDM 的研究，就是光的时分复用的研究。国家原来863的一个重点题目。我们做到100G，很难买到光端机是100G，40G也是很贵的。但是用光的时分复用就很容易做到100G，我们学校研究生就可以做到100G，863验收还是优秀通过课题。有可能的一种网络设计在主干线上都是WDM，波分复用的。到了城域网，100万、200万人口的城市范围的网，用的是光的时分复用技术。当已经学会路由的话，计算机之间的工作是最方便的。大家可以设想，如果波分复用的话，海量的运算，比如伊拉克战争要送到美国的情报，如果流量太大，大到10G以上，40G以上，用波分复用送，它的时序就变了。光的时分复用就没有这个问题。先在序列上排好，很容易做到120G、160G。实际波分复用不能完成的事情就应该在时分复用里完成。所以计算机和计算机之间的这种并行的计算，有可能需要OTDM来组成本地的一种网络。所以人们设想，OTDM交换的主干网可能在城域网里实现。OTDM潜在的网络，比如超级计算机。如果这里是中央军委，那里是参谋部，计算机都是并计算的，采集的数据、轰炸的结果、采集的结果、卫星拍照的结果，总的运算都是海量的运算。在军事上，是很大量的信息。如果时间是错开的话，计算机是很不愿意接受这样的信号的，这时需要数字光的信号，OTDM是一种解决的方法。所以把它连成网，计算机共享，主干线上的连络，用光的时分复用，所以它是超级计算机的应用。HD高清晰度电视的信息量比较大，视频会议以及虚拟现实也都是需要OTDM的一种信号。比如虚拟现实，信息量很大的一种拳击游戏，我一拳打过去，真的把你打到没有，这种信号要很短时间要进行处理，图像要很逼真，这个过程中，假如时序变了，用波分复用来传输，就解决不了这个问题，这个游戏就无法作了，结果你没打着我，我就倒下了。电视机就没法在远程做游戏了，这时就需要潜在的一种应用，OTDM的应用。目前向大家介绍最近十年OTDM的容量增加了100倍，已经有商用的（北电的）可以提供80G的OTDM系统，加了波分复用办法以后给你提供商品。OTDM潜在的容量一个波长就达到7bit，用光的电信号来调制绝对不可能，因为电信号有一个器件的反应速度，不可能那么快。未来全光网络的有一部分技术，肯定是在OTDM的技术基础上。这也是OTDM的一种复用的技术，目前运营商还很少考虑这些问题，这些问题都限于大学和比较有钱的运营商附属的一些研究机构在研究这些问题。另一个问题是码分多址的问题，用光的码分的方法也同样可以达到多址的效果，在接入网的系统里可以用这样的方法。它的优点是实现了异步的接入网，什么时候发信号都可以。现在有一种接入网APANG，是无源光网络，它的时序是不能颠倒的，不同的点到了某一点时间上都是很准确的，因此测量距离是很重要的，从这个点到节点，测量多少距离，光走了多少时间不能掺和在一起，不能误码。OCCDM的办法就是可以异步兼容，方便，它共同享用了一个带宽的资源，光信号的资源只有一个，都在这里调制就行了。由于编码保密，光通信、密码又保密，它有保密性，多用户容量也是可观的。现在宽带是10兆，做游戏、看电视都够了，看压缩以后的高清晰度电视也够了，10兆可以调节的范围多了，就编码。在10兆（一个bit ）我自己规定，比如新疆电信收信号的码有24bit ，8，15，17，24是我的，通信管理局用的是2，10，13，18，19这五个码，如果序列是这样的码，一看就知道是电信的，如果是刚才那个码就是管理局的。在接收信号时，所有信号都收下来，这就是码分复用。现在中国联通要推的无线信号就是这个原理。发送的和接收的只要有一个编码器，一个匹配的解码器，就完全可以变成多址的方法。编码方法比如时域的，直接扩频调制的方法，相位编码也可以，频率编码也是可以的，混合编码也是可以的，这些编码方法也是在研究过程当中，每年的国际会议都在讨论这些问题。意大利的学者在十几年前提出这个问题，现在都开始研究，我这个组里也有两个博士生和三个硕士生在研究，也希望在北京电信做一些试验，但是在小区用什么样的方法是一个比较难的决策，都比较慎重。运营商用这个方法到底合不合算，效益好不好，这是比较复杂的市场问题，我们的讨论只是提供一个技术上的考虑。关键的问题是地址码要编得好，要用的多的话，不少于24bit/s,而是32bit/s, 64bit/s，128bit/s，甚至更高，越高越不能解码，越高容量越大。第二个关键是编码解码器要作好，多址的干扰要考虑到，因为用户多的时候也会有干扰，网络的结构和协议还在讨论中。OCDMA是现在讨论的热点之一，什么时候采用还要看技术的发展和市场的需求。信号进行调制就是，有信号以后，再在光上编码，以后把信号编到这些码里去，在整个网络上进行传输，在这里测得光是很乱的，但是要用一个匹配解码器，就变成两个信号，其它的都变成可以抑制的信号。我们希望用光的办法用空间的办法来调码解码，这样保密性更好。当检测到光变成电了，要接收的 图（10）非相干OCDMA系统码就是这个，但是在当中传输的时候很多混在一起，这是码分多址接入的概念。最后讲的复用技术是偏振也可以复用，光的偏振是讲，光是一种横波，两个偏振方向是可以复用的，这都是有实验支持的，真的要建立这个系统，有的公司给你解决技术问题，使用光的偏振来解决，最好在传输网上要偏振的保时光纤，要保持这种光纤走了几百公里不要有旋转，不要有互相耦合，这个用保时光纤的办法就可以解决了。三、光通信网络1. 智能光网络技术现在WDM网实际上存在不能动态交换，网管是混在交换机的接口，我们希望达到智能网络是能够自动发现，从哪里走比较好，在哪里加波长，在哪里增加通道，要有自动发现。第二是快速的光连接要能建立起来，动态的路由功能要能够实现。如果克拉玛依事业发展了，要新疆电信多给他2.5G的通路的话，要通到上海或香港，估计中国电信没有两个礼拜解决不了，因为现在没有代替交换的功能。要实现这个功能需要加很多设备，要有新的协议。智能网络的优点是，可以支持动态的分配，提高了网络的灵活性和生成性，降低了网络管理的成本，形成网络的互通和拓展能力，保护和恢复也有更多的能力了。这样可以全方位提供业务，把服务的等级区分开了，这种管理学也是一个非常重要的理念。现在有三家在做这个事，ATU在做标准的，他提出的目标是自动交换光网络（ASON）。IETF是因特网国际上一个最大的组织，他们提出了GMPLS的体系结构，多协议的标记交换MPLS，G是一般的总体的意思。OIF是标准化的组织，他在规范用户网络接口、网间的接口的具体实现。ITM论坛提供一些建议，这三家最后完成一个标准，来实现智能的光网络。高层次的需求是ITU做的，G805组已经作了结构的标准，G8080的标准已经出来了，在我们的需求上已经有很多连接路由的东西都有一些不同的标准。至于协议的方法有ITU公布了标准，如果厂商想生产，已经有标准；如果运营商想购买，可根据标准检验是否达到标准。有了这些器件，有了这些设备，构筑智能光网络就有可能。智能光网络的概念，原来一个叫管理平面，一个叫传输平面，这两个平面都是为了传输数据的。我们加了一个控制的平面以后，就具有一个自动交换的功能，在这个平面上解决连接的问题，解决路由的问题，是自动发现功能告诉这个平面，用控制平面，来控制整个数据。这个概念实现有两种方法，不管用哪种方法实现，采用对等的模型还是叠加的模型，还没有决定，还在考虑中。网络和网络之间连接的协议要解决，使得大网连接起来以后能够自动发现，不管动态分配。现在规范已经出来了，厂商根据规范提供三个方面的需求，一个是动态的带宽分配。要支持带宽的点播业务，拨一个2.5G的带宽很不容易。支持不同网元类型的业务请求，包括IP路由器，ATM交换机SDH的网元设备，这些都可以向新疆电信要求支持。如果是军事上的要求，就要1+1的保护，但是不同的业务有不同的级别，不一定都要1+1的保护，所以要把业务的级别分开。最后是用户和传送网之间相互独立的寻址机制要建立起来。就是这一套东西。要产生一个产品谈何容易，各家要开拓市场，要先把这些问题解决好，运营商才可能买你的。接口的规范，有一种叫内部的网间NNI，它的意思就是网与网之间的接口。INNI是指的内部的 ，E是指的外部的。内部到外部的网络接口都要规范，才可能全程全网实现动态的资源分配，叫做自动交换的光网络。保护恢复也是评价光网络性能的一个重要的指标，也是充分利用光网络的一个关键。如果出现问题怎么恢复？没出现问题之前怎么保护？新的标准是一个灵活的开放的平台，分成四类，计算路由和信道的分配计算和交叉连接在事先就保护好，将来自动交换光网络，必须在业务的等级上分配好。新的规范对这些都有明确的规定，下一代（WDM）光网络都设计好了。什么叫自动交换，比如保护的类型可以分成几种，服务等级、业务级别要分类，比如额外的业务是临时的，没有保护的东西。共享式的保护，级别稍微高些，专用的保护是1+1的，但是备用的东西不是不动的，高级的是1+1的保护。1+1的保护收费就高，根据等级收费。智能光网络业务特征实际上有这么几个特点，按需分配带宽业务，可以做到波长的批发，波长的出租。以后电信智能化的业务有这样的业务。几年以后，当我们建立了智能化的网络，有可能是这样一种架式，我们考虑问题时，预计到将来按需分配带宽，动态的波长分配业务。另一个最重要的概念是光的虚拟专用网。目前中国电信最多给人家的是专用线，你说中国银行，从上海到北京给你一个专用线，再高一层就是专用网，中国银行、建设银行给你一个专用网，走我这个专用网，是在光纤光缆上专用。我们下一个目标就是要比较，可以买灵活性的专用网，所谓有自动交换功能的智能网，就是光的虚拟专用网，就是资源是共享的。在这个专用网上是一个虚拟的专用网概念，在没有前面那些功能的时候实现不了这个，最终的公用网实现了整体上的自动交换的光网络。我们看一看这五个步骤都有哪些区别？第一个专题只有两个人参与，上海到北京两个端点参与，到了专题组就有一组人可以用了，等到了整个公众网时候，全社会所有用户都享用了高性能自动交换网络。第二点，我们的资源共享，专用的线没有人共享，这条线就给你了，你不通话也给你了，反正我收你的钱，这对社会资源来说是一种浪费。对专用的网，资源的共享只是一个组的人，在一个组内有中国银行所有大城市的节点，但是节点里面没有信号，别人也用不了这个网，就使专用网浪费掉了。因为我们是把线路给他了，没有办法让别的信号进来。将来的虚拟网是所有的人都可以共用了，所以从这一点开始，资源的共享就实现了一个飞跃。控制和可访问性。在业务的层次上控制，需要用虚拟的网络，用可以自动交换的光网络来实现，就是我们有一个控制的平台，光的自动网络。前面专用的线、专用的网给定的话，起码是几天或者是几个星期。今后，我们有了OVTN，光的虚拟网以后，我们是立即建立起来，是自动加满了起来，这一点是我们的目标。如果运营商有这样一个网络的话，可以设想，效率提高多少。 图（11）智能光网络体系结构： -ASON网络现在，对于这些产品已经有厂家提供。我们北京邮电大学有一个公司叫北邮电信，也在开发这些产品。中国电信ATM交换机组节点是我们提供的，我们开发产品也有一些经验。可以看见AT&T、路森、阿尔卡特、贝尼普这些公司都在提供这些产品。现在是要从速度、灵活性、可访问性、控制和可测量性，一步一步做上去，这是北电的计划，这是CSCO公司智能光网络的计划。我们北邮和中国网通也在考虑2008年奥运会上用的光网络，是不是应该是智能光网络。2. 接入网大家都知道的AHDL、NPLS光纤，全光网对我们的挑战是多方面的，主要在OADM、OSG方面，可能是元器件要解决。将来光通信，电的复用以后，再用光的时分复用加起来，起码可以提供160G一个波长，然后再把WCDM合起来可以提供N个160 G，如果N大于100的话，就很厉害了，就160T了，N如果等于221，那就更不得了，所以将来全光网的带宽是非常宽的。最后我讲一下，下一代网络在研究什么问题给大家一个轮廓。业务上一定要实现IPV6，同时要交换，这个方向比较有把握，这是我们在信息产业部和科技委在一起讨论问题时，科技委的一些结论。业务网一定会和IPV6软交换是一个方向，传输网一定会提供许多智能，变成自动交换的光网络。可以看到像诺特尔这样的大公司，作了五六年的计划，希望2006年能够提供整套实现ASOL这样的设备。在无线接入方面，3G和3G以上是一个方向，在应用方面，是多媒体、数字多媒体，所谓下一代网络，从现在开始今后十年，大概看得见的，比较有把握的。另一个要强调，技术是一个推动力，我们搞技术的只是提供一个可选择的东西，市场才是真正的牵引力，到底往哪里走是市场决定的。还有发明，不仅是技术，业务也是发明，同样的技术里提供了不同的业务就是发明。软件作用举足轻重，这是对网络演进的一个因素。软交换其实很多是解决软件问题。最后两点更重要，网络怎么走依赖于网络的现状。叫电信拆掉老的设备，全部装一个新的不可能，因为网络现状是这样，所以在现有基础上往前走，同时法规对于演进的管理更是关键，它叫你往哪里走你就往哪里走。当然决策错了，这个责任就更大，实际上就是政府的导向作用非常的重要。比如现在对3G还没有明确的结论。所以这里跟大家交流的影响网络演进的因素，这六点谁也不能忽视。 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