光纤通信技术 讲 解 人: 王建萍 联系电话: 62781369(O) 办公地点：东主楼11区416室 讲 解 人: 王建萍 联系电话: 62781369(O) 办公地点：东主楼11区416室 E-mail: jpwang@tsinghua.edu.cn
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讲授内容(1) 1 光纤通信概述 1.1 光纤通信技术的发展史及现状 1.2光纤通信系统概述 3.4 光耦合器Coupler 1 光纤通信概述 1.1 光纤通信技术的发展史及现状 1.2光纤通信系统概述 2 光信号的传输特性 2.1 光纤概述 2.2 光纤的损耗特性 2.3 光纤的色散特性及色散限制 2.4 光纤中的非线性光学效应 3 光器件 3.1 光器件概述 3.2 光连接器Connector 3.3 光衰减器Attenuator 3.4 光耦合器Coupler 3.5 复用器与滤波器 Multiplexer and Filter 3.6 光隔离器与环行器 3.7 光调制器Modulators 3.8 光开关Switches 3.9 光波长转换器 3.10 光交叉互连器 4 激光器及光发射机 4.1 半导体激光二极管LD 4.2 半导体激光器的工作特性 4.3 光发射机
讲授内容(2) 共计32学时 考试课 5 光检测器及光接收机 7 光纤通信系统的性能与设计 5.1 光检测器 7.1光纤通信系统结构 5 光检测器及光接收机 5.1 光检测器 5.2 光检测器的工作特性和参数 5.3 光接收机 5.4光接收机的噪声特性 5.5光接收机的灵敏度 5.6光接收机的性能评估 6 光放大器 6.1 概述 6.2 光放大器的原理与一般特性 6.3 掺铒光纤放大器EDFA 6.4 半导体光放大器SOA 6.5光纤拉曼放大器FRA 7 光纤通信系统的性能与设计 7.1光纤通信系统结构 7.2光纤损耗对系统的限制 7.3光纤色散对系统的限制 7.4光纤中的非线性光学效应 对系统的影响 7.5信道串扰 7.6光纤通信系统设计中的功率预算 8 光网络及其它光纤通信技术 复 习 共计32学时 考试课
参考书目 《光纤通信系统》杨祥林 编著 国防工业出版社 《光纤通信系统》顾畹仪 编著 北京邮电大学出版社 《光纤通信系统》杨祥林 编著 国防工业出版社 《光纤通信系统》顾畹仪 编著 北京邮电大学出版社 《光纤通信导论》邱 昆 编著 电子科技大学出版社 《光纤通信系统》L.G.卡佐夫斯基等著 张肇仪等译 人民邮电出版社
第一章 光纤通信概述 1.1 光纤通信技术的发展史及现状 1.2 光纤通信系统概述
1.1光纤通信技术的发展史及现状 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。
1.1光纤通信技术的发展史及现状 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 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。
现代通信方式示意图 传输系统 卫星通信 用户终端 信息 用户环路 发送机 接收机 微波通信 交换设备 电复接设备 光纤通信 移动通信
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 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 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
用户终端 现代通信方式示意图 电复接设备 交换设备 接入网 传输系统 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 信息 交换设备 接入网 传输系统
现代通信方式示意图 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 用户环路 交换设备 电复接设备 卫星通信 微波通信 移动通信 发送机 接收机 传输系统 用户终端 信息
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。
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) 1880年 贝尔的光电话 激光器(发送源） 光纤(传输介质) 1960 Maiman发明红宝石激光器 1962 半导体激光器诞生(GaAs 870nm) 70 年代室温工作LD (GaAsAI 850nm) 1300、1550nm 多模LD 单模LD 1951 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
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。 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
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 10～100Mb/s 10Km 第二代80年代初 1300nm 单模 100Mb/s 1.7Gb/s 20Km 50Km 第三代80年代中～90年代初 1550nm 2.5Gb/s～10Gb/s 100Km
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 2.5Gb/s10Gb/s 21000Km（环路） 1500Km 光放大系统 第五代 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
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。
光纤通信技术的三次飞跃(2) 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(3) 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 大容量 超高速 网络化 长距离 一根光纤中可同时传输一百 单路速率不断提升， 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 光纤通信 超高速 大容量 长距离 网络化 全光网成为目前光通信 领域最热门的话题之一 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
Demand for Broad bandwidth 21世纪的通信业务 Travel Shopping Telephone …… All services Network traffic is growing!! Health Education The whole world is in my mind!! Demand for Broad bandwidth Optical networking Entertainment Banking
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
光纤通信最具代表性技术 －波分复用WDM和光纤放大器EDFA
光纤通信系统的新波段 S+ S C L L+ 波 长 (nm) 波段 带宽(THz) 光放大器 应用 C 1530-1570 5.0 有 1450 1490 1530 1570 1610 1650 波 长 (nm) 波段 波长范围(nm) 带宽(THz) 光放大器 应用 C 1530-1570 5.0 有 长途干线 C+L 1530-1610 9.7 S+C+L 1490-1610 15.0 无 城/局域网 S++S+C+L+L+ 1450-1650 25.1 全波 1300-1650 48.9 范崇澄 FS-08
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，RA FEC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
网络容量演进战略 2.5Gb/s 10Gb/s 40Gb/s 10Gb/s 40Gb/s 20Gb/s 80Gb/s 32 16 8 4 1 WDM 波长数 每波长比特率(TDM) 40Gb/s
40G 器件
光纤通信的产业链 运营商 网络集成商 光纤预制棒 关键原材料 光纤 光无源器件 光有源器件 光传输/交换 设备 光缆 网络管理系统 测试设备
全球光纤通信主要供应商
Components and Modules in DWDM Networks Thin film filters Fiber gratings Waveguides Circulators Interleavers Mux/Demux modules Amplifiers Isolators Tap couplers Pump lasers Gain equalizers Attenuators Integrated amplifiers SOAs Optical Switches Couplers Add/drop modules Switching Transmission Source lasers Modulators Wavelockers Receivers Detectors Tx/Rx modules Over 9000 Products
光纤网络的分类
三种网络的不同要求 Metro: Smart Access: Cost 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: Capacity Metro: Smart Access: Cost
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 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
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。
DWDM Experiment system at THU
带来的科学问题 光纤性能是有限制的，随着信道数据率和传输距离的增加，系统容量日益趋近极限，光纤不再是一个透明管道。 2.5Gb/s per channel: forget the fiber; 160Gb/s per channel: forget WDM!
带来的科学问题 为克服这些限制，除新型光纤(相对稳定)外，综合采用了色散管理、宽带EDFA、Raman 放大、前向纠错（FEC）等行之有效的新技术；但新技术不一定都是好技术。 系统总成本增加； 灵活性、扩展性、生存性降低，特别不利于网络设计 怎样才是好技术？
持续发展面临的挑战功能多、适应能力强、成本低的光子学器件与技术； 革命性变革有待于基础研究如何使光子变得聪明？ 所有的智能都在电层 -- 只能是“低能”； 光层变为 big fat pipe 使运营商无利可图，限制了光通信的发展； 电子也曾经 stupid，有存储、信号处理等功能后才变为 SMART； 基本问题：由材料开始！ 10~15年解决，将引发通信事业的另一次革命！
第一章 光纤通信概述 1.1 光纤通信技术的发展史及现状 1.2 光纤通信系统概述
1.2 光纤通信系统概述 数字光纤通信系统的组成 光发射机 光接收机 由光发射机、光纤光缆、中继器与光接收机等基本单元组成。 1.2 光纤通信系统概述 数字光纤通信系统的组成 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 中继器 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。
一、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。
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
突破色散限制 传输光纤的改进（1） ：G.653色散位移光纤 17ps/nm.km G.652 G.653 衰减 (dB/km) 0.6 20 10 -10 -20 色散(ps/nm.km) EDFA 频带 0.5 G.653 0.4 0.3 衰减 (dB/km) 0.2 0.1 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 波长(nm)
传输光纤的改进（2） ： G.655非零色散位移光纤 17ps/nm.km G.652 G.653 衰减 (dB/km) EDFA 频带 0.6 G.652 20 10 -10 -20 色散(ps/nm.km) 0.5 G.653 0.4 G.655 0.3 衰减 (dB/km) 0.2 0.1 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 波长(nm)
二、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。 信号输入 驱动电路 光源 调制器 通道耦合器 光发射机结构框图
调制格式 归零码RZ：代表比特1的光脉冲宽度比比特间隔窄，其振幅在比特周期结束前归零。 非归零码NRZ：光脉冲在整个时隙内保持不变，其振幅在两个连续的比特1之间不会降到零。 当前，数字光纤通信以采用NRZ码为主。有关各种调制码型的研究很多。 t 1 RZ NRZ
调制方式 调制前光载波的形式为： E(t)=Acos(0t+) 电场 相位 振幅 载频 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。
光发射机的参数(1) 发送光功率（dBm） 以1mW为基准的、用分贝表示的功率。表示功率的绝对值。 P=10 lg [ 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) 100 10 2 1 0.5 0.1 0.01 0.001 (dBm) +20 +10 +3 -3 -10 -20 -30
分贝的定义 dB=10 lg [ P2 / P1] P2 、 P1 --光功率 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=10 lg [ P2 / P1] P2 、 P1 --光功率 功率比 10N 10 2 1 0.5 0.1 10-N dB +10N +10 +3 -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％
光发射机的参数(2) 光谱特性 最大均方根RMS宽度 对于多纵模激光器和发光二极管 这样的光能量比较分散的光源,采 用来衡量光脉冲能量在频域的集 中程度. 单纵模的激光器,能量主要集中 在主模中. 半高全宽FWHM(3dB)宽度 最大20dB跌落宽度
一般规定单纵模激光器的最小边模抑制比为30dB，即主纵模功率至少要比边模大1000倍以上。 光发射机的参数(3) 最小边模抑制比(SMSR)：主纵模(M1)的平均光功率与最显著的边模(M2)的平均光功率之比的最低值。 SMSR=10lg（M1/M2） 一般规定单纵模激光器的最小边模抑制比为30dB，即主纵模功率至少要比边模大1000倍以上。
三、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。
四、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 组合 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再生功能 放大 消除波形畸变 消除时间抖动
小结 光 纤 驱动电路 光电二极管 光纤 中继器 调制器 放大器 光源 判决器 光发射机 中 继 器 光接收机 光 器 件