光子學(xué)與信息時(shí)代

光子學(xué)與信息時(shí)代第1頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光纖通信概述一、光纖通信技術(shù)的發(fā)展史及現(xiàn)狀二、光纖通信系統(tǒng)概述第2頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、光纖通信什么是通信？“通”傳送，“信”信息；信息的傳送基本組成：發(fā)送、傳輸、接收什么是光纖通信？利用激光作為信息的載波信號(hào)，并通過光纖來(lái)傳送信息的通信系統(tǒng)。第3頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月什么是通信？“通”傳送，“信”信息；信息的傳送基本組成：發(fā)送、傳輸、接收什么是光纖通信？利用激光作為信息的載波信號(hào)，并通過光纖來(lái)傳送信息的通信系統(tǒng)。光纖通信是人類歷史上的重大突破，現(xiàn)今的光纖通信已成為信息社會(huì)的神經(jīng)系統(tǒng)第4頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

現(xiàn)代通信方式示意圖用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備衛(wèi)星通信微波通信光纖通信移動(dòng)通信發(fā)送機(jī)接收機(jī)傳輸系統(tǒng)用戶終端用戶終端信息信息用戶終端用戶終端用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備信息信息第5頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

現(xiàn)代通信方式示意圖用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備衛(wèi)星通信微波通信光纖通信移動(dòng)通信發(fā)送機(jī)接收機(jī)傳輸系統(tǒng)用戶終端用戶終端信息信息用戶終端用戶終端用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備信息信息信息指用戶要求傳送的語(yǔ)音、圖像、數(shù)據(jù)以及它們的各種組合第6頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備衛(wèi)星通信微波通信光纖通信移動(dòng)通信發(fā)送機(jī)接收機(jī)傳輸系統(tǒng)用戶終端用戶終端信息信息用戶終端用戶終端用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備信息信息

現(xiàn)代通信方式示意圖用戶終端交換設(shè)備接入網(wǎng)電復(fù)接設(shè)備傳輸系統(tǒng)第7頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

現(xiàn)代通信方式示意圖用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備衛(wèi)星通信微波通信光纖通信移動(dòng)通信發(fā)送機(jī)接收機(jī)傳輸系統(tǒng)用戶終端用戶終端信息信息用戶終端用戶終端用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備信息信息光纖通信經(jīng)過30年的技術(shù)發(fā)展目前正在淘汰著其他的有線通信方式第8頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、光纖通信技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)光波頻率很高，光纖傳輸?shù)念l帶很寬，故傳輸容量很大，理論上可通上億門話路或上萬(wàn)套電視，可進(jìn)行圖像、數(shù)據(jù)、傳真、控制等多種業(yè)務(wù)；不受電磁干擾，保密性好；耐高溫、高壓、抗腐蝕，工作可靠；光纖材料來(lái)源豐富，可節(jié)約大量有色金屬(如銅、鋁)，且直徑小、重量輕。第9頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、光纖通信器件的發(fā)展過程雛形：古代烽火、手旗、燈光1880年貝爾的光電話激光器(發(fā)送源）光纖(傳輸介質(zhì))1960Maiman發(fā)明紅寶石激光器1962半導(dǎo)體激光器誕生(GaAs870nm)70年代室溫工作LD(GaAsAI850nm)1300、1550nm多模LD單模LD1951醫(yī)用玻璃纖維(損耗1000dB/km)1966高錕理論預(yù)言1970康寧制出低損耗光纖(20dB/km)1300(0.5dB/km),1550nm(0.2dB/km)低損耗窗口光纖開發(fā)單模光纖第10頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第11頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展歷程光纖通信追求目標(biāo):大容量、長(zhǎng)距離技術(shù)發(fā)展：短波長(zhǎng)-長(zhǎng)波長(zhǎng)、多模光纖-單模光纖、多模激光器-單模激光器通信系統(tǒng)容量：比特率-距離積BL，B比特率，

L中繼距離每秒鐘傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)目。第12頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光纖通信技術(shù)的發(fā)展大體上可分為：工作波長(zhǎng)光纖激光器比特率B中繼距離L第一代70年代850nm多模多模10～100Mb/s10Km第二代80年代初1300nm多模單模多模100Mb/s1.7Gb/s20Km50Km第三代80年代中～90年代初1550nm單模單模2.5Gb/s～10Gb/s100Km第13頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光纖通信技術(shù)的發(fā)展大體上可分為:（續(xù)）工作波長(zhǎng)光纖激光器比特率B中繼距離L第四代90年代1550nm單模單模2.5Gb/s10Gb/s21000Km（環(huán)路）1500Km光放大系統(tǒng)第五代1550nm單模單模波分復(fù)用WDM單路速率:40,160,640Gb/s信道數(shù):8,16,64,128,1022超長(zhǎng)傳輸距離:27000Km(Loop)6380(Line)目前研究?jī)?nèi)容WDM光網(wǎng)絡(luò)；全光分組交換；光時(shí)分復(fù)用；光孤子通信；新型的光器件第14頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光纖通信技術(shù)的三次飛躍(1)20世紀(jì)60年代。1962年第一只半導(dǎo)體激光器誕生，隨后半導(dǎo)體光檢測(cè)器也研究成功。特別是1966年英籍華人科學(xué)家高錕與Hockham提出用玻璃可以制成衰減為20dB/km的通信光導(dǎo)纖維，1970年美國(guó)康寧公司首先制出了20dB/km的光纖，這標(biāo)志著光纖通信系統(tǒng)的實(shí)際研究條件得以具備。第15頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月20世紀(jì)70年代。1970年發(fā)明了LD的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，使得光源與光檢測(cè)器的壽命都達(dá)到了10萬(wàn)小時(shí)的實(shí)用化水平。1979年發(fā)現(xiàn)了光纖1310nm和1550nm新的低損耗窗口，緊接著單模光纖問世。光纖的衰減系數(shù)一下降到0.5dB/km。這使得光纖通信邁進(jìn)了實(shí)用化階段，從80年代初開始光纖通信便大步地邁向了市場(chǎng)。光纖通信技術(shù)的三次飛躍(2)第16頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月20世紀(jì)90年代初。1989年摻鉺光纖放大器EDFA的研制成功是光纖通信新一輪突破的開始。EDFA的應(yīng)用不僅解決了光纖傳輸衰減的補(bǔ)償問題，而且為一批光網(wǎng)絡(luò)器件的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。使得光纖通信的數(shù)字傳輸速率迅速提高，促成了波分復(fù)用技術(shù)的實(shí)用化。光纖通信技術(shù)的三次飛躍(3)第17頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光纖通信超高速大容量長(zhǎng)距離網(wǎng)絡(luò)化一根光纖中可同時(shí)傳輸一百多路信號(hào)，采用特殊技術(shù)甚至可以同時(shí)傳輸1022路單路速率不斷提升，已達(dá)到10、20、40Gb/s采用OTDM技術(shù)甚至可達(dá)640Gb/s各種通信技術(shù)的快速發(fā)展使上千甚至上萬(wàn)公里的長(zhǎng)距離傳輸成為可能全光網(wǎng)成為目前光通信領(lǐng)域最熱門的話題之一第18頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月EducationTelephoneTravelEntertainmentHealth……Allservices

Networktrafficisgrowing!!Thewholeworldisinmymind!!DemandforBroadbandwidthOpticalnetworkingShoppingBanking21世紀(jì)的通信業(yè)務(wù)第19頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月全球通信業(yè)務(wù)需求估計(jì)用戶增加；每個(gè)用戶的業(yè)務(wù)量增加；服務(wù)質(zhì)量的提高；通信容量需求急增第20頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光纖通信最具代表性技術(shù)

－波分復(fù)用WDM和光纖放大器EDFA第21頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4、光纖傳輸技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展新的傳輸技術(shù)層出不窮色散管理技術(shù)L波EDFA，RAFEC技術(shù)色散與色散斜率的補(bǔ)償PMD補(bǔ)償技術(shù)OTDM技術(shù)與光孤子技術(shù)第22頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

2.5Gb/s10Gb/s40Gb/s10Gb/s40Gb/s20Gb/s80Gb/s80Gb/s320Gb/s3216841WDM波長(zhǎng)數(shù)每波長(zhǎng)比特率(TDM)40Gb/s

網(wǎng)絡(luò)容量演進(jìn)戰(zhàn)略第23頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

40G器件第24頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月關(guān)鍵原材料光纖預(yù)制棒網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備光纖光纜光傳輸/交換設(shè)備光無(wú)源器件光有源器件運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)集成商光纖通信的產(chǎn)業(yè)鏈第25頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月全球光纖通信主要供應(yīng)商第26頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ComponentsandModulesinDWDMNetworks

DWDMThinfilmfiltersFibergratingsWaveguidesCirculatorsInterleaversMux/Demux

modulesAmplifiersIsolatorsTapcouplersPumplasersGainequalizersAttenuatorsIntegrated

amplifiersSOAsOpticalSwitchesCirculatorsCouplersAdd/dropmodulesSwitchingTransmissionSourcelasersModulatorsWavelockersReceiversDetectorsTx/RxmodulesOver9000Products第27頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5、光纖網(wǎng)絡(luò)的分類第28頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三種網(wǎng)絡(luò)的不同要求三種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有著不同的性質(zhì)決定了這三種網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備開發(fā)的不同考慮：

Long-haul:CapacityMetro:SmartAccess:Cost第29頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6、國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀1963年開始光通信的研究1974年研究光纖通信“六五”、“七五”、“八五”鋪設(shè)“八縱八橫”光纖線路總長(zhǎng)約七萬(wàn)公里傳輸碼率：從140Mb/s~2.5Gb/s，10Gb/s，40Gb/s已開始研究。DFB（量子阱）激光器和EDFA研制成功，可供應(yīng)用高速電子器件、波導(dǎo)器件尚有差距第30頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第31頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月NSFCnet網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)說明：NSFCnet由六個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，以清華為匯接點(diǎn)構(gòu)成兩個(gè)環(huán)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，清華、北大和中科院三點(diǎn)構(gòu)成二纖雙向自愈環(huán)采用WDM傳輸技術(shù)，在清華和北大之間通過在實(shí)驗(yàn)室中加光纖進(jìn)行400公里廣域網(wǎng)模擬試驗(yàn)；在其它節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的環(huán)中采用單路SDH/SONET傳輸技術(shù)。第32頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

DWDMExperimentsystematTHU第33頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光纖通信概述一、光纖通信技術(shù)的發(fā)展史及現(xiàn)狀二、光纖通信系統(tǒng)概述第34頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的組成由光發(fā)射機(jī)、光纖光纜、中繼器與光接收機(jī)等基本單元組成。此外還包括一些互連與光信號(hào)處理器件，如光纖連接器、隔離器、調(diào)制器、濾波器、光開關(guān)及路由器、分插復(fù)用器ADM等。光源調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路光發(fā)射機(jī)放大器光電二極管判決器光接收機(jī)光纖光纖中繼器第35頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、光纖的研究光纖：將光信號(hào)從光發(fā)射機(jī)無(wú)失真地傳送到光接收機(jī)?；咎匦詤?shù)：損耗（dB/km）：直接影響通信距離。色散（ps/nm.km）：將引起光脈沖信號(hào)展寬和碼間串?dāng)_，影響通信距離和容量。為實(shí)現(xiàn)高速長(zhǎng)距離傳輸，要求光纖具有低損耗和低色散特性。第36頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月近四十年的努力尋找合適的光纖，實(shí)用化的光損耗為20dB/km(99.5%/m)；60年代研究，70年代突破，2000年0.2dB/km(99.995%/m);新的實(shí)用化光纖不斷涌現(xiàn)第37頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光纖的色散光纖色散：信號(hào)能量中的各種分量由于在光纖中傳輸速度不同，而引起的信號(hào)畸變。將引起光脈沖展寬和碼間串?dāng)_，最終影響通信距離和容量。隨著脈沖在光纖中傳輸，脈沖的寬度被展寬第38頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月突破色散限制傳輸光纖的改進(jìn)（1）：G.653色散位移光纖EDFA頻帶0.10.20.30.40.50.6衰減(dB/km)1600170014001300120015001100波長(zhǎng)(nm)

20100-10-20色散(ps/nm.km)G.65317ps/nm.kmG.652第39頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月傳輸光纖的改進(jìn)（2）：

G.655非零色散位移光纖17ps/nm.kmEDFA頻帶0.10.20.30.40.50.6衰減(dB/km)1600170014001300120015001100波長(zhǎng)(nm)

20100-10-20色散(ps/nm.km)G.653G.652G.655第40頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)由光源、調(diào)制器和信道耦合器組成。光信號(hào)是用電信號(hào)調(diào)制光載波產(chǎn)生的。直接調(diào)制：通過改變注入電流直接調(diào)制半導(dǎo)體光源的輸出。帶有啁啾，影響通信系統(tǒng)性能。外調(diào)制：增加一調(diào)制器，適于高速系統(tǒng)應(yīng)用。光源驅(qū)動(dòng)電路調(diào)制器信號(hào)輸入通道耦合器光發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)框圖第41頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月調(diào)制前光載波的形式為：

E(t)=Acos(0t+)調(diào)制方式模擬通信可采用調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相等多種調(diào)制方式。采用數(shù)字調(diào)制時(shí)，相應(yīng)地稱為幅移鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）；信號(hào)只有兩種狀態(tài)的ASK稱為通斷鍵控（OOK），這是當(dāng)前的數(shù)字通信系統(tǒng)通常使用的格式，屬于強(qiáng)度調(diào)制-直接檢測(cè)（IM-DD）通信方式，是通信方式中最簡(jiǎn)單、最初級(jí)的方式。電場(chǎng)振幅載頻相位第42頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光發(fā)射機(jī)的參數(shù)(1)發(fā)送光功率（dBm）

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

以1mW為基準(zhǔn)的、用分貝表示的功率。表示功率的絕對(duì)值。

功率(mW)10010210.50.10.010.001功率(dBm)+20+10+30-3-10-20-30第43頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月分貝的定義把信號(hào)功率與某個(gè)絕對(duì)值或某個(gè)噪聲功率進(jìn)行比較。分貝：功率比值，用相當(dāng)簡(jiǎn)單的方式表示很大比值。

dB=10lg[P2/P1]

P2、

P1--光功率

功率比10N10210.50.110-NdB+10N+10+30-3-10-10N如：功率增加一倍，表明增益是3dB；功率減小到一半，表明損耗是3dB。分貝是一比值或相對(duì)單位。光纖損耗6dB－－通過光纖后，功率減小到連接器損耗1dB－－通過連接器后，功率減小到25％80％第44頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、光接收機(jī)光接收機(jī)：將光信號(hào)變換為電信號(hào)，再進(jìn)行放大、再生。數(shù)字通信系統(tǒng)的性能用誤碼率BER來(lái)衡量。BER定義為錯(cuò)誤識(shí)別比特的平均幾率。接收機(jī)性能的重要參數(shù)是接收機(jī)靈敏度：在接收機(jī)BER10-9的條件下，所要求的最小平均接收光功率。接收靈敏度取決于信噪比，亦即取決于干擾接收信號(hào)的各種噪聲源，是所有可能的噪聲機(jī)制影響的累加，當(dāng)然也與比特率有關(guān)。第45頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4、中繼器隨著傳輸線路的延長(zhǎng)，會(huì)由于傳輸損耗而使脈沖衰減，同時(shí)加上傳輸線路的失真特性（光纖中的各種色散）產(chǎn)生脈沖波型的失真。因此，需要中繼器來(lái)進(jìn)行修復(fù)。3R：re-amplifying

再放大（光放大器的功能）

re-timing

再定時(shí)（消除時(shí)間抖動(dòng)）

re-shaping

再整形（消除波形畸變）通過這3個(gè)R，得到接近于發(fā)射端的光信號(hào)的copy，從而延長(zhǎng)傳輸距離，提高信號(hào)質(zhì)量。3R組合第46頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3R再生功能放大消除波形畸變消除時(shí)間抖動(dòng)第47頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光放大器概述光放大器的出現(xiàn)，可視為光纖通信發(fā)展史上的重要里程碑。光放大器出現(xiàn)之前，光纖通信的中繼器采用光－電－光(O-E-O)變換方式。裝置復(fù)雜、耗能多、不能同時(shí)放大多個(gè)波