光子学与信息时代

光子学与信息时代第1页，共53页，2023年，2月20日，星期一光纤通信概述一、光纤通信技术的发展史及现状二、光纤通信系统概述第2页，共53页，2023年，2月20日，星期一1、光纤通信什么是通信？“通”传送，“信”信息；信息的传送基本组成：发送、传输、接收什么是光纤通信？利用激光作为信息的载波信号，并通过光纤来传送信息的通信系统。第3页，共53页，2023年，2月20日，星期一什么是通信？“通”传送，“信”信息；信息的传送基本组成：发送、传输、接收什么是光纤通信？利用激光作为信息的载波信号，并通过光纤来传送信息的通信系统。光纤通信是人类历史上的重大突破，现今的光纤通信已成为信息社会的神经系统第4页，共53页，2023年，2月20日，星期一

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第5页，共53页，2023年，2月20日，星期一

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信息指用户要求传送的语音、图像、数据以及它们的各种组合第6页，共53页，2023年，2月20日，星期一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用户终端交换设备接入网电复接设备传输系统第7页，共53页，2023年，2月20日，星期一

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光纤通信经过30年的技术发展目前正在淘汰着其他的有线通信方式第8页，共53页，2023年，2月20日，星期一2、光纤通信技术的主要优点光波频率很高，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路或上万套电视，可进行图像、数据、传真、控制等多种业务；不受电磁干扰，保密性好；耐高温、高压、抗腐蚀，工作可靠；光纤材料来源丰富，可节约大量有色金属(如铜、铝)，且直径小、重量轻。第9页，共53页，2023年，2月20日，星期一3、光纤通信器件的发展过程雏形：古代烽火、手旗、灯光1880年贝尔的光电话激光器(发送源）光纤(传输介质)1960Maiman发明红宝石激光器1962半导体激光器诞生(GaAs870nm)70年代室温工作LD(GaAsAI850nm)1300、1550nm多模LD单模LD1951医用玻璃纤维(损耗1000dB/km)1966高锟理论预言1970康宁制出低损耗光纤(20dB/km)1300(0.5dB/km),1550nm(0.2dB/km)低损耗窗口光纤开发单模光纤第10页，共53页，2023年，2月20日，星期一第11页，共53页，2023年，2月20日，星期一光纤通信系统的发展历程光纤通信追求目标:大容量、长距离技术发展：短波长-长波长、多模光纤-单模光纤、多模激光器-单模激光器通信系统容量：比特率-距离积BL，B比特率，

L中继距离每秒钟传输的比特数目。第12页，共53页，2023年，2月20日，星期一光纤通信技术的发展大体上可分为：工作波长光纤激光器比特率B中继距离L第一代70年代850nm多模多模10～100Mb/s10Km第二代80年代初1300nm多模单模多模100Mb/s1.7Gb/s20Km50Km第三代80年代中～90年代初1550nm单模单模2.5Gb/s～10Gb/s100Km第13页，共53页，2023年，2月20日，星期一光纤通信技术的发展大体上可分为:（续）工作波长光纤激光器比特率B中继距离L第四代90年代1550nm单模单模2.5Gb/s10Gb/s21000Km（环路）1500Km光放大系统第五代1550nm单模单模波分复用WDM单路速率:40,160,640Gb/s信道数:8,16,64,128,1022超长传输距离:27000Km(Loop)6380(Line)目前研究内容WDM光网络；全光分组交换；光时分复用；光孤子通信；新型的光器件第14页，共53页，2023年，2月20日，星期一光纤通信技术的三次飞跃(1)20世纪60年代。1962年第一只半导体激光器诞生，随后半导体光检测器也研究成功。特别是1966年英籍华人科学家高锟与Hockham提出用玻璃可以制成衰减为20dB/km的通信光导纤维，1970年美国康宁公司首先制出了20dB/km的光纤，这标志着光纤通信系统的实际研究条件得以具备。第15页，共53页，2023年，2月20日，星期一20世纪70年代。1970年发明了LD的双异质结构，使得光源与光检测器的寿命都达到了10万小时的实用化水平。1979年发现了光纤1310nm和1550nm新的低损耗窗口，紧接着单模光纤问世。光纤的衰减系数一下降到0.5dB/km。这使得光纤通信迈进了实用化阶段，从80年代初开始光纤通信便大步地迈向了市场。光纤通信技术的三次飞跃(2)第16页，共53页，2023年，2月20日，星期一20世纪90年代初。1989年掺铒光纤放大器EDFA的研制成功是光纤通信新一轮突破的开始。EDFA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造了条件。使得光纤通信的数字传输速率迅速提高，促成了波分复用技术的实用化。光纤通信技术的三次飞跃(3)第17页，共53页，2023年，2月20日，星期一光纤通信超高速大容量长距离网络化一根光纤中可同时传输一百多路信号，采用特殊技术甚至可以同时传输1022路单路速率不断提升，已达到10、20、40Gb/s采用OTDM技术甚至可达640Gb/s各种通信技术的快速发展使上千甚至上万公里的长距离传输成为可能全光网成为目前光通信领域最热门的话题之一第18页，共53页，2023年，2月20日，星期一EducationTelephoneTravelEntertainmentHealth……Allservices

Networktrafficisgrowing!!Thewholeworldisinmymind!!DemandforBroadbandwidthOpticalnetworkingShoppingBanking21世纪的通信业务第19页，共53页，2023年，2月20日，星期一全球通信业务需求估计用户增加；每个用户的业务量增加；服务质量的提高；通信容量需求急增第20页，共53页，2023年，2月20日，星期一光纤通信最具代表性技术

－波分复用WDM和光纤放大器EDFA第21页，共53页，2023年，2月20日，星期一4、光纤传输技术进一步发展新的传输技术层出不穷色散管理技术L波EDFA，RAFEC技术色散与色散斜率的补偿PMD补偿技术OTDM技术与光孤子技术第22页，共53页，2023年，2月20日，星期一

2.5Gb/s10Gb/s40Gb/s10Gb/s40Gb/s20Gb/s80Gb/s80Gb/s320Gb/s3216841WDM波长数每波长比特率(TDM)40Gb/s

网络容量演进战略第23页，共53页，2023年，2月20日，星期一

40G器件第24页，共53页，2023年，2月20日，星期一关键原材料光纤预制棒网络管理系统测试设备光纤光缆光传输/交换设备光无源器件光有源器件运营商网络集成商光纤通信的产业链第25页，共53页，2023年，2月20日，星期一全球光纤通信主要供应商第26页，共53页，2023年，2月20日，星期一ComponentsandModulesinDWDMNetworks

DWDMThinfilmfiltersFibergratingsWaveguidesCirculatorsInterleaversMux/Demux

modulesAmplifiersIsolatorsTapcouplersPumplasersGainequalizersAttenuatorsIntegrated

amplifiersSOAsOpticalSwitchesCirculatorsCouplersAdd/dropmodulesSwitchingTransmissionSourcelasersModulatorsWavelockersReceiversDetectorsTx/RxmodulesOver9000Products第27页，共53页，2023年，2月20日，星期一5、光纤网络的分类第28页，共53页，2023年，2月20日，星期一三种网络的不同要求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虑：

Long-haul:CapacityMetro:SmartAccess:Cost第29页，共53页，2023年，2月20日，星期一6、国内现状1963年开始光通信的研究1974年研究光纤通信“六五”、“七五”、“八五”铺设“八纵八横”光纤线路总长约七万公里传输码率：从140Mb/s~2.5Gb/s，10Gb/s，40Gb/s已开始研究。DFB（量子阱）激光器和EDFA研制成功，可供应用高速电子器件、波导器件尚有差距第30页，共53页，2023年，2月20日，星期一第31页，共53页，2023年，2月20日，星期一NSFCnet网络的拓扑结构说明：NSFCnet由六个节点组成，以清华为汇接点构成两个环行拓扑结构，清华、北大和中科院三点构成二纤双向自愈环采用WDM传输技术，在清华和北大之间通过在实验室中加光纤进行400公里广域网模拟试验；在其它节点构成的环中采用单路SDH/SONET传输技术。第32页，共53页，2023年，2月20日，星期一

DWDMExperimentsystematTHU第33页，共53页，2023年，2月20日，星期一光纤通信概述一、光纤通信技术的发展史及现状二、光纤通信系统概述第34页，共53页，2023年，2月20日，星期一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。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ADM等。光源调制器驱动电路光发射机放大器光电二极管判决器光接收机光纤光纤中继器第35页，共53页，2023年，2月20日，星期一1、光纤的研究光纤：将光信号从光发射机无失真地传送到光接收机。基本特性参数：损耗（dB/km）：直接影响通信距离。色散（ps/nm.km）：将引起光脉冲信号展宽和码间串扰，影响通信距离和容量。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。第36页，共53页，2023年，2月20日，星期一近四十年的努力寻找合适的光纤，实用化的光损耗为20dB/km(99.5%/m)；60年代研究，70年代突破，2000年0.2dB/km(99.995%/m);新的实用化光纤不断涌现第37页，共53页，2023年，2月20日，星期一光纤的色散光纤色散：信号能量中的各种分量由于在光纤中传输速度不同，而引起的信号畸变。将引起光脉冲展宽和码间串扰，最终影响通信距离和容量。随着脉冲在光纤中传输，脉冲的宽度被展宽第38页，共53页，2023年，2月20日，星期一突破色散限制传输光纤的改进（1）：G.653色散位移光纤EDFA频带0.10.20.30.40.50.6衰减(dB/km)1600170014001300120015001100波长(nm)

20100-10-20色散(ps/nm.km)G.65317ps/nm.kmG.652第39页，共53页，2023年，2月20日，星期一传输光纤的改进（2）：

G.655非零色散位移光纤17ps/nm.kmEDFA频带0.10.20.30.40.50.6衰减(dB/km)1600170014001300120015001100波长(nm)

20100-10-20色散(ps/nm.km)G.653G.652G.655第40页，共53页，2023年，2月20日，星期一2、光发射机光发射机由光源、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。直接调制：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。外调制：增加一调制器，适于高速系统应用。光源驱动电路调制器信号输入通道耦合器光发射机结构框图第41页，共53页，2023年，2月20日，星期一调制前光载波的形式为：

E(t)=Acos(0t+)调制方式模拟通信可采用调幅、调频、调相等多种调制方式。采用数字调制时，相应地称为幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）；信号只有两种状态的ASK称为通断键控（OOK），这是当前的数字通信系统通常使用的格式，属于强度调制-直接检测（IM-DD）通信方式，是通信方式中最简单、最初级的方式。电场振幅载频相位第42页，共53页，2023年，2月20日，星期一光发射机的参数(1)发送光功率（dBm）

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

以1mW为基准的、用分贝表示的功率。表示功率的绝对值。

功率(mW)10010210.50.10.010.001功率(dBm)+20+10+30-3-10-20-30第43页，共53页，2023年，2月20日，星期一分贝的定义把信号功率与某个绝对值或某个噪声功率进行比较。分贝：功率比值，用相当简单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；功率减小到一半，表明损耗是3dB。分贝是一比值或相对单位。光纤损耗6dB－－通过光纤后，功率减小到连接器损耗1dB－－通过连接器后，功率减小到25％80％第44页，共53页，2023年，2月20日，星期一3、光接收机光接收机：将光信号变换为电信号，再进行放大、再生。数字通信系统的性能用误码率BER来衡量。BER定义为错误识别比特的平均几率。接收机性能的重要参数是接收机灵敏度：在接收机BER10-9的条件下，所要求的最小平均接收光功率。接收灵敏度取决于信噪比，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影响的累加，当然也与比特率有关。第45页，共53页，2023年，2月20日，星期一4、中继器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（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。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。3R组合第46页，共53页，2023年，2月20日，星期一3R再生功能放大消除波形畸变消除时间抖动第47页，共53页，2023年，2月20日，星期一光放大器概述光放大器的出现，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