光子學(xué)與信息時(shí)代

1、光子學(xué)與信息時(shí)代第1頁，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一 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，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一1、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，并通過 光纖來傳送信息的通信系統(tǒng)。第3頁，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一什么是通信？“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，并通過 光纖來傳送信息的通信系統(tǒng)。光纖通信是人類歷史上

2、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，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一 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，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一 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音、圖像、數(shù)據(jù)以及它們的各種組合第6頁，共53頁，2022年

3、，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一用戶環(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，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一 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，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期

4、一2、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，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一3、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))1960 Maiman發(fā)明紅寶石激光器1962 半導(dǎo)體激光器誕生(GaAs 870nm)70 年代室溫工作LD(GaAsAI 850nm)1300、155

5、0nm 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，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一第11頁，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展歷程光纖通信追求目標(biāo): 大容量、長距離技術(shù)發(fā)展：短波長-長波長、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，共53頁，2022年，5月

6、20日，17點(diǎn)21分，星期一光纖通信技術(shù)的發(fā)展大體上可分為：工作波長光纖激光器比特率B中繼距離L第一代70年代850nm多模多模10100Mb/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/s10Gb/s100Km第13頁，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一光纖通信技術(shù)的發(fā)展大體上可分為:（續(xù)）工作波長光纖激光器比特率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WD

7、M單路速率:40,160,640Gb/s信道數(shù):8,16,64,128,1022超長傳輸距離:27000Km(Loop) 6380(Line)目前研究內(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，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一光纖通信技術(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

8、頁，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一20世紀(jì)70年代。1970年發(fā)明了LD的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，使得光源與光檢測器的壽命都達(dá)到了10萬小時(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。光纖通信技術(shù)的三次飛躍(2)第16頁，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一20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

9、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，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一光纖通信超高速大容量長距離網(wǎng)絡(luò)化一根光纖中可同時(shí)傳輸一百多路信號，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)展使上千甚至上萬公里的長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，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一EducationTelephoneTravelEnter

10、tainmentHealthAll services Network traffic is growing!The whole world is in my mind!Demand for Broad bandwidthOptical networkingShoppingBanking21世紀(jì)的通信業(yè)務(wù)第19頁，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一全球通信業(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，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一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，共53頁，202

11、2年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一4、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，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一 2.5Gb/s 10Gb/s 40Gb/s10Gb/s 40Gb/s20Gb/s 80Gb/s80Gb/s 320Gb/s3216841WDM 波長數(shù)每波長比特率(TDM)40Gb/s 網(wǎng)絡(luò)容量演進(jìn)戰(zhàn)略第23頁，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一 40G 器件第24頁，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一關(guān)鍵原材

12、料光纖預(yù)制棒網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)測試設(shè)備光纖光纜光傳輸/交換設(shè)備光無源器件光有源器件運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)集成商光纖通信的產(chǎn)業(yè)鏈第25頁，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一全球光纖通信主要供應(yīng)商第26頁，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一Components and Modules in DWDM Networks DWDMThin film filtersFiber gratingsWaveguidesCirculatorsInterleaversMux/Demux modulesAmplifiersIsolatorsTap couplersPump lasersGain

13、 equalizersAttenuatorsIntegrated amplifiersSOAsOptical SwitchesCirculatorsCouplersAdd/drop modulesSwitchingTransmissionSource lasersModulatorsWavelockersReceiversDetectorsTx/Rx modulesOver 9000 Products第27頁，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一5、光纖網(wǎng)絡(luò)的分類第28頁，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一三種網(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

14、這三種網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備開發(fā)的不同考慮： Long-haul: Capacity Metro: Smart Access: Cost第29頁，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一6、國內(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”光纖線路總長約七萬公里傳輸碼率：從140Mb/s2.5Gb/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，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一第31頁，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，

15、星期一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，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一 DWDM Experiment system at THU第33頁，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一 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，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21

16、分，星期一數(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，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一1、光纖的研究光纖：將光信號從光發(fā)射機(jī)無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）：將引起光脈沖信號展寬和碼間串?dāng)_，影響通信距離和容量。為實(shí)現(xiàn)高速長距離傳輸，要求光纖具有低損耗和低色散特性。第36頁，共53頁，20

17、22年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一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，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一光纖的色散光纖色散：信號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，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一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.

18、10.20.30.40.50.6衰減 (dB/km)1600170014001300120015001100波長(nm) 20 10 0-10-20色散(ps/nm.km)G.65317ps/nm.kmG.652第39頁，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一傳輸光纖的改進(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(nm) 20 10 0-10-20色散(ps/nm.km)G.653G.652G.655第40頁，共53頁，2022年，5

19、月20日，17點(diǎn)21分，星期一2、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。光信號是用電信號調(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)制器信號輸入通道耦合器光發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)框圖第41頁，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一調(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）；信號只有兩種狀態(tài)的ASK稱為通斷鍵控（OOK），這是當(dāng)前

20、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（IM-DD）通信方式，是通信方式中最簡單、最初級的方式。電場振幅載頻相位第42頁，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一光發(fā)射機(jī)的參數(shù)(1)發(fā)送光功率（dBm） P=10 lg P(mW) / 1(mW) 以1mW為基準(zhǔn)的、用分貝表示的功率。表示功率的絕對值。 功率(mW)10010210.50.10.010.001功率(dBm)+20+10+30-3-10-20-30第43頁，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一分貝的定義把信號功率與某個(gè)絕對值或某個(gè)噪聲功率進(jìn)行比較。分貝：功率比值，用相當(dāng)簡單的方式表示很

21、大比值。 dB=10 lg 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2580第44頁，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一3、光接收機(jī)光接收機(jī)：將光信號變換為電信號，再進(jìn)行放大、再生。數(shù)字通信系統(tǒng)的性能用誤碼率BER來衡量。BER定義為錯(cuò)誤識別比特的平均幾率。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，

22、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，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一4、中繼器隨著傳輸線路的延長，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)射端的光信號的 copy，從而延長傳輸距離，提高信號質(zhì)量。3R組合第46頁，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一3R再生功能放大消除波形畸變消除時(shí)間抖動(dòng)第47頁，共53頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)21分，星期一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)波長信道，在WDM系統(tǒng)中復(fù)雜性和成本倍增，可實(shí)現(xiàn)1R、2R、3R中繼