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光纤通信技术. 王建萍 jpwang@tsinghua.edu.cn 信息光电子研究所 清华大学电子工程系. 课程总结. 光电二极管. 驱动电路. 中继器. 调制器. 放大器. 光纤. 光纤. 光源. 判决器. 一、光发射机. 激光器是一种阈值器件。 激光器的瞬态特性影响着调制信号的质量。 调制码型: NRZ 、 RZ 、 CRZ 、 CSRZ

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Presentation Transcript
slide1

光纤通信技术

王建萍

jpwang@tsinghua.edu.cn

信息光电子研究所

清华大学电子工程系

课程总结

slide2

光电二极管

驱动电路

中继器

调制器

放大器

光纤

光纤

光源

判决器

slide3
一、光发射机
  • 激光器是一种阈值器件。
  • 激光器的瞬态特性影响着调制信号的质量。
  • 调制码型:NRZ、RZ、CRZ、CSRZ
  • 前向纠错(FEC)是数字通信系统中应用的基本差错控制方式之一,其原理是发端在信息比特后附加冗余的校验比特,即进行编码,接收端译码的同时,在纠错能力范围内,自动纠正传输中的错误,而无需信息的重发。其编码增益能给系统提供几个dB的富裕度。PMD
slide5
二、光 纤
  • 光纤的损耗;
  • 光纤的色散;
  • 光纤的非线性
slide7

零色散波长

< D正常色散区

2>0, D<0 红快兰慢

光脉冲的较高的频率分量(兰移)比较低的频率分量(红移)传输得慢

> D反常色散区

2<0, D>0兰快红慢

光脉冲的较高的频率分量(兰移)比较低的频率分量(红移)传输得快

slide9

啁啾高斯脉冲展宽因子T1/T0随传输距离的变化

异号时2C<0,在传输初始阶段脉冲宽度变窄,而后迅速展宽

同号时2C>0,啁啾高斯脉冲单调展宽的速度比无啁啾脉冲的快

无啁啾脉冲,不论色散正负,脉宽随[1+(z/LD)2]1/2成比例展宽

slide10

反常色散

非线性 克尔效应

正啁啾(t↑→ω↑)

自相位调制

压窄

折射率:

附加相移:

附加频移:

光纤中的非线性自相位调制

slide11

正常色散

光脉冲具有一定的谱宽 展宽

反常色散

反常色散

非线性自相位调制 上啁啾 压窄

★ LD<LNL色散占优势 展宽

色散与非线性效应平衡

无畸变一阶 光孤子传输

★ LD=LNL

非线性效应 占优势

高阶光孤子传输

★ LD>LNL

脉冲呈压窄、展宽、分裂、复原周期性变化

色散与非线性自相位调制共同作用

slide16

光孤子:利用非线性平衡色散效应

缺点:维持色散与非线性间的平衡条件过于精细,利用非线性带来其它副作用

slide18

光纤的其它限制及解决方案

PMD补偿技术

改善PMD特性的光纤

PMD限制

WDM/ETDM+OTDM

L+,S,S+

新型光纤

L波段WDM

OTDM

非线性限制

非零色散位移光纤

色散补偿

孤子

WDM

色散位移光纤

色散限制

普通单模光纤

slide19

时钟提取

MOD

MOD

时分解复用器

超短脉冲光源

MOD

接收机

耦合器

EDFA

时钟源

MOD

MOD

延时

提升容量方法:单信道比特率提高

OTDM 原理

slide20

提升容量方法:多波段

WDM(波分复用)

窄带、小串话、稳定滤波

1

光发射机

1

光接收机

EDFA

2

2

光发射机

光接收机

3

3

光发射机

光接收机

N

N

复用器

光发射机

解复用器

光接收机

增益平坦、宽带、较高输出功率

  • 波长稳定、窄线宽
  • 高速、小啁啾调制
  • 高灵敏度
  • 宽动态范围
slide21

面临的问题

提升对L波段的器件要求

  • L波段放大器,(L波段EDFA+拉曼放大器)
  • L波段的各种光子器件:

LD,

WDM,

隔离器……

DCF!?

slide22

面临的问题

多波段带来的问题:非线性

非线性不可完全补偿,它将恶化OSNR,成为WDM系统容量提高的主要限制,它源于

  • 开辟新窗口(L-Band…)
    • 物理效应: 宽频带导致的SRS...  光纤非线性
  • 增加信道密度
    • 物理效应: FWM, XPM…  光纤非线性
slide23
几种技术方案
  • 拉曼分布放大FRA
  • 前向纠错技术FEC
  • 传输光纤
  • 信号调制格式
  • 新型可调谐器件
  • 如何应对PMD?补偿?好光纤?
  • 3R再生
slide25
三、光器件
  • 受激辐射
  • 非线性效应
  • 半导体光电效应
  • 基于晶体的电光、磁光、声光效应
  • 基于波导的电光、磁光、声光效应
  • 基于光纤的电光、磁光、声光效应
  • 微机械
  • 干涉
  • 波导或光纤中的模式耦合
  • 激光器(可调谐)
  • 放大器(增益均衡)
  • 调制器
  • 探测器(波长选择)
  • 光隔离器
  • 环行器
  • 光开关
  • 波长变换器
  • 上下话路器
  • 分束/合束器
  • 波分复用/解复用器
  • 滤波器
slide26

光电子器件的新进展

  • 光通信器件是光通信系统的基础,没有器件就没有系统,往往一个新器件的出现可以引起整个系统的重大革新。目前器件的发展和升值方向为:
  • 波长可选择、可调谐:多波长激光源、可调谐光探测器、波分复用/解复用器、波长转换器、增益平坦光放大器、光开关矩阵、可调色散补偿器、可调谐光滤波器……
  • 集成化:多功能集成、有源和无源集成
  • 小型化、智能化:能灵活地动态控制
  • 全光纤化(基于光纤光栅)和半导体功能器件集成化
  • 高可靠:通信设备要求连续使用寿命25年
  • 产品走向:市场、技术难度、成本(backbone-metro-access)
slide27

下一代WDM网络中的光通信器件

  • S波段和L波段应用的光通信器件
  • 基于技术组合的用于超密集波分复用的光通信器件(如:WDM和光开关可组合成一个全光的波长路由器)
  • 用于城域网的WDM器件:低价、可扩展和分插复用
  • 用于40Gb/s系统的光通信器件:低色散,宽带宽的波分复用器件、动态增益均衡、动态色散控制
  • 用于全光网的光通信器件:动态波长的提供
slide28
四、光接收机
  • 光接收机的灵敏度
  • 灵敏度恶化——功率代价
  • 误码率曲线
  • 眼图

Transponder

slide30

Laser Disablea

Laser Biss Mon

DO IN

1:16

Multiplexer

2.5Gb/s

Optical Tx

2.5 G Data

D15 IN

2.5GHz

PLL

Clock Syn

2.5Gb/s

Optical Output

2.5GHZ

155 Mb/s

Ref Clock

Line

Loop Back

Local

Loop Back

LOOP Back(2)

DO Out

2.5 G Data

1:16

DeMultiplexer

2.5Gb/s

Optical Rx

D15 Out

2.5 G Clock

155 M Clock Out

Frame Pulse

2.5Gb/s

Optical Output

LOS/LOF

+5v

+3.3V DC TO DC

Conventer

+3.3

-5.2v

slide32

五、WDM系统的发展趋势

  • 单路超高速40Gb/s,160Gb/s,640Gb/s
  • 超密信道间距10GHz

信道数攀升 1022 Channel

  • 展宽波长范围C-Band,L-Band,S-Band
  • 超长无中继 450km with remote Amp
  • 超长传输距离
  • 网络化
slide33

系统与网络

系统与网络的研究中,目前关注的热点有:

  • 如何扩大系统的容量-速率、带宽、波长密集度;
  • 如何延长中继的跨距-采用什么光纤和放大器;
  • 光限幅器和3R的全光再生(放大、整形和定时);
  • 如何组建WDM网-如何上下路,如何保护;
  • WDM的实用化-现在什么系统将可商用;
  • IP over WDM的进展;
  • 光传送网(OTN)和全光网的进展;