光纤通信技术2ppt-PowerPointPresen

光纤通信技术Email:二零零五年九月

长江特聘教授

1提纲光纤通信的发展历程光纤通信关键技术21.光纤通信的发展历程(1)光纤通信是以光作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信方式。光纤通信技术是30年来迅猛发展起来的高新技术，给世界通信技术乃至国民经济、国防事业和人民生活带来了巨大变革。1.1光通信技术的逐年进步

1966年，英籍华人高锟（C.K.Kao)预见利用玻璃可以制成衰减为20dB/Km的通信光导纤维（即光纤）。当时世界上最优秀的光学玻璃衰减高达1000dB/Km。1970年，美国康宁（Corning）公司首先研制成衰减为20dB/Km的光纤。从此，光纤就进入了实用化的发展阶段，世界各国纷纷开展光纤通信的研究。3高锟博士早就指出降低玻璃内的过渡金属杂质离子是降低光纤衰耗的主要因素，后来研究发现OH离子对衰耗也有重要影响，通过限制上面两方面的杂质离子，1980年，光纤衰减就降低到了0.2dB/Km，接近理论值。这就使得长距离的光纤通信成为可能，这在光纤通信史上具有里程碑的意义。我国目前也有相当多的公司可以拉制性能很好的通信光纤，比如长飞、大唐电信等等。不同种类的光纤也相继研发出来，比如色散位移光纤、保偏光纤、掺杂光纤、塑料光纤、光子晶体光纤等等。4目前，半导体激光器不仅可以在室温下工作，而且其直接调制速率可以达到10Gbit/s乃至更高，逐渐满足了高效率、高速率、低啁啾、大功率、长寿命等要求。光纤与光源的逐年进步解决了衰减和色散问题，其结果是增加了光纤系统的通信容量。光探测器发展异常迅速。

(2)光纤通信系统中使用的光源经历了从发光二极管到半导体激光器的进步。光探测器也达到了GHz的响应灵敏度。5光放大器都是由增益介质、能源、输入输出耦合结构组成。根据增益介质的不同，目前主要有两类光放大器：

(3)90年代初，光放大器的问世引起了光纤通信技术的重大变革，这在光通信史上具有里程碑的意义。它节省了光电变换的中继过程，而且实现了波长透明、速率透明和调制方式透明的光信号放大，从而诞生了采用波分复用（WDM）技术的新一代光纤系统商用化。

一类是用活性介质，如半导体材料和掺稀土元素（如Nd，Sm，Ho，Er，Pr，Tm和Yb）的光纤，利用受激辐射机制实现光的直接放大，如半导体激光放大器和掺杂光纤放大器；一类是基于光纤的非线性效应，利用受激散射机制实现光的直接放大，如光纤喇曼放大器和光纤布里渊放大器。6在光纤放大器被新一代波分复用系统广泛使用的同时，光纤放大器的研究和开发也在不断进步。最近五年，技术上已经成熟的多种类型的光放大器（EDFA、GS-EDFA、TDFA、GS-TDFA和RFA）已经覆盖了1365-1650nm波长范围，使得在上述范围内实施波分复用成为可能。拉曼放大器（RA）利用了光纤中的拉曼散射效应实现光信号的放大。由于受激拉曼散射效应的阈值很高，随作近年来大功率半导体激光器的研制成功，这项光放大技术已经开始走向实用。光通信窗口新的划分：1570-1604nm称为L波段，短于1525nm的波长范围称为S波段，这个波段因为全波光纤的研制成功可以扩展到1365nm。这两个波段又可以分别称为光通信的第4窗口和第5窗口。7①工作波长为0.85μm多模光纤光通信系统；②工作波长为1.3μm多模光纤光通信系统和单模光纤光通信系统；③

工作波长为1.55μm单模光纤光通信系统。而色散位移光纤（DSF，G.653）是应用于第三代光纤通信系统的一项重要成就。普通单模光纤的零色散点在1.31μm附近，色散位移光纤将零色散点从1.31μm移到1.55μm，有效地解决了1.55μm光通信系统的色散问题。（1）在数十年的发展过程中，光纤通信系统经历了三代：1.2光通信系统的发展8从1980年以来的20年间，随着光器件的发展和光系统的演进，光传输系统的容量已从Mbit/s发展到Tbit/s，提高了近10万倍。从理论上讲，全光网络是指光信息流在网络中的传输及交换始终以光的形式实现，而不需要经过光/电、电/光变换。也就是说，信息从源节点到目的节点的传输过程中始终在光域内。在波分复用技术提出以后，波长本身成为组网（分插、交换、路由）的资源。伴随着光分插复用（OADM）和光交叉联接（OXC）技术的逐步成熟，原来被认为只是提供带宽传输的光层开始有了组网能力，因此成为最近几年光通信研发的热点。

WDM全光网络是基于WDM技术，以波长作为组网资源，灵活可靠、性能稳定的光网络，它可以划分为长途骨干网、区域网和城域网三个等级。WDM全光网络通过波长路由机制实现路由选择，具有良好的可扩展性、可重构性和可操作性。（2）全光网络：9频带宽，通信容量大。光纤可利用的带宽约为50000GHz，1987年投入使用的1.7Gb/s光纤通信系统，一对光纤能同时传输24192路电话，2.4Gb/s系统，能同时传输30000多路电话。频带宽，对于传输各种宽频带信息具有十分重要的意义，否则，无法满足未来宽带综合业务数字网(B-ISDN)发展的需要。损耗低，中继距离长。目前实用石英光纤的损耗可低于0.2dB/km，比其它任何传输介质的损耗都低，若将来采用非石英系极低损耗光纤，其理论分析损耗可下降至10-9

dB/km。由于光纤的损耗低，所以能实现中继距离长，由石英光纤组成的光纤通信系统最大中继距离可达200多千米，由非石英系极低损耗光纤组成的通信系统，其最大中继距离则可达数千甚至数万千米，这对于降低海底通信的成本、提高可靠性和稳定性具有特别的意义。现代通信网的三大支柱是光纤通信、卫星通信和无线电通信，而其中光纤通信是主体，这是因为光纤通信本身具有许多突出的优点：1.3光通信技术优缺点10抗电磁干扰。光纤是绝缘体材料，它不受自然界的雷电干扰、电离层的变化和太阳黑子活动的干扰，也不受电气化铁路馈电线和高压设备等工业电器的干扰，还可用它与高压输电线平行架设或与电力导体复合构成复合光缆。无串音干扰，保密性好。光波在光缆中传输，很难从光纤中泄漏出来，即使在转弯处，弯曲半径很小时，漏出的光波也十分微弱，若在光纤或光缆的表面涂上一层消光剂效果更好，这样，即使光缆内光纤总数很多，也可实现无串音干扰，在光缆外面，也无法窃听到光纤中传输的信息。光纤线径细、重量轻、柔软。光纤的芯径很细，约为0.1mm，它只有单管同轴电缆的百分之一；光缆的直径也很小，8芯光缆的横截面直径约为10mm，而标准同轴电缆为47mm。利用光纤这一特点，使传输系统所占空间小，解决地下管道拥挤的问题，节约地下管道建设投资。此外，光纤的重量轻，光缆的重量比电缆轻得多，例如18管同轴电缆1m的重量为11kg，而同等容量的光缆1m重只有90g，这对于在飞机、宇宙飞船和人造卫星上使用光纤通信更具有重要意义。11光纤的原材料资源丰富，用光纤可节约金属材料。光纤的材料主要是石英(二气化硅)，地球上有取之不尽用之不竭的原材料，而电缆的主要材料是铜，世界上铜的储藏量并不多，用光纤取代电缆，则可节约大量的金属材料，具有合理使用地球资源的重大意义。光纤除具有以上突出的优点外，还具有耐腐蚀力强、抗核幅射、能源消耗小等优点，其缺点是质地脆、机械强度低，连接比较困难，分路、耦合不方便，弯曲半径不宜太小等。这些缺点在技术上都是可以克服的，它不影响光纤通信的实用。近年来，光纤通信发展很快，它已深刻地改变了电信网的面貌，成为现代信息社会最坚实的基础，并向我们展现了无限美好的未来。光纤通信时也具有如下缺点：光纤弯曲半径不宜过小；光纤的切断和连接操作相对复杂；分路、耦合相对麻烦。122.光纤通信系统及关键技术2.1光纤通信基本系统发送器：发送器的核心是一个光源，其主要功能就是将一个信息信号从电子格式转换为光格式。可采用发光二极管(LED)或激光二极管(LD)作为光源。光纤：光纤通信系统中的传输介质是光纤。接收器：光接收器的关键设备是光检测器，其主要功能就是把光信息信号转换回电信号(光电流)。当今光纤通信系统中的光检测器是个半导体光电二极管(PD)13光纤的结构纤芯：折射率较高，用来传送光；包层：折射率较低，与纤芯一起形成全反射；保护套：强度大，能承受较大冲击，保护光纤。纤芯包层保护套14光纤中光波的传输原理-全反射n2n1n2空气ABθMAX当n1>n2θ1>θc时发生全反射θc：临界角只要满足全内反射条件连续改变入射角的任何光射线都能在光纤纤芯内传输入射光反射光折射光折射率n1折射率n1>n2θ115光纤的类型16光纤的性质光纤的损耗损耗特性与光的工作波长有关,在三个工作窗口有相对小的损耗:第一窗口光工作波长0.85μm,损耗稍大第二窗口光工作波长1.31μm,损耗中等第三窗口光工作波长1.55μm,损耗最小光纤的色散由于光纤所传输信号中不同模式或不同频率成分因传输速度的不同而引起传输信号发生畸变的一种物理现象光纤中的成缆干线缆(架空光缆,直埋光缆,海底光缆,复合光缆……)96芯以下局内光缆芯数少，比干线缆柔软用户缆根据需要几百芯或几千芯,纤芯为带状光纤

17单模光纤种类G.652光纤即常规单模光纤，在1310nm波长工作时，理论色散值为零；在1550nm波长工作时，传输损耗最低，但色散系数较大。单通路速率达到STM-64时，需要采取色散调节手段。G.653光纤在1550nm波长工作时性能最佳，又称为色散移位光纤。零色散点从1310nm移至1550nm波长区。G.654光纤截止波长移位的单模光纤，它的设计重点是降低1550nm波长处的衷减。主要应用于需要很长再生段距离的海底光纤通信。G.655光纤又称之为非零色散移位单模光纤，零色散点移至1570nm或1510…1520nm附近，使1550nm处具有一定的色散值。色散受限距离达数百公里。可以有效的减少波分复用系统的四波混频的影响。18光发送器与光接收器光源与光接收器是光纤通信系统中的两种有源器件光源主要有发光二极管，F-P腔半导体激光器分布反馈式（DFB）和分布布拉格反射式（DBR）半导体激光器光接收器主要包括PIN型光接收器

雪崩型二极管19发光二极管（LED）LED的发光机理是在电场作用下，半导体中载流子的复合LED带宽较宽，一般只用于低速的系统P-3dBPpeakBW20

F-P腔半导体激光器发光机理和LED相同，但有FP腔，一般为多模（即多个波长）。右图下图为半导体激光器的发光光谱Ppeak21分布反馈式（DFB）和分布布拉格反射式（DBR）半导体激光器采用DFB和DBR结构，可以实现单模输出，是目前密集波分复用系统中的主流光源单模输出有利于实现长距离和高速率的传输PpeakSMSR22光信号的调制把信号加到光源上的方法有多种。内调制，直接调节光源的电流等外调制，采用如上图的电光调制器，一般采用电吸收调制器，和光源集成在一块芯片上激光部分调制部分M-Z型电光调制器集成电吸收调制23常用的光电接收器材料常用光电接收器的材料有硅锗等右图为几种常用材料的响应曲线光电接收器的基本性能：响应波长，敏感度，噪声性能等Wavelengthnm50010001500SiliconGermaniumInGaAsQuantumEfficiency=10.10.524

PIN型光接收器PIN型光接收器的基本构造如下图所示：由三部分构成p型半导体，n型半导体和中间层PIN型光接收器的工作原理25雪崩二极管（APD）的基本原理雪崩二极管的工作原理是：光在二极管中产生载流子，载流子在电场的作用下能量增加，在第二级产生放大26

APD型光接收器APD型光接收器的基本结构如下图APD型光接收器具有更好的敏感度，具有更高的速率。但工艺复杂，成本较高。272.2光纤通信复用技术目前光纤通信单信道实用化系统的传输速率发展到了10Gbit/s，线路的利用率有了很大提高，但与光纤巨大的带宽潜力相比还微不足道。电复用技术目前在实验室虽可以达到40Gbit/s的水平，但受电子迁移速率的限制，进一步提高速率已经十分困难。要克服电复用的这一“瓶颈”，进一步提高光纤频带的利用率，只有采用光复用技术。时分复用波分复用光码分复用光副载波复用

光密集波分复用28时分复用光时分复用(OTDM)技术指利用高速光开关把多路光信号在时域里复用到一路上的技术。其基本原理是在发送端的同一载波波长上，把时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙，然后根据一定的时隙分配原则，使每个信源在每帧内只能按指定的时隙向信道发送信号，接收端在同步的条件下，分别在各个时隙中取回各自的信号而不混扰。利用光时分复用技术可以获得较高的速率带宽比，可克服掺铒光纤放大器(EDFA)增益不平坦、四波混频(FWM)非线性效应等诸多因素限制，而且可解决复用端口的竞争，增加全光网络的灵活性。但由于其关键技术比较复杂，实现这些技术的器件特别昂贵，制作和实现均很困难，并且由于偏振模色散对高速信号的限制，所以这项技术迟迟没有得到很大的发展和应用。2930波分复用光波分复用(WDM)技术是在一芯光纤中同时传输多波长光信号的一项技术。其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端将组合波长的光信号分开，并作进一步处理，恢复出原信号后送人不同的终端。它是目前研究最多、发展最快、应用最为广泛的光复用技术。经过数年的发展和应用，波分复用技术已趋于成熟，而且越来越成为现代通信系统中不可替代的传输技术。目前，波分复用系统的传输容量正以极快的速度增长，直接基于WDM传输的业务也越来越多。为了进一步提高光纤带宽利用率，相邻两光载波的间隔将越来越小，一般认为：当相邻光载波的间隔小到0.1nm(1OGHz)以下时，此时的复用称为光频分复用。3132光码分复用光码分复用(OCDM)技术是CDM(CodeDivisionMultiplexing)技术和光纤通信技术相结合的产物，在这种复用技术中，每个信道不是占用一个给定的波长、频率或者时隙，而是以一个特有的编码脉冲序列方式来传送其比特信息。基本原理是不同信道的信号用互成正交的不同码序列来填充，经过填充的信道信号调制在同一光波上在光纤信道中传输，接收端用与发送方向相同的码序列进行相关接收，即可恢复出原信道的信号。333435光副载波复用光副载波复用(OSCM)技术是将基带信号首先调制到GHz的副载波上，再把副载波调制到THz的光载波上。每个信道具有不同的副载波频率，占据光载波附近光谱的不同部分，从而保证各信道上信号互不干扰。副载波信道的复用和解复用是在电域而不是在光域进行的，因此，副载波复用具有几个信道能够共用一个价格昂贵的光器件，降低设备成本。像电时分复用一样，副载波复用受限于电、光器件的可用带宽，从而限制了最高副载波频率和数据率。要想更多地利用光纤的带宽，副载波复用技术可以与波分复用技术联合使用。36光密集波分复用传输光纤：偏振模色散（PMD）、色散补偿是长距离大容量WDM系统必然遇到的问题，如果想得到一个又宽又平的波段。那么对色散补偿器件的色散和色散斜率同时有一定要求。DWDM光源：光网络对光源的要求是高速（大容量）、低啁啾（以提高传输距离）、工作波长稳定，为此要研究开发高速、低啁啾、工作波长可调且高度稳定的光源。集成光源是首选方案，激光器与调制器的集成兼有了激光器波长稳定、可调与调制器的高速、低啁啾等功能。波分复用系统中，当复用的波长数增多，使得每个复用波长间的间隔不到1纳米(nm)时，这种复用技术称作密集波分复用(DWDM)。DWDM复用技术中涉及如下关键技术：37DWDM探测器：波长可调谐的窄带光探测器是WDM光网络中一种高效率、高信噪比的下载话路的光接收技术。为了使系统的尺寸大大降低，可考虑将前置放大电路和探测器集成在一起。该类器件的每个探测器必须对应不同的信道，所以探测器必须是窄带的，同时响应的峰值波长必须对准信道的中心波长，所以响应带宽必须在一定范围内可调谐。此外要求探测器间的串扰要小。共振腔增强型（RCE）光探测器集窄带可调谐滤波器与探测器于一体，是这类探测器的首选方案。38波长转换：全光波长转换模块在接入端应用是对从路由器或其它设备来的光信号进行转换，将非匹配波长上的光信号转换到符合ITU规定的标准波长上然后插入到光耦合器中；而当它用于波长交换节点时，它对光通路进行交换和执行波长重用功能，因此它在波长路由全光网中有着非常巨大的作用。宽带透明性和快速响应是波长转换器的基本要求。在全光波长交换的多种（包括交叉增益调制、交叉相位调制、四波混频、非线性光学环镜）技术中，最有前途的全光转发器是在半导体光放大器（SOAs）中基于交叉相位调制原理集成的Mach-Zehnder干涉仪（MZI）或Michelson干涉仪（MI）而构成的带波长转换器，它被公认为是实现高速、大容量光网络中波长转换的理想方案。39光放大器：为了克服光纤中的衰减就需要放大器。现在掺铒光纤放大器EDFA已被广泛应用于长距离通信系统中，它能在1550nm窗口提供30nm左右的平坦增益带宽。对于宽带EDFA放大器特别需要在整个WDM带宽上的增益平坦特性。日前己有基于掺铒光纤的双带光纤放大器DBFA（Dual-bandfiberamplifier），其带宽可覆盖1528～1610nm范围。英国帝国学院（UKImperialCollege）研制了宽带的喇曼放大器。受激拉曼放大（StimulatedRamanAmplify）是在常规光纤中直接加入光泵功率，利用光纤的非线性使光信号放大的。单光泵的喇曼放大的增益带宽较窄，采用波长为1420nm和1450nm两个光泵的喇曼放大器可得到很宽的带宽（1480～1620nm）。喇曼放大的增益可达30dB，噪声系数小于6dB。光泵功率为860mW。40光分插复用器（OADM）:光分插复用器OADMs（OpticalAdd/DropMuxs）实现在WDM光纤中有选择地上／下特定的任何速率、格式和协议类型的所需光波长信道。它是高速大容量WDM光纤网络与用户接口的界面。OADM一般是复用器、解复用器、光开关阵列的单片集成或混合集成。可调波长工作的OADM器件正在开发之中，并且已取得突破性进展。41光交叉连接器（OXC）:WDM光网络间的交叉互连也将逐步过渡到完全采用光的形式进行。国际上已经有单片集成OXC的实验室工作报道，但是更多的工作是集中在其中的关键器件上，主要有为了解决网络阻塞和合理利用网络资源的波长转换器件。AWG（ArrayWaveguideGrating）是最适于DWDM复用与解复用以及作为核心器件构成OADM和OXC的新型关键器件。因为AWG可与石英光纤高效耦合使插入损耗很低、能够实现低成本集成。此外，AWG减轻了对光源面阵的集成度的要求，采用多个单波长激光器与其耦合就可以实现DWDM目标。该研究的技术关键在于掌握厚层波导的制备技术，设法避免因应力引入偏振色散，甚至导致器件破裂。42光开关:光波导开关集成面阵也是构成OXC和OADM的关键部件，目前实用的光开关阵列，大都是用LiNbO3光波导开关实现的。这种光开关矩阵实现大规模单片集成难度较大，尤其难以与操作电路实现OEIC集成，也有采用SiO2／Si的热光开关，但响应速度较慢，约为毫秒量级，只适用于信道切换，对信元／包的交换，其响应速度不能满足要求，要实现信元／包交换至少响应时间要达到微秒量级。而准实时交换（如在计算机网络中的交换）则要达到纳秒量级。网络中信息资源的利用率决定于OXC的集成规模和运行的灵活程度，所以最终的OXC应当是单片集成的。技术关键是发展高速响应Si基彼导光开关，而利用电注入折变效应构成的SOI型SiO2／Si波导光开关，可以实现小于微秒的光开关运作，有望实现大规模单片集成。432.3光纤通信波长路由技术光网络是由光通路将波长路由器和端节点相互连接而构成的。显然每个链路可支持好多信号格式，但它们都被限定在波长粒度上。波长交换机（或波长路由器）构成形式有以下几类：

非重构交换机：每个输入端口和输出端口对应关系是固定的而且波长一致，一旦建成就无法改变。与波长元关型可重构交换机：输入端口和输出端口的对应关系可以动态重构，但这种关系与波长无关。即每一个输入信号都有一些固定的输出端口。波长选择型可重构交换机：它同时兼有端口的动态重构和依据输入波长的选路功能。442.4功率均衡技术与点到点WDM系统相比，WDM光网络的一个重要特点是网络中同一参考点各信道的功率不同。在端到端WDM系统中，信号发送端处各波长的功率是相等的。而在光网络中，从本地节点上路的光信号与其它传输了不同距离、从而有不同光功率的一些信号复用在一起传输。即使是复用在一起传输的光信号，传输一段距离后，由于EDFA、光滤波器和光开关等器件对各波长的响应略有不同，它们的功率也可能不同。45不同功率的波长信号经过级联EDFA系统后，某些波长的功率将可能进一步降低，使该信道性能恶化。此外由于光网络的上下话路、重新配置或网络恢复等原因。使进入节点的各个波长通道的光功率也存在差异，由于光信号要经历多个节点和链路，各个波长通道之间的光功率差异产生累积，导致各个光信道的信噪比下一致，使得系统服务质量受到影响，甚至使某些信道劣化到不可接受的水平