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第 9 章 光纤通信系统简介

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第 9 章 光纤通信系统简介. 9.1 光纤通信系统的基本组成 9.2 光复用技术 9.3 光纤通信系统的分类 9.3 光纤通信的发展现状 9.4 光纤通信新技术. 9.1 光纤通信系统组成和基本原理.  光纤通信概念. 光纤通信是光波为载波,光纤为传输介质的通信方式。光纤只能传输光信号,不能传输电信号,通信系统在发送端必须先把电信号变成光信号,在接收端再把光信号变为电信号,即电 / 光和光 / 电转换。. 数字信号传输过程. 系统中的各种干扰 最终产生误码. 光发射机. 光接收机. 光纤光缆. 光纤光缆. 输入. 中继器.

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slide1

第9章 光纤通信系统简介

9.1 光纤通信系统的基本组成

9.2 光复用技术

9.3 光纤通信系统的分类

9.3 光纤通信的发展现状

9.4 光纤通信新技术

slide2

9.1 光纤通信系统组成和基本原理

 光纤通信概念

光纤通信是光波为载波,光纤为传输介质的通信方式。光纤只能传输光信号,不能传输电信号,通信系统在发送端必须先把电信号变成光信号,在接收端再把光信号变为电信号,即电/光和光/电转换。

slide3

数字信号传输过程

系统中的各种干扰

最终产生误码

slide4

光发射机

光接收机

光纤光缆

光纤光缆

输入

中继器

光电检测

输出

放大恢复

调制

光源

电信号

电信号

 光纤通信系统组成

一个基本的光纤通信系统由三大部分构成:光发射机、光纤光缆、光接收机。

slide5
1、 光发射机

光发射机的功能:把输入电信号转换为光信号,并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。光发射机由光源、调制器和信道耦合器组成。

驱动电路

信号输入

通道耦合器

调制器

光源

光纤

slide6

光源:

  • 光源是实现电/光转换的关键器件,在很大程度上决定着光发射机的性能。
  • 通信用光源的要求如下 :

发射的光波长应和光纤通信使用的“窗口”一致,即中心波长应在1.31m和1.55m附近。光谱单色性要好, 即谱线宽度要窄, 以减小光纤色散对带宽的限制。

slide7

光源:

  • 光源种类:光纤通信中最常用的光源是半导体激光器LD和发光二极管LED。发光二极管输出非相干光; 半导体激光器输出相干光。
  • LD输出光功率较大,响应速度快,谱线窄,方向性好,适合长距离,大容量的通信系统。但寿命较短,价格高。
  • LED光功率较小,谱线宽,调制速率较低,寿命较长,价格低。适合短距离,小容量的通信系统。
  • 在短波段(800~900nm),常使用镓铝砷(GaAlAs)LD和LED,在长波段(1000~1600nm),常用铟镓砷磷(InGaAsP)LED
slide8
光信号调制方式:
  • 光信号是用电信号调制光载波产生的。分为直接调制和外调制两种。
  • 直接调制:通过改变注入电流直接调制半导体光源的输出。广泛应用的是直接光强(功率)调制。
  • 外调制:在光路上设置一个光调制器对光进行调制。
slide9

 内调制(直接调制)

将要传送的信息转变为电流信号注入LD或LED

LD

输入接口

线路编码

调制电路

耦合器

电信号输入

光信号输出

控制电路

slide12

对 LD 直接调制

输出光信号反映输入电信号。数字光纤通信系统普遍采用二进制二电平码,即“有光脉冲”表示“1”码, “无光脉冲”表示“0”码。

slide13

 外调制

将调制信号控制调制器,利用调制器的电光、声光等物理效应使其输出光的强度等参数随信号而变。

电接口

数据

线路

编码

驱动

电路

光隔离器

控制电路

调制器

LD

防止LD输出的激光反射,实现光的单向传输

slide14
外调制方法

M-Z型电光调制器

激光部分

调制部分

电吸收调制器

slide17
电光调制器工作原理

两个理想的背对背相位调制器,在外电场的作用下,能够改变两个分支中待调制传输光的相位。

由于加在两个分支中的电场方向相反,所以在两个分支中的折射率和相位变化也相反,例如若在A分支中引入的相位变化/2,那么在B分支则引入-/2相位的变化,因此A、B分支将引入相位的变化。

slide18
电光调制器工作原理
  • 由于外加电场控制着两个分支中相干光的相位差,所以外加电场也控制着输出光的强度,从而对幅度进行了调制。调制带宽可达 20 GHz。
slide19

x’

y’

y

加电压前

x

电光调制器工作原理

电光调制器基于晶体和各向异性聚合物中的线性电光效应,即电光材料的折射率n随施加的外电场E而变化,即n = n(E) ,像LiNbO3这样的电光材料,它的折射率明显随施加的外电压而改变,从而实现对光的调制。

slide20

电光调制原理

当光沿晶体光轴z方向传播时,经过长度为L的晶体后,由于晶体的电光效应,两个正交的偏振分量将产生位相差:

y

y’

x’

x

slide21

电光调制原理

y

y’

x’

x

L

P2

P1

V

slide22

电光调制原理

y

y’

x’

x

L

P2

P1

-V

slide24
电吸收调制器(EAM, Electro Absoption Modulator)是一种p-i-n半导体器件,其 i 层对光的吸收损耗与外加的调制电压有关。

当调制电压使 p-i-n 反向偏置时,入射光完全被 i 层吸收,相当于输出 “0” 码;

反之,当偏置电压为零时,势垒消失,入射光不被 i 层吸收而让其通过,相当于输出 “1” 码,从而实现对入射光的调制。

② 电吸收波导调制器

slide25

② 电吸收波导调制器

  • 电吸收调制器(EAM, Electro Absoption Modulator)是一种p-i-n半导体器件,其 i 层由多量子阱(MQW)波导构成。 i 层对光的吸收损耗与外加的调制电压有关。
  • 当调制电压使 p-i-n 反向偏置时,入射光完全被 i 层吸收,相当于输出 “0” 码;
  • 反之,当偏置电压为零时,势垒消失,入射光不被 i 层吸收而让其通过,相当于输出 “1” 码,从而实现对入射光的调制。
slide26

电吸收调制器透光率和反向偏压的关系

电吸收调制器是一种p-i-n半导体器件,其 i 层由多量子阱(MQW)波导构成。 i 层对光的吸收损耗与外加的电压有关。

slide28
光发射机的参数
  • 发送光功率(dBm)

P=10 lg [ P(mW) / 1(mW)]

以1mW为基准的、用分贝表示的功率。

slide29

光传输部分--光纤

光纤传输特性主要包括损耗、色散和非线性三个方面。光纤通信系统对光纤传输特性总的要求是有尽可能低的损耗和尽可能小的色散。

  • 损耗
    • 由于损耗效应,使信号光强度大大减弱,低于接收探测器的灵敏度后系统不能正常工作。
    • 可以通过光放大技术进行补偿
  • 色散
    • 由于色散引起的信号畸变。
    • 对于高速率的系统( 10Gb/s及以上)要实现长距离传输,必须采用色散补偿技术。色散补偿光纤(DCF)补偿法、啁啾光纤光栅(DCG)补偿法。
slide30

2、光接收机:

  • 光接收机的功能:是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号,并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。
  • 光接收机组成:由光探测器、放大器和相关电路组成,光探测器是光接收机的核心。
  • 对光探测器的要求是响应度高、 噪声低和响应速度快。
slide31

光纤通信系统常用探测器:PIN光电二极管和雪崩光电二极管APD光纤通信系统常用探测器:PIN光电二极管和雪崩光电二极管APD

短波长段:Si-APD

长波长段:Ge-APD; InGaAsP-APD;PIN

  • 接收方式:直接检测方式/外差检测方式

直接检测的设备简单、经济,是当前实用光纤通信系统普遍采用的接收方式。

外差检测方式能大幅度提高光接收机的灵敏度,但设备比较复杂,对光源的频率稳定度和光谱宽度要求很高。

slide32

光接收机组成框图

前端

线性通道

时钟提取与数据再生

光信号

光电

探测

前置

放大

主放

大器

均衡

滤波

输出

时钟恢复

AGC电路

性能指标:接收灵敏度、信噪比

对信号进行高增益放大与整形

slide33
 光接收机的前端
  • 前端:由光电探测器和前置放大器组成。
  • 作用:将耦合入光电探测器的光信号转换为电流信号,然后进行预放大(电流-电压转换),以便后级作进一步处理。是光接收机的核心。
  • 要求:低噪声、高灵敏度、足够的带宽
slide34
光检测器的选择:要视具体应用场合而定。
    • PIN光电二极管具有良好的光电转换线性度,不需要高的工作电压,响应速度快。
    • APD最大的优点是它具有载流子倍增效应,其探测灵敏度特别高,但需要较高的偏置电压和温度补偿电路。
    • 从简化接收机电路考虑,一般情况下大多采用PIN光电二极管作光探测器。
  • 前置放大器的主要作用是保持探测的电信号不失真地放大和保证噪声最小,一般采用场效应晶体管(FET)。PIN/FET和APD/FET。
slide35

光接收机组成框图

前端

线性通道

时钟提取与数据再生

光信号

光电

探测

前置

放大

主放

大器

均衡

滤波

输出

时钟恢复

AGC电路

性能指标:接收灵敏度、信噪比

对信号进行高增益放大与整形

slide36

对主放输出的失真数字脉冲进行整形,使之成为有利于判决码间干扰最小的波形。对主放输出的失真数字脉冲进行整形,使之成为有利于判决码间干扰最小的波形。

提供高的增益,放大到适合于判决电路的电平。

可根据输入信号(平均值)大小自动调整放大器增益,使输出信号保持恒定。用以扩大接收机的动态范围。

线性通道

slide37

光接收机组成框图

前端

线性通道

时钟提取与数据再生

光信号

光电

探测

前置

放大

主放

大器

均衡

滤波

输出

时钟恢复

AGC电路

性能指标:接收灵敏度、信噪比

对信号进行高增益放大与整形

slide38

判决即是用一判决电平与均衡器输出信号进行比较,以确定某时隙码元为“1”还是为“0”,当在判决时刻输出的电压信号比判决电平高,则判断为“1”码,否则判断为“0”码。若判决结果为“1”,则由再生电路产生一个矩形“1”脉冲;若判决结果为“0”,则由再生电路重新输出一个“0”。判决即是用一判决电平与均衡器输出信号进行比较,以确定某时隙码元为“1”还是为“0”,当在判决时刻输出的电压信号比判决电平高,则判断为“1”码,否则判断为“0”码。若判决结果为“1”,则由再生电路产生一个矩形“1”脉冲;若判决结果为“0”,则由再生电路重新输出一个“0”。

为了精确地确定“判决时刻”,需要从信号码流中提取准确的时钟信息作为标定,以保证与发送端一致。

判决再生与时钟提取

任务:把线性通道输出的波形恢复成数字信号

输出

1 1 0 1 0 1

时钟恢复

slide39
判决、再生过程

判决电压

均衡器输出波形

时钟

再生后的信号

slide40

3、光中继器

  • 光脉冲经过光纤传输一定距离后,由于光纤的损耗和色散的影响,其幅度衰减,波形发生畸变,限制了长距离传输。为此需要一个光中继器来放大衰减的信号,恢复畸变了的信号。

光接收机

光发射机

光纤光缆

光纤光缆

输入

中继器

光电检测

放大恢复

调制

光源

电信号

slide41

 光中继器的3R功能:

3R: re-amplifying 再放大(光放大器的功能)

re-timing 再定时 (消除时间抖动)

re-shaping 再整形 (消除波形畸变)

通过这3个R,得到接近于发射端的光信号的 copy,从而延长传输距离,提高信号质量。

slide42

3R再生功能

放大

消除波形畸变

消除时间抖动

slide43

光中继方式:光—电—光方式和光—光方式两种光中继方式:光—电—光方式和光—光方式两种

  • 光—电—光方式:
  • 实际上是一个接收机一个发送机对,它将检测到的微弱变形光信号,变为电信号,经放大整形后变成规则的电比特流,再调制光发送机,恢复原光比特流继续沿光纤传输。
  • 光一光方式:

是直接将光信号进行光放大,而无须先将光信号转换成电信号。近年来迅速发展起来的光放大器,就可以用于光——光中继方式的光放大器。

slide44
 光放大器
  • 光放大器的出现,可视为光纤通信发展史上的重要里程碑。
  • 光放大器出现之前,光纤通信的中继器采用光-电-光(O-E-O)变换方式。
    • 装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道,在WDM系统中复杂性和成本倍增,可实现1R、2R、3R中继
  • 光放大器(O-O-O)
    • 多波长放大、低成本,只能实现1R中继
slide45
光放大器的原理
  • 光放大器的功能:提供光信号增益,以补偿光信号在通路中的传输衰减,增大系统的无中继传输距离。
  • 在泵浦能量(电或光)的作用下,实现粒子数反转(非线性光纤放大器除外),然后通过受激辐射实现对入射光的放大。
  • 光放大器是基于受激辐射或受激散射原理实现入射光信号放大的一种器件。其机制与激光器完全相同。实际上,光放大器在结构上是一个没有反馈或反馈较小的激光器。
slide46
光放大器的类型
  • 利用稀土掺杂的光纤放大器(EDFA、PDFA)
  • 利用半导体制作的半导体光放大器(SOA)
  • 利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器(FRA、FBA)
slide48
掺铒光纤放大器EDFA简介

掺杂光纤放大器利用掺入石英光纤的稀土离子作为增益介质,在泵浦光的激发下实现光信号的放大,放大器的特性主要由掺杂元素决定:

  • 工作波长为1550nm的铒(Er)掺杂光纤放大器(EDFA-Er-Doped Fiber Amplifier)
  • 工作波长为1300nm的镨(Pr)掺杂光纤放大器(PDFA)
  • 工作波长为1400nm的铥(Tm)掺杂光纤放大器(TDFA)
  • 目前,EDFA最为成熟,是光纤通信系统必备器件。
slide49
为什么要用掺铒光纤放大器?
  • 工作频带正处于光纤损耗最低处(1525-1565nm);
  • 频带宽,可以对多路信号同时放大-波分复用;
  • 对数据率/格式透明,系统升级成本低;
  • 增益高(>40dB)、输出功率大(~30dBm)、噪声低(4~5dB);
  • 全光纤结构,与光纤系统兼容;
  • 增益与信号偏振态无关,故稳定性好;
  • 所需的泵浦功率低(数十毫瓦)。
edfa er 3

泵浦能带

快速非辐射跃迁

亚稳态能带

基态能带

EDFA中的Er3+能级结构
  • 泵浦波长可以是520、650、800、980、1480nm
  • 波长短于980nm的泵浦效率低,因而通常采用980和1480nm泵浦。

吸收泵浦光

光放大

受激辐射

受激吸收

1480nm

980nm

1550nm

slide51

掺铒光纤放大器( EDFA)的工作原理

亚稳态能带

当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时,Er3+从低能级被激发到高能级上,由于在高能级上的寿命很短,很快以非辐射跃迁形式到较低能级上,并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。若输入的信号光的光子能量等于E2和E1之间能量差,则电子从E2跃迁到E1,产生受激辐射光,故光信号被放大。

slide52

EDFA的工作原理

信号光与波长较其为短的光波(泵浦光)同沿光纤传输,泵浦光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能级,并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号光沿光纤长度得到放大,泵浦光沿光纤长度不断衰减。

slide53

LD

EDF

out

in

APC

WDM

APC

EDF

LD

out

in

WDM

APC

APC

EDF

LD1

LD2

out

in

WDM2

APC

WDM1

APC

三种泵浦方式的EDFA

同向泵浦(前向泵浦)型:好的噪声性能

反向泵浦(后向泵浦)型:输出信号功率高

双向泵浦型:输出信号功率比单泵浦源高3dB,且放大特性与信号传输方向无关

slide54

掺铒光纤放大器的应用

EDFA

 中继放大器

光发射机

光接收机

EDFA

光发射机

光接收机

前置放大器

EDFA

光发射机

光接收机

后置放大器

slide55

数字光纤通信系统结构

系统结构

  • PCM端机,输入/输出接口
  • 基本组成部分:光发送/接收端机,光纤线路,光中继器
slide56

PCM编码过程

模拟信号

6

按一定频率抽样,周期T

4

抽样

2

0

T

7

6

每个量化信号用8个比特二进制代码替代。

量化

5

3

2

1

用单极性二进制码表示数字信号

编码

101

010

011

110

111

001

3

6

7

5

1

2

slide57

光发射机原理框图

光纤光缆

光发射机

电信号输入

调制

光源

slide58

数字光纤通信系统光接收机电原理图

定时

提取

电信号

APD

前置

放大

主放大器

判决

再生

均衡器

1 0 1 0 1 1

光信号

高压直流变换器

峰值

检波

AGC

slide59

数字信号传输过程

各种干扰

最终产生误码

slide60
损耗受限系统设计(不考虑色散)
  • 例题:某光纤通信系统的参数为:
  • 光发送机平均发送光功率Pmax= -5 dBm
  • 光接收机灵敏度Pr= -43 dBm
  • 光纤损耗系数 =0.4 dB/km
  • 系统富余度M=6dB
  • 活接头损耗AC=0.5dB
  • 每公里接续损耗 s= 0.025dB/km

无需中继器,所能传输的最长距离是多少

slide61
解:

最大允许链路损耗=Pt-Pr= -5 – (-43) = 38dBm

光纤损耗 (光纤+熔接) = (0.4dB+0.025dB) × L

连接器损耗 = 1dB ( 2个连接器, 每个0.5 dB)

系统余量= 6dB

因此,总体链路损耗 = (0.425L+1+6)dB

最大传输距离= (38-1-6)/0.425=72.9 km (答案)

slide62

色散受限系统设计

光纤通信系统中,信息是通过编码脉冲序列在光纤中传输的,光脉冲的宽度由系统的比特率B决定,因而不希望色散展宽而产生误码。但实际上总是会引起脉冲展宽,脉冲展宽会导致相邻比特周期的信号重叠,从而限制了光纤通信系统的比特率B和传输距离L,而BL积是评价系统传输性能的基本参数,称为通信容量。

slide63

色散受限传输距离分析

对于色散系数s=17 (ps/nm.km),=1550nm的系统,通常采用经验公式: B2L<6000 (Gb/s)2.km

当B=2.5Gb/s时,L<960km

当B=10Gb/s时,L<60km

slide64
9.2 光复用技术

为了提高通信线路的利用率,所采用的复用技术,可使同一传输线路上同时传输多路不同信号而互不干扰。

  • 波分复用

(WDM—Wavelength Division Multiplexing)

  • 频分复用

( FDM——Frequence Division Multiplexing )

  • 时分复用

(OTDM—Optical Time Division Multiplexing)

  • 光码分复用(OCDM— Optical Code Division Multiplexing)
slide65

波分复用

(WDM-----Wavelength Division Multiplexing)

波分复用是在一根光纤中同时传输多个不同波长的光信号的技术。将光纤的低损耗窗口划分成若干个波段,每个波段用作一个独立的通道传输一种预定波长的光信号。

slide66
WDM基本工作原理:在发送端将不同波长的光信号组合起来(复用),并耦合进光缆线路上同一根光纤中进行传输,在接收端将组合波长的光信号进行分离(解复用),并作进一步处理后恢复出原信号送入不同终端。WDM基本工作原理:在发送端将不同波长的光信号组合起来(复用),并耦合进光缆线路上同一根光纤中进行传输,在接收端将组合波长的光信号进行分离(解复用),并作进一步处理后恢复出原信号送入不同终端。

MUX

DEMUX

1

1

光发射机

光接收机

2

EDFA

2

光发射机

光接收机

3

3

光发射机

光接收机

N

N

光发射机

光接收机

典型的点对点光纤通信系统

slide67

波分复用原理示意图

1

1

EDFA

光发射机

光接收机

2

2

光发射机

光接收机

3

3

光发射机

光接收机

N

N

光发射机

光接收机

1 2 3 N

1 2 3 N

光功率

光功率

波长

波长

slide68
WDM系统波长区分配

目前光波分复用系统的工作主要波长:1530~1562nm(C-band)

slide70

发送机

接收机

EDFA

DEMUX

MUX

波分复用是目前研究最多、发展最快、应用最为广泛的光复用技术。经过数年的发展和应用,波分复用技术已趋于成熟,而且越来越成为现代通信系统中不可替代的传输技术。目前,波分复用系统的传输容量正以极快的速度增长,直接基于WDM传输的业务也越来越多。

slide71

光频分复用( OFDM))

为了进一步提高光纤带宽利用率,相邻两光载波的间隔将越来越小,一般认为:当相邻光载波的间隔小到0.1nm(10GHz)以下时,此时的复用称为光频分复用。

slide74

时隙

1

1

1

2

N

2

2

N

N

(

)

a

光时分复用

(OTDM—Optical Time Division Multiplexing)

光时分复用技术指利用高速光开关把多路光信号在时域里复用到一路上的技术。其基本原理是把时间分割成周期性的帧,每一帧再分割成若干个时隙,然后根据一定的时隙分配原则,使每个信源在每帧内只能按指定的时隙向信道发送信号,接收端在同步的条件下,分别在各个时隙中取回各自的信号而不混扰。

slide75

光时分复用原理

I

II

III

光开关

根据一定的时隙分配原则,每个信源在每帧内只能按指定的时隙向信道发送信号

optical switch
光开关(Optical Switch) -光交换部件
  • 光开关的功能是转换光路,实现光信号的交换。
  • 光开关分类:
  • 机械光开关(包括微机械光开关)
  • 波导光开关(利用电光、磁光、热光和声光效应)

光开关

optical switch1
光开关(Optical Switch) -光交换部件
  • 光开关的功能是转换光路,实现光信号的交换。
  • 光开关分类
  • 机械光开关(包括微机械光开关)
  • 波导光开关(利用电光、磁光、热光和声光效应)

光开关

slide78
微机电开关
  • 微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Michanical Systems)构成的微机电光开关已成为DWDM网中大容量光交换技术的主流产品。
  • 它是一种在半导体衬底材料上,用传统的半导体工艺制造出可以前倾后仰、上下移动或旋转的微反射镜阵列,在驱动力的作用下,对输入光信号可切换到不同输出光纤的微机电系统。
slide79

微反射镜(Micro-Mirror)

通常微反射镜的尺寸只有140m150m,驱动力可以利用热力效应、磁力效应和静电效应产生。

slide80

机械光开关

1N MEMS Switch

slide84

微机械光开关进展

  • 用贝尔实验室开发的 MEMS 技术(微透镜),已实现 256256 的光交叉连接(交换能力 10 万亿比特/s),是世界上第一个10 G 光交叉连接系统;
  • 2001年已达到 10241024;
  • 它可以运行在任何光层速率,包括 40Gb/s以及更高的速率。
slide85
波导光开关
  • 开关时间短(毫秒到亚毫秒量级);
  • 体积非常小,而且易于大规模集成;
  • 但插入损耗、隔离度、消光比和偏振敏感性指标都比较差。
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光开关原理

利用电光效应原理也可以构成波导光开关。由两个Y形波导构成的马赫-曾德尔11光开关,与幅度调制器类似,在理想的情况下,输入光功率在C点平均分配到两个分支传输,在输出端D干涉,其输出幅度与两个分支光通道的相位差有关。当A、B分支的相位差为0时输出功率最大,当时=,两个分支中的光场相互抵消,使输出功率最小,在理想的情况下为零。相位差的改变由外加电场控制。

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光码分复用

(OCDM-- Optical Code Division Multiplexing)

  • 光码分复用技术是在同一光纤中传输多个信道,而每个信道都有一个特有的编码方式来传送其信号。
  • 基本原理是不同信道的信号用互成正交的不同码序列来传送,用各个信道的信号调制同一光波,在同一光纤信道中传输,接收端用与发送方向相同的码序列进行相关接收,即可恢复出原信道的信号。
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OCDM通信系统框图

  • 在发射端,要传输的数据信号首先经过适当的调制方式,转换成相应的编码的光信号。
  • 编码信号通过光纤网络到达接收端之后,通过解码器进行解码处理,恢复出期望的光信号,再经过光电转换设备。得到电域上的数据信号。
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9.3 光纤通信系统的分类

    • 根据调制信号的类型分类:
  • 光纤通信系统可以分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统。
  • 模拟光通信系统:传送的是模拟信号
  • 数字光通信系统:传送的是数字信号。
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按信号的复用方式
  • 时分复用系统

( TDM-Time Division Multiplexing)

  • 波分复用系统

(WDM-Wavelength Division Multiplexing)

  • 频分复用系统

(FDM-Frequence Division Multiplexing )

  • 空分复用系统

( SDM-Space Division Multiplexing)

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 按光电探测方式
  • 直接探测光通信系统:

采用直接检测方式检测传输的信号。

  • 相干探测光通信系统:

采用相干检测方式检测传输的信号。

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9.4、光纤通信工作波段:

光纤通信使用的三个通信窗口:

短波长波段(850nm)(衰减大,现在基本不用了)

长波长波段(1310nm和1550nm)

目前波分复用通信系统是在1550nm波段(1525nm~1565nm)同时使用8、16或更多个波长,其波长间隔为1.6nm、0.8nm。

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 光通信窗口新的划分:

C波段:波长1530 ~1562nm;

L波段:波长1570 ~1604nm ;

S波段:短于1525nm的波长范围,这个波段因为全波光纤的研制成功可以扩展到1365nm;

L波段和S波段又分别称为光通信的第4窗口和第5窗口。

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S-band

光纤通信系统波段划分

目前光波分复用系统的工作主要波长:1530~1565nm(C-band)

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光纤通信系统的新波段

S+ S C L L+

波长 (nm)

1450 1490 1530 1570 1610 1650

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9.5 光纤通信的发展现状

第一代:1966~1979 (从基础研究到商业应用的开发时期)

激光器 (GaAs) 波长0.8 µm,多模光纤,最大中继距离10 km ,比特率在10~100 Mb/s。多模色散和损耗是限制中继距离的关键。

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第二代:上世纪80年代早期 (通过减小光纤色散)

激光器 (InGaAs) 波长1.3 µm,单模光纤,最大中继距离50 km,比特率2.0Gb/s。光纤的损耗限制了中继距离,当时的损耗为 ~0.5 dB/km。

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第三代:上世纪80年代后期初90年代初 (通过降低光纤损耗)

激光器 (InGaAsP) 波长1.55µm,单模 (色散位移) 光纤,比特率2.5~10 Gb/s,最大中继距离100 km。

这个阶段是采用电的方式中继。

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第四代:上世纪90年代之后 (通过引入WDM和全光放大技术)

激光器 (InGaAsP) 波长1.55 µm,单模光纤,采用波分复用技术和光放大技术,单个波长信道比特率2.5~10 Gb/s,传输距离14000 km,并提出光通信智能化的概念。

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目前采用波分复用光纤通信达到的水平

目前国际上已商用的系统有:

4×2.5 Gb/s(10 Gb/s)

8×2.5 Gb/s(20 Gb/s)

16×2.5 Gb/s(40 Gb/s)

40×2.5 Gb/s(100 Gb/s)

32×10 Gb/s(320 Gb/s)

40×10 Gb/s(400 Gb/s)

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实验室达到的水平

实验室已实现了82×40 Gb/s(3.28 Tb/s)的速率,传输距离达3×100 km=300 km。

Optical Fiber Communication Conference提供的情况有:

① Bell Labs: 82路×40 Gb/s=3.28 Tb/s在3×100 km=300 km的True Wave(商标)光纤(即G.655光纤)上,利用C和L两个波带联合传输;

② 日本NEC: 160×20 Gb/s=3.2 Tb/s, 利用归零信号沿色散平坦光纤,经过增益宽度为64 nm的光纤放大器,传输距离达1500 km;

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③ 日本富士通(Fujitsu): 128路×10.66 Gb/s, 经过C和L波带注:C波带为1525~1565 nm,L波带为1570~1620 nm。, 用分布喇曼放大(DRA: Distributed Raman Amplification), 传输距离达6×140 km=840 km;

④ 日本NTT:30路×42.7 Gb/s, 利用归零信号, 经过增益宽度为50 nm的光纤放大器,传输距离达3×125 km376 km;

⑤ 美国Lucent Tech: 100路×10 Gb/s=1 Tb/s,各路波长的间隔缩小到25 GHz, 利用L波带,沿NZDF光纤(G.655光纤)传输400 km;

⑥ 美国Mciworldcom和加拿大Nortel: 100路×10 Gb/s=1 Tb/s, 沿NZDF光纤在C和L波带传输4段, 约200 km;

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2006年1月5日,国家“十五”科技攻关计划项目《40Gb/s SDH光纤通信设备与系统》通过了由国家科技部主持、信息产业部组织的专家委员会验收。

40Gb/s SDH光传输设备实现了在常用G.652和G.655光纤上560公里无再生远距离传输。

“40G速率SDH光传输系统”突破了电子信号处理速率的极限,使用这套系统,一根光纤最多可以实现近50万人同时在线通话,结合波分复用技术,单根光纤可以实现几千万甚至上亿人同时通话。

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9.6 光纤通信新技术

  • 下一代光网络
  • 智能光网络
  • 全光网络通信
  • 量子通信技术
  • 光孤子通信技术
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下一代光网络
  • 下一代网络(NGN,Next Generation Network)
  • 是以软交换为中心,以智能OTN为光传输的开放的宽带IP网络,是一种综合、开放的网络构架。
  • 从业务上看,应支持话音和视频业务及多媒体业务
  • 从网络上看,在垂直方向应包括业务层和传送层,在水平方向应覆盖核心网和边缘网。
  • 是一个极其松散定义的术语,泛指不同于目前的数据为中心的融合网络
    • 如果特指业务层则下一代网络指下一代业务网络,
    • 如果特指传送层,则下一代网络指下一代传送网络。
    • 泛指的下一代网可以指两者,也可单指下一代业务网络。
  • 下一代网络应该是因特网与电信网技术的结合,即"IP十QoS=NGN"
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中国下一代互联网示范工程CNGI

  • 建成我国学术性下一代互联网CERNET2,其主干网是中国下一代互联示范网络CNGI的主干网之一
  • 连接分布在20个主要城市核心节点,传输速率2.5~10Gbps
  • 与北美、欧洲、亚太地区国际下一代互联网实现45~155M高速互联
  • 全国180余所211和具有重点学科的高校以1~10G高速接入CERNET2,同时高速连接其他领域的科研院所和研发机构
  • 与其他CNGI主干网实现高速互联
  • 成为我国研究下一代互联网技术、开发重大应用、推动下一代互联网产业发展的关键性基础设施。
cernet2
CERNET2试验网开通
  • 2003年10月,CNGI最大的核心网CERNET2试验网开通,CERNET2试验网以2.5G 速度连接北京,上海和广州,达6000多公里,提供纯IPv6服务
  • 2004年1月,CERNET2开通连接美国,欧洲和日本的IPv6国际线路
  • 2004年3月19日,CERNET2宣布开始提供接入服务
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 智能光网络

智能光网络(ION):在光路由和信令控制下完成自动交换连接功能的新一代的光网络,是一种具备标准化智能的光传送网。目前已成为光通信领域研究的热点之一。

  • 可以动态分配光通路
  • 实现端到端连接的保护和恢复
  • 实现数据网网元与光层网元的控制协调,将光网络资源与数据业务分布自动地联系起来
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全光网络通信
  • 全光网络(AON) :光信息流在通信网络中的传输及交换时始终以光的形式存在,即信息从源节点到目的节点的整个过程中都处在光域内,电光转换与光电转换仅仅存在于信源端(发送端)和接收端。
  • 特点
  • 带宽不再受制于电子器件的“瓶颈”极限,能提供更为巨大的带宽容量
  • 所有信息处理都在光域进行,提高了系统的可靠性和运行速度
  • 具有业务和协议透明性,允许采用不同的速率和协议,网络灵活性高、可扩展性好。
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 量子通信技术
  • 利用光在微观世界中的粒子特性,让一个个光子传输“0”和“1”的数字信息。
  • 用量子态来表示信息是量子信息的出发点,有关信息的所有问题都采用量子力学理论来处理。
  • 原理
    • 量子态是信息的载体,量子信息的加工处理归根到底是一种量子态的操纵过程
    • 信息传输就是量子态在量子通道中的传送
    • 信息处理(计算)是量子态的幺正变换
    • 信息提取便是对量子系统实行量子测量
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 光孤子通信技术

光纤通信中,限制传输距离和传输容量的主要原因是“损耗”和“色散”。“损耗”使光信号在传输时能量不断减弱;而“色散”则是使光脉冲在传输中逐渐展宽。

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什么是孤子

孤子(Soliton)又称孤立波,是一种特殊形式的超短脉冲,或者说是一种在传播过程中形状、幅度和速度都维持不变的脉冲状行波。

光孤子

就是这种能在光纤中传播的,并能长时间保持形态、幅度和速度不变的光脉冲.

光孤子

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光孤子形成原因

光纤的色散是使光信号的脉冲展宽,而光纤中还有一种非线性的特性,这种特性会使光信号的脉冲产生压缩效应。光纤的非线性特性在光的强度变化时使频率发生变化,从而使传播速度变化。在光纤中这种变化使光脉冲后沿的频率变高、传播速度变快;而前沿的频率变低、传播速度变慢。这就造成脉冲后沿比前沿运动快,从而使脉冲受到压缩变窄。

如果有办法使光脉冲变宽和变窄这两种效应正好互相抵消,光脉冲就会像一个一个孤立的粒子那样形成光孤子,能在光纤传输中保持不变,实现超长距离、超大容量的通信。

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光孤子通信技术

当光纤的非线性效应导致对光脉冲的压缩可以与群速色散引起的光脉冲展宽相平衡时,光孤子能够长距离不变形地在光纤中传输。

如果光纤通信系统中采用光孤子传递信号,完全摆脱了光纤色散对传输速率和通信容量的限制,其传输容量比当今最好的通信系统高出1~2个数量级,中继距离可达几百km。它被认为是下一代最有发展前途的传输方式之一。

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思考题
  • 解释概念:光孤子、全光网、内调制(直接调制)、外调制、光放大器
  • 英文含义:WDM、OCDM、OTDM、OFDM
  • 画出光纤通信系统原理框图并简述各部分的作用。
  • 光纤通信波段是如何划分的?
  • 什么是波分复用?为什么要波分复用?波分复用的基本原理是什么?
  • 什么是光时分复用,时分复用的基本原理是什么?
  • 掺铒光纤放大器(EDFA)的工作原理及其工作波段。