光通信基礎(chǔ)知識(shí)解析課件

光通信基礎(chǔ)知識(shí)北京研究所黃暉1光通信基礎(chǔ)知識(shí)北京研究所黃暉1提綱光纖通信的基本原理光通信技術(shù)回顧及展望提綱光纖通信的基本原理2一、光（纖）通信原理光通信基礎(chǔ)知識(shí)解析課件31880年貝爾發(fā)明‘光話’，他以日光為光源，大氣為傳輸媒介，傳輸距離是200米；1881年貝爾發(fā)表了論文《關(guān)于利用光線進(jìn)行聲音的復(fù)制與產(chǎn)生》；貝爾的光話始終沒有實(shí)用化：1、沒有可靠的、高強(qiáng)度的光源；2、沒有穩(wěn)定的、低損耗的傳輸媒介。光纖通訊史現(xiàn)代光通信--光話1880年貝爾發(fā)明‘光話’，他以日光為光源，大氣為傳輸媒介，41960年，第一臺(tái)相干振蕩光源--紅寶石激光器問世；1962年，半導(dǎo)體激光器問世；1970年貝爾實(shí)驗(yàn)室制作出可以在常溫下連續(xù)工作的鋁鎵砷（AlGaAs）半導(dǎo)體激光器。光纖通訊史1970年光纖通信元年1960年，第一臺(tái)相干振蕩光源--紅寶石激光器問世；19625直到60年代中期，優(yōu)質(zhì)光學(xué)玻璃的損耗仍高達(dá)1000dB/km，2x1081J，1047年太陽(yáng)光能；英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)電信研究所的華裔科學(xué)家高錕博士于1966年發(fā)表了一篇論文，提出利用帶有包層材料的石英玻璃光纖作為光通信媒介；1970年美國(guó)康寧（Corning）公司制成損耗為20dB/km的低損耗石英光纖。光纖通訊史1970年光纖通信元年直到60年代中期，優(yōu)質(zhì)光學(xué)玻璃的損耗仍高達(dá)1000dB/km6通信容量大中繼距離長(zhǎng)保密性好適應(yīng)能力強(qiáng)體積小、重量輕、施工方便原材料豐富(SiO2)價(jià)格低廉光纖通信的優(yōu)點(diǎn)通信容量大光纖通信的優(yōu)點(diǎn)7反射： 1=1`折射： n1sin1=n2sin

2全反射： sin1>=n2/n1

平面波的反射和折射n2n111`2反射： 1=1`平面波的反射和折射n2n8在光纖的數(shù)值孔徑角內(nèi)，以某一角度射入光纖端面，并能在光纖的纖芯到包層界面上形成全反射的傳播光線就可稱為一個(gè)光的傳輸模式。光纖光纖的傳播模式高次?；５痛文Ｔ诠饫w的數(shù)值孔徑角內(nèi)，以某一角度射入光纖端面，并能在光纖的9多模光纖：突變型光纖 漸變型光纖（G.651）單模光纖：標(biāo)準(zhǔn)常規(guī)光纖（G.652） 色散位移光纖（G.653） 非零色散位移光纖（G.655） 色散補(bǔ)償光纖光纖光纖的傳播模式多模光纖：突變型光纖10短波長(zhǎng)光纖：0.6~0.9nm長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖：1310~1550nm光纖光纖的工作波長(zhǎng)短波長(zhǎng)光纖：0.6~0.9nm光纖光纖的工作波長(zhǎng)11光纖損耗光纖色散光纖偏振模色散光纖非線性影響系統(tǒng)性能的光纖特性影響系統(tǒng)性能的光纖特性12吸收損耗本征吸收紫外吸收紅外吸收散射損耗瑞利散射光纖損耗吸收損耗光纖損耗131.21.31.41.51.61.7波長(zhǎng)(m)損耗(dB/km)0.10.20.40.81.025THz0未來(lái)通信窗口1280~1620nm目前使用的C波段：1525~1565nm正在研究與開發(fā)的：L波段1570~1620nmS波段1400nm光纖損耗光纖損耗圖譜1.21.31.41.51.61.7波長(zhǎng)(m)損耗(dB14L=（PSEL-PREL-PP-C-MC）/（af+as）L--再生段距離；Psel--S點(diǎn)壽命終了時(shí)的最小平均發(fā)送功率；Prel--R點(diǎn)壽命終了時(shí)的最差靈敏度(BER≤10-12)；Pp--光通道代價(jià)，2dB；C--所有活動(dòng)連接器衰減之和，每個(gè)連接器衰減取0.5dB；Mc--光纜富余度，取3dB；af--光纖衰減系數(shù)；as--光纖熔接接頭每公里衰減系數(shù)。功率相關(guān)的計(jì)算(G.652)L=（PSEL-PREL-PP-C-MC）/（af+as）15脈沖展寬T光脈沖信號(hào)中的不同頻譜成份在光纖中的傳輸速度不同，導(dǎo)致脈沖信號(hào)傳輸后展寬甚至離散。光纖色散脈沖展寬T光脈沖信號(hào)中的不同頻譜成份在光纖中的傳輸速度不同，16隨著脈沖在光纖中傳輸，脈沖的寬度被展寬光纖色散模間色散、色度色散、偏振模色散PMD隨著脈沖在光纖中傳輸，脈沖的寬度被展寬光纖色散模間色散、色度17模式色散（多模光纖）材料色散（SiO2）波導(dǎo)色散（波導(dǎo)結(jié)構(gòu)）光纖色度色散模式色散（多模光纖）光纖色度色散18T啁啾效應(yīng)直接調(diào)制激光器輸出信號(hào)帶有較大的啁啾，使得脈沖頻譜展寬并在前后沿產(chǎn)生頻譜紅移和藍(lán)移，在光纖色散的作用下，引起脈沖的快速展寬和信號(hào)劣化。

T啁啾效應(yīng)直接調(diào)制激光器輸出信號(hào)帶有較大的啁啾，使得脈沖頻譜19色散容限光源啁啾對(duì)系統(tǒng)傳輸距離的影響由色散容限參數(shù)值表示。如:光源色散容限值為12800ps/nm,SMF（G。652）光纖的色散參量值取D=20ps/km/nm，則該光源的色散受限距離為640km。色散容限光源啁啾對(duì)系統(tǒng)傳輸距離的影響由色散容限參數(shù)值表示。20

色散受限傳輸距離計(jì)算Ld=ε/Dm式中：Ld—色散受限傳輸距離ε—色度色散，常數(shù),不同的光發(fā)送模塊取值Dm—光纖色散系數(shù)，按工程要求取值。色散受限距離假設(shè)光源無(wú)啁啾 色散受限傳輸距離計(jì)算色散受限距離假設(shè)光源無(wú)啁啾21光纖PMDPMD是由光纖的隨機(jī)性雙折射引起的，環(huán)境因素和工藝缺陷引起的纖芯橢圓及應(yīng)力是引起PMD的主要因素光纖PMDPMD是由光纖的隨機(jī)性雙折射引起的，環(huán)境因素和工藝22PMD引起脈沖展寬（隨機(jī)性）光纖PMDPMD引起脈沖展寬（隨機(jī)性）光纖PMD23光纖帶寬系數(shù)光纖帶寬系數(shù)24光纖帶寬系數(shù)光纖帶寬系數(shù)25受激拉曼散射（SRS）受激布里淵散射（SBS）自相位調(diào)制（SPM）交叉相位調(diào)制（XPM）四波混頻（FWM）光纖非線性效應(yīng)光纖非線性效應(yīng)26短波長(zhǎng)泵浦長(zhǎng)波長(zhǎng)泵浦增益連續(xù)頻譜達(dá)15THz，信道數(shù)愈多影響愈大對(duì)系統(tǒng)的影響：引起信道功率失衡引起信道間的拉曼串?dāng)_lPlP輸入輸出受激拉曼散射（SRS）對(duì)系統(tǒng)的影響：lPlP輸入輸出受激拉曼散射（SRS）27增益比SRS大兩個(gè)數(shù)量級(jí)增益譜窄，與信道數(shù)無(wú)關(guān)對(duì)系統(tǒng)的影響：大于一定值時(shí)，引起強(qiáng)烈背向散射，疊加強(qiáng)度噪聲。受激布里淵散射（SBS）對(duì)系統(tǒng)的影響：受激布里淵散射（SBS）28自相位調(diào)制（SPM）經(jīng)光纖色散，轉(zhuǎn)化為波形畸變交叉相位調(diào)制（XPM）相位受到其它其它信道的調(diào)制，經(jīng)光纖色散轉(zhuǎn)化引起強(qiáng)度噪聲增加系統(tǒng)光通道代價(jià)SPM和XPM自相位調(diào)制（SPM）增加系統(tǒng)光通道代價(jià)SPM和XPM29信道間相互作用產(chǎn)生新的頻率。w1w2ww1w22w1-w22w2-w1w光纖四波混頻（FWM）FWM的影響因素：信道間隔色散w1w2ww1w22w1-w22w2-w1w光纖四波混頻（F30FWM是影響系統(tǒng)性能的主要非線性效應(yīng)：當(dāng)FWM產(chǎn)生的新頻率落入信道帶寬范圍內(nèi)時(shí)，會(huì)引起信道強(qiáng)度起伏和信道間串?dāng)_。補(bǔ)償措施：采用非零色散位移光纖（G.655）和常規(guī)單模光纖（G.652）采用大有效纖芯面積光纖（LEAF）控制入纖功率四波混頻（FWM）FWM是影響系統(tǒng)性能的主要非線性效應(yīng)：補(bǔ)償措施：四波混頻（F31光纖類型和損耗譜

EDFA帶寬1.21.31.41.51.61.7波長(zhǎng)

(um)損耗

(dB/km)0.10.20.40.81.00-20-101020色散

(ps/nm-km)損耗(各類光纖)SMFDSFNZDF+NZDF-G.652G.653G.655+G.655-光纖類型和損耗譜EDFA帶寬1.21.31.41.51.632光纖損耗=>功率減弱光纖色散=>脈沖變形(時(shí)域),線性過程,可逆光纖非線性=>信號(hào)畸變(頻域),非線性過程,不可逆PMD=>脈沖變形（時(shí)域），隨機(jī)過程影響傳輸性能的光纖特性光纖損耗=>功率減弱影響傳輸性能的光纖特性33

光源技術(shù)1、標(biāo)準(zhǔn)而穩(wěn)定的波長(zhǎng)要求有配套的波長(zhǎng)監(jiān)測(cè)和穩(wěn)定技術(shù)1、溫度反饋控制法2、波長(zhǎng)反饋控制法2、比較大的色散容納值1、直接調(diào)制技術(shù)2、外調(diào)制技術(shù)光源技術(shù)1、標(biāo)準(zhǔn)而穩(wěn)定的波長(zhǎng)34光源（激光器）主要參數(shù)：波長(zhǎng)穩(wěn)定性色散容限類型：直接調(diào)制EA調(diào)制LiNO3調(diào)制光源（激光器）主要參數(shù)：35激光器的直接調(diào)制調(diào)整注入電流光信號(hào)輸出優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜缺點(diǎn)：引起頻率啁啾，傳輸距離短

光調(diào)制器激光器的間接調(diào)制光信號(hào)輸出電調(diào)制信號(hào)優(yōu)點(diǎn)：壓縮譜線寬度，保證光譜質(zhì)量常用的外調(diào)制：EA；LiNbO3;M-Z;頻率啁啾的解決光源—激光器的調(diào)制術(shù)激光器的直接調(diào)制調(diào)整注入電流光信號(hào)輸出優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)光調(diào)36光信號(hào)的調(diào)制技術(shù)光信號(hào)的調(diào)制技術(shù)37光發(fā)送模塊光發(fā)送模塊38光發(fā)送模塊光發(fā)送模塊39光發(fā)送模塊光發(fā)送模塊40光發(fā)送模塊光發(fā)送模塊41光接收模塊光接收模塊42光發(fā)、光收模塊應(yīng)用場(chǎng)合光發(fā)、光收模塊應(yīng)用場(chǎng)合43光通信基礎(chǔ)知識(shí)解析課件44摻鉺光纖放大器鉺摻雜光纖隔離器WDM耦合器PinPoutlNl2l1lNl2l1隔離器泵浦激光器980nm,1480nm摻鉺光纖放大器鉺摻雜光纖隔離器WDM耦合器PinPoutlN45EDFA的工作原理980nm1480nmN1N3~0N21550nm1550nm受激輻射信號(hào)光泵浦光EDFA的工作原理980nm1480nmN1N3~0N2146光纖通信設(shè)備使用注意事項(xiàng)光纖通信設(shè)備使用注意事項(xiàng)47提綱光纖通信的基本原理光通信技術(shù)回顧及展望提綱光纖通信的基本原理48三、光通信技術(shù)回顧及展望光通信基礎(chǔ)知識(shí)解析課件49光纖傳輸：寬帶、低損、無(wú)電磁干擾、PDH：無(wú)國(guó)際規(guī)范、組網(wǎng)能力差、……SDH：組網(wǎng)靈活、強(qiáng)大網(wǎng)管、自愈保護(hù)PDH、SDH均為TDM，遇到電子瓶頸影響、……DWDM：擴(kuò)展傳輸容量的經(jīng)濟(jì)有效手段OADM、OXC：波長(zhǎng)交換的核心ASON智能光網(wǎng)絡(luò)：光的信息高速公路光纖通信發(fā)展歷程光纖傳輸：寬帶、低損、無(wú)電磁干擾、光纖通信發(fā)展歷程50

—速率統(tǒng)一：155M、622M、2.5G、10G；

—光接口與幀結(jié)構(gòu)統(tǒng)一：STM-N（N=1、4、16、64）；

—一步復(fù)用特性：可從高速信號(hào)中直接提取/接入低速信號(hào)

—強(qiáng)大的OAM&P能力實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)管理的智能化：豐富的開銷（碼流量的5%）、強(qiáng)大的軟件技術(shù)；

—組網(wǎng)靈活、網(wǎng)絡(luò)的生存性強(qiáng)：可組多種類型網(wǎng)絡(luò)、具有自愈能力、可在線升級(jí)；

—前、后向兼容。

技術(shù)回顧及展望SDH相對(duì)PDH的優(yōu)點(diǎn)使之如日中天—速率統(tǒng)一：155M、622M、2.5G、1051技術(shù)回顧及展望高速SDH系統(tǒng)的核心技術(shù)※高速?gòu)?fù)用/解復(fù)用技術(shù)；※超大容量電交叉連接技術(shù)；※高速時(shí)鐘處理技術(shù)；※色散管理技術(shù)；※光纖非線性管理技術(shù)；※超高速PCB處理技術(shù)；技術(shù)回顧及展望高速SDH系統(tǒng)的核心技術(shù)※高速?gòu)?fù)用/解復(fù)用技術(shù)52技術(shù)回顧及展望SDH技術(shù)不斷演進(jìn)(STM-16/64/256)技術(shù)回顧及展望SDH技術(shù)不斷演進(jìn)(STM-16/64/256532.5Gb/s及以下速率系統(tǒng)全面成熟，規(guī)模應(yīng)用；高端的10GbSDH系統(tǒng)已基本成熟、方興未艾；40Gb系統(tǒng)已初見曙光；160Gb/s并非“天方夜譚”。未來(lái)技術(shù)大飛躍：超高速集成電路、超高速光電子技術(shù)、色散補(bǔ)償技術(shù)、波長(zhǎng)鎖定技術(shù)、電磁干擾、功耗問題、陶瓷基底、無(wú)連線連接技術(shù).......低端的接入網(wǎng)用SDH系統(tǒng)已開始商用,特點(diǎn)是小巧、低功耗、低成本，能適用于一切室內(nèi)外場(chǎng)合(環(huán)境苛刻)，Sub-STM-0的標(biāo)準(zhǔn)化和開發(fā)正把SDH進(jìn)一步推向用戶側(cè)。技術(shù)回顧及展望SDH的總體發(fā)展趨勢(shì)2.5Gb/s及以下速率系統(tǒng)全面成熟，規(guī)模應(yīng)用；高端的10G54獨(dú)立SDH的長(zhǎng)遠(yuǎn)命運(yùn)正受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)(5年?)SDH在中長(zhǎng)期仍將繼續(xù)發(fā)展電路交換在5年內(nèi)仍將繼續(xù)發(fā)展SDH本身的發(fā)展?jié)摿?>40Gb/s或<155Mb/s)未來(lái)超大容量的核心光傳送網(wǎng)需要更多SDH系統(tǒng)近期仍是可靠性、生存性最高的傳送網(wǎng)技術(shù)SDH級(jí)聯(lián)功能增強(qiáng)了支持ATM/IP的能力SDH正融合路由功能支持以太網(wǎng)透明傳輸技術(shù)回顧及展望SDH發(fā)展中的挑戰(zhàn)和機(jī)遇獨(dú)立SDH的長(zhǎng)遠(yuǎn)命運(yùn)正受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)(5年?)技術(shù)回顧及展望S55技術(shù)回顧及展望低端SDH規(guī)模應(yīng)用技術(shù)回顧及展望低端SDH規(guī)模應(yīng)用56技術(shù)回顧及展望低端SDH的發(fā)展關(guān)鍵提升單板集成度，使結(jié)構(gòu)更加緊湊；提供10M、100M、ATM-UNI接口，適合多業(yè)務(wù)傳送；提供容量適中的交叉能力（VC-4、VC-3、VC-12、64Kb/s）；從長(zhǎng)遠(yuǎn)看來(lái)，2.5Gb/s及以下產(chǎn)品都具備緊湊型、小型化的趨勢(shì)；多種制式兼容，務(wù)必率先挺進(jìn)國(guó)際市場(chǎng)；技術(shù)回顧及展望低端SDH的發(fā)展關(guān)鍵提升單板集成度，使結(jié)構(gòu)更加57技術(shù)回顧及展望城域SDH的應(yīng)用關(guān)鍵SONET/SDHRing45Mb/sSTM-1SRSRSRSTM-4CSTM-16CGSRGSRATMVideoEquipmentGEFEOC-3STM-1DS3Multimedia技術(shù)回顧及展望城域SDH的應(yīng)用關(guān)鍵SONET/SDHRin58技術(shù)回顧及展望高速DWDM系統(tǒng)的核心技術(shù)※高速光復(fù)用/解復(fù)用技術(shù)；※光交叉、波長(zhǎng)交叉技術(shù)；※寬帶光放大技術(shù)；※光監(jiān)控技術(shù)；※色散管理技術(shù)；※光纖非線性管理技術(shù)；技術(shù)回顧及展望高速DWDM系統(tǒng)的核心技術(shù)※高速光復(fù)用/解復(fù)用591996200020042008OADM點(diǎn)對(duì)點(diǎn)DWDM固定波長(zhǎng)上下的DWDM網(wǎng)絡(luò)OADMOADMOADMOADMDWDM環(huán)網(wǎng),可重構(gòu)波長(zhǎng)上下OXCOXCOXCOXCOXC光交叉連接、互聯(lián)的光環(huán)網(wǎng)和格型網(wǎng)絡(luò)容量增大,光纖減少靈活帶寬分配、光層保護(hù)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換、波長(zhǎng)選路、端對(duì)端波長(zhǎng)業(yè)務(wù)技術(shù)回顧及展望DWDM技術(shù)演進(jìn)1996200020042008OADM點(diǎn)對(duì)點(diǎn)DWDM固定波60SDH系統(tǒng)RXEDFATXTXTXTXTXTXTXTXRXRXRXRXRXRXRX120km120km120kmDWDM系統(tǒng)EDFATXRXRegRegTXRXRegRegTXRXRegRegTXRXRegRegTXRXRegRegTXRXRegRegTXRXRegRegTXRXRegReg120km120km120km技術(shù)回顧及展望DWDM擴(kuò)容優(yōu)勢(shì)使SDH不再孤軍作戰(zhàn)SDH系統(tǒng)RXEDFATXTXTXTXTXTXTXTXRXR61技術(shù)回顧及展望城域網(wǎng)DWDM傳輸PDH.SDH.ATM.IP.※傳輸距離小于100公里,可以省掉終端或線路放大設(shè)備;※成本低廉,結(jié)構(gòu)緊湊;※OADM規(guī)模應(yīng)用,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以環(huán)網(wǎng)為主,保護(hù)方式靈活,波長(zhǎng)可重構(gòu)能力性強(qiáng);※適應(yīng)多業(yè)務(wù)傳送。技術(shù)回顧及展望城域網(wǎng)DWDM傳輸PDH.SDH.ATM.IP62技術(shù)回顧及展望光交叉連接類型※光空分交叉;※光波長(zhǎng)交叉;※光時(shí)分交叉;※光分組交叉;技術(shù)回顧及展望光交叉連接類型※光空分交叉;63技術(shù)回顧及展望融合傳送節(jié)點(diǎn)應(yīng)用正在興起技術(shù)回顧及展望融合傳送節(jié)點(diǎn)應(yīng)用正在興起64即在大容量高端設(shè)備上將TDM、DWDM甚至IP核心路由交換等制式融合,讓DWDM提供透明的光傳輸通道,而真正的業(yè)務(wù)匯接、保護(hù)和疏通主要集中在TDM制式為主的電層,比如在SDH和S-DXC層,而讓IP業(yè)務(wù)層和傳輸層在設(shè)備級(jí)融合的目的,主要