现代通信新技术-课件光通信技术

光通信技术主要内容：系统模型光器件、放大器多信道系统相干通信光孤子PDHSDH1.概述

1870年的一天，英国物理学家丁达尔到皇家学会的演讲厅讲光的全反射原理，他做了一个简单的实验：在装满水的木桶上钻个孔，然后用灯从桶上边把水照亮。结果使观众们大吃一惊。人们看到，放光的水从水桶的小孔里流了出来，水流弯曲，光线也跟着弯曲，光居然被弯弯曲曲的水俘获了。

这是为什么呢？难道光线不再直进了吗？经过他的研究，发现这是全反射的作用，即光从水中射向空气，当入射角大于某一角度时，折射光线消失，全部光线都反射回水中。表面上看，光好像在水流中弯曲前进。实际上，在弯曲的水流里，光仍沿直线传播，只不过在内表面上发生了多次全反射，光经过多次全反射向前传播。1.1丁达尔实验后来人们造出一种透明度很高、粗细像蜘蛛丝一样的玻璃丝──玻璃纤维，当光线以合适的角度射入玻璃纤维时，光就沿着弯弯曲曲的玻璃纤维前进。由于这种纤维能够用来传输光线，所以称它为光导纤维。1.2光的全反射全反射：光由光密（即光在此介质中的折射率大的）媒质射到光疏（即光在此介质中折射率小的）媒质的界面时，全部被反射回原媒质内的现象。n/n'=sin(a')/sin(a)====>1/sin(A)(A为临界角）a'=90折射率的定义：n=c/v=λ0/λ=sin(a0)/sin(a)

1.3光与光纤概念：光通信,利用光作为载波的通信方式光：1014Hz(100THz),是常规电磁波以及微波的104~105倍。LEDlightemittingdiode，LDlaserdiode激光。光纤：玻璃纤维。一种传输光能的波导介质，一般由纤芯和外部包层组成。

*光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。前香港中文大学校长高锟和GeorgeA.Hockham首先提出光纤可以用于通讯传输的设想，高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖。1.4发展历史1966年，高锟，（华裔），光纤之父，提出1000dB/km-->20dB/km可用于通信。改年，发表文章《光频介质纤维表面波导》，提出光纤长距离、大容量通信。4年之后：1970年，20dB/km光纤制成，被称为光纤通信的元年。美国康宁公司花费3000万美元，得到30米光纤样品。各国开始开始投入巨资研发。同时，贝尔实验室，制成常温工作的铝镓砷（AlGaAs)半导体激光器。1976年亚特兰大--华盛顿之间建立实用线路，45Mbps多模光纤，发光LED，波长为0.85um，红外。70年代，单模光纤以及长寿命的半导体激光器，光纤通信的巨大优越性显出。1983年，发达国家先后宣布长途干线不再采用电缆。*dB(Decibel，分贝)是一个纯计数单位，本意是表示两个量的比值大小，没有单位。对于功率，dB=10*lg(A/B)。对于电压或电流，dB=20*lg(A/B)。1.5光纤的发展（1）第一代，0.85um,多模，铝镓砷半导体激光器（2）第二代，1.3um，多模（3）第三代，1984年，1.3um，单模，芯很细（7~9um）（4）第四代，80年代中后期，出现1.55um，单模光纤，波分复用，1.6光纤通信的优势大容量：与载波的频率直接相关，长距离：损耗小，干扰小，抗干扰：低成本：轻质：保密：微波1~10GHz，光波：100THz。1.3um~1.55um,至少有25000GHz，可达到10Tbps，甚至100多Tbps。信道间隔目前可做到0.01nm。1.55um窗口，宽度可用到120nm，120/0.01=12000,即可容纳1万多路信道。而单波长（1路载波）可做到10~40Gbps。一般认为，光载波的信道间隔只需等于每个信道速率的6倍即可。即N=Δf/6B.例如：1550~1560nm，Δλ=10nm，Δf=1.24x1012Hz,划分成B=2.5Gbps信道，则N≈82，82x2.5=205Gbps.2光通信系统由以下部分组成：（1）光发送机（2）光纤（3）光放大器、中继器（4）光接收机E/O----O/E/O----

O/E--O-O—全光系统。发送端调制方式：直接调制和外调制接收端光检测：直接检测和超外差检测*PIN:,APD:，EDFA:掺铒光纤放大器3_1.光器件-光纤

光纤：石英拉制，三部分：芯，包层，涂层。从材料的折射率分布上可分为：阶跃型渐变型。从传输模式上，可分为：单模光纤多模光纤。阶跃多模渐变多模单模3_2光纤损耗与色散,单位：dB/km*参考：高倍望远镜的损耗500dB/km,而光纤可以做到0.2dB/km.*最低损耗窗功率衰减，衰减系数

色散不同频率成分有不同的传输速度。3_3光源Ith

阈值电流

LD和LED的P-I特性曲线进行电-光转换。LED低成本、短距离、低速率。没有谐振腔。LD用于长距离、大容量通信。*DFB分布反馈激光器，线宽很窄，实现高速调制。

利用光栅层实现波长选择，实现单纵模工作。3_4光检测器进行光-电转换。常用半导体光电二极管。光

电子-空穴PIN具有本征层的光电二极管。APD雪崩光电二极管。掺杂量增大，耗尽层上形成高场区，电子-空穴与晶格碰撞产生新的电子-空穴对，形成大电流。

灵敏度高，但是电路复杂（高的偏置电压、温度补偿）。3_5无源器件连接器FC螺纹，主干线路多采用SC直接插拔ST卡口式直接插拔（1）.光纤连接器3_5无源器件衰减器

对信号能量进行预期的衰减。分为固定衰减器和可变衰减器。*固定衰减器可采用金属蒸发镀膜滤光片，依据镀膜的厚度来控制衰减量。（2）.衰减器固定衰减器3_5无源器件光隔离器

光隔离器可以消除反射光的影响。（连接界面的反射光再次回到激光器，会造成机关器不稳定）（3）.光隔离器3_5无源器件光开关具备多个可选择的传输端口，对光信号进行转换或者逻辑操作。分为机械式和非机械式。机械式依靠器件的移动非机械式依靠电光效应、磁光效应、声光效应、热光效应等，改变介质的折射率，使得光的传播方向发生改变。研究热点。（4）.光开关3_5无源器件光耦合器使得多路光信号进行耦合，然后进行再分配的器件。功率分配耦合器、波长分配耦合器两分支型、多分支型多模耦合器、单模耦合器（5）.光耦合器光纤耦合器3_5无源器件波分复用器件对光波（波长）进行分离与合成的无源器件。是一种特殊的耦合器。（6）.波分复用器件4-1.光放大器对光信号进行能量放大。o-e-E-O

模式被电子速度瓶颈。故最好采用o-O全光模式。半导体光放大器利用能级间跃迁的受激现象进行放大，与半导体激光器原理类似。频率决定于材料。掺杂光纤放大器*在及辐射泵浦光激发下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现。

稀土金属离子，作为激光工作物质，掺杂在光纤中。

最常用的掺铒光纤放大器EDFA工作于1.5um。EDFA4-1.光放大器_非线性放大器利用受激拉曼散射或者受激布里渊散射。较少使用。*频宽小，泵浦阈值高4-2.光放大器的应用中继放大功率放大前置放大补偿分配损耗*光放大器由于色散和噪声积累，一定级数后需要采用电放大整形。5.多信道系统信道复用技术

时分频分码分空分等5.多信道系统_OTDM时分复用WDM(稀疏的)波分复用DWDM(密集的）FDM(致密的)频分复用OCDM（光码分复用）6.相干通信直接检测用于调幅，不能用频率和相位调制，灵敏度低超外差检测是近代无线电和微波通信中广泛采用的技术。*光波的相干性起到重要作用，故称为相干光通信技术。优点：（1）划分频道（2）选择性好，灵敏度高。1-10GHz的间隔，特别适用于频分复用通信。6.外差和零差检测无线电通信中的概念。滤波本地振荡信号L接收的信号s根据是否为0，分为零差监测和外差检测。零差比较难以获得。6.外差检测有效信号：可见：本振放大了接收信号，提高了SNR但是相对于零差，平均功率降低了一半(零差时cos=1)可以使得接收机的实现较为简单。可以检测调幅、调频、调相三种信号。约等于PL6.三种调制方式。。6.相干通信的关键技术（1）光源的相干性和频率的稳定性（2）偏振匹配信号光波和本振光波的偏振方向必须一致，才可以具备高的灵敏度。光纤界面的几何不规则内部应力不均匀温度、弯曲、扭动、受压等解决办法：在接收机上加偏振控制器。*已经进入实用阶段。有些技术还在试验阶段。6.相干通信的应用大容量无中继干线。相干频分复用CATV网。6.光孤子通信soliton1834年，罗素在河流中发现。20世纪，引起很多学者的兴趣。1965年，命名之后，开始应用于物理、电磁、生物、天文、光学等各个领域。

1973年光孤子得到理论证明。1980年，观察到了光孤子现象。从此，从数学走向实践，成为光纤孤子通信的构想。孤子：脉冲包络在非线性色散介质中，类似于粒子的特征。不仅无失真传播，甚至碰撞后依然保持原形。6.光孤子通信_非线性：使高频成分不断积累。波形越来越陡峭，最后破裂。色散：会使得脉冲展宽。两种有害因素，平衡时，呈现孤子现象：保形，稳幅，损耗可由光纤放大器补偿。6.

PDH数字复接时的频率和相位同步要求。PDH准同步数字体系。PlesiochronousDigitalHierarchy标称速率相同，实际上有一定偏差。6.

SDHSDH同步数字体系。美国贝尔研究所提出Sonet,1988年成为国际标准，改名SDH.适用于光纤、卫星、微波、等环境的通用技术体制。可用于长距离、大容量数字网，以及B-ISDN。基准速率为1