《光纤通信技术》课件

光纤通信技术概述光纤通信是现代信息技术的重要基础利用光波作为信息载体通过光纤传输数据信号课程介绍与学习目标掌握光纤通信基本原理理解光传输机制和系统组成熟悉关键设备与技术了解光源、检测器和放大器工作原理把握系统设计方法学习光网络规划与维护技能光纤通信的发展历程11966年高锟提出光纤通信理论21970年康宁公司研制出低损耗光纤31980年代光纤通信系统商用化42000年代波分复用技术突破，容量大幅提升光纤通信的优势超大容量单根光纤可传输几十太比特数据低损耗传输信号衰减小，传输距离远抗电磁干扰不受外部电磁场影响体积轻巧直径细，重量轻，易于安装光纤通信系统基本构成光发射机将电信号转换为光信号光纤传输媒介光信号在光纤中传播光放大器补偿传输过程中的损耗光接收机将光信号转换回电信号光纤通信的应用领域互联网骨干网支撑全球数据交换海底通信连接各大洲间信息传输数据中心高速互联服务器集群家庭宽带提供高速上网服务移动通信支持5G基站回传网络光的基本特性波粒二象性既表现为波又表现为粒子传播速度真空中光速约为3×10^8米/秒折射现象不同介质中传播方向改变反射特性入射角等于反射角光纤结构与材料纤芯传输光信号的核心部分包层形成全反射条件的低折射率层涂覆层保护光纤不受机械损伤单模光纤与多模光纤单模光纤芯径小：8.3-10μm只传输一种模式光波色散小，传输距离远主要用于长距离通信多模光纤芯径大：50-62.5μm可传输多种模式光波模间色散大，传输距离短主要用于短距离通信光纤传输原理：全反射临界角条件入射角需大于临界角折射率差异纤芯折射率大于包层光束路径光在纤芯内锯齿形传播能量约束光能量被限制在纤芯中光纤的数值孔径1定义光纤接收光线的能力指标2计算公式NA=√(n₁²-n₂²)3意义决定光纤的接收锥角光纤的模场分布距离中心位置(μm)光强度(相对值)光纤的色散特性材料色散不同波长光速度不同波导色散光在波导中传播特性差异模间色散多模光纤中不同模式传播时间差影响脉冲展宽，限制传输带宽光纤的损耗机制光纤的带宽特性光纤制造工艺预制棒制备气相沉积或熔融法拉丝预制棒加热熔融后拉制涂覆表面涂覆保护材料检测测试损耗、强度等参数光缆的结构与类型松套式光缆光纤在松套管内，抗压性好带状光缆光纤排列成带状，密度高铠装光缆金属层保护，适用恶劣环境光纤连接技术熔接光纤端面熔融连接，损耗最小连接器对接使用FC/SC/LC等标准连接器机械接续使用机械式接头快速连接端面处理研磨优化端面以减少损耗光源：半导体激光器1310nmO波段工作波长零色散窗口1550nmC波段工作波长最低损耗窗口<1ns调制响应时间支持高速直接调制<0.1nm光谱线宽窄线宽利于远距离传输光源：发光二极管参数典型值应用特点光谱宽度30-100nm短距离传输调制带宽100-300MHz中低速系统发光功率-20~-10dBm多模光纤配套工作寿命10万小时高可靠性光源的调制特性直接调制通过改变注入电流调节输出光强结构简单，成本低带宽有限，啁啾效应明显外部调制使用外部调制器控制光强高带宽，低啁啾系统复杂，成本高电吸收调制利用电吸收效应调制光信号集成度高，体积小光检测器：PIN二极管三层结构P型区-本征区-N型区光电转换光子激发电子-空穴对电流产生载流子在电场作用下定向移动光检测器：雪崩光电二极管工作原理利用雪崩倍增效应高反向偏置电压下工作单个光子可触发多个电子性能特点高灵敏度内部增益：50-100倍响应速度快噪声较PIN二极管大光放大器：掺铒光纤放大器泵浦激励980nm或1480nm激光泵浦能级跃迁铒离子受激辐射信号放大1550nm波段信号获得增益光放大器：拉曼放大器拉曼散射基于非线性光学效应频移特性泵浦光向低频方向移动约13THz分布式增益在传输光纤中直接获得增益宽带增益可调节工作波长范围宽光发射机结构与原理电驱动电路提供精确电流驱动光源激光器或LED产生光载波调制单元将信息调制到光载波上光学接口耦合光信号到光纤中光接收机结构与原理光电探测器将光信号转换为电流前置放大低噪声放大微弱信号均衡器补偿频率响应判决电路恢复数字信号光纤通信系统的信噪比分析接收光功率(dBm)信噪比(dB)数字光纤通信系统的误码率10^-9标准误码率要求每10亿比特出现1个错误10^-12高可靠系统要求每万亿比特出现1个错误3.7dBQ因子差异两个标准间的功率差异模拟光纤通信系统性能指标载噪比CNR表征视频信号质量的关键指标谐波失真非线性失真导致频率分量频率响应不同频率信号的传输特性噪声系数系统引入的额外噪声量波分复用技术原理多波长复用不同波长光信号合并传输波长筛选接收端分离不同波长通道间隔波长间需保持足够距离密集波分复用系统光时分复用技术时隙分配不同信号占用不同时间片信号合并多路信号交替发送同步控制精确时钟同步至皮秒级信号分离接收端按时隙恢复各路信号光正交频分复用技术光码分复用技术编码用特定码序列表示数据合并传输多用户编码信号同时传输解码接收端用匹配滤波器提取信号抗干扰具有良好的安全性能光交换技术光电光交换光-电-光转换，成熟可靠速率受电子器件限制全光交换无需光电转换，低时延支持透明传输各种速率波长选择交换按波长灵活路由信号支持动态带宽分配光网络拓扑结构环形拓扑保护倒换能力强星形拓扑中心节点控制简单网状拓扑可靠性高，灵活性强光同步数字系列（SDH）SDH级别速率容量STM-1155Mbps63个E1STM-4622Mbps252个E1STM-162.5Gbps1008个E1STM-6410Gbps4032个E1无源光网络（PON）技术光线路终端OLT中心局端设备光分路器1:N分光，无需供电光网络单元ONU用户端设备光传送网（OTN）技术1数字包装包装各种客户信号2前向纠错强大的纠错能力3OAM功能完善的运维管理能力4多级复用ODU复用和波长复用光纤到户（FTTH）技术中心局端OLT设备集中管理干线光缆高芯数主干光缆配线光缆社区内分配光纤入户光缆直接连接用户家庭光纤传感技术光纤光栅测量温度和应变分布式声波管道泄漏和入侵检测光纤陀螺高精度角速度测量光纤通信系统设计原则需求分析带宽、距离、可靠性要求拓扑规划网络结构和覆盖范围器件选型光纤、发射机、接收机规格链路计算功率预算和色散预算性能验证系统测试和优化光功率预算计算色散补偿技术色散补偿光纤(DCF)负色散系数光纤插入损耗较大可级联使用光纤布拉格光栅(FBG)不同波长不同传播延时损耗小，体积小温度稳定性要求高电子色散补偿(EDC)数字信号处理技术灵活可调，无光器件损耗功耗较大非线性效应及其抑制受激布里渊散射限制单通道功率，降低发射功率受激拉曼散射控制总信号功率，避免通道间功率转移四波混频使用不等间隔信道，降低非线性相位匹配自相位调制使用色散管理技术，补偿谱宽展宽光纤通信系统测试与维护光功率测试测量链路各点功率故障定位OTDR测量断点位置光谱分析检查信道波长和功率眼图测试评估数字信号质量光时域反射仪（OTDR）原理与应用5ns脉冲宽度决定空间分辨率0.5m定位精度高精度故障点定位40dB动态范围决定测试最大距离3min平均时间影响测量信噪比光纤通信标准与协议光纤通信的安全性与保密性物理层保护难以无损分路窃听光加密技术光学域信号混淆监测防护实时监测信号异常高层加密数据加密传输保障光纤在5G通信中的应用前传网络RRU与BBU间高带宽连接1中传网络DU与CU间低时延链路2回传网络基站接入核心网络时钟同步提供高精度时间同步空分复用与多芯光纤技术硅光子技术与集成光学硅基波导光信号传输路径集成调制器高速信号调制集成探测器光电信号转换量子通信与光纤量子密钥分配单光子传输量子态编码信息密钥协商基于量子力学原理不可窃听性量子无克隆定理保障光纤通信的未来发展趋势超大容量单纤容量突破P比特级新型光纤结构研发全光网络光交换和光计算融合端到端全光连接智能化AI驱动的网络自优化自动故障预测与修复融合创新光无线融合技术量子光通信应用光纤通信在数据中心的应用服务器互联高密度短距离连接交换机互联Tbps级高速背板机架间连接高密度MPO/MTP光缆集群互联远距离高带宽DWDM水下光纤通信系统特种光缆加强型结构抗水压中继站水下放大中继设备分支单元支持多方向信号分路电力供应高压直流远程供电自由空间光通信技术基本原理通过大气传输激光信号无需光纤介质点对点定向传输技术特点部署灵活快速高带宽：10Gbps以上受天气条