CN1829123B - 数据通信方法、改造光纤网络的方法、光纤网络以及发射单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于使用局域光纤网络来实现数据通信的方法。该方法包括步骤：借助发射单元来将经强度调制的光信号提供给该光纤网络的至少一个光纤，以及借助连接至该光纤的接收器单元来接收经强度调制的光信号。调制所述经强度调制的光信号的强度，以向该数据通信提供至少30Gbps的比特速率。用于提供经强度调制的光信号的光具有范围在1200nm与1400nm之间的波长。本发明还涉及一种用于改变10千兆比特以太网局域光纤网络使得所述光纤网络适应于以超过30Gbps的比特速率进行数据通信的方法。本发明还涉及一种光纤网络。

Description

数据通信方法、改造光纤网络的方法、光纤网络以及发射单元

技术领域

本发明涉及一种用于使用局域光纤网络来实现数据通信的方法，包括步骤：借助发射单元来将经强度调制的光信号提供给光纤网络的至少一个光纤，以及借助连接至光纤的接收器单元来接收经强度调制的光信号，其中调制索所述经强度调制的光信号的强度，以向所述数据通信提供至少30Gbps的比特速率。 

本发明还涉及一种用于改变用于有限工作区域的10千兆比特以太网光纤网络使得该光纤网络适应于以超过30Gbps的比特速率进行数据通信的方法。 

本发明还涉及用于一种光纤网络，用于以至少30Gbps比特速率进行数据通信。 

背景技术

对于现代数据通信网络中高比特速率的需求已经促使了具有上至10Gbps串行比特速率的光通信系统在纵向“骨干网”中的使用。迄今为止，企业网络的“横向”部分通常借助适合于射频传输的成对铜芯来实现，该横向部分是在特定层级上从纵向骨干网到各种用户终端的扇出(fanout)。由于在短的铜线长度上正在发展到多至10Gbps，而且也由于光连接在这一横向部分上的使用，越来越需要企业网络的纵向部分中有更大的传输容量。 

考虑到对于更大传输容量的不断增长的需求，越来越需要这样的局域光纤网络(LAN)，借助这些局域光纤网络能够实现超过10Gbps的比特速率。 

当前光学企业网络的技术主要是基于渐变折射率多模光纤(mmf)和850nm激光(VCSEL)的使用。多模光纤特别出现的问题是模态色 散。经过光纤传播的光能够经由若干路径到达光纤的另一端。每个路径具有它自身的光程长度，并且各种路径之间的光程长度差在光脉冲经过光纤传播时可能造成脉冲展宽。针对模态色散的出现，对于光纤质量的测量是(依赖于波长的)模态带宽。模态色散的问题在使用具有大的模态带宽的光纤时是相对小的，因而脉冲展宽的程度将较小。 

多模光纤被优化用于与850nm波长一起使用，这意味着模态带宽在该波长处仍然很高。例如，对于其中跨越300m距离的10千兆比特以太LAN，所要求的光纤模态带宽必须是2000Mhz.km。在此情况下对于不同波长的模态带宽则低得多，从而对于具有不同波长的光的光脉冲，脉冲展宽的程度是较大的。脉冲展宽的程度依赖于由光纤铺设的距离。对于由具有具体最大长度的光纤构成的网络，可达到的最大比特速率取决于所用光纤的模态带宽。如果模态带宽太小，则太多的脉冲展宽将出现在待铺设的最大距离上，从而由发射单元发射的比特在接收端处不能够相互区别。 

光纤的模态带宽决定了正在经过该光纤传输的光脉冲的每单位距离的脉冲展宽。这样，光纤的模态带宽决定了可以经由该光纤以多大的比特速率跨越多大的最大距离，以便在输出处接收仍可辨识的信号。由于光纤是针对给定波长的光来优化的，并且模态带宽依赖于波长，所以对于光的具体选定波长，每个光纤具有最大的模态带宽。 

常规的光企业网络通常是基于渐变折射率多模光纤，其中优化这些多模光纤用于与具有850nm波长的光一起使用。对于这一波长以及10Gbps的传输速率，这些光纤具有近似等于2000Mhz.km的模态带宽。利用这样的速率，能够计算出可跨越约300m的最大距离。这对于多数企业网络是足够的。然而，如果要跨越较大的距离(例如550m)，则要求大得多的模态带宽(5000MHz.km)。这一点在网络的比特速率将增加到例如40Gbps的值时也是成立的，因为在此情况下对于脉冲展宽提出更为严格的要求。例如，当现有企业网络(例如该网络是针对10Gbps的比特速率和具有850nm波长的光而设计的)的容量有待增加，以使得针对所述光而使用的光纤具有2000Mhz.km的模态带宽时， 要么必须更换整个光纤网络，要么不得不向网络增添光纤以使容量增至两倍或三倍。 

因此，增加现有企业网络的传输容量是不容易的，通常也是代价很大的事情。如果决定更换光纤网络，则肯定会过早地取消现有光纤。 

发明内容

本发明的目的是提供一种使得可以升级现有局域光纤网络(LAN)的传输速率而无需更换光纤网络的方法。 

为了实现这一目的，本发明提供了一种使用局域光纤网络来实现数据通信的方法，包括步骤：借助发射单元来将经强度调制的光信号提供给所述光纤网络的至少一个光纤，以及借助连接至所述光纤的接收器单元来接收所述经强度调制的光信号，其中对所述经强度调制的光信号的强度进行调制，以向所述数据通信提供至少30Gbps的比特速率，其特征在于，用于提供所述经强度调制的光信号的光具有在1200nm与1400nm之间的波长，以及其中所述光的光功率使得由所述光纤中的模态色散造成的脉冲展宽被补偿。 

众所周知的事实是，在设计光纤网络时要遵循的安全性要求对于具有较长波长的光而言要宽松得多。根据安全性要求，具有例如1300nm波长的光比具有850nm波长的光被允许具有大得多的光功率：该差异多达13dB。较高的光功率等效于较强的光信号。 

而且，具有在1200nm与1400nm之间的波长的光的每光子能量比具有较小波长例如850nm的光的每光子能量低得多。当具有1300nm波长的光由检测器接收时，与具有相同光功率的850nm波长的光落在相同检测器上的情形相比，由于具有较多的光子，所以将提供较大的电流。因此，检测器对于具有1300nm波长的光的灵敏性高于对具有850nm波长的光的灵敏性。该差异对于前述波长而言约为1.5dB。 

当在常规光纤网络比如局域网(LAN)中使用具有1200nm至1400nm的波长的光时，功率输出的进一步改进是由于在较大波长时改进了光纤的衰减特性而实现的。对于850nm的波长，衰减约为每公里2.5dB，而在1300nm的波长时对于相同的光纤，衰减因子是每公里0.7dB。例如对于1550nm的波长，衰减因子甚至将更小，达到每公里0.4dB。在300m的光纤长度情况下，与在850nm的波长时的相同光纤相比，对于1300nm波长的功率输出将提高0.6dB因子。

作为上述效应的结果，对于针对数字数据传输来提供经强度调制的光信号而言，在使用1300nm的波长时，光纤网络中的接收器侧上的功率输出将比在使用具有850nm波长的光时合计大15.1dB。另一方面，当网络的传输速率或比特速率增加了4倍时，信噪比(SNR)将同样地增加因子4倍(6dB)。在接收器端处已经出现的脉冲展宽在任何时间绝不会超过25％。由于在接收器端输出的功率已经增加15.1dB，而对于信噪比仅要求6dB，所以在功率均衡上有9.1dB的过剩。正如下面将通过例子来详细阐述的，所述过剩例如能够用来补偿由于在光纤中使用1300nm波长的光所造成的额外的脉冲展宽，其中该使用1300nm波长的光是针对850nm的波长而进行优化的。 

在具有10Gbps比特速率的光纤网络(其中借助基于具有850nm波长的光的经强度调制的光信号来进行所述传输)中，要求是光纤的最小或有效模态带宽(EMB)必须至少为2000Mhz.km，以便跨越300m的距离(对于150m的距离，所要求的带宽是900Mhz.km，而对于550m的距离则约为4700Mhz.km)。每比特出现的10Gbps信号的脉冲展宽能够借助如下等式来计算： 

σ_RMS＝0.187*(长度/模态带宽)(等式1) 

其中σ_RMS是基于光纤的脉冲响应计算出的针对特定距离的脉冲展宽。基于这一等式，对于2000Mhz.km的有效模态带宽和300m长度的光纤，脉冲展宽是28ps(对于150m和900Mhz.km，所述值是31ps，而对于550m和4700Mhz/km，所述值是22ps)。 

因此，对于具有10Gbps比特速率的信号，脉冲展宽在上述情况下是20％至30％。这对于良好的系统设计是可允许的。然而，如果信号的比特速率增加到40Gbps，并且比特长度是25ps，因此上述假定的模态带宽并不是在任何地方都足以确保如上所述20％至30％的脉冲展宽。以新的40Gbps比特速率计算回去，并且在150m、300m和500m时基于相同的脉冲展宽百分比(分别是31％、28％和22％)，有效模态带宽对于150m的距离约为3600Mhz.km、对于300m的距离约为8000Mhz.km、以及对于550m的距离约为18800Mhz.km。 

然而，有可能通过增加如上所述的激光的光功率来部分地补偿光纤中的脉冲展宽。在增加3dB的功率的情况下，约60％的脉冲展宽能够得以充分地补偿。因此，根据优选实施例，有可能选择激光功率，使得提供可由接收器单元可识别的光信号。尽管如果需要可以使用不同的值，但是所用的光学激光功率范围优选地在-6dBm与+6dBm之间。 

如果能够补偿约60％的脉冲展宽，则关于系统要求的含义是，有效模态带宽对于300m的距离只需约为400Mhz.km，对于150m的距离，这一值仅约为1800Mhz.km。对于1300nm的波长，这样的值能够容易地利用现有光纤来获得。 

如果将对于850nm的波长具有2000Mhz.km的有效模态带宽和对于1300nm的波长具有约4000Mhz.km的有效模态带宽的光纤用于提供局域光纤网络(LAN)，则能够提供光纤网络，其中该光纤网络对于850nm的波长能够支持10Gbps的比特速率。而且，通过改造发射单元和接收器单元来适应提供和处理基于具有约1200nm至1400nm特别是约1300nm波长的光的经强度调制的光信号，能够容易地升级这样的光纤网络以实现40Gbps比特速率的数据通信。 

这样的系统的进一步改进能够借助所谓的电子色散补偿(EDC)来实现。为此，在接收器中，例如在预放大步骤之后，使用滤波器，该滤波器的传递函数是光纤的传递函数的倒数。所述光纤补偿了由模态色散造成的脉冲展宽，使得对于光纤有效模态带宽所需的要求并不那么严格。因此，甚至变得有可能通过与例如具有足够功率的1300nm 激光相结合地使用电子色散补偿、针对40Gbps比特速率的数据通信来使用现有的光纤网络，这些现有的光纤网络仅仅是针对于借助基于具有850nm波长的光的经强度调制的光信号进行通信而优化的。现有的企业网络在此情况下可加以改造用于40Gbps比特速率的数据通信，而无需更换光纤网络。 

本发明的第二方面提供了一种用于改变10千兆比特以太网局域光纤网络以使得所述光纤网络适应于以至少30Gbps比特速率进行数据通信的方法，包括步骤：提供连接至所述网络的光纤的发射单元，用于产生包括如下光的经强度调制的光信号，该光具有在1200nm与1400nm之间的波长以及一光功率，该功率使得由该光纤中的模态色散造成的脉冲展宽是可补偿的；以及提供用于接收和处理经强度调制的光信号的接收器单元。 

词语“提供连接至该网络的光纤的发射单元”应当理解为意味着新设备对现有设备的完全更换以及现有设备的仅少数部分的更换。这对于提供用于接收和处理经强度调制的光信号的接收器单元是同样适用的。 

根据第三方面，本发明提供一种光纤网络，用于以至少30Gbps比特速率进行数据通信，包括：发射单元，该发射单元被安排用于提供包括如下光的经强度调制的光信号，该光具有在1200nm与1400nm之间的波长以及一光功率，光功率使得由该光纤中的模态色散造成的脉冲展宽是可补偿的；连接至所述发射单元的至少一个光纤，用于传输经强度调制的光信号；以及接收器单元，用于接收和处理经强度调制的光信号。 

附图说明

现在将借助本发明的实施例的描述来说明本发明，其中本发明的实施例并不意味着对本发明进行了限制，在该描述中对附图进行参照，在附图中： 

图1示出了根据本发明的光纤网络； 

图2示出了用在本发明的实施例中的光纤的模态带宽特性。 

具体实施方式

在图1中通常以1表示根据本发明的光纤网络。该网络包括借助光纤线缆8来连接的多个节点2。多个节点2例如可以连接到以3、4、5和6表示的波分复用器(WDM)或路由装置(比如“接插板(patchpane1)”)。安排在WDM3、4、5和6后面的是发射器和接收器设备。发射器设备例如包括发射单元10、12、14和16，而用于接收光信号的设备包括接收器单元20、22、24和26。 

应当理解，发射单元10、12、14和16以及接收器单元20、22、24和26典型地连接到用于进一步处理光信号的设备，比如路由器、交换机、服务器等等。 

发射单元10提供了基于具有例如1300nm波长的光的经强度调制的光信号。例如由发射单元10发射的光可以在网络的另一端处例如由接收器单元22获得，并且进一步加以处理。用于提供光(经强度调制的光是基于该光的)的工作部件包括例如VCSEL型激光器件。 

经强度调制的光信号被调制的比特速率例如可以是40Gbps。根据本发明，可以通过选择发射单元10、12、14和16具有足够高的功率值来补偿40Gbps信号的脉冲展宽到约50％。从所述比特速率和60％的前述脉冲展宽开始，光纤网络1中的光纤连接8对于1300nm的波长必须具有4000Mhz.km的模态带宽。 

根据本发明的一个实施例，在接收器侧处使用电子色散补偿。这例如针对接收器单元26在图1中示出。电子色散补偿包括滤波器28，该滤波器例如可以正好置于该接收器之前，或者集成于接收器单元26中。在图1中，示出了滤波器28与接收器26相分离。 

滤波器28使得接收的经强度调制的光信号与数学函数进行卷积运算，该数学函数是光纤8的传递函数的倒数。因此，在光纤中已经出现的脉冲展宽能够由滤波器28部分地或全部地加以补偿。正如在图1中借助滤波器28来实施的电子色散补偿的使用使得针对光纤8 的模态带宽提出的要求进一步放宽。因此可以在如下光纤网络的基础上，例如与1300nm激光的较大功率相结合，提供40千兆比特的以太网，上述光纤网络最初设计为用于借助基于具有850nm波长的光的经强度调制的光信号、以10Gbps的比特速率进行数据通信。 

图2通过例子示出了可以与本发明的实施例一起使用的光纤的模态带宽特性。在水平轴30上描绘了光的波长λ(纳米)。在垂直轴31上描绘了有效模态带宽(MHz.km)。曲线图33示出了依赖于光信号波长的光纤有效模态带宽，该光信号用于适合于用在本发明的实施例中的光纤。因此，有效模态带宽对于1300nm的波长约为4000Mhz.km。有效模态带宽对于850nm的波长约为2000Mhz.km。如果光纤网络将基于这一类型的光纤来实施，则可以进行对于850nm波长的10千兆比特以太网传输，而通过改造所用设备从而提供具有1300nm波长的经强度调制的光信号，则在未来能够容易地将所述网络升级到40Gbps的比特速率。 

图中示出的实施例意图仅仅在于说明根据本发明的原理。这里所述的本发明的范围仅由所附权利要求来限制。将理解的是，这里所示和所述的实施例无论如何意图并不在于限制本发明。 

Claims (14)

1.一种使用局域光纤网络来实现数据通信的方法，包括步骤：借助发射单元来将经强度调制的光信号提供给所述光纤网络的至少一个光纤，以及借助连接至所述光纤的接收器单元来接收所述经强度调制的光信号，其中，所述经强度调制的光信号的强度被调制的目的在于向所述数据通信提供30Gbps至40Gbps的比特速率，其特征在于，用于提供所述经强度调制的光信号的光具有在1200nm与1400nm之间的波长，以及其中，所述光具有一光功率，该光功率使得由所述光纤中的模态色散造成的脉冲展宽被补偿。

2.根据权利要求1的方法，其中，用于提供所述经强度调制的光信号的所述光具有1280nm与1320nm之间的波长。

3.根据权利要求2的方法，其中，所述波长为1300nm。

4.根据权利要求3的方法，其中，所述经强度调制的光信号的强度被调制的目的在于向所述数据通信提供为40Gbps的比特速率。

5.根据权利要求1-3中任一项的方法，其中，所述经强度调制的信号中的数据是通过由强度脉冲形成的比特来表示的，以及其中，在接收到所述经强度调制的光信号之后，将它转换成电信号，该方法进一步包括步骤：对所述电信号进行滤波，以补偿所述强度脉冲的展宽。

6.根据权利要求5的方法，其中，所述滤波步骤包括步骤：将所述经强度调制的光信号与一数学函数要求相卷积，所述数学函数表示所述至少一个光纤的传递函数的倒数。

7.根据权利要求1-3中任一项的方法，其中，用于提供所述经强度调制的光信号的所述光的光功率范围在-6dBm与+2dBm之间。

8.根据权利要求1-3中任一项的方法，其中，所述光纤的模态带宽范围在2000MHz.km与6000MHz.km之间。

9.一种用于改变10千兆比特以太网局域光纤网络以使所述光纤网络适应于以30Gbps至40Gbps的比特速率进行数据通信的方法，包括步骤：提供连接至所述网络的光纤的发射单元，所述发射单元被安排用于产生包括如下光的经强度调制的光信号，所述光具有在1200nm与1400nm之间的波长以及一光功率，选择所述光功率，使得由所述光纤中的模态色散造成的脉冲展宽是可补偿的；以及提供用于接收和处理所述经强度调制的光信号的接收器单元。

10.根据权利要求9的方法，其中，提供连接至所述网络的光纤的发射单元包括改造已连接至所述光纤网络的发射单元，其中改造已连接至所述光纤网络的发射单元包括部分或全部更换所述发射单元。

11.根据权利要求9或10的方法，进一步包括步骤：提供与所述接收器单元对应的滤波器，所述滤波器用于与所述接收器单元相互作用，以将所述经强度调制的光信号与一数学函数相卷积，所述数学函数表示所述至少一个光纤的传递函数的倒数。

12.一种光纤网络，用于以30Gbps至40Gbps的比特速率进行数据通信，包括：发射单元，安排所述发射单元用于提供包括如下光的经强度调制的光信号，所述光具有在1200nm与1400nm之间的波长以及一光功率，该光功率使得由所述光纤中的模态色散造成的脉冲展宽是可补偿的；连接至所述发射单元的至少一个光纤，用于传输所述经强度调制的光信号；以及接收器单元，用于接收和处理所述经强度调制的光信号。

13.根据权利要求12的光纤网络，进一步包括滤波器，所述滤波器用于将所述经强度调制的光信号与一数学函数相卷积，其中所述数学函数表示所述光纤的传递函数的倒数。

14.一种发射单元，用于与根据权利要求12或13的光纤网络一起使用。

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