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1、光纤通信技术光纤通信技术讲讲 解解 人人: 王建萍王建萍联系电话联系电话: 62781369(O) 办公地点：东主楼办公地点：东主楼11区区416室室E-mail: 光纤通信清华版课件善教者，善教者，使人继其事。使人继其事。请关掉手机请关掉手机1 光纤通信概述光纤通信概述光纤通信概述光纤通信概述1.11.1光纤通信技术的发展史及现状光纤通信技术的发展史及现状光纤通信技术的发展史及现状光纤通信技术的发展史及现状1.21.2光纤通信系统概述光纤通信系统概述光纤通信系统概述光纤通信系统概述2 2 光信号的传输特性光信号的传输特性光信号的传输特性光信号的传输特性2.12.1光纤概述光纤概述光纤概述光纤
2、概述2.22.2光纤的损耗特性光纤的损耗特性光纤的损耗特性光纤的损耗特性2.32.3光纤的色散特性及色散限制光纤的色散特性及色散限制光纤的色散特性及色散限制光纤的色散特性及色散限制2.42.4光纤中的非线性光学效应光纤中的非线性光学效应光纤中的非线性光学效应光纤中的非线性光学效应3 3 光器件光器件光器件光器件 3.1 3.1 光器件概述光器件概述光器件概述光器件概述3.2 3.2 光连接器光连接器光连接器光连接器ConnectorConnector3.3 3.3 光衰减器光衰减器光衰减器光衰减器AttenuatorAttenuator3.4 3.4 光耦合器光耦合器光耦合器光耦合器Coupl
3、erCoupler3.5 3.5 复用器与滤波器复用器与滤波器复用器与滤波器复用器与滤波器 Multiplexer and Filter Multiplexer and Filter3.6 3.6 光隔离器与环行器光隔离器与环行器光隔离器与环行器光隔离器与环行器3.7 3.7 光调制器光调制器光调制器光调制器ModulatorsModulators3.8 3.8 光开关光开关光开关光开关SwitchesSwitches3.9 3.9 光波长转换器光波长转换器光波长转换器光波长转换器3.10 3.10 光交叉互连器光交叉互连器光交叉互连器光交叉互连器4 4 激光器及光发射机激光器及光发射机激光器
4、及光发射机激光器及光发射机4.1 4.1 半导体激光二极管半导体激光二极管半导体激光二极管半导体激光二极管LDLD4.24.2 半导体激光器的工作特性半导体激光器的工作特性半导体激光器的工作特性半导体激光器的工作特性4.3 4.3 光发射机光发射机光发射机光发射机讲授内容讲授内容(1) 5 5 光检测器及光接收机光检测器及光接收机光检测器及光接收机光检测器及光接收机5.15.1光检测器光检测器光检测器光检测器5.25.2光检测器的工作特性和参数光检测器的工作特性和参数光检测器的工作特性和参数光检测器的工作特性和参数5.35.3光接收机光接收机光接收机光接收机5.45.4光接收机的噪声特性光接收
5、机的噪声特性光接收机的噪声特性光接收机的噪声特性 5.5 5.5光接收机的灵敏度光接收机的灵敏度光接收机的灵敏度光接收机的灵敏度 5.6 5.6光接收机的性能评估光接收机的性能评估光接收机的性能评估光接收机的性能评估6 6 光放大器光放大器光放大器光放大器6.16.1概述概述概述概述6.26.2光放大器的原理与一般特性光放大器的原理与一般特性光放大器的原理与一般特性光放大器的原理与一般特性6.36.3掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器EDFAEDFA6.46.4半导体光放大器半导体光放大器半导体光放大器半导体光放大器SOASOA6.56.5光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器光纤
6、拉曼放大器光纤拉曼放大器FRAFRA讲授内容讲授内容(2)7 7 光纤通信系统的性能与设计光纤通信系统的性能与设计光纤通信系统的性能与设计光纤通信系统的性能与设计7.17.1光纤通信系统结构光纤通信系统结构光纤通信系统结构光纤通信系统结构7.27.2光纤损耗对系统的限制光纤损耗对系统的限制光纤损耗对系统的限制光纤损耗对系统的限制7.37.3光纤色散对系统的限制光纤色散对系统的限制光纤色散对系统的限制光纤色散对系统的限制7.47.4光纤中的非线性光学效应光纤中的非线性光学效应光纤中的非线性光学效应光纤中的非线性光学效应 对系统的影响对系统的影响对系统的影响对系统的影响7.57.5信道串扰信道串扰
7、信道串扰信道串扰7.67.6光纤通信系统设计中的功光纤通信系统设计中的功光纤通信系统设计中的功光纤通信系统设计中的功率预算率预算率预算率预算8 8 光网络及其它光纤通信技术光网络及其它光纤通信技术光网络及其它光纤通信技术光网络及其它光纤通信技术复复复复 习习习习共计共计共计共计32323232学时学时学时学时考试课考试课考试课考试课1.光纤通信系统光纤通信系统光纤通信系统光纤通信系统杨祥林杨祥林杨祥林杨祥林 编著编著编著编著 国防工业国防工业国防工业国防工业出版社出版社出版社出版社2.光纤通信系统光纤通信系统光纤通信系统光纤通信系统顾畹仪顾畹仪顾畹仪顾畹仪 编著编著编著编著 北京邮电北京邮电北
8、京邮电北京邮电大学出版社大学出版社大学出版社大学出版社3.光纤通信导论光纤通信导论光纤通信导论光纤通信导论邱邱邱邱 昆昆昆昆 编著编著编著编著 电子科电子科电子科电子科技大学出版社技大学出版社技大学出版社技大学出版社4.光纤通信系统光纤通信系统光纤通信系统光纤通信系统L.G.L.G.卡佐夫斯基等著卡佐夫斯基等著卡佐夫斯基等著卡佐夫斯基等著 张肇仪等译张肇仪等译张肇仪等译张肇仪等译 人民邮电出版社人民邮电出版社人民邮电出版社人民邮电出版社参考书目参考书目第一章 光纤通信概述1.1 光纤通信技术的发展史及现状光纤通信技术的发展史及现状1.2 光纤通信系统概述光纤通信系统概述1.1光纤通信技术的发展
9、史及现状光纤通信技术的发展史及现状n n什么是通信？什么是通信？n n“通通”传送传送，“信信”信息信息；信息的传送；信息的传送n n基本组成：发送、传输、接收基本组成：发送、传输、接收n n什么是光纤通信？什么是光纤通信？n n利用激光作为利用激光作为信息信息的载波信号，并通过的载波信号，并通过 光纤来光纤来传送信息传送信息的通信系统。的通信系统。1.1光纤通信技术的发展史及现状光纤通信技术的发展史及现状n n什么是通信？什么是通信？n n“通通”传送传送，“信信”信息信息；信息的传送；信息的传送n n基本组成：发送、传输、接收基本组成：发送、传输、接收n n什么是光纤通信？什么是光纤通信？
10、n n利用激光作为利用激光作为信息信息的载波信号，并通过的载波信号，并通过 光纤来光纤来传送信息传送信息的通信系统。的通信系统。光纤通信是人类历史上光纤通信是人类历史上的重大突破，现今的光纤通信的重大突破，现今的光纤通信已成为信息社会的神经系统已成为信息社会的神经系统 现代通信方式示意图现代通信方式示意图用户环路交换设备电复接设备卫星通信微波通信光纤通信移动通信发送机接收机传输系统用户终端用户终端信息信息用户终端用户终端用户环路交换设备电复接设备信息信息 现代通信方式示意图现代通信方式示意图用户环路交换设备电复接设备卫星通信微波通信光纤通信移动通信发送机接收机传输系统用户终端用户终端信息信息用
11、户终端用户终端用户环路交换设备电复接设备信息信息信息指用户要求传送信息指用户要求传送的语音、图像、数据的语音、图像、数据以及它们的各种组合以及它们的各种组合用户环路交换设备电复接设备卫星通信微波通信光纤通信移动通信发送机接收机传输系统用户终端用户终端信息信息用户终端用户终端用户环路交换设备电复接设备信息信息 现代通信方式示意图现代通信方式示意图用户终端用户终端交换设备交换设备接入网接入网电复接设备电复接设备传输系统传输系统 现代通信方式示意图现代通信方式示意图用户环路交换设备电复接设备卫星通信微波通信光纤通信移动通信发送机接收机传输系统用户终端用户终端信息信息用户终端用户终端用户环路交换设备电
12、复接设备信息信息光纤通信经过光纤通信经过光纤通信经过光纤通信经过3030年的技年的技年的技年的技术发展目前正在淘汰着术发展目前正在淘汰着术发展目前正在淘汰着术发展目前正在淘汰着其他的有线通信方式其他的有线通信方式其他的有线通信方式其他的有线通信方式光纤通信技术的主要优点光纤通信技术的主要优点n n光波频率很高，光纤传输的频带很宽，光波频率很高，光纤传输的频带很宽，故传输容量很大，理论上可通上亿门话故传输容量很大，理论上可通上亿门话路或上万套电视，可进行图像、数据、路或上万套电视，可进行图像、数据、传真、控制等多种业务；传真、控制等多种业务；n n不受电磁干扰，保密性好；不受电磁干扰，保密性好；
13、n n耐高温、高压、抗腐蚀，工作可靠；耐高温、高压、抗腐蚀，工作可靠；n n光纤材料来源丰富，可节约大量有色金光纤材料来源丰富，可节约大量有色金属属(如铜、铝如铜、铝)，且直径小、重量轻。，且直径小、重量轻。光纤通信器件的发展过程光纤通信器件的发展过程 雏形：古代烽火、手旗、灯光雏形：古代烽火、手旗、灯光雏形：古代烽火、手旗、灯光雏形：古代烽火、手旗、灯光18801880年年年年 贝尔的光电话贝尔的光电话贝尔的光电话贝尔的光电话激光器激光器激光器激光器( (发送源）发送源）发送源）发送源）光纤光纤光纤光纤( (传输介质传输介质传输介质传输介质) )1960 Maiman1960 Maiman发
14、明红宝石激光器发明红宝石激光器发明红宝石激光器发明红宝石激光器1962 1962 半导体激光器诞生半导体激光器诞生半导体激光器诞生半导体激光器诞生(GaAs 870nm)(GaAs 870nm)70 70 年代室温工作年代室温工作年代室温工作年代室温工作LDLD(GaAsAI 850nm)(GaAsAI 850nm)13001300、1550nm 1550nm 多模多模多模多模LDLD单模单模单模单模LDLD1951 1951 医用玻璃纤维医用玻璃纤维医用玻璃纤维医用玻璃纤维( (损耗损耗损耗损耗1000dB/km)1000dB/km)1966 1966 高锟高锟高锟高锟 理论预言理论预言理论
15、预言理论预言1970 1970 康宁制出低损耗光纤康宁制出低损耗光纤康宁制出低损耗光纤康宁制出低损耗光纤(20dB/km)(20dB/km)1300(0.5dB/km),1550nm(0.2dB/km)1300(0.5dB/km),1550nm(0.2dB/km)低损耗窗口光纤开发低损耗窗口光纤开发低损耗窗口光纤开发低损耗窗口光纤开发单模光纤单模光纤单模光纤单模光纤光纤通信系统的发展历程光纤通信系统的发展历程n n光纤通信追求目标光纤通信追求目标: 大容量、长距离大容量、长距离n n技术发展：短波长技术发展：短波长-长波长、多模光纤长波长、多模光纤-单模光纤、多模激光器单模光纤、多模激光器-单
16、模激光器单模激光器通信系统容量：比特率通信系统容量：比特率通信系统容量：比特率通信系统容量：比特率- -距离积距离积距离积距离积BLBL，B B 比特率，比特率，比特率，比特率， L L 中继距离中继距离中继距离中继距离每秒钟传输的比特数目。每秒钟传输的比特数目。光纤通信技术的发展大体上可分为：光纤通信技术的发展大体上可分为：工作波长工作波长工作波长工作波长光纤光纤光纤光纤激光器激光器激光器激光器比特率比特率比特率比特率BB中继距离中继距离中继距离中继距离L L第一代第一代第一代第一代7070年代年代年代年代850nm850nm多模多模多模多模多模多模多模多模1010100Mb/s100Mb/
17、s10Km10Km第二代第二代第二代第二代8080年代初年代初年代初年代初1300nm1300nm多模多模多模多模单模单模单模单模多模多模多模多模100Mb/s100Mb/s1.7Gb/s1.7Gb/s20Km20Km50Km50Km第三代第三代第三代第三代8080年代中年代中年代中年代中9090年代初年代初年代初年代初1550nm1550nm单模单模单模单模单模单模单模单模2.5Gb/s2.5Gb/s10Gb/s10Gb/s100Km100Km光纤通信技术的发展大体上可分为光纤通信技术的发展大体上可分为:（续）（续）工作工作工作工作波长波长波长波长光纤光纤光纤光纤 激光激光激光激光器器器器比
18、特率比特率比特率比特率BB中继距离中继距离中继距离中继距离L L第四第四第四第四代代代代9090年代年代年代年代15501550nmnm单模单模单模单模 单模单模单模单模 2.5Gb/s2.5Gb/s10Gb/s10Gb/s21000Km21000Km（环路）（环路）（环路）（环路）1500Km1500Km光放大系统光放大系统光放大系统光放大系统第五第五第五第五代代代代15501550nmnm单模单模单模单模 单模单模单模单模 波分复用波分复用波分复用波分复用WDMWDM单路速率单路速率单路速率单路速率:40,160,640Gb/s:40,160,640Gb/s信道数信道数信道数信道数:8,1
19、6,64,128,1022:8,16,64,128,1022超长传输距离超长传输距离超长传输距离超长传输距离: :27000Km(Loop)27000Km(Loop) 6380(Line) 6380(Line)目前目前目前目前研究研究研究研究内容内容内容内容WDMWDM光网络；全光分组交换；光时分复用；光孤子通信；光网络；全光分组交换；光时分复用；光孤子通信；光网络；全光分组交换；光时分复用；光孤子通信；光网络；全光分组交换；光时分复用；光孤子通信；新型的光器件新型的光器件新型的光器件新型的光器件光纤通信技术的三次飞跃光纤通信技术的三次飞跃(1)n n20世纪世纪60年代年代。1962年第一只
20、年第一只半导体激光半导体激光器器诞生，随后半导体诞生，随后半导体光检测器光检测器也研究成功。也研究成功。特别是特别是1966年英籍华人科学家高锟与年英籍华人科学家高锟与Hockham提出用玻璃可以制成衰减为提出用玻璃可以制成衰减为20dB/km的通信的通信光导纤维光导纤维，1970年美国康年美国康宁公司首先制出了宁公司首先制出了20dB/km的光纤，的光纤，这标这标志着光纤通信系统的实际研究条件得以具备志着光纤通信系统的实际研究条件得以具备。n n20世纪世纪70年代年代。1970年发明了年发明了LD的双异质结的双异质结构，使得光源与光检测器的寿命都达到了构，使得光源与光检测器的寿命都达到了1
21、0万万小时小时的实用化水平。的实用化水平。1979年发现了光纤年发现了光纤1310nm和和1550nm新的低损耗窗口，紧接着新的低损耗窗口，紧接着单模光纤单模光纤问世。光纤的衰减系数一下降到问世。光纤的衰减系数一下降到0.5dB/km。这使得光纤通信迈进了。这使得光纤通信迈进了实用化阶实用化阶段段，从，从80年代初开始光纤通信便大步地迈向了年代初开始光纤通信便大步地迈向了市场。市场。光纤通信技术的三次飞跃光纤通信技术的三次飞跃(2)n n20世纪世纪90年代初年代初。1989年年掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器EDFA的研制成功是光纤通信新一轮突破的开的研制成功是光纤通信新一轮突破的开始。始。ED
22、FA的应用不仅解决了光纤传输衰减的的应用不仅解决了光纤传输衰减的补偿问题，而且为一批光网络器件的应用创补偿问题，而且为一批光网络器件的应用创造了条件。使得光纤通信的数字造了条件。使得光纤通信的数字传输速率迅传输速率迅速提高速提高，促成了波分复用技术的，促成了波分复用技术的实用化实用化。光纤通信技术的三次飞跃光纤通信技术的三次飞跃(3)光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信超高速超高速超高速超高速大容量大容量大容量大容量长距离长距离长距离长距离网络化网络化网络化网络化一根光纤中可同时传输一百一根光纤中可同时传输一百一根光纤中可同时传输一百一根光纤中可同时传输一百多路信号，采用特殊技术多路信号，采用特殊
23、技术多路信号，采用特殊技术多路信号，采用特殊技术甚至可以同时传输甚至可以同时传输甚至可以同时传输甚至可以同时传输10221022路路路路单路速率不断提升，单路速率不断提升，单路速率不断提升，单路速率不断提升，已达到已达到已达到已达到1010、2020、40Gb/s40Gb/s采用采用采用采用OTDMOTDM技术甚至技术甚至技术甚至技术甚至可达可达可达可达640Gb/s640Gb/s各种通信技术的快速各种通信技术的快速各种通信技术的快速各种通信技术的快速发展使上千甚至上万公发展使上千甚至上万公发展使上千甚至上万公发展使上千甚至上万公里的长距离传输成为可能里的长距离传输成为可能里的长距离传输成为可
24、能里的长距离传输成为可能全光网成为目前光通信全光网成为目前光通信全光网成为目前光通信全光网成为目前光通信领域最热门的话题之一领域最热门的话题之一领域最热门的话题之一领域最热门的话题之一EducationEducationTelephoneTelephoneTravelTravelEntertainmentEntertainmentHealthHealthAll All servicesservices Network Network traffic is traffic is growing!growing!The whole worldThe whole world is in my min
25、d! is in my mind!Demand for Broad Demand for Broad bandwidthbandwidthOptical networkingShoppingShoppingBankingBanking2121世纪的通信业务世纪的通信业务全球通信业务需求估计全球通信业务需求估计用户增加；用户增加；用户增加；用户增加；每个用户的业务每个用户的业务每个用户的业务每个用户的业务量增加；量增加；量增加；量增加；服务质量的提高；服务质量的提高；服务质量的提高；服务质量的提高；通信容量通信容量通信容量通信容量需求急增需求急增需求急增需求急增光纤通信最具代表性技术光纤通信最具
26、代表性技术 波分复用波分复用WDMWDM和光纤放大器和光纤放大器EDFAEDFA光纤通信系统的新波段光纤通信系统的新波段1450 1490 1530 1570 1610 1650S S+ + S C L L S C L L+ + 波波 长长 (nm)范崇澄 FS-08波段波段波段波段波长范围波长范围波长范围波长范围(nm)(nm)(nm)(nm)带宽带宽带宽带宽(THz)(THz)(THz)(THz)光放大器光放大器光放大器光放大器应用应用应用应用C C C C1530-15701530-15701530-15701530-15705.05.05.05.0有有有有长途干线长途干线长途干线长途干
27、线C+LC+LC+LC+L1530-16101530-16101530-16101530-16109.79.79.79.7有有有有长途干线长途干线长途干线长途干线S+C+LS+C+LS+C+LS+C+L1490-16101490-16101490-16101490-161015.015.015.015.0无无无无城城城城/ / / /局域网局域网局域网局域网S S S S+ + + +S+C+L+L+S+C+L+L+S+C+L+L+S+C+L+L+ + + +1450-16501450-16501450-16501450-165025.125.125.125.1无无无无城城城城/ / / /局
28、域网局域网局域网局域网全波全波全波全波1300-16501300-16501300-16501300-165048.948.948.948.9无无无无城城城城/ / / /局域网局域网局域网局域网光纤传输技术进一步发展n n新的传输技术层出不穷新的传输技术层出不穷n n色散管理技术色散管理技术色散管理技术色散管理技术n nL L波波波波EDFAEDFA，RARAn nFECFEC技术技术技术技术n n色散与色散斜率的补偿色散与色散斜率的补偿色散与色散斜率的补偿色散与色散斜率的补偿n nPMDPMD补偿技术补偿技术补偿技术补偿技术n nOTDMOTDM技术与光孤子技术技术与光孤子技术技术与光孤子
29、技术技术与光孤子技术 2.5Gb/s 10Gb/s 40Gb/s10Gb/s 40Gb/s20Gb/s 80Gb/s80Gb/s 320Gb/s3216841WDM WDM 波长数波长数波长数波长数每波长比特率每波长比特率每波长比特率每波长比特率(TDM)(TDM)40Gb/s 网络容量演进战略网络容量演进战略 40G 器件器件关键原材料关键原材料关键原材料关键原材料光纤预制棒光纤预制棒光纤预制棒光纤预制棒网络管理系统网络管理系统网络管理系统网络管理系统测试设备测试设备测试设备测试设备光纤光纤光纤光纤光缆光缆光缆光缆光传输光传输光传输光传输/ / / /交换交换交换交换设备设备设备设备光无源器
30、件光无源器件光无源器件光无源器件光有源器件光有源器件光有源器件光有源器件运营商运营商运营商运营商网络集成商网络集成商网络集成商网络集成商光纤通信的产业链光纤通信的产业链全球光纤通信主要供应商全球光纤通信主要供应商Components and Modules in DWDM Components and Modules in DWDM NetworksNetworks DWDMThin film filtersFiber gratingsWaveguidesCirculatorsInterleaversMux/Demux modulesAmplifiersIsolatorsTap coupler
31、sPump lasersGain equalizersAttenuatorsIntegrated amplifiersSOAsOptical SwitchesCirculatorsCouplersAdd/drop modulesSwitchingTransmissionSource lasersModulatorsWavelockersReceiversDetectorsTx/Rx modulesOver 9000 Products光纤网络的分类光纤网络的分类三种网络的不同要求三种网络的不同要求n n三种网络设备有着不同的性质决定了这三种网络设备有着不同的性质决定了这三种网络中设备开发的不同考
32、虑：三种网络中设备开发的不同考虑： Long-haul: Capacity Metro: Smart Access: Cost国内现状国内现状n n19631963年年年年 开始光通信的研究开始光通信的研究开始光通信的研究开始光通信的研究n n19741974年年年年 研究光纤通信研究光纤通信研究光纤通信研究光纤通信n n“ “六五六五六五六五” ”、“ “七五七五七五七五” ”、“ “八五八五八五八五” ”铺设铺设铺设铺设“ “八纵八纵八纵八纵八横八横八横八横” ”光纤线路总长约七万公里光纤线路总长约七万公里光纤线路总长约七万公里光纤线路总长约七万公里n n传输码率：从传输码率：从传输码率：
33、从传输码率：从140Mb/s2.5Gb/s140Mb/s2.5Gb/s，10Gb/s10Gb/s，40Gb/s40Gb/s已开始研究。已开始研究。已开始研究。已开始研究。n nDFBDFB（量子阱）激光器和（量子阱）激光器和（量子阱）激光器和（量子阱）激光器和EDFAEDFA研制成功，研制成功，研制成功，研制成功，可供应用可供应用可供应用可供应用n n高速电子器件、波导器件尚有差距高速电子器件、波导器件尚有差距高速电子器件、波导器件尚有差距高速电子器件、波导器件尚有差距NSFCnet NSFCnet 网络的拓扑结构网络的拓扑结构网络的拓扑结构网络的拓扑结构说明：说明：NSFCnet由六个节点组
34、成由六个节点组成，以清华为汇接点构成两个环行拓扑结构，以清华为汇接点构成两个环行拓扑结构，清华、北大和中清华、北大和中科院三点构成二纤双向自愈环采用科院三点构成二纤双向自愈环采用WDM传输技术，传输技术，在清华和北大之间通过在实验室中加光在清华和北大之间通过在实验室中加光纤进行纤进行400公里广域网模拟试验公里广域网模拟试验；在其它节点构成的环中采用单路；在其它节点构成的环中采用单路SDH/SONET传输技术。传输技术。 DWDM Experiment system at THU带来的科学问题带来的科学问题光纤性能是有限制的，随着信道数光纤性能是有限制的，随着信道数据率和传输距离的增加，系统容
35、量据率和传输距离的增加，系统容量日益趋近极限，日益趋近极限，光纤不再是一个透光纤不再是一个透明管道。明管道。 2.5Gb/s per channel: forget the fiber; 160Gb/s per channel: forget WDM!为克服这些限制，除为克服这些限制，除新型光纤新型光纤(相对稳定相对稳定)外，外，综合采用了综合采用了色散管理、宽带色散管理、宽带EDFA、Raman 放大、前向纠错（放大、前向纠错（FEC）等行之等行之有效的新技术；但新技术不一定都是好技术。有效的新技术；但新技术不一定都是好技术。- -系统总成本增加；系统总成本增加；系统总成本增加；系统总成本增
36、加；- -灵活性、扩展性、生存性降低，特别不利于网灵活性、扩展性、生存性降低，特别不利于网灵活性、扩展性、生存性降低，特别不利于网灵活性、扩展性、生存性降低，特别不利于网络设计络设计络设计络设计怎样才是好技术怎样才是好技术怎样才是好技术怎样才是好技术？带来的科学问题带来的科学问题 持续发展面临的挑战持续发展面临的挑战功能多、适应能力强、功能多、适应能力强、成本低的光子学器件与技术；成本低的光子学器件与技术； 革命性变革有待于基础研究革命性变革有待于基础研究如何使光子如何使光子变得变得聪明聪明？ 所有的智能都在电层所有的智能都在电层所有的智能都在电层所有的智能都在电层 - - 只能是只能是只能是
37、只能是“ “低能低能低能低能” ”；光层变为光层变为光层变为光层变为 big fat pipe big fat pipe 使运营商无利可图，使运营商无利可图，使运营商无利可图，使运营商无利可图，限制了光通信的发展；限制了光通信的发展；限制了光通信的发展；限制了光通信的发展；电子也曾经电子也曾经电子也曾经电子也曾经 stupidstupid，有存储、信号处理等功有存储、信号处理等功有存储、信号处理等功有存储、信号处理等功能后才变为能后才变为能后才变为能后才变为 SMARTSMART；基本问题：由材料开始基本问题：由材料开始基本问题：由材料开始基本问题：由材料开始！10151015年解决，将引发通
38、信事业的另一次革命！年解决，将引发通信事业的另一次革命！年解决，将引发通信事业的另一次革命！年解决，将引发通信事业的另一次革命！第一章 光纤通信概述1.1 光纤通信技术的发展史及现状光纤通信技术的发展史及现状1.2 光纤通信系统概述光纤通信系统概述 数字光纤通信系统的组成数字光纤通信系统的组成数字光纤通信系统的组成数字光纤通信系统的组成由光发射机、光纤光缆、中继器与光接收机等基本单元组成。由光发射机、光纤光缆、中继器与光接收机等基本单元组成。由光发射机、光纤光缆、中继器与光接收机等基本单元组成。由光发射机、光纤光缆、中继器与光接收机等基本单元组成。此外还包括一些互连与光信号处理器件，如光纤连接
39、器、隔离此外还包括一些互连与光信号处理器件，如光纤连接器、隔离此外还包括一些互连与光信号处理器件，如光纤连接器、隔离此外还包括一些互连与光信号处理器件，如光纤连接器、隔离器、调制器、滤波器、光开关及路由器、分插复用器器、调制器、滤波器、光开关及路由器、分插复用器器、调制器、滤波器、光开关及路由器、分插复用器器、调制器、滤波器、光开关及路由器、分插复用器ADMADM等。等。等。等。光源光源调制器调制器调制器调制器驱动电路驱动电路驱动电路驱动电路光发射机光发射机光发射机光发射机放大器放大器光电二光电二极管极管判决器判决器光接收机光接收机光接收机光接收机光纤光纤光纤光纤光纤光纤光纤光纤中继器中继器中
40、继器中继器1.2 光纤通信系统概述光纤通信系统概述一、光纤的研究一、光纤的研究n n光纤：将光信号从光发射机无失真地传光纤：将光信号从光发射机无失真地传送到光接收机。送到光接收机。n n基本特性参数：基本特性参数：n n损耗损耗损耗损耗（dB/kmdB/km）：直接影响通信距离。）：直接影响通信距离。）：直接影响通信距离。）：直接影响通信距离。n n色散色散色散色散（ps/nm.kmps/nm.km）：将引起光脉冲信号展）：将引起光脉冲信号展）：将引起光脉冲信号展）：将引起光脉冲信号展宽和码间串扰，影响通信距离和容量。宽和码间串扰，影响通信距离和容量。宽和码间串扰，影响通信距离和容量。宽和码间
41、串扰，影响通信距离和容量。n n为实现高速长距离传输，要求光纤具有低损为实现高速长距离传输，要求光纤具有低损为实现高速长距离传输，要求光纤具有低损为实现高速长距离传输，要求光纤具有低损耗和低色散特性。耗和低色散特性。耗和低色散特性。耗和低色散特性。近四十年的努力近四十年的努力寻找合适的光纤，实用化的光损耗为寻找合适的光纤，实用化的光损耗为20dB/km 20dB/km (99.5%/m)(99.5%/m)；6060年代研究，年代研究，7070年代突破，年代突破，20002000年年0.2dB/km (99.995%/m);0.2dB/km (99.995%/m);新的实用化光纤不断涌现新的实用
42、化光纤不断涌现突破色散限制突破色散限制传输光纤的改进（传输光纤的改进（传输光纤的改进（传输光纤的改进（1 1） ：G.653G.653色散位移光纤色散位移光纤色散位移光纤色散位移光纤EDFAEDFA频带频带频带频带0.10.20.30.40.50.6衰减衰减衰减衰减 (dB/km) (dB/km)1600170014001300120015001100波长波长波长波长(nm)(nm) 20 10 0-10-20色散色散色散色散(ps/nm.km)(ps/nm.km)G.65317ps/nm.kmG.652传输光纤的改进（传输光纤的改进（2） ： G.655非零色散位移光纤非零色散位移光纤17p
43、s/nm.kmEDFAEDFA频带频带频带频带0.10.20.30.40.50.6衰减衰减衰减衰减 (dB/km) (dB/km)1600170014001300120015001100波长波长波长波长(nm)(nm) 20 10 0-10-20色散色散色散色散(ps/nm.km)(ps/nm.km)G.653G.652G.655G.655二、光发射机二、光发射机n n光发射机由光源、调制器和信道耦合器组成。光发射机由光源、调制器和信道耦合器组成。光发射机由光源、调制器和信道耦合器组成。光发射机由光源、调制器和信道耦合器组成。光信号是用电信号调制光载波产生的。光信号是用电信号调制光载波产生的。
44、光信号是用电信号调制光载波产生的。光信号是用电信号调制光载波产生的。n n直接调制直接调制直接调制直接调制：通过改变注入电流直接调制半导体：通过改变注入电流直接调制半导体：通过改变注入电流直接调制半导体：通过改变注入电流直接调制半导体光源的输出。带有啁啾，影响通信系统性能。光源的输出。带有啁啾，影响通信系统性能。光源的输出。带有啁啾，影响通信系统性能。光源的输出。带有啁啾，影响通信系统性能。n n外调制外调制外调制外调制：增加一调制器，适于高速系统应用。：增加一调制器，适于高速系统应用。：增加一调制器，适于高速系统应用。：增加一调制器，适于高速系统应用。光源光源光源光源驱动电路驱动电路驱动电路
45、驱动电路调制器调制器调制器调制器信号输入信号输入信号输入信号输入通道耦合器通道耦合器通道耦合器通道耦合器光发射机结构框图光发射机结构框图光发射机结构框图光发射机结构框图调制格式调制格式n n归零码归零码归零码归零码RZRZ：代表比特：代表比特：代表比特：代表比特1 1的光脉冲宽度比比特间的光脉冲宽度比比特间的光脉冲宽度比比特间的光脉冲宽度比比特间隔窄，其振幅在比特周期结束前归零。隔窄，其振幅在比特周期结束前归零。隔窄，其振幅在比特周期结束前归零。隔窄，其振幅在比特周期结束前归零。n n非归零码非归零码非归零码非归零码NRZNRZ：光脉冲在整个时隙内保持不变，：光脉冲在整个时隙内保持不变，：光脉
46、冲在整个时隙内保持不变，：光脉冲在整个时隙内保持不变，其振幅在两个连续的比特其振幅在两个连续的比特其振幅在两个连续的比特其振幅在两个连续的比特1 1之间不会降到零。之间不会降到零。之间不会降到零。之间不会降到零。n n当前，数字光纤通信以采用当前，数字光纤通信以采用当前，数字光纤通信以采用当前，数字光纤通信以采用NRZNRZ码为主。有关码为主。有关码为主。有关码为主。有关各种调制码型的研究很多。各种调制码型的研究很多。各种调制码型的研究很多。各种调制码型的研究很多。tt000111RZNRZn n调制前光载波的形式为：调制前光载波的形式为：调制前光载波的形式为：调制前光载波的形式为： E(t)
47、=Acos( 0t+ )调制方式调制方式n n模拟通信可采用模拟通信可采用模拟通信可采用模拟通信可采用调幅、调频、调相等调幅、调频、调相等调幅、调频、调相等调幅、调频、调相等多种调制方式。采多种调制方式。采多种调制方式。采多种调制方式。采用数字调制时，相应地称为用数字调制时，相应地称为用数字调制时，相应地称为用数字调制时，相应地称为幅移键控（幅移键控（幅移键控（幅移键控（ASKASK）、频移）、频移）、频移）、频移键控（键控（键控（键控（FSKFSK）、相移键控（）、相移键控（）、相移键控（）、相移键控（PSKPSK）；信号只有两种状；信号只有两种状；信号只有两种状；信号只有两种状态的态的态的
48、态的ASKASK称为称为称为称为通断键控（通断键控（通断键控（通断键控（OOKOOK），这是当前的数字通，这是当前的数字通，这是当前的数字通，这是当前的数字通信系统通常使用的格式，属于信系统通常使用的格式，属于信系统通常使用的格式，属于信系统通常使用的格式，属于强度调制强度调制强度调制强度调制- -直接检测直接检测直接检测直接检测（IM-DDIM-DD）通信方式，是通信方式中通信方式，是通信方式中通信方式，是通信方式中通信方式，是通信方式中最简单、最初级最简单、最初级最简单、最初级最简单、最初级的方式。的方式。的方式。的方式。电场电场电场电场振幅振幅振幅振幅载频载频载频载频相位相位相位相位光发
49、射机的参数光发射机的参数(1)n n发送光功率（发送光功率（发送光功率（发送光功率（dBmdBm） P=10 lg P(mW) / 1(mW) n n以以以以1mW1mW为基准的、用分贝表示的功率。表示为基准的、用分贝表示的功率。表示为基准的、用分贝表示的功率。表示为基准的、用分贝表示的功率。表示功率的绝对值。功率的绝对值。功率的绝对值。功率的绝对值。 功率功率功率功率(mW)(mW)10010010102 21 10.50.50.10.10.010.010.0010.001功率功率功率功率(dBm)(dBm)+20+20+10+10+3+30 0-3-3-10-10-20-20-30-30分
50、贝的定义分贝的定义n n把信号功率与某个绝对值或某个噪声功率进行比较。把信号功率与某个绝对值或某个噪声功率进行比较。把信号功率与某个绝对值或某个噪声功率进行比较。把信号功率与某个绝对值或某个噪声功率进行比较。n n分贝：功率比值，用相当简单的方式表示很大比值。分贝：功率比值，用相当简单的方式表示很大比值。分贝：功率比值，用相当简单的方式表示很大比值。分贝：功率比值，用相当简单的方式表示很大比值。 dB=10 lg P2 / P1 P P2 2 、 P P1 1 - -光功光功光功光功率率率率 功率功率功率功率比比比比1010NN10102 21 10.50.50.10.11010-N-NdBd
51、B+10N+10N+10+10+3+30 0-3-3-10-10-10N-10N如：功率增加一倍，表明增益是如：功率增加一倍，表明增益是如：功率增加一倍，表明增益是如：功率增加一倍，表明增益是3dB3dB；功率减小到一半，；功率减小到一半，；功率减小到一半，；功率减小到一半，表明损耗是表明损耗是表明损耗是表明损耗是3dB3dB。分贝是一比值或相对单位。分贝是一比值或相对单位。分贝是一比值或相对单位。分贝是一比值或相对单位。光纤损耗光纤损耗光纤损耗光纤损耗6dB6dB通过光纤后，功率减小到通过光纤后，功率减小到通过光纤后，功率减小到通过光纤后，功率减小到连接器损耗连接器损耗连接器损耗连接器损耗1
52、dB1dB通过连接器后，功率减小到通过连接器后，功率减小到通过连接器后，功率减小到通过连接器后，功率减小到2580n n光谱特性光谱特性光谱特性光谱特性n n最大均方根最大均方根最大均方根最大均方根RMSRMS宽度宽度宽度宽度 对于多纵模激光器和发光二极管对于多纵模激光器和发光二极管对于多纵模激光器和发光二极管对于多纵模激光器和发光二极管这样的光能量比较分散的光源这样的光能量比较分散的光源这样的光能量比较分散的光源这样的光能量比较分散的光源, ,采采采采用用用用 来衡量光脉冲能量在频域的集来衡量光脉冲能量在频域的集来衡量光脉冲能量在频域的集来衡量光脉冲能量在频域的集中程度中程度中程度中程度.
53、.单纵模的激光器单纵模的激光器单纵模的激光器单纵模的激光器, ,能量主要集中能量主要集中能量主要集中能量主要集中在主模中在主模中在主模中在主模中. .n n半高全宽半高全宽半高全宽半高全宽FWHM(3dB)FWHM(3dB)宽度宽度宽度宽度n n最大最大最大最大20dB20dB跌落宽度跌落宽度跌落宽度跌落宽度光发射机的参数光发射机的参数(2)n n最小边模抑制比最小边模抑制比最小边模抑制比最小边模抑制比(SMSR)(SMSR)：主纵模：主纵模：主纵模：主纵模(M(M1 1) )的平均光功率的平均光功率的平均光功率的平均光功率与最显著的边模与最显著的边模与最显著的边模与最显著的边模(M(M2 2
54、) )的平均光功率之比的最低值。的平均光功率之比的最低值。的平均光功率之比的最低值。的平均光功率之比的最低值。 SMSR=10lgSMSR=10lg（M1/M2M1/M2） 光发射机的参数光发射机的参数(3)一般规定单纵模激光器的最小边模抑制比为一般规定单纵模激光器的最小边模抑制比为一般规定单纵模激光器的最小边模抑制比为一般规定单纵模激光器的最小边模抑制比为30dB30dB，即主纵模功率至少要比边模大即主纵模功率至少要比边模大即主纵模功率至少要比边模大即主纵模功率至少要比边模大10001000倍以上。倍以上。倍以上。倍以上。三、光接收机三、光接收机n n光接收机：将光信号变换为电信号，再进行放
55、光接收机：将光信号变换为电信号，再进行放光接收机：将光信号变换为电信号，再进行放光接收机：将光信号变换为电信号，再进行放大、再生。大、再生。大、再生。大、再生。n n数字通信系统的性能用数字通信系统的性能用数字通信系统的性能用数字通信系统的性能用误码率误码率误码率误码率BERBER来衡量。来衡量。来衡量。来衡量。BERBER定义为错误识别比特的平均几率。定义为错误识别比特的平均几率。定义为错误识别比特的平均几率。定义为错误识别比特的平均几率。n n接收机性能的重要参数是接收机性能的重要参数是接收机性能的重要参数是接收机性能的重要参数是接收机灵敏度接收机灵敏度接收机灵敏度接收机灵敏度：在接：在接
56、：在接：在接收机收机收机收机BERBER 1010-9-9的条件下，所要求的最小平均的条件下，所要求的最小平均的条件下，所要求的最小平均的条件下，所要求的最小平均接收光功率。接收光功率。接收光功率。接收光功率。n n接收灵敏度取决于接收灵敏度取决于接收灵敏度取决于接收灵敏度取决于信噪比信噪比信噪比信噪比，亦即取决于干扰接，亦即取决于干扰接，亦即取决于干扰接，亦即取决于干扰接收信号的各种噪声源，是所有可能的噪声机制收信号的各种噪声源，是所有可能的噪声机制收信号的各种噪声源，是所有可能的噪声机制收信号的各种噪声源，是所有可能的噪声机制影响的累加，当然也与影响的累加，当然也与影响的累加，当然也与影响
57、的累加，当然也与比特率比特率比特率比特率有关。有关。有关。有关。四、中继器四、中继器n n随着传输线路的延长，会由于传输损耗而使随着传输线路的延长，会由于传输损耗而使脉冲衰减，同时加上传输线路的失真特性脉冲衰减，同时加上传输线路的失真特性（光纤中的各种色散）产生脉冲波型的失真。（光纤中的各种色散）产生脉冲波型的失真。因此，需要中继器来进行修复。因此，需要中继器来进行修复。3R3R： re-amplifyingre-amplifying 再放大（光放大器的功能）再放大（光放大器的功能）再放大（光放大器的功能）再放大（光放大器的功能） re-timingre-timing 再定时再定时再定时再定时
58、 （消除时间抖动）（消除时间抖动）（消除时间抖动）（消除时间抖动） re-shapingre-shaping 再整形再整形再整形再整形 （消除波形畸变）（消除波形畸变）（消除波形畸变）（消除波形畸变）通过这通过这通过这通过这3 3个个个个RR，得到接近于发射端的光信号的，得到接近于发射端的光信号的，得到接近于发射端的光信号的，得到接近于发射端的光信号的 copy copy，从而延长传输距离，提高信号质量。从而延长传输距离，提高信号质量。从而延长传输距离，提高信号质量。从而延长传输距离，提高信号质量。3R组合组合3R再生功能再生功能放大放大放大放大消除波消除波消除波消除波形畸变形畸变形畸变形畸变消除时消除时消除时消除时间抖动间抖动间抖动间抖动光源光源调制器调制器调制器调制器驱动电路驱动电路驱动电路驱动电路放大器放大器光电二光电二极管极管判决器判决器光纤光纤光纤光纤光纤光纤光纤光纤中继器中继器中继器中继器小结小结光发射机光发射机光发射机光发射机光接收机光接收机光接收机光接收机光光光光 纤纤纤纤中中中中 继继继继 器器器器光光光光 器器器器 件件件件
