光纖通信：第六章 前沿

第六章前沿第六章前沿Chapter22SOEI,HUST6.1多維多路復(fù)用6.2光學(xué)放大6.3色散管理與補(bǔ)償6.4前向糾錯(cuò)(FEC)6.1.1簡(jiǎn)介Chapter63SOEI,HUST多路復(fù)用技術(shù)是一種將多路模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)流組合成一路信號(hào)在同一媒介中傳播的技術(shù)。多路復(fù)用將高層通信信道的容量分為幾個(gè)低級(jí)的邏輯通道和提高量子效率。多路復(fù)用技術(shù)充分利用一個(gè)或多個(gè)物理維度：時(shí)間、頻率、偏振態(tài)、碼元、空間。什么是多路技術(shù)?Chapter64SOEI,HUST調(diào)制&多路技術(shù)OTDMWDMOFDMPDM6.1.2OTDM---光學(xué)時(shí)域多路復(fù)用Chapter65SOEI,HUST時(shí)分復(fù)用主要用于數(shù)字信號(hào)，但可用于模擬多路復(fù)用。兩個(gè)或多路信號(hào)或比特流在一個(gè)通信信道里作為子信道同時(shí)轉(zhuǎn)移，但輪流在信道內(nèi)傳輸。時(shí)域被分為長度固定的周期性時(shí)間片段。每個(gè)時(shí)間片段用于一個(gè)子通信。Chapter66SOEI,HUST超短脈沖產(chǎn)生光波分復(fù)用器/解復(fù)用器全光時(shí)鐘恢復(fù)/抽樣色散管理信號(hào)波長精確的延時(shí)線6.1.2OTDM:特征和關(guān)鍵技術(shù)Chapter67SOEI,HUST在無線電通訊，頻分復(fù)用技術(shù)(FDM)可將通訊媒介總帶寬分為一系列非重疊的子帶，每個(gè)子帶攜帶單獨(dú)的信號(hào)。WDM利用激光的不同波長作為載波信號(hào)集合進(jìn)一根光纖中

。此技術(shù)不僅可用于一根光纖中的雙向傳輸還能用于增加通信容量。在光通訊中,FDM就是WDM。6.1.3WDM---波分復(fù)用技術(shù)Chapter68SOEI,HUST6.1.3WDM:特征和關(guān)鍵技術(shù)光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)N123光接收機(jī)光接收機(jī)光接收機(jī)光接收機(jī)N123EDFA功放線放預(yù)放MUXDEMUX

發(fā)射機(jī)波長鎖定

光纖中具有非線性MUX/DMUX中有碼間串?dāng)_

放大器的增益帶寬色散管理Chapter69SOEI,HUST6.1.4PDM---偏振態(tài)復(fù)用技術(shù)PDM利用電磁輻射偏振態(tài)分離出正交信道。該技術(shù)在無線電通信和光通信中都具有實(shí)際應(yīng)用，尤其是在100Gbit/每信道(PDM-QPSK)光纖傳輸系統(tǒng)。Chapter610SOEI,HUST6.1.4PDM:特征和關(guān)鍵技術(shù)單個(gè)波長極化狀態(tài)漂移偏振模色散偏振相關(guān)損耗/增益檢查偏振調(diào)制PBS/PBCPDM信號(hào)產(chǎn)生機(jī)制Chapter611SOEI,HUST6.1.5OFDM---正交頻分復(fù)用從概念上講，OFDM是一種特殊的FDM，額外的約束是：所有載流信號(hào)互相正交。在OFDM中，選出子載波頻率以便子載波互相正交。因此，子信道串?dāng)_被消除，不再需要內(nèi)置載波保護(hù)頻段。Chapter612SOEI,HUST6.1.5OFDM:特征和關(guān)鍵技術(shù)離散傅里葉變換的實(shí)現(xiàn)：IFFT&FFT峰值對(duì)平均值功率比線性插值窗口/頻率偏移同步綜述Chapter613SOEI,HUST通過梳理不同的多路復(fù)用技術(shù)，頻譜效率和傳輸容量可以進(jìn)一步增大。利用不同的物理維度的多路復(fù)用技術(shù)可以兼容。利用這些維度提發(fā)送的消息在接收機(jī)可以彼此分離而不影響彼此的檢測(cè)性能。世界傳輸容量紀(jì)錄由多維復(fù)用技術(shù)完成。第六章前沿Chapter214SOEI,HUST6.1多維多路復(fù)用6.2光學(xué)放大6.3色散管理與補(bǔ)償6.4前向糾錯(cuò)(FEC)6.2.1簡(jiǎn)介Chapter615SOEI,HUST在80年代，為解決損耗問題，一些光放大器得以發(fā)展。包括：半導(dǎo)體光放大器，拉曼放大器，摻鉺光纖放大器（EDFA）。可同時(shí)放大多個(gè)波分復(fù)用通道，因此成本效益更大。所有現(xiàn)代WDM系統(tǒng)采用光學(xué)放大器。放大器可以級(jí)聯(lián)，從而使傳輸距離長達(dá)10000公里。特征&分類Chapter616SOEI,HUST光放大器的特征：增益：

輸出功率與輸入功率的比例(以dB表示)增益效率：輸入功率函數(shù)的增益(dB/mW)增益帶寬：放大器有效時(shí)對(duì)應(yīng)波長范圍增益飽和：最大輸出功率，超過該功率時(shí)放大器無法實(shí)現(xiàn)放大。噪聲：由于放大器中物理過程而產(chǎn)生的不被期望的信號(hào)。Chapter617SOEI,HUST稀土摻雜光纖放大器摻鉺光纖放大器(EDFA):C,L波段摻銩光纖放大器(TDFA):S波段摻鐠光纖放大器(PDFA):O波段拉曼光纖放大器分立式拉曼放大器分布式拉曼放大器(DRA)半導(dǎo)體光放大器(SOA)常見

SOA增益鎖定SOA(GC-SOA)線性光放大器(LOA)Chapter618SOEI,HUST亞穩(wěn)態(tài)泵浦光子980/1480nm

信號(hào)光子1550nm基態(tài)基態(tài)激發(fā)電子態(tài)過渡放大的信號(hào)1550nm6.2.2EDFA:機(jī)理&特征Chapter619SOEI,HUST

特征所有光波段與光纖兼容寬帶寬，20~70nm高增益，20~40dB高輸出功率，>200mW（10W）比特率，調(diào)制格式，功率與波長不靈敏小失真和低噪聲(NF<5dB)Chapter620SOEI,HUST增益平穩(wěn)度6.2.2EDFA:問題&難點(diǎn)不同帶寬處粒子數(shù)量水平不同，因此增益不同。嚴(yán)重影響WDM系統(tǒng)?？朔椒ǎ菏褂迷鲆婢鉃V波器/使用氟化物玻璃光纖。Chapter621SOEI,HUST增益均衡濾波器Chapter622SOEI,HUST平坦。因?yàn)榧ぐl(fā)態(tài)吸收（ESA）在980nm有噪聲，只在1480nm處泵浦。易碎，難以與典型光纖接頭。石英光纖20dB的增益。氟化物玻璃光纖20dB的增益。氟化物玻璃光纖。Chapter623SOEI,HUSTChapter624SOEI,HUST6.2.3RA:機(jī)理&特征拉曼放大器是在1980年代被提出；需要無法實(shí)用的大功率二極管激光泵源使用光纖纖的內(nèi)在光學(xué)非線性：受激喇曼散射。喇曼散射來自分子振動(dòng)。放大發(fā)生貫穿整個(gè)傳輸光纖長度。泵浦光子傳遞能量產(chǎn)生新的信號(hào)光子。殘余振動(dòng)聲子能量被吸收。Chapter625SOEI,HUST拉曼放大器必要性：

放大信號(hào)范圍為1270到1670nm

任何光纖可作為放大媒介因?yàn)榉糯笞园l(fā)輻射（ASE）小，所以噪聲系數(shù)（NF）小，信噪比（OSNR）高

響應(yīng)快拉曼過程本身提供了高功率激光

缺點(diǎn)：串?dāng)_高泵浦功率在研究熱點(diǎn)的波長上高泵浦功率成本高Chapter626SOEI,HUSTChapter627SOEI,HUSTChapter628SOEI,HUST6.2.3RA:問題&難點(diǎn)Chapter629SOEI,HUST6.2.4光放大器噪聲所有的放大器降低光學(xué)比特流的信噪比，通過自發(fā)輻射添加信號(hào)的噪聲。.Chapter630SOEI,HUST放大器噪聲來源：

熱噪聲

信號(hào)散粒噪聲

信號(hào)RIN

信號(hào)-自發(fā)拍頻噪聲自發(fā)-自發(fā)拍頻噪聲Chapter631SOEI,HUST噪聲系數(shù)(NF)和噪聲因子

(F)用于衡量信噪比(SNR)的惡化程度。

噪聲系數(shù)定義類似于電放大器中的，本質(zhì)上是一個(gè)退化的信號(hào)。噪聲系數(shù)定義假定散粒噪聲受限。激光器噪聲和探測(cè)器熱噪聲忽略或不計(jì)。第六章前沿Chapter232SOEI,HUST6.1多維多路復(fù)用6.2光學(xué)放大6.3色散管理與補(bǔ)償6.4前向糾錯(cuò)(FEC)Chapter6SOEI,HUST336.3.1簡(jiǎn)介Chapter6SOEI,HUST34色散圖：預(yù)補(bǔ)償：色散累積于整個(gè)鏈路，在接收機(jī)尾端補(bǔ)償。后置補(bǔ)償：適當(dāng)長度的色散補(bǔ)償置于接收機(jī)末端。周期性補(bǔ)償：色散沿著鏈路周期性得到補(bǔ)償。對(duì)于實(shí)際線性系統(tǒng)（無非線性效應(yīng)），三種補(bǔ)償方式效果相同。考慮非線性效應(yīng)影響時(shí)，三種機(jī)制表現(xiàn)不同。通過優(yōu)化色散圖，系統(tǒng)性能得到改善。6.3.2DCFChapter6SOEI,HUST35修正輸入脈沖在脈沖進(jìn)入光纖鏈路之前。輸入脈沖預(yù)啁啾修正為高斯脈沖形式：適當(dāng)?shù)倪泵}沖能在比特寬度擴(kuò)展前實(shí)現(xiàn)更長距離傳輸。假定展寬倍是可容忍的，

最大化L與啁啾參數(shù)C有關(guān)：

for(增加41%).6.3.3預(yù)啁啾技術(shù)Chapter6SOEI,HUST36四波混頻在光纖鏈路中間產(chǎn)生相位共軛空轉(zhuǎn)字段。

因?yàn)橄辔还曹棃?chǎng)而逆轉(zhuǎn)：脈沖形狀在光纖末端修復(fù)。基本思想在1979年獲取專利。首次試驗(yàn)在1993年實(shí)現(xiàn)。6.3.4光學(xué)相位共軛Chapter6SOEI,HUST37時(shí)域均衡TDE頻域均衡FDEFIRfilter6.3.5相干探測(cè)中的DSP算法第六章前沿Chapter238SOEI,HUST6.1多維多路復(fù)用6.2光學(xué)放大6.3色散管理與補(bǔ)償6.4前向糾錯(cuò)(FEC)Chapter6SOEI,HUST396.4.1簡(jiǎn)介FEC是信息中帶有額外的錯(cuò)誤檢測(cè)和校正的原始信號(hào)的編碼方法（如：奇偶校驗(yàn)字節(jié)）。因此,光學(xué)接收器可以檢測(cè)并糾正發(fā)生在傳輸路徑中的錯(cuò)誤。它大大降低了誤碼率，并且在光信號(hào)傳輸不采用再生措施基礎(chǔ)上擴(kuò)展了距離。通過編碼增益，誤碼率的改善可量化。Chapter6SOEI,HUST40名詞6.4.2基本概念Chapter6SOEI,HUST41編碼增益(CG)&凈編碼增益(NCG)Chapter6SOEI,HUST426.4.3三代FEC1st

Gen.

RS(255,239)2nd

Gen.

concatenated

codes3rd

Gen.

soft

decision

decodingChapter6SOEI,HUST43第一代

FEC

所羅門(RS)碼為光波系統(tǒng)吸引了最多的關(guān)注，表示為RS(n,k)。其中k為數(shù)據(jù)包大小，它與n比特轉(zhuǎn)化為更大的數(shù)據(jù)包。ITU推薦：

當(dāng)m=8，

對(duì)RS(255,239)，

這段代碼的FEC開銷為6.7%。Chapter6SOEI,HUST44G.975FEC框架結(jié)構(gòu)Chapter6SOEI,HUST45第二代

FEC

隨著WDM系統(tǒng)在2000左右成熟，研究者開始探索更為強(qiáng)大的FEC。第二代FEC實(shí)施力度更大。更復(fù)