《相干光通信技術(shù)》課件

相干光通信技術(shù)歡迎學習相干光通信技術(shù)課程。本課程將深入探討光通信的基礎(chǔ)知識、系統(tǒng)設(shè)計和前沿應(yīng)用。我們將從光學原理出發(fā)，逐步了解現(xiàn)代光通信系統(tǒng)的核心技術(shù)。課程大綱1基礎(chǔ)知識光波傳播、光源、光檢測器、光波導2光纖技術(shù)光纖制作、特性、連接、系統(tǒng)設(shè)計3先進技術(shù)波分復(fù)用、光編碼、光開關(guān)、光集成電路4相干通信相位調(diào)制、正交頻分復(fù)用、同步技術(shù)、系統(tǒng)性能評價光通信基礎(chǔ)知識光的本質(zhì)電磁波的一種，具有波粒二象性光速真空中約為3x10^8m/s波長可見光波長范圍為380-780nm頻率光通信常用頻率在100-1000THz光波傳播反射光波遇到界面時部分能量被反射回原介質(zhì)折射光波進入新介質(zhì)時傳播方向發(fā)生改變衍射光波繞過障礙物邊緣時發(fā)生的彎曲現(xiàn)象散射光波與微粒相互作用導致的能量重新分布光源發(fā)光二極管(LED)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，適用于短距離通信激光二極管(LD)高功率輸出，窄線寬，適用于長距離高速通信分布反饋激光器(DFB)單模輸出，頻率穩(wěn)定性好，適用于相干通信系統(tǒng)垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)低閾值電流，高調(diào)制帶寬，適用于數(shù)據(jù)中心互連光檢測器光電二極管(PD)響應(yīng)速度快，靈敏度高，廣泛應(yīng)用于光通信系統(tǒng)雪崩光電二極管(APD)內(nèi)部增益機制，提高接收靈敏度，適用于長距離通信PIN光電二極管結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)線性好，適用于短距離通信光電倍增管(PMT)高靈敏度，適用于微弱光信號檢測，如量子通信光波導平面波導二維結(jié)構(gòu)，易于集成脊型波導三維結(jié)構(gòu)，光場限制更強光子晶體波導周期性結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)特殊光學功能光纖波導圓柱形結(jié)構(gòu)，傳輸損耗低光纖通信技術(shù)1光纖傳輸系統(tǒng)核心，實現(xiàn)長距離低損耗傳輸2光發(fā)射與接收實現(xiàn)電-光和光-電轉(zhuǎn)換3光放大補償傳輸損耗，延長傳輸距離4信號處理實現(xiàn)編碼、復(fù)用、同步等功能5網(wǎng)絡(luò)管理保障系統(tǒng)可靠運行光纖制作與特性1預(yù)制棒制備高純度石英玻璃棒，摻雜形成折射率分布2拉絲高溫熔融，快速拉伸成細絲3涂覆涂抹保護層，增強機械強度4測試檢測光纖傳輸特性，確保質(zhì)量光纖連接熔接永久連接，損耗低，適用于固定安裝連接器可拆卸，便于維護，常用FC、SC、LC等型號機械連接現(xiàn)場快速連接，無需特殊工具接頭盒保護連接點，適用于戶外環(huán)境光纖通信系統(tǒng)發(fā)射端包括信源、編碼器、調(diào)制器和光發(fā)射器傳輸介質(zhì)光纖，可能包含光放大器和分支器接收端包括光檢測器、放大器、解調(diào)器和解碼器網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)性能，處理故障和配置光損耗與色散光損耗主要包括材料吸收、瑞利散射和彎曲損耗材料色散不同波長光速不同導致的脈沖展寬波導色散不同模式傳輸速度不同導致的脈沖展寬光放大器1摻鉺光纖放大器(EDFA)工作在1550nm波段，增益高，噪聲小2拉曼放大器利用受激拉曼散射效應(yīng)，可實現(xiàn)分布式放大3半導體光放大器(SOA)體積小，可集成，適用于光交換網(wǎng)絡(luò)4參量放大器基于非線性效應(yīng)，可實現(xiàn)相位敏感放大波分復(fù)用技術(shù)1粗波分復(fù)用(CWDM)信道間隔大，成本低2密集波分復(fù)用(DWDM)信道數(shù)多，容量大3超密集波分復(fù)用(UDWDM)信道間隔小于0.1nm，技術(shù)要求高4彈性光網(wǎng)絡(luò)可變帶寬分配，提高頻譜利用率光編碼技術(shù)非歸零碼(NRZ)結(jié)構(gòu)簡單，帶寬利用率高歸零碼(RZ)抗色散能力強，適用于高速系統(tǒng)載波抑制RZ(CSRZ)改善非線性容限，適用于長距離傳輸部分響應(yīng)編碼壓縮信號頻譜，提高頻譜利用率光開關(guān)與光路由機械光開關(guān)可靠性高，插入損耗低，但速度較慢熱光開關(guān)基于熱光效應(yīng)，響應(yīng)時間ms級電光開關(guān)基于電光效應(yīng)，響應(yīng)速度快，可達ns級聲光開關(guān)利用聲光效應(yīng)，可實現(xiàn)波長選擇性開關(guān)光集成電路硅基光子學利用成熟的CMOS工藝，易于大規(guī)模集成III-V族材料可實現(xiàn)有源器件集成，如激光器、探測器聚合物光子學成本低，柔性好，適用于特殊應(yīng)用場景光傳感器光纖布拉格光柵(FBG)可測量應(yīng)變、溫度等物理量，廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測分布式光纖傳感利用瑞利、布里淵或拉曼散射，實現(xiàn)長距離分布式測量光纖干涉儀高精度測量，可用于微小位移或旋轉(zhuǎn)角度檢測表面等離子體共振傳感器高靈敏度生化傳感，可用于醫(yī)療診斷和環(huán)境監(jiān)測光存儲技術(shù)1全息存儲利用全息技術(shù)實現(xiàn)高密度三維存儲2光學磁盤如CD、DVD、藍光光盤等3光學磁存儲結(jié)合光學和磁性材料的存儲技術(shù)4光子晶體存儲利用光子晶體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)超高密度存儲5量子存儲利用量子態(tài)存儲信息，理論上可實現(xiàn)超高容量激光通信衛(wèi)星激光通信實現(xiàn)星間和星地高速數(shù)據(jù)傳輸水下激光通信藍綠光激光穿透水體，實現(xiàn)短距離高速通信大氣激光通信實現(xiàn)點對點無線光通信，適用于城域網(wǎng)激光雷達用于自動駕駛、3D成像等應(yīng)用自由空間光通信優(yōu)勢帶寬大、保密性好、無需頻譜許可挑戰(zhàn)大氣湍流、天氣影響、準直難度大應(yīng)用城域網(wǎng)、災(zāi)害通信、臨時鏈路量子通信量子密鑰分發(fā)(QKD)利用量子態(tài)不可克隆原理實現(xiàn)絕對安全的密鑰分發(fā)量子糾纏利用糾纏光子對實現(xiàn)遠距離量子態(tài)傳輸量子中繼器克服量子態(tài)傳輸距離限制，實現(xiàn)長距離量子通信量子隱形傳態(tài)利用量子糾纏實現(xiàn)信息的遠距離瞬時傳輸相干通信系統(tǒng)發(fā)射端窄線寬激光器、IQ調(diào)制器傳輸鏈路光纖、光放大器接收端本地振蕩器、90°光混頻器、平衡探測器數(shù)字信號處理色散補償、時鐘恢復(fù)、相位估計相位調(diào)制與相干檢測BPSK二相相移鍵控，抗噪聲能力強QPSK四相相移鍵控，頻譜效率高16QAM16正交幅度調(diào)制，更高頻譜效率相干檢測利用本地振蕩光與信號光干涉，恢復(fù)幅度和相位信息正交頻分復(fù)用原理將數(shù)據(jù)流分配到多個正交子載波上并行傳輸優(yōu)勢抗多徑干擾能力強，頻譜利用率高挑戰(zhàn)峰均比高，對非線性效應(yīng)敏感時分復(fù)用與碼分復(fù)用光時分復(fù)用(OTDM)將多路低速信號在時間上交織成高速信號光碼分復(fù)用(OCDM)利用正交碼序列區(qū)分不同用戶信號混合復(fù)用結(jié)合TDM、WDM、CDM等實現(xiàn)更高容量空分復(fù)用(SDM)利用多芯光纖或多模光纖實現(xiàn)空間復(fù)用同步技術(shù)1載波恢復(fù)恢復(fù)發(fā)射端載波頻率和相位2時鐘恢復(fù)從接收信號中提取符號時鐘信息3幀同步識別數(shù)據(jù)幀的起始和結(jié)束位置4極化對準跟蹤和補償信號極化態(tài)的變化信道編碼技術(shù)前向糾錯(FEC)在發(fā)送端添加冗余信息，接收端糾正錯誤低密度奇偶校驗碼(LDPC)高性能線性塊碼，接近香農(nóng)限Turbo碼迭代解碼，性能優(yōu)異，復(fù)雜度較高極化碼構(gòu)造簡單，適合硬件實現(xiàn)，性能接近香農(nóng)限系統(tǒng)性能評價1誤碼率(BER)衡量系統(tǒng)傳輸質(zhì)量的關(guān)鍵指標2眼圖直觀評估信號質(zhì)量，包括噪聲、抖動等信息3Q因子表征信號質(zhì)量，與BER有直接關(guān)系4OSNR光信噪比，反映系統(tǒng)噪聲水平應(yīng)用前景與發(fā)展趨勢1超大容量傳輸Pb/s級系統(tǒng)，空分復(fù)用技術(shù)2全光網(wǎng)絡(luò)端到端光交換，降低功耗3智能光網(wǎng)絡(luò)AI輔助優(yōu)化