光纤通信系统（第3版） 课件 第十一章 光纤通信新技术

光纤通信系统2本章要点本章主要介绍包括相干光通信、光孤子技术、空间光通信和量子光通信等光纤通信新技术。本章教学课时为2学时。11.1相干光通信传统的光纤通信系统采用的是强度调制/直接检测(IM/DD)技术，其单路信道带宽很有限（受光源和检测器件开关频率的限制），难以适应高速率大容量光纤通信系统的要求。同时，对光源的直接强度调制技术不可避免地会受到包括光源频率啁啾等因素的影响。通过改进调制和接收方案以满足各种新业务的需求已经成为当前亟待解决的迫切问题，相干光通信技术被公认为是目前乃至未来光纤通信系统的核心技术之一。311.1.1相干光通信原理相干光通信系统中的发送端，采用外调制方式将信号调制到光载波上进行传输。当信号光传输到达接收端时，首先与一本振光信号进行相干耦合，然后由接收机进行探测。相干光通信根据本振光频率与信号光频率不等或相等，可分为外差检测和零差检测两种模式。前者的光信号经光电转换后获得的是中频信号，还需二次解调才能被转换成基带信号。后者光信号经光电转换后被直接转换成基带信号，不用二次解调，但它要求本振光频率与信号光频率严格匹配，并且要求本振光与信号光的相位锁定。4图11-1相干光通信系统组成示例5相干光通信系统的特点(1)灵敏度高，中继距离长(2)选择性好，通信容量大(3)调制方式灵活611.1.2相干光通信关键技术外调制技术偏振保持技术频率稳定技术频谱压缩技术非线性串扰控制技术7811.2光孤子通信光孤子（Soliton）是经光纤长距离传输后，其幅度和宽度都保持不变的超短脉冲（ps级脉冲）。利用光孤子作为载体的通信方式称为光孤子通信。光孤子通信的传输距离可达上万km，目前处于实用化的早期阶段。9图11－2光孤子通信系统的基本组成1011.3空间光通信自由空间光通信（FSO，FreeSpaceOptics）又称无线光通信或大气光通信，是指以光波为载体，在真空或大气中传递信息的通信技术。FSO按照应用环境的不同又可分为大气光通信（水平方向）、卫星间光通信和星地光通信（垂直方向）。FSO的思想很早就得到提出，但是随着上世纪70年代光纤的问世，光通信的研究重点转移到光纤通信上，FSO的研究陷入了暂时的低潮。20世纪末随着相关技术的突破，FSO重新得到了重视，已经开始在短距离、中等传输速率、特别是室外的接入环境中得到广泛地应用。11FSO技术特点自由空间光通信是光纤通信与无线通信相结合的产物。它以大气为媒质，通过激光或光脉冲来传送数据信号。概括说来，FSO具有下列优点：不需频率许可证频带宽安装方便，成本低廉安全性能好12FSO系统的基本构成一个典型的FSO系统由光发射机、光接收机和空间光通道3部分组成。与传统的光纤通信系统相比，主要多了发射机光学天线和接收机光学天线两部分。13图11-4空间光通信系统结构激光器调制器发射机光学天线接收机光学天线光电探测器调制驱动器编码器信息信号输入译码器信息处理空间光信道解调器1411.3.3FSO关键技术大气层对光束的影响自然环境的影响波长的选择瞄准、捕获和跟踪技术15FSO产品和应用示例1611.3.3短距可见光通信可见光通信技术(VLC)是利用发光二极管(LED)等发出的肉眼觉察不到的高速明暗闪烁信号来传输信息的。将需要传输的数据加载到光载波信号上，并进行调制，然后利用光电转换器件接收光载波信号并解调以获取信息。与目前广泛使用的无线局域网(WLAN)相比，可见光通信系统可利用照明设备代替WLAN中的接入点（AP），只要在灯光照到的地方，就可以进行数据传输。17VLC主要特点1)可见光对人非常安全。2)VLC无处不在。3)发射功率高。4)无需无线电频谱认证。5)无电磁干扰。VLC典型应用181911.4量子光通信前述的相干光通信、波分复用、光孤子通信、空间光通信等均属于经典模式。这种模式中光子虽作为信息的载体存在，但并没有考虑其量子特性。在经典通信模式里，通信容量最终会受到量子噪声极限的限制。为此提出了一种称之为量子光通信（量子通信）的非经典通信模式。量子光通信即为光子通信，一个光子有可能将大量的信息长距离地传送给大量的收信者。2011.4.1量子光通信原理广义地说，量子通信是指把量子态从一个地方传送到另一个地方，它的内容包含量子隐形传态，量子纠缠交换和量子密钥分配。狭义地说，量子通信实际上只是指量子密钥分配或者基于量子密钥分配的安全保密通信。量子通信工作在单光子的能量水平上，需要分辨光子多种自由度的状态，还需要尽力抵御环境带来的损耗和干扰；而经典光通信则基本上只需要分辨由许许多多光子组成的光信号的能量大小，并且适当地提高信号能量对抗环境噪声就可以了。2111.4.2量子纠缠和量子隐形传态

量子纠缠指的是两个或多个量子系统之间存在非定域、非经典的强关联。

量子纠缠涉及实在性、定域性、隐变量以及测量理论等量子力学的基本问题，并在量子计算和量子通信的研究中起着重要的作用。

量子隐形传送所传输的是量子信息，它是量子通信最基本的过程。2211.4.3量子密钥分配协议量子密码术用量子态来实现信息的加密和解密，其基本原理是量子纠缠。当处于纠缠态的一对光子的偏振方向不确定，只有当其中一个光子被测量或受到干扰时，它才有明确