光通信技术与网络PPT课件

2020/5/28,.,1,光与现代科技讲座,第八章光通信技术与网络,2020/5/28,.,2,光与现代科技讲座,云南大学信息学院通信工程系宗容zongron第八章光通信技术与网络,光与现代科技,2020/5/28,.,3,光与现代科技讲座,第一章绪论2第二章光源与激光器2第三章光纤与光学传感技术4第四章激光在现代医学中的应用4第五章激光在军事技术中的应用4第六章激光在现代工业和加工中的应用4第七章光与信息技术4第八章光通信技术与网络6第九章光学成像、全息与显示技术2第十章光电集成与纳米技术2,2020/5/28,.,4,第八章光通信技术与网络,8.1光通信原理8.1.1光通信的发展与现状8.1.2光通信的特点8.1.3光通信系统的组成与分类8.2光通信的器件8.2.1光源8.2.2光检测器8.2.3光无源器件8.2.4光放大器8.3光纤通信系统与网络8.3.1数字光通信系统8.3.2光纤辅助系统,8.3.3光超长波长光通信系统8.3.4多信道光波通信系统8.3.5光纤孤子系统8.3.6光纤通信网络8.4无线激光通信8.4.1微波通信与无线激光通信8.4.2无线激光通信的基本原理8.4.3空间无线激光通信进展8.4.4激光水下通信,2020/5/28,.,5,8.1.1光纤通信的发展与现状,一、光通信的发展史二、先进国家光纤通信的发展三、我国光纤通信事业的发展四、云南省光纤通信事业发展五、光纤通信的发展趋势,8.1光纤通信的原理,2020/5/28,.,6,一、光通信的发展史,光通信：利用光进行信息传输的一种通信方式。光通信的发展主要经历了三个发展阶段可视通信激光大气通信光纤通信,2020/5/28,.,7,1、可视通信,古代的烽火台、烟火传递单个信息18世纪末信号灯、船舰使用的灯塔、旗语等近代战争中的信号弹，抗战时期的消息树等1792年用中继器使机械代码信息传送100km，有效速率小于1b/s之后很长一段时间电取代了光,2020/5/28,.,8,电通信,19世纪30年代：电报、莫尔斯代码，传输速率310b/s，中继可达1000km1866年，第一条越洋电报电缆系统投入运营1876年，发明了电话，电信号通过连续变化电流的模拟形式传输1940年，第一代同轴电缆系统投入使用，3MHz系统，可传300路音频信号或1路视频信号，但当频率超过100MHz时，电缆损耗迅速增加1948年，4GHz的微波系统投入运营，利用110GHz的电磁载波及相关调制技术传递信号，可工作于100Mb/s1975年最先进同轴系统投入运营,速率可达274Mb/s，中继约1km到70年代，电通信获得的最大BL不超过100(Mb/s)km,2020/5/28,.,9,2、激光大气通信,60年代初，人们利用二氧化碳激光器进行激光大气通信实验由于其传输介质是地球周围的大气层，而大气层又存在着对光的严重吸收，散射作用和天气变化影响等缺点，使得激光大气通信在通信距离、稳定性、可靠性方面受到严重影响60年代中期一度振兴的激光大气通信研究处于停滞状态,2020/5/28,.,10,3、光纤通信,光纤(Fibre)光导纤维的简称光纤通信以光波为载波，以光导纤维为传输媒质的一种通信方式。容量频率f光波光波是人们最熟悉的电磁波，其波长在微米级，频率为1014Hz，紫外光、可见光、红外光属于光波的范畴,2020/5/28,.,11,电磁波波段划分和常用传输媒质-1,2020/5/28,.,12,电磁波波段划分和常用传输媒质-2,2020/5/28,.,13,红外光：波长0.75m紫外光：波长0.4m可见光：0.4mEg或hc/Eg，截止波长c=1.24/Eg凡是Eg(光照)受激吸收电子漂移扩散形成光生电流好处：量子效率高，响应速度快SiPIN，响应波长0.51m,响应时间几个nsGePIN，响应波长1.11.6m,响应时间20多个ns,PIN光电二极管的结构,2020/5/28,.,103,四、雪崩光电二极管APD,结构：在N、P区大量掺杂，使各自的多数载流子浓度变大特点：可承受很高的反向偏压PIN：020V，APD：20150V原理：加高反偏电压耗尽区形成强电场光照(克服Eg)形成初始载流子有高能量(或运动速度很快)运行中高速碰撞产生新生载流子(由碰撞产生)新生载流子和原始载流子再撞击电子浓度瞬时猛增电流急剧增长“雪崩”、“倍增”完成光/转换,2020/5/28,.,104,APD载流子雪崩式倍增示意图（只画出电子）,2020/5/28,.,105,APD结构图,我国高速接收器件的研制相对落后，目前的通信结构为2.5Gbs，但10GbS的PINTIA光接收器组件已达国际先进水平。国外10Gbs的技术已很成熟，已经进人实用阶段，而单纤传输40Gbs光信号的技术还没有真正进入实用阶段。,2020/5/28,.,106,8.2.3光无源器件,光纤连接器光耦合器波分复用/解复用器与光滤波器光隔离器与光环行器光衰减器光开关调制器,2020/5/28,.,107,一个完整的光纤通信系统，除了光纤、光源和光检测器外，还需要许多配套的功能部件，特别是无源器件，它们对光纤通信系统的构成、功能的扩展或性能的提高，都是不可缺少的。光无源器件：本身不发光，不放大，不产生光电转换的光学器件。作用：连接光波导和光路；控制光的传播方向；控制光功率达分配；控制光波导之间、器件之间和光波导与器件之间的光耦合；合波、分波等。虽然对各种器件的特性有不同要求，但是普遍要求插入损耗小、反射损耗大、工作温度范围宽、性能稳定、寿命长、体积小、价格便宜、便于集成。,2020/5/28,.,108,按器件在传输线路上所发挥的功能可分为：光纤连接器、耦合器、合/分路器、光开关、光衰减器、光隔离器、光环形器等。,2020/5/28,.,109,一、光纤连接器,连接器是实现光纤与光纤之间连接的器件。应满足的要求：连接损耗要小装拆方便（操作方便）；稳定性好；指连接后，插入损耗随时间、环境的变化不大重复性好；一般要求重复使用次数大于1000次互换性好；要求同一种型号的活动连接器可以互换体积小，重量轻，成本低光纤连接器分为两类：活动连接器“活接头”，主要用于光纤线路两端与端机的连接中固定连接器不能拆卸，或只能进行破坏性拆卸的连接器，俗称“死接头”,2020/5/28,.,110,光纤固定接头的方法,2020/5/28,.,111,带状阵列式连接器,2020/5/28,.,112,二、光纤耦合器,作用：耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个输出，或把多个输入的光信号组合成一个输出。该器件对光纤线路的影响主要是附加插入损耗，还有一定的反射和串扰噪声。耦合器大多与波长无关，与波长有关的耦合器专称为波分复用器/解复用器。,2020/5/28,.,113,1、耦合器的类型常用耦合器的四种类型：,2020/5/28,.,114,光纤型耦合器(a)定向耦合器(b)88星形耦合器(c)由12个22耦合器组成的88星形耦合器,2020/5/28,.,115,光纤型波分解复用器原理,定向耦合器可制成波分复用/解复用器。光纤a(直通臂)传输的输出光功率为Pa，光纤b(耦合臂)的输出光功率为Pb,则Pa=Cos2(CL)；Pb=Sin2(CL)；L耦合器有效作用长度；C为取决于光纤参数和光波长的耦合系数。设特定波长为1、2，选择参数，调整L，使得Pa(1)最大时Pb(1)=0；Pa(2)=0时，Pb(2)最大。,2020/5/28,.,116,微器件型：用自聚焦透镜和分光片、滤光片或光栅等微光学器件可以构成各种耦合器。分光片：光部分透射，部分反射滤光片：一个波长的光透射，另一个波长的光反射光栅：不同波长的光有不同反射方向波导型：在一片平板衬底上制作所需形状的光波导，衬底作支撑体，又作波导包层。波导的材料根据器件的功能来选择，一般是SiO2，横截面为矩形或半圆形。,2020/5/28,.,117,微器件型耦合器(a)T形耦合器(b)定向耦合器(c)滤光式解复用器(d)光栅式解复用器,2020/5/28,.,118,波导型耦合器(a)T形耦合器(b)定向耦合器(c)波分解复用器,2020/5/28,.,119,三、波分复用/解复用器与光滤波器,熔锥光纤型WDM干涉滤波器形WDM光栅型WDM体型平面或曲面光栅平面阵列波导光栅光纤光栅,2020/5/28,.,120,熔融光纤型波分复用器结构和特性,2020/5/28,.,121,介质薄膜干涉滤波器型WDM器件的原理示意,2020/5/28,.,122,介质薄膜干涉型WDM器件结构,（a）二波分解复用器,（b）六波分解复用器,2020/5/28,.,123,基于MZ干涉仪的集成四通道WDM,2020/5/28,.,124,体型光栅WDM,（a）采用普通透镜的WDM,（b）采用棒透镜的WDM,2020/5/28,.,125,NN平面阵列波导光栅(AWG)WDM,(a)AWG复用器,(b)平板波导,2020/5/28,.,126,光纤光栅(FBG)的分类,2020/5/28,.,127,采用相移FBG的全光纤WDM,2020/5/28,.,128,光纤布拉格光栅的分类及其光学特性,2020/5/28,.,129,波分复用器的一般性质,2020/5/28,.,130,四、光隔离器与光环行器-1,1、光隔离器概念：光隔离器是光单向传输的一种非互易性器件，即光的单向器。其作用是消除光路中不连续处产生的反射光对光源、光放大器以及光路系统中产生的不良影响，使系统工作稳定。作用：它在光纤通信、光信息处理系统、光纤传感、及精密光学测量系统中有重要作用。要求及主要指标：插入损耗小(12dB)、隔离度大(反向衰减)(3040dB)、饱和磁场低、价格便宜、体积小、便于集成组成：由起偏器、检偏器及法拉第转子材料所组成的法拉第旋光器等组成。,2020/5/28,.,131,隔离器的工作原理,2020/5/28,.,132,光环行器(a)三端口(b)四端口,2020/5/28,.,133,光环行器原理图,2020/5/28,.,134,五、光衰减器1,1、光衰减器在光纤通信、光信息处理、光学测量及计算中都是不可缺少的一种光无源器件功能：在光信息传输过程中对光功率进行预定量的光衰减。2、光衰减器的工作机理主要有三种：(1)耦合型光衰减器：它是通过输入、输出光束对准偏差的控制来改变光耦合量的大小，从而达到改变衰减量的目的。,2020/5/28,.,135,光衰减器2,(2)反射型光衰减器：它是在玻璃基片上镀反射膜作为衰减片。光通过衰减片时主要是反射和透射，由膜层厚度的不同来改变反射量的大小，从而达到改变衰减量的目的。为避免反射光的再入射影响衰减性能的稳定性，光线不能垂直入射到衰减片上，需将二块衰减片按一定倾斜角对称地排成八字形。（40o，一般取5o或10o）(3)吸收型光衰减器：它是采用光学吸收材料制成衰减片，对光的作用主要是吸收和透射，其反射量很小。,2020/5/28,.,136,光衰减器-3,3、光衰减器按其衰减量的变化可分为三种类型固定式衰减器：衰减量固定步进可变式衰减器：即阶跃式可变，如10dB5连续可变式衰减器：如060dB4、衰减器主要指标插入损耗，衰减量变化范围，精度及温度的影响,2020/5/28,.,137,分档衰减器,连续衰减器,2020/5/28,.,138,六、光开关1,光开关的功能是转换光路，实现光交换，它是光网络的重要器件。要求：插入损耗低、转换重复性好、开关速度快、使用寿命长、结构紧凑主要指标：插入损耗、开关(转换)速度(ms量级)、消光比：接收机10lgP通/P断分类：1、机械式光开关：利用电磁铁或步进电机驱动光纤、棱镜或反射镜等光学元件实现光路转换优点：插入损耗小，串扰小，适合各种光纤，技术成熟缺点：开关速度慢，结构不紧凑，容易受振动、冲击的影响，消光比较大,2020/5/28,.,139,反射镜,16机械式光开关,2020/5/28,.,140,光开关2,机械式光开关可分为镜可动型和光纤可动型两种2、固体光开关，又称非机械式光开关：利用磁光效应、电光效应或声光效应实现光路转换优点：开关速度快，重复性好，可靠性高，使用寿命长，尺寸小，可单片集成缺点：插入损耗大，串扰大，应予改进3、半导体光波导开关：通过改变波导区内折射率达到光波的导通或截止。,2020/5/28,.,141,两类光开关一般性能,2020/5/28,.,142,8.2.4光放大器,一、光放大器分类二、光放大器的主要功能三、掺杂光纤放大器,2020/5/28,.,143,一、光放大器分类,半导体激光放大器(SLA)法布里珀罗型激光放大器行波半导体激光放大器光纤型光放大器光纤喇曼放大器(FRA)光纤布里渊放大器(FBA)光纤参量放大器(FPA)掺杂光纤放大器(EDFA),2020/5/28,.,144,二、光放大器的主要功能,超长距离、超大容量的光纤通信系统，特别是适合于陆地长干线和海下系统光孤子通信，以在线光放大器延伸通信距离，即作在线中继光放大器光纤用户系统中，主要用于补偿耦合所造成的光损耗，提高用户数目，起到功率放大作用，如宽带业务、CATV等光波复用系统中提高复用密度如掺铒光纤放大器的增益带宽可达1THz，若按1GHz进行频率分割，可达1000路的复用通信容量用于光电测量及其它信息处理系统中,2020/5/28,.,145,a、在线放大器,b、光发射机功率增强器,c、接收机前置放大器,d、局域网中用于补偿分配损耗,2020/5/28,.,146,光纤放大器构成方框图,2020/5/28,.,147,三、掺杂光纤放大器,掺铒光纤放大器（EDFA）是利用掺铒光纤这一活性介质，当泵浦光输入到EDF中时，就可以将大部分处于基态的Er3+抽运到激发态上，处于激发态的Er3+又迅速无辐射地转移到亚稳态上，由于Er3+在亚稳态上的平均停留时间为10ms，因此很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转，此时，信号光子通过掺铒光纤，在受激辐射效应作用下产生大量与自身完全相同的光子，使信号光子迅速增多，这样在输出端就可以得到被不断放大的光信号。,2020/5/28,.,148,在泵浦光的作用下，能级E2的铒离子返回E1时产生信号光子，受激发射使信号光得到放大,(a)硅光纤中铒离子Er3+的能级图,(b)EDFA的吸收和增益频谱,2020/5/28,.,149,掺镨光纤放大器,EDFA只能用于1.55m光纤通信系统，但是现在世界上有众多工作在1.3m的光纤通信系统和CATV网络。于是科学家们开发了工作在1.3m波段的掺镨光纤放大器，要求的泵浦波长是1.01m。这种放大器的增益可达38dB，饱和输出功率达20mw。但泵浦效率相当低，典型值0.2dB/mW，而EDFA却高达11dB/mw。所以，为了从掺镨光纤放大器中获得30dB增益，需要高达1w的泵浦功率。,2020/5/28,.,150,8.3.1数字光通信系统,1.光发射机光发射机的主要功能是将电端机送来的电信号转换为适合于光纤中传输的光信号，其原理框图如下：,8.3光纤通信系统与网络,2020/5/28,.,151,线路编码作用,将电缆中传输的正负极性码变为光纤中可传输的单极性码减少码流中长连“0”或连“1”的数目，使“0”码和“1”码分布均匀，便于时钟信号的提取实现运行误码监测，利于长途通信系统的维护提供一定的冗余码，用于平衡码流、传输监控、公务、区间等通信，但对高速光纤通信系统，应适当减少冗余码，以免占用过大带宽减少码流中的直流基线的起伏和低频分量，提高输出功率的稳定性和减小码间干扰，有利于提高光接收机的灵敏度,2020/5/28,.,152,(a)直接调制(b)间接调制(外调制),两种调制方案,2020/5/28,.,153,2、光接收机,数字光接收机的功能是：把经光纤传输后幅度被衰减、波形被展宽的微弱光信号转换为电信号，并放大处理，恢复为原发射机的数字序列,光信号经光纤传输到达接收端有两个问题：幅度衰减（有损耗）；脉冲展宽（有色散）,2020/5/28,.,154,光接收机的原理框图,接口电路,2020/5/28,.,155,接收机各部分的作用1,光电检测器：将光信号转换为电信号前置放大器：低噪声放大，其噪声直接影响到接收机灵敏度的高低主放大器：放大信号并具有增益调节功能，使入射光功率在一定范围内变化时，输出幅度保持恒定均衡滤波：对失真的波形进行补偿（均衡），保证判决时无码间干扰，即将输出波形均衡成具有升余弦频谱，判决时消除码间干扰时钟恢复：从信号中提取同步时钟,2020/5/28,.,156,接收机各部分的作用-2,判决器：在时钟作用下再生出原信号译码器：与光发射机中的线路编码（或扰码）相对应AGC电路：自动增益控制，保证光接收机具有一定的输入动态范围接口电路：解决光接收机和电接收机之间阻抗和电压的匹配问题，保证光接收机输出信号顺利地送入电接收机前三者解决问题1，46解决问题2,2020/5/28,.,157,3、光缆通信系统的全程全网形式,每一个光缆通信系统虽然只是解决某一个局部地区的通信问题，但同时它也属于国际和国内电信网中的一部分。要清楚地知道一个新建的通信系统在全国(或国际)电信网中的位置，对全程全网的运行起到的作用长途电信网的构成我国目前长途电信网的结构采用四级辐射汇集制形式，即由一、二、三、四级长途交换中心构成，其中一级交换中心之间相互连接成网状结构，以下各级交换中心以辐射形逐级汇接为主，并辅以一定数量的直达路由，以便必要时跨级连接，从而形成一个复合型的网状结构。,2020/5/28,.,158,2020/5/28,.,159,一级交换中心(C1)类似于以往的大区交换中心，一般设置在首都和几个重要的城市，国际局设置在北京，它的职能是疏通其服务区域内的长途电信业务，通信方式采用直达方式；二级交换中心(C2)类似于以往的省交换中心，一般设置在省会所在地，它是汇接省内各地区之间的通信中心；三级交换中心(C3)类似于以往的县间交换中心，一般设置在省辖市或专区所在地，它是汇接几个县之间的通信中心；四级交换中心(C4)类似于以往的县交换中心，一般设置在县政府所在地，它是长途电信网的长途终端局，其职能是疏通服务区域内的长途终端业务；C1至C2的通信线路称之为一级干线；C2至C3的通信线路称之为二级干线；这些均为长途通信网。,2020/5/28,.,160,本地电信网的构成,本地电信网是指在一个服务区域范围内，由若干个端局(C3)或由若干个端局和汇接局(Tm)所组成的电信网，根据其服务可分为三种类型：当电信业务的服务范围仅限于市区，而不包括郊区或农村时，称为市内电信网；当电信业务的服务范围只包含县城及农村范围时时，称之为农村电信网；当电信业务的服务范围包含大、中城市市区及所管辖的卫星城镇、郊县和农村范围时，称之为大、中城市本地电信网；,2020/5/28,.,161,市内电信网,市内电信网指的是一个市内地区境内的通信组织。市内光缆通信系统的建设即属于这个电信网内的一种实现手段，它既可作为一个城市内的独立系统，也可作为长途光缆通信系统的首末环节。市内电信网中两个用户间的通话是经过用户线和电话局交换设备来完成的，两个市话分局之间是由居间中继线相连接，市话局与长途局之间则由长市中继线相连接。,2020/5/28,.,162,2020/5/28,.,163,8.3.2光纤辅助系统,监控管理系统公务通信系统区间通信系统自动倒换系统告警处理系统电源供给系统辅助信号的传输方式,2020/5/28,.,164,（一）监控管理系统,作用：对组成光缆通信系统的各种设备进行监视、控制和管理。由于不可能要求各种设备都不发生故障，所以，必须由值守人员及时了解光信号沿途所通过的各种设备的运行情况，迅速而准确地确定出故障点的位置，以便进行维修。,2020/5/28,.,165,监控管理系统基本组成与工作原理,目前监控管理系统的工作方式主要是“集中监控”型，即由少数值守人员，驻守在某一端局，借助装在各中继站内的监控设备（SV）和系统的监控信号，对沿途各个中继站进行集中监控。有人值守的某一端局称为主控站，另一端为副控站。,2020/5/28,.,166,监控管理系统基本组成与工作原理,监控系统的工作方式一般采用令牌传送方式。令牌是一种特殊的控制帧，它以循环的方式，从一个中继站到下一个中继站不断流动，只有获得令牌的中继站，才有权进行数据的发送。当系统启动后，主SV向SV-1#站发出一个令牌，（即某个询问指令），SV-1#站获取令牌后，发出数据信号，然后将令牌传送SV-2#站，SV-2#站发出数据后，将令牌传送给SV-3#站，直至SV-N#站，SV-N#站发送数据后，将令牌送还主SV，或根据主SV的程序设置，送往SV-1#站，以开始新一轮的循环，或送往副SV。这就是自动监测的过程。,2020/5/28,.,167,监控管理系统的主要功能,主要完成“三遥”的功能，即遥控、遥信和遥测。遥控是由主监控设备向各中继站发出控制指令，各中继站执行指令产生相应的开、关动作；遥信是各中继站向主监控设备发出表示其工作状态“正常”或“异常”的数字信号；遥测是对各中继站的某些特殊参量进行监测，如光源寿命监测等。,2020/5/28,.,168,监控管理系统的功能表,2020/5/28,.,169,（二）公务通信系统,公务通信是指维护人员对系统沿途各个局站进行维护时所采用的业务联络方式。利用公务通信可以很方便地了解各个局站的维修工作状态，联络商议测试方案，互相配合寻找故障等，以便统一指挥、统一协调整个系统的管理和维护。公务通信方式按其功能不同可分为选址呼叫、同线呼叫、分组呼叫和插入呼叫。公务通信设备的呼叫信号采用双频呼叫信号。每个号码对于2个频率，收端收到信号，经确认无误后，即可进行公务联络。,2020/5/28,.,170,公务通信的呼叫方式示意图,2020/5/28,.,171,双频呼叫法,2020/5/28,.,172,端站型和中继站型设备,2020/5/28,.,173,（三）区间通信系统,区间通信指在一条长途干线中间的某些局部区域内相互之间所进行的通信。解决方案：分别建设线路同缆空分复用从主信道上分路长途通信与区间通信复用叠加,2020/5/28,.,174,（四）自动倒换系统,作用：为确保通信系统的可靠性，必须装备有备用系统，以便在适当的情况下进行转换，保证整个系统畅通无阻。倒换规则热备用方式倒换条件：若出现下列情况之一时，将发送倒换控制指令进行倒换，启用备用系统替代主用系统：1、确认收无光；2、误码率10-3；3、帧失步；4、收到告警指示信号（AIS）,2020/5/28,.,175,（五）告警处理系统,作用：当正常运行的系统突然发生故障时，通知维修人员故障的地点、性质、采取的相应措施。告警种类：即时维护告警和延时维护告警即时维护告警属于紧急情况，以机架顶端红灯显示；而延时维护告警属于非紧急情况，以机架顶端黄灯显示；系统正常工作时以机架顶端白灯显示。另外系统的告警单元中还提供一个专门的告警输出，即告警指示信号(AIS)发生器，它具有自动发出告警指示信号的功能（在端机发生即时告警时向下游设备发出全“1”信号，速率为系统速率），给整个系统提供一个时钟信号。当发生高误码率或信号丢失的情况时，主信号将被AIS代替，以保证下游设备的正常运行。,2020/5/28,.,176,两种告警对应的主要故障情况表,2020/5/28,.,177,（六）电源供给系统,一个实用化的光缆通信系统是由电端机、光端机、光中继器及光缆组成。要想这些设备正常工作，必须配备相应的电源供给系统。光端机的供电方式-24V、-48V、-60V光中继器的供电方式远距离供电本地供电,2020/5/28,.,178,（七）辅助信号的传输方式,利用光缆中的铜线对利用专用光纤利用辅助信号与主信号复用叠加时分复用法频分复用法,2020/5/28,.,179,8.3.3超长波长光通信系统,一、超长距离通信的设想光纤作为一种传输媒介，有其自身的损耗特性，现已实用化的光纤主要是SiO2石英材料光纤，它具有三个低损耗的窗口，随着波长的增加，三个窗口的损耗值也在下降，1.55m处损耗最低，通过改善制作条件，提高工艺水平，其损耗已达0.154dB/km，它已非常接近石英光纤的理论损耗极限。也就是说，由于光纤本身存在有固有损耗，不管人为地怎样改进石英光纤的制作技术，其损耗值已难以再降低了，在这种情况下，如果将工作波长向1.6m以上移动，其瑞利散射损耗虽然有所减小，但红外吸收损耗却迅速增加，仍然无济于事。,2020/5/28,.,180,由此可见，如果为了提高传输距离，要求制造更低损耗的光纤，石英材料就无能为力，必须寻找新的光纤材料。把在2m以上具有极低损耗的光纤材料称之为超低损耗光纤材料，采用新型的超低损耗光纤作为传输媒介的通信系统称为超长波长光纤通信系统。采用这种系统，可以实现数万公里无中继的超长距离通信，从而大幅度降低系统成本，提高系统稳定性与可靠性，减小线路的劳动强度，前景十分诱人。,2020/5/28,.,181,二、超低损耗光纤材料,考虑一种通信光纤用的新材料，不但要考虑其衰减特性，还要考虑其它有关因素。总的考虑概括如下：衰减小强度好化学物理性能稳定，能长期在自然环境下工作工艺比较简单，便于生产接续容易无剧毒,2020/5/28,.,182,超低损耗光纤材料-2,目前考虑的新材料主要有三类重金属氧化物，如GeO2玻璃硫硒碲化合物，如GeS2玻璃卤化物，如：T1Br(溴化铊)在这三种材料中，第三种最有发展前途。卤化物光纤材料，可分成玻璃、多晶和单晶三种。,2020/5/28,.,183,超低损耗光纤材料-3,从制造工艺看，玻璃材料比较优越，它可以采用比较成熟的石英玻璃制作技术和相应的设备，适于大量生产，成本较低。多晶光纤采用挤压法生产，单晶光纤采用晶体生长法生产，它们都要求特别的设备。玻璃光纤的制作速度可达每分钟几十米，而晶型光纤只有每分钟几十厘米。从性能上看，多晶或单晶的性能较好，如TlBrTlI(溴化铊碘化铊)，它的透光范围为235m，在10.6m波长处的最低了理论损耗可达10-210-5dB/km。,2020/5/28,.,184,超低损耗光纤材料-4,从色散特性来看，玻璃光纤较好，它可实现零色散。如：由锆、钡、铝和镧组成的氟化物材料光纤，在1.7m处可实现零色散；在4m处，色散值也很小，只有45ps/km.nm。它在更宽的波长范围内比石英光纤有更低的色散。目前，要实现超低损耗，需有较大突破。不过据英国电信研究所试验室的P.W.Framce等人称，他们采用氟锆酸盐玻璃，能够做成较低损耗的光纤，在2.55m处损耗值为0.020.04dB/km，这已是一个振奋人心的结果了。它比石英系列光纤的最低损耗还低约10倍。,2020/5/28,.,185,一、多信道光波通信系统,多信道光通信系统：将多路信号分别调制，各个不同的载波同时传输，各信道的载频间有足够的间隔，使调制信道的光谱在频域分开不重叠，多路复用信道在接收机处用带通滤波器作为频率选择元件或采用相干检测技术解复用。利用这种方案的光波系统称为多信道光通信系统。光纤通信领域中，复用技术非常重要，目前有如下五类.,8.3.4多信道光波通信系统,2020/5/28,.,186,二、常见的多信道光波系统的复用方案,1、空分复用(SDMSpaceDivisionMultiplexing)2、时分复用(TDMTime-DivisionMultiplexing)3、波分复用(WDMWavelengthDivisionMultiplexing)或频分复用(FDM)4、副载波复用(SCMSubCarrierMultiplexedlightwavesystem)5、码分复用(CDMCodeDivisionMultiplexing),2020/5/28,.,187,1、空分复用(SDM),空分复用包括两个方面：一是光纤的复用，即将多根光纤组合起来，成束；二是在一根光纤中的光“束”沿空间分割的一种多维通信方式。可以引入多维相干度调制与解调新概念来实现多路空分复用通信。传象束是一种特殊的空分复用方式。它是将图像采用空分复用方式传输，使其传输速度呈数量级提高。几十万个象数的多芯传光纤已相当成熟，其色保持特性和透光性已相当满意，是空分复用的一个发展方向。,2020/5/28,.,188,2、时分复用(TDM),时分复用是数字通信中的一种有效多路方法。它是将通信的时间分成相等等间隔，每一间隔只传输固定信道。也就是说，各个信道按照一定的时间顺序进行传输。为使收、发两端将传输线路分配给支路的时间顺序同步，一般采用帧同步和取样同步两种同步方式。帧同步有时称为字同步，而取样同步又称为码元同步或位同步。,2020/5/28,.,189,时分复用(TDM)-2,TDM又分为两种：普通TDM和OTDM(光时分复用)。TDM在电域进行，以获得电信系统高等级群路信号(PDH)和高等级模块信号(SDH)；OTDM在光域进行，以获得高比特光数字码流，如10Gb/s2，10Gb/s4，,10Gb/sN等。其特点是绕过了产生高比特流的电子学障碍。TDM与OTDM均以单个光载波承载整个TDM比特流，仍属于单信道系统。尽管它逾越了电子学限制，能产生很高(可达几十到几百Gb/s)比特率，具有很强吸引力，但光波系统中，单个高比特率信道传输受到了光纤色散的限制，BL并未提高。近几年，利用光开光和掺铒光纤放大器(EDFA)实现了200km无中继，速率高达160Gb/s的单信道通信。,2020/5/28,.,190,光时分复用(OTDM)-3,传统的电TDM是利用复用器时钟的四分之一分路时钟来分别读取各个支路信号进行合路的。在复用信号中，各个支路脉冲位置由光学手段(例如光延迟线)来调整，并由光纤耦合器来合路，因而复用和解复用设备中的电子电路只工作在相对低的速率。以英国BT公司的20Gbit/s的OTDM试验系统为例：,2020/5/28,.,191,光时分复用(OTDM)-4,2020/5/28,.,192,光时分复用(OTDM)-5,根据改变电延时或调制器上所加激励信号的直流偏置，可以选择不同的信道。,2020/5/28,.,193,光时分复用(OTDM)-6,系统的线路长度分成4段，每段长51.2km，采用色散移位光纤，平均零色散波长1554.2nm，该波长平均损耗和色散分别为11dB和0.085ps/(nm.km),背靠背接收机灵敏度为20.5dBm，经205km光纤传输后功率代价0.8dB，主要归于一串光纤放大器的自发辐射积累效应。整个20Gbit/s光时分复用系统所采用收发端机及元器件只工作在5GHz的重复频率上，从而突破了电时分复用的限制，实现了扩容。,2020/5/28,.,194,波分复用系统原理,所谓技术就是为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源，根据每一信道光波的频率（或波长）不同可以将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，把光波作为信号的载波；在发送端采用波分复用器（合波器）将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输。在接收端，再由一波分复用器（分波器）将这些不同波长承载不同信号的光载波分开的复用方式。,2020/5/28,.,195,由于不同波长的光载波信号可以看作互相独立（不考虑光纤非线性时），从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。双向传输的问题也很容易解决，只需将两个方向的信号分别安排在不同波长传输即可。根据波分复用器的不同，可以复用的波长数也不同，从2个至几十个不等，现在商用化的一般是波长和16波长系统，这取决于所允许的光载波波长的间隔大小。,2020/5/28,.,196,双纤单向传输的WDM系统,2020/5/28,.,197,单纤双向传输的WDM系统图,2020/5/28,.,198,16波长区的选择,2020/5/28,.,199,16波长区的选择,16通路WDM系统的16个光通路的中心频率应满足表的要求，8通路WDM系统的8个光通路的中心波长应选表中加的波长。WDM系统除了对各个通路的信号波长有明确的规定外，对中心频率偏移也有严格规定。通路中心频率偏移定义为通路实际的中心频率与通路中心频率标称值的差值。对通路间隔选择100GHz的162.5Gb/sWDM系统，到寿命终了时的波长偏移应不大于20GHz。,2020/5/28,.,200,4、副载波复用(SCM),副载波复用模拟电视光纤传输系统方框图,2020/5/28,.,201,副载波复用光纤传输系统,副载波复用模拟电视光纤传输系统方框图原理：N个频道的模拟基带电视信号分别调制频率为f1,f2,f3,fN的射频信号，把N个带有电视信号的副载波f1s,f2s,f3s,fNs组合成多路宽带信号，再用这个宽带信号对光源(一般为LD)进行光强调制，实现电/光转换，光信号经光纤传输后，由光接收机实现光/电转换，经分离和解调，最后输出N个频道的电视信号。模拟基带电视信号对射频的予调制，通常采用残留边带调幅（VSB-AM）和调频（FM）两种方式，各有不同的适用场合和优缺点。我们主要讨论残留边带调幅副载波复用（VSB-AM/SCM）模拟电视光纤传输系统。,2020/5/28,.,202,5、码分复用(CDM),前面讨论的WDM和SCM技术都归结为预定的多路接入技术，不同用户根据固定安排使用网络，其主要优点是简化了用户间的数据路由，然而这种简化是以信道带宽的低效利用来达到的。采用随机多路接入技术可以克服这个缺点，这种技术允许用户在任意时间随机接入任何信道，码分复用(CDM)就是这样一种技术。,2020/5/28,.,203,码分复用(CDM)1,CDM是一种常用的扩频通信技术。其原理是将信息数据用伪随机编码（称扩频序列）调制，将原信号的频谱弥散到一个较宽度频谱范围内，实现频谱扩展后的再传输。接收端接到信号后用同样的编码进行解调(或解扩)和相关处理，压缩信号频谱,恢复原始信息数据，所以称之为扩频通信这种通信方式具有一定的多址多接入能力，可在同一信道内容许不同扩频序列(或特征序列)调制的信息数据同时传输，因此又称码分复用技术。,2020/5/28,.,204,码分复用(CDM)2,频谱扩展码称为特征序列，不同用户分配不同的特征序列，组成特征序列编码。所以用户共享同一带宽，发送机可在任意时间发送信息，在接收端采用预知的相同的信息编码特征序列，对接收机进行解码，以恢复原始信号。这种复用技术利用随机多路接入技术，简化了信道线路，允许用户在任意时刻接入信道，克服了不同用户必须根据固定安排使用信道的局限。在局域网多路接入时极为方便，具有吸引力。但这种简化和方便，是以信道带宽的低效利用为代价而取得的。,2020/5/28,.,205,码分复用(CDM)3,CDM在微波、卫星和移动通信中早已开展研究，并得到广泛应用。但在光纤通信系统中的研究在80年代中期才开始。在微波CDM通信系统中，扩频调制和解调都在电域上进行，使线路速率大大提高，对电子器件的要求很高。在光通信领域光纤带宽很宽，非常适合作为CDM的传输线路，光子器件的响应速度很快，可用光学处理的方法实现信息和数据的扩频调制和解调，使CDM技术具有更高的复用能力和通信容量。,2020/5/28,.,206,码分复用(CDM)4,CDM优点与扩频序列或特征序列的选取有直接关系，理想到扩频编码应具有尖锐的自相关特性，处处为零的互相关特性和不同码元数平衡相等等特性。在光CDM中，还应有“非负”特性，即只能在二值域(1,0)上取值。有几种方法可用于扩频编码：直接序列、时间跳跃和频率跳跃。直接序列：如待传送的数据的每个比特用7个比特(1001101)组成的特征序列编码，这种编码使有效的比特率增加了7倍，频谱扩散到很宽范围。,2020/5/28,.,207,码分复用(CDM)5,特征序列(1,0,0,1,1,0,1)二进制数据(1,0,1,1),不同用户分配不同的特征序列，所用用户共享同一光带宽。,2020/5/28,.,208,码分复用(CDM)6,给不同用户分配不同的频率跳变图形(或代码)，以保证两个用户不会在相同的时隙，以相同的频率传送信息，满足这种性质的代码序列称为光正交，其设计和实现较复杂。频率跳变：光载波频率根据确定的预先给定代码周期地变化。它与WDM和FDM不同，CDM对给定的信道没有分配固定频率，所有信道根据代码在不同时间采用不同的载频，共用全部带宽。频率跳变信号可用矩阵表示，行代表分配的频率，列代表时隙。当且仅当频率i在时隙tj内传输时，矩阵元素mij才等于1。,2020/5/28,.,209,码分复用(CDM)7,CDM的一个最具魅力的特点是具有异步发送和多路复用能力，但在异步传输时，很难保证光正交序列完全正交，由此将引起误码。因此具有最大自相关和最小互相关的伪正交码使误码尽可能少。尽管如此，CDM系统的误码率仍较高，通常大于10-6。光CDM具有许多独特优点，但技术还不成熟，正在发展之中。,2020/5/28,.,210,1、光孤子光纤通信概念,随着光纤损耗不断下降，光信号幅度的衰减越来越不成为限制通信系统中继距离的主要制约因素。相反地，在Gbs以上的高速光纤通信系统中，由于各种色散，即群速度色散（GVD）而造成的光脉冲在传播过程中的脉冲展宽却成为限制通信距离的关键制的因素。弧子（Soliton）是一种弧立波，它在传播过程中没有能量弥散，特别是超短光脉冲即脉冲宽度达到Ps量级，它通过光纤传输时将没有任何色散而保持脉冲形状不变，这在实现跨洋无中继等长距离光纤通信系统中，是非常有吸引力的新型通信方式。即：光孤子(Soliton)是经光纤长距离传输后，其幅度和宽度都不变的超短光脉冲(ps数量级)。光孤子的形成是光纤的群速度色散和非线性效应相互平衡的结果。利用光孤立子波作为载波，利用色散位移光纤作为传输介质的通信，称之为光孤子光纤通信。,8.3.5光纤孤子通信系统,2020/5/28,.,211,2、光孤子光纤通信的基本组成,光孤子通信系统的组成方框图,2020/5/28,.,212,光源：由于光孤子光纤通信是一种非线性的全光通信，因而它主要是采用光孤子源作为光源；光放大器代替光电中继器；由于传输速率高达几十几百Gb/s通常采用自相位调制（SPM）外调制技术，同时要求光检测器的响应速度很快，即带宽要大；传输介质主要采用常规的1310nm和1550nm的单模光纤或者1550nm的色散位移光纤。原理：当锁模激光器输出的光孤子脉冲通过调制器时，外信号经过脉冲发生器后变成调制信号加到了调制器上，经过SPM外调制后携带信息的光孤了波被注入进光纤，由于光功率较强，引起了光纤的非线性效应，使得较高频率分量不断累积，造成光纤中传输的光波波形被压窄（即光脉冲的后沿比前沿快），使波形变陡，脉冲宽度可达零点几个Ps，正好与光纤的色散效应即光脉冲在传输过程中脉冲被展宽相抵消，结果使光脉冲信号在传输过程中保持波形不变。即无波形失真地传输。因此，使用光孤子进行光纤通信可使光纤的带宽增加10100倍，使Gb/s以上的脉冲信号可以无中继传输高达几百km。,2020/5/