《相干光通信技术》课件

相干光通信技术欢迎学习相干光通信技术课程。本课程将深入探讨光通信的基础知识、系统设计和前沿应用。我们将从光学原理出发，逐步了解现代光通信系统的核心技术。课程大纲1基础知识光波传播、光源、光检测器、光波导2光纤技术光纤制作、特性、连接、系统设计3先进技术波分复用、光编码、光开关、光集成电路4相干通信相位调制、正交频分复用、同步技术、系统性能评价光通信基础知识光的本质电磁波的一种，具有波粒二象性光速真空中约为3x10^8m/s波长可见光波长范围为380-780nm频率光通信常用频率在100-1000THz光波传播反射光波遇到界面时部分能量被反射回原介质折射光波进入新介质时传播方向发生改变衍射光波绕过障碍物边缘时发生的弯曲现象散射光波与微粒相互作用导致的能量重新分布光源发光二极管(LED)结构简单，成本低，适用于短距离通信激光二极管(LD)高功率输出，窄线宽，适用于长距离高速通信分布反馈激光器(DFB)单模输出，频率稳定性好，适用于相干通信系统垂直腔面发射激光器(VCSEL)低阈值电流，高调制带宽，适用于数据中心互连光检测器光电二极管(PD)响应速度快，灵敏度高，广泛应用于光通信系统雪崩光电二极管(APD)内部增益机制，提高接收灵敏度，适用于长距离通信PIN光电二极管结构简单，响应线性好，适用于短距离通信光电倍增管(PMT)高灵敏度，适用于微弱光信号检测，如量子通信光波导平面波导二维结构，易于集成脊型波导三维结构，光场限制更强光子晶体波导周期性结构，可实现特殊光学功能光纤波导圆柱形结构，传输损耗低光纤通信技术1光纤传输系统核心，实现长距离低损耗传输2光发射与接收实现电-光和光-电转换3光放大补偿传输损耗，延长传输距离4信号处理实现编码、复用、同步等功能5网络管理保障系统可靠运行光纤制作与特性1预制棒制备高纯度石英玻璃棒，掺杂形成折射率分布2拉丝高温熔融，快速拉伸成细丝3涂覆涂抹保护层，增强机械强度4测试检测光纤传输特性，确保质量光纤连接熔接永久连接，损耗低，适用于固定安装连接器可拆卸，便于维护，常用FC、SC、LC等型号机械连接现场快速连接，无需特殊工具接头盒保护连接点，适用于户外环境光纤通信系统发射端包括信源、编码器、调制器和光发射器传输介质光纤，可能包含光放大器和分支器接收端包括光检测器、放大器、解调器和解码器网络管理系统监控系统性能，处理故障和配置光损耗与色散光损耗主要包括材料吸收、瑞利散射和弯曲损耗材料色散不同波长光速不同导致的脉冲展宽波导色散不同模式传输速度不同导致的脉冲展宽光放大器1掺铒光纤放大器(EDFA)工作在1550nm波段，增益高，噪声小2拉曼放大器利用受激拉曼散射效应，可实现分布式放大3半导体光放大器(SOA)体积小，可集成，适用于光交换网络4参量放大器基于非线性效应，可实现相位敏感放大波分复用技术1粗波分复用(CWDM)信道间隔大，成本低2密集波分复用(DWDM)信道数多，容量大3超密集波分复用(UDWDM)信道间隔小于0.1nm，技术要求高4弹性光网络可变带宽分配，提高频谱利用率光编码技术非归零码(NRZ)结构简单，带宽利用率高归零码(RZ)抗色散能力强，适用于高速系统载波抑制RZ(CSRZ)改善非线性容限，适用于长距离传输部分响应编码压缩信号频谱，提高频谱利用率光开关与光路由机械光开关可靠性高，插入损耗低，但速度较慢热光开关基于热光效应，响应时间ms级电光开关基于电光效应，响应速度快，可达ns级声光开关利用声光效应，可实现波长选择性开关光集成电路硅基光子学利用成熟的CMOS工艺，易于大规模集成III-V族材料可实现有源器件集成，如激光器、探测器聚合物光子学成本低，柔性好，适用于特殊应用场景光传感器光纤布拉格光栅(FBG)可测量应变、温度等物理量，广泛应用于结构健康监测分布式光纤传感利用瑞利、布里渊或拉曼散射，实现长距离分布式测量光纤干涉仪高精度测量，可用于微小位移或旋转角度检测表面等离子体共振传感器高灵敏度生化传感，可用于医疗诊断和环境监测光存储技术1全息存储利用全息技术实现高密度三维存储2光学磁盘如CD、DVD、蓝光光盘等3光学磁存储结合光学和磁性材料的存储技术4光子晶体存储利用光子晶体结构实现超高密度存储5量子存储利用量子态存储信息，理论上可实现超高容量激光通信卫星激光通信实现星间和星地高速数据传输水下激光通信蓝绿光激光穿透水体，实现短距离高速通信大气激光通信实现点对点无线光通信，适用于城域网激光雷达用于自动驾驶、3D成像等应用自由空间光通信优势带宽大、保密性好、无需频谱许可挑战大气湍流、天气影响、准直难度大应用城域网、灾害通信、临时链路量子通信量子密钥分发(QKD)利用量子态不可克隆原理实现绝对安全的密钥分发量子纠缠利用纠缠光子对实现远距离量子态传输量子中继器克服量子态传输距离限制，实现长距离量子通信量子隐形传态利用量子纠缠实现信息的远距离瞬时传输相干通信系统发射端窄线宽激光器、IQ调制器传输链路光纤、光放大器接收端本地振荡器、90°光混频器、平衡探测器数字信号处理色散补偿、时钟恢复、相位估计相位调制与相干检测BPSK二相相移键控，抗噪声能力强QPSK四相相移键控，频谱效率高16QAM16正交幅度调制，更高频谱效率相干检测利用本地振荡光与信号光干涉，恢复幅度和相位信息正交频分复用原理将数据流分配到多个正交子载波上并行传输优势抗多径干扰能力强，频谱利用率高挑战峰均比高，对非线性效应敏感时分复用与码分复用光时分复用(OTDM)将多路低速信号在时间上交织成高速信号光码分复用(OCDM)利用正交码序列区分不同用户信号混合复用结合TDM、WDM、CDM等实现更高容量空分复用(SDM)利用多芯光纤或多模光纤实现空间复用同步技术1载波恢复恢复发射端载波频率和相位2时钟恢复从接收信号中提取符号时钟信息3帧同步识别数据帧的起始和结束位置4极化对准跟踪和补偿信号极化态的变化信道编码技术前向纠错(FEC)在发送端添加冗余信息，接收端纠正错误低密度奇偶校验码(LDPC)高性能线性块码，接近香农限Turbo码迭代解码，性能优异，复杂度较高极化码构造简单，适合硬件实现，性能接近香农限系统性能评价1误码率(BER)衡量系统传输质量的关键指标2眼图直观评估信号质量，包括噪声、抖动等信息3Q因子表征信号质量，与BER有直接关系4OSNR光信噪比，反映系统噪声水平应用前景与发展趋势1超大容量传输Pb/s级系统，空分复用技术2全光网络端到端光交换，降低功耗3智能光网络AI辅助优化