讲座-光纤通信及其发展

综合业务网理论及关键技术国家重点实验室光纤通信及其发展光纤通信基本知识光波分复用光波网络报告人：刘增基综合业务网国家重点实验室E-mail:[e-mail]综合业务网理论及关键技术国家重点实验室光纤通信基本知识光纤传输系统的基本组成光纤通信：以光导纤维（光纤）为传输媒质，以光波为载波，实现信息传输。光纤传输系统的基本组成光纤线路光源光调制器光检测器基带处理基带处理基带电信号基带电信号调制电信号解调电信号已调光信号光发射机光接收机综合业务网理论及关键技术国家重点实验室光纤通信基本知识光纤的传光原理构成光纤的材料是石英纤维（SiO2）;光纤由内芯和包层组成，芯的折射率略大于包层，利用光在内芯的折射或在芯与包层界面上的全反射实现光的传播。n1n2n1SIFGIF综合业务网理论及关键技术国家重点实验室光纤通信基本知识光纤基本类型突变折射率型多模光纤（SIF）：纤芯直径＝50～60μm，光线以折射形状沿纤芯轴线方向传播，存在多条路径，并有较大的时延差，因而信号畸变大。渐变折射率型多模光纤（GIF）：纤芯直径＝50μm，光线以曲线形状沿纤芯轴线方向传播，各条路径时延差较小，因而信号畸变较小。单模光纤（SMF）：纤芯很细，直径约10μm，光线以直线形状沿纤芯轴线方向传播，只有一种传播模式，信号畸变很小。综合业务网理论及关键技术国家重点实验室光纤通信基本知识光纤传输特性传输损耗，由材料吸收和杂质散射等因素引起。有三个低损耗窗口：（1）0.85μm附近，损耗2~4dB/km;（2）1.31μm附近，损耗约0.5dB/km;（3）1.55μm附近，损耗约0.2dB/km。色散（Dispersion）：一般包括材料色散、模式色散、波导色散等，引起接收的信号脉冲展宽，从而限制了信息传输速率。中继器间距受损耗限制和色散限制。色散限制用距离带宽积（Mbps·km）表示。三类光纤中SMF最高，GIF次之，SIF最低。综合业务网理论及关键技术国家重点实验室光纤通信基本知识实用光纤标准G.651：GIF型光纤，适用于中小容量和中短距离；G.652：常规单模光纤，第一代SMF，在波长1.31μm处色散为零，传输距离只受损耗限制，适用于大容量传输；G.653：色散移位光纤，第二代SMF，在波长1.55μm色散为零，损耗小，适用于大容量长距离传输G.654：1.55μm损耗最小的SMF，1.31μm处色散为零；G.655：非零色散光纤，是新一代的SMF，适用于波分复用系统，提供更大的传输容量。综合业务网理论及关键技术国家重点实验室光纤通信基本知识光发射机光源：·发光二极管（LED）：自发辐射，输出光功率小，谱宽，稳定，长寿命（107），价低，适用于小容量、短距离传输系统。·激光二极管（LD）：受激辐射，输出光功率大，谱窄，波长稳定，长寿命（105至106），价高，适用于大容量、长距离传输系统。光调制器：目前采用强度调制（由于光源频谱不纯，尚未实现相干光通信）；分内调制和外调制，对于数字调制，用光脉冲的有无代表数字信息（0和1）。综合业务网理论及关键技术国家重点实验室光纤通信基本知识光接收机光检测器的功能：光信号的解调（O/E）光检测器的类型：PIN光电二极管、雪崩光电二极管（APD）光接收机的灵敏度取决于噪声特性（包括光检测器的噪声和电放大器的噪声）和误码率指标APD是有增益的光电二极管适用于灵敏度要求较高的场合，但需采用复杂的温度补偿电路，故成本高；在灵敏度要求不高的场合，宜采用PIN管。光接收机中还有电的放大器、自动增益控制电路、均衡再生电路等。综合业务网理论及关键技术国家重点实验室光纤通信基本知识光纤通信发展阶段1966年高琨指出了用光纤进行信息传输的可能性和技术途径；第一阶段（1966～1976年），从基础研究到商业应用的开发时期，实现了短波长（0.85μm）低速率（45或34Mb/s）多模光纤通信系统，无中继距离约10km；第二阶段（1976～1986年），大发展时期，光纤从多模发展到单模，工作波长从短波长发展到长波长（1.31和1.55μm）,实现了1.31μm、传输速率140～565Mb/s的单模光纤传输系统（PDH），其无中继距离为50～100km；第三阶段（1986年～），全面深入开展新技术研究，实现了1.55μm单模光纤通信系统（SDH），速率达2.5~10Gb/s,无中继距离为100～150km；1996年后，研发波分复用光纤通信系统，每波长传输速率10或40G及光波网络。综合业务网理论及关键技术国家重点实验室光纤通信基本知识光纤通信特点与应用传输容量很大：2.5G～10G/波长；每光纤采用波分复用技术，可容纳几十至上百个波长；每根光缆可含几十至上百根光纤。传输质量很高，误码率很低（小于10－9）中继距离很长（50～150km）抗电磁干扰性能好泄漏小，保密性能好应用广泛：大容量骨干网、计算机局域网与广域网、光纤接入网、有线电视网等综合业务网理论及关键技术国家重点实验室波分复用信道复用技术光波分复用原理点对点光波分复用传输系统光波分复用器件综合业务网理论及关键技术国家重点实验室信道复用技术信道复用：在同一信道上同时传输N路或N个用户的信息（N1），其基本方法是将该信道划分为N个子信道。频分复用（FDM）：各子信道占用不同的频带，用滤波器分路；新发展的技术有正交频分复用（OFDM）、编码正交频分复用（COFDM）。时分复用（TDM）：各子信道占用不同的时隙，用门分路；又有同步时分复用和异步时分复用（又称统计时分复用）之分。码分复用（CDM）：各子信道采用不同的相互正交的码序列，用相关器分路。光波分复用（WDM）：各子信道采用不同的光载波，用光滤波器分路。综合业务网理论及关键技术国家重点实验室光波分复用原理光波分复用（WDM，WavelengthDivisionMultiplexing）是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的技术。发送端复用（OMUX）：组合不同波长的光信号并耦合到同一根光纤中。接收端解复用（ODMX）：分离不同波长的光信号并作进一步处理。中继放大：经过一定距离的传输后，要用宽带放大器对光信号进行放大；目前普遍采用掺铒光纤放大器（EDFA）。综合业务网理论及关键技术国家重点实验室WDM原理图综合业务网理论及关键技术国家重点实验室波分复用技术的发展概况BWDM：利用1.3和1.55µm附近两个低损耗窗口构成两个波长的WDM系统DWDM：在1.55(1.50~1.60)µm窗口，同时用8，16或更多个波长，其中各波长之间的间隔约为1.6nm，0.8nm或更小，对应于200GHz,100GHz或更窄的频率间隔，得到广泛应用（以下用WDM表示）。DWDM＋EDFA＋G.655光纤＋光子集成，是长途光纤宽带传输的主要技术方向。目前水平：商用系统：40×10Gb/s实验室：82×40Gb/s=3.28Tb/s基于WDM和波长选路的光传送网已成为主要的核心网综合业务网理论及关键技术国家重点实验室WDM的特点利用多个波长并行传输，突破电子电路的速率极限，减小了光纤色散的影响，充分利用光纤的巨大带宽资源，使单根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍、几十倍甚至几百倍各波长的信道相对独立，可同时传输不同类型、不同速率的信号可降低对O/E，E/O器件要求在光域传输的透明性好高度的组网灵活性、经济性和可靠性综合业务网理论及关键技术国家重点实验室光波分复用传输系统MUXDMX光纤SDH光发射机光放大器接口1ATM光接收机接口2W12W光域接口：可提供不同的业务，支持不同的协议光发射机（E/O）：可工作于不同波长的激光器光波分复用器光放大器光波分解复用器：分离不同波长的光信号光接收机（O/E）：灵敏度应与波长无关举例：W=32，Rb=10Gb/s，传输距离500km，放大器间距125km双纤双向单纤双向IP综合业务网理论及关键技术国家重点实验室ITU－TDWDM标称波长频率(THz)波长(nm)频率(THz)波长(nm)频率(THz)波长(nm)196.1001528.77194.8001538.98193.5001549.32196.0001529.55194.7001539.77193.4001550.12195.9001530.33194.6001540.56193.3001550.92195.8001531.12194.5001541.35193.2001551.72195.7001531.90194.4001542.14193.1001552.52195.6001532.68194.3001542.94193.0001553.33195.5001533.47194.2001543.73192.9001554.13195.4001534.25194.1001544.53192.8001554.94195.3001535.04194.0001545.32192.7001555.75195.2001535.82193.9001546.12192.6001556.55195.1001536.61193.8001546.92192.5001557.36195.0001537.40193.7001547.72192.4001558.17194.9001538.19193.6001548.51192.3001558.98频率间隔=100GHz波长间隔约0.8nm192.2001559.79192.1001560.61综合业务网理论及关键技术国家重点实验室192.1中心频率（THz)192.2192.3192.4192.5192.6192.7192.8192.9193.0193.1193.2193.3193.4193.5193.6193.7193.8193.9194.0194.1194.2194.3194.4194.5194.6194.7194.8194.9195.0195.1195.2195.3195.4195.5195.6195.7195.88波(200GHz间隔)波长范围16波(100GHz间隔)波长范围32波(100GHz间隔)波长范围32波(50GHz间隔)波长范围WDM系统波长信道中心频率综合业务网理论及关键技术国家重点实验室光波分复用器件耦合器滤波器波分复用器/解复用器掺铒光纤放大器（EDFA）用于WDM的激光器综合业务网理论及关键技术国家重点实验室N×11×NN×M耦合器（1）功能：组合来自不同光纤的光信号或将光信号分离到不同的光纤中工作原理：分光纤型、微光学机械型、波导型。从性能和价格考虑，光纤型为最好。下面介绍光纤型耦合器的基本结构和工作原理。把两根或多根光纤排列，用熔拉双锥技术制作。在熔接区，光纤变细，相互靠近，发生了耦合。由于常规单模光纤中大约有20％的光是靠包层传输的，光纤变细就有更多的能量分布于芯线外，加之光纤相互靠近，于是在耦合区就发生了不同程度的耦合。耦合区综合业务网理论及关键技术国家重点实验室耦合器（2）性能参数（1）耦合比CR：一个指定输出端的光功率Poc与全部输出端光功率总和Pot的比值，用％表示CR＝Poc/Pot=Poc/(PO1+…+PON)功率分路损耗Ls=－10lg(CR)dB光纤型耦合器的耦合比与耦合区光纤芯径的大小、芯间的距离以及波长有关。（2）附加损耗Le：由散射、吸收和器件缺陷引起，是输入光功率总和Pit与输出光功率总和Pot的比值，用dB表示Le=10lg(Pit/Pot)Pi1PiNPo1PoNPotPit综合业务网理论及关键技术国家重点实验室耦合器（3）性能参数（3）插入损耗Lt：是一个指定输入端的光功率Pic与一个指定输出端的光功率Poc的比值，用dB表示Lt=10lg(Pic/Poc)Lt=Ls＋Le（4）方向性DIR（隔离度）是一个输入端的光功率Pic与由耦合器反射到其它端的光功率Pr之比，用dB表示DIR＝10lg(Pic/Pr)（5）均匀性Uniformity(dB)=Ltmax－Ltmin（6）其它参数：热稳定度、极化稳定度、工