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1、光 纤 通 信 技 术,杨健君电子科技大学中山学院,讲授内容,1 光纤通信概论 2 光纤传输理论及传输特性 光源和光发送机 光检测器和光接收机光无源器件同步数字体系,7 光波分复用系统8 数字光纤通信系统性能9 光接入网 光放大技术11 光纤通信新技术12 光联网技术,第一章 概论,1.1 光纤通信的发展概况1.2 光纤通信的优点和应用1.3 光纤传输系统的组成,现代通信方式示意图,光纤通信系统概述,由光发射机、光纤光缆、中继器与光接收机等基本单元组成。此外还包括一些互连与光信号处理器件，如光纤连接器、隔离器、调制器、滤波器、光开关及路由器、分插复用器ADM等。,第二章 光纤传输理论及传输特性
2、,1光纤与光缆的结构和类型2 光纤的传输原理3光纤传输特性,光纤结构,光纤:中心部分(芯Core)同心圆状包裹层(包层Clad)涂覆层特点：ncorenclad,芯(core),包层(clad),树脂被覆层,阶跃光纤(SI)、渐变光纤(GI),Step-Index Fiber&Graded-Index Fiber,实用化的光损耗为20dB/km(99.5%/m)；60年代研究，70年代突破，2000年0.2dB/km(99.995%/m);,近四十年的努力,光纤的光学传输理论,从几何光学（射线光学）理论出发可用于直观解释光纤传光的基本原理：全反射。数值孔径NA，可阐述入射角度的问题。借助计算机
3、和WKBJ法，可简单分析导模总数。从电磁场（波导、导波）理论出发归一化频率、截止模式、截止波长、模场直径、NA等等，模式理论。可用来分析单模，多模和偏振模等问题，可用于描述单模光纤的传输性能。,基于子午线的分析（阶跃光纤SIF）,n0、n1、n2-分别是:空气、纤芯、包层折射率，c-芯包界面全反射临界角。,相对折射率差,观察：,传输容量限制（阶跃光纤SIF）,下降，BL上升。对于无包层的特殊光纤，n1=1.5，n2=1.0(空气)，=0.33很大，BL0.4(Mb/s).km减小值，BL能提高很多。一般0.01。当=0.002时，BL100(Mb/s).km，10Mb/s的速率传输10km，适
4、用于一些局域网。,电磁场（波导）理论分析的思路,模式举例,四个低阶模式的电磁场矢量结构图,单模传输,单模条件和截止波长 从图可知，传输模式数目随V值的增加而增多。当V值减小时，不断发生模式截止，模式数目逐渐减少。特别值得注意的是当V2.405时，只有HE11(LP01)一个模式存在，其余模式全部截止。,单模光纤的模式特性,由此得到单模传输条件为由式(2.101)可以看到，对于给定的光纤(n1、n2和a确定)，存在一个临界波长c，当c时，是单模传输，这个临界波长c称为截止波长。,(2.101),V=2.405 或 c=,分析题,例:若想在目前的多模光纤中实现单模传输，应选用怎样的光波长？,也就是
5、说，若有波长为14m或更长的实用光源，且光纤在此波长下损耗低，则目前通用的多模光纤就可以作为单模光纤使用。,光纤传输特性,产生信号畸变的主要原因是光纤中存在色散，损耗引起输出光功率的降低。损耗和色散是光纤最重要的传输特性，对通信系统而言：损耗限制系统的传输距离色散则限制系统的传输容量,光纤的损耗特性,损耗定义:若POUT-出纤光功率，Pin-入纤光功率，则每公里的光纤损耗为：这里L是光纤长度，单位公里；单位用dB/km来表示。,光纤的损耗特性,例：计算题设光纤长1200公里，光纤损耗=0.5dB/km，求光纤总损耗？若输入光功率为30mW，则输出光功率为？,光纤的损耗机理,1、吸收损耗2、散射
6、损耗3、辐射损耗,光纤色散特性,光纤色散：信号能量中的各种分量由于在光纤中传输速度不同，而引起的信号畸变。这将引起光脉冲展宽和码间串扰，最终影响通信距离和容量。色散类型模式间色散：不同模式对应有不同的模折射率，导致群速度不同和脉冲展宽。（仅多模光纤有，为模间色散）波导色散()：传播常数随频率变化材料色散 n()：折射率随频率变化偏振模色散PMD（为模间色散）,单 模 光 纤,光源与光发射机,光发射机由光源、调制器和信道耦合器组成。光信号是用电信号调制光载波产生的。直接调制：通过改变注入电流直接调制半导体光源的输出。带有啁啾，影响通信系统性能。外调制：增加一调制器，适于高速系统应用。,光源,驱动
7、电路,调制器,信号输入,通道耦合器,光发射机结构框图,主要内容,1、半导体激光器和发光二极管2、光源调制3、光发送机,LD和LED,激光器被视为20世纪的三大发明（还有半导体和原子能）之一，特别是半导体激光器LD倍受重视。光纤通信中最常用的光源是半导体激光器LD和发光二极管LED。主要差别：发光二极管输出非相干光；半导体激光器输出相干光。,双能级原子系统的三种跃迁,受激发射的光子与原光子具有相同的波长、相位和传播方向,典型半导体激光器,法布里-珀罗型激光器 F-P LD分布反馈激光器 DFB LD,DFB LD 已成为中长距离光纤通信应用的主要激光器,纵模数随注入电流而变：,随着电流增加，主模
8、的增益增加，而边模的增益减小，纵模数减少，一个模式开始占优势，直到出现单个窄线宽的光谱为止。,I=67mAP=1.2mW,I=75mAP=2.5mW,I=100mAP=10mW,I=95mAP=6mW,I=80mAP=4mW,半导体激光器特性参数,1、半导体激光器的PI特性2、阈值电流Ith3、内量子效率i4、温度特性阈值电流随温度的变化峰值波长随温度的变化,LD光源的主要技术指标,光源的调制方式,在光纤通信系统中，把随信息变化的电信号加到光载波上，使光载波按信息的变化而变化，这就是光源的调制。调制方式：直接调制间接调制（外调制）,光发射机,1、光源（LD）2、编码3、APC,ATC（功控、温
9、控LD）4、接口（转换/调理/均衡/放大）5、保护措施：告警，光隔离器6、.,激光控制电路,调制格式,归零码RZ非归零码NRZ当前，数字光纤通信以采用NRZ码为主。有关各种调制码型的研究很多。,t,t,RZ,NRZ,mBnB 码,mBnB码是把输入的二进制原始码流进行分组，每组有m个二进制码，记为mB，称为一个码字，然后把一个码字变换为n个二进制码，记为nB，并在同一个时隙内输出。这种码型是把mB变换为nB，所以称为mBnB码，其中m和n都是正整数，nm，一般选取n=m+1。mBnB码有1B2B、3B4B、5B6B、8B9B、17B18B等等。,调制方式,调制前光载波的形式为：E(t)=A c
10、os(0t+)模拟通信可采用调幅、调频、调相等多种调制方式。采用数字调制时，相应地称为幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）。,电场,振幅,载频,相位,光接收机,光接收机：将光信号变换为电信号，再进行放大、再生。接收机性能的重要参数是接收机灵敏度。借助误码率来衡量。接收灵敏度取决于信噪比。,光检测器和光接收机,4.1 半导体光检测器件4.2 光接收机4.3 光接收机噪声分析4.4 光接收机的误码率4.5 接收机灵敏度4.6 光中继机,Ref:响应度,响应度是表示光检测器能量转换效率的一个参数，是光检测器的平均输出电流与平均输入光功率之比。表示为:（A/W）(4-1)式中：R
11、0 光检测器的响应度 IP 光检测器的平均输出电流 P0 入射在检测器光敏面上的平均光功率,光电二极管PIN,原理：(Ref:图4-4 P89)I层较厚，几乎占尽了整个耗尽区。绝大部分的入射光在I层内被吸收并产生大量的电子-空穴对。在I层两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，P层和N层很薄，吸收入射光的比例很小。因而光生电流中漂移分量占了主导地位，这就大大加快了响应速度。,PIN光电二极管的主要特性,截止波长和吸收系数 响应度和量子效率 响应速度 线性饱和 暗电流 噪声,APD的工作原理和结构,处于反向偏置的耗尽层光电二极管，当外加的反向偏压不断增强时，耗尽层内产生的光生载流子在强电场作用下得
12、到加速，获得很大的动能。高能的载流子与半导体晶体内的原子相碰撞，将束缚在价带中的电子激发到导带，从而在耗尽层内产生新的电子-空穴对，这种现象称为碰撞电离。碰撞电离的反复循环使耗尽层内的载流子数雪崩似的急剧增加，通过二极管的电流也就猛增，这就是雪崩倍增效应。雪崩光电二极管（APD）就是利用雪崩倍增效应实现内部电流增益的半导体光电转换器件。,图4-11 直接检测数字光接收机框图,4.3.1 光接收机的主要噪声,光接收机中存在各种噪声源，根据噪声产生的不同机理，噪声可分为两类：散粒噪声和热噪声。接收机中的噪声源及其引入部位如图4-20所示。其中散粒噪声包括光检测器的量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声和
13、APD倍增噪声；热噪声主要指负载电阻产生的热噪声，放大器噪声（主要是前置放大器噪声）中，既有热噪声，又有散粒噪声。,灵敏度换算示例,例如，某接收机在保证误码率Pe=10-9的条件下，所需接受的最小光功率为15.8nW，则灵敏度为：对于不同的误码率要求，接收机的灵敏度也不同。而产生误码的主要原因是噪声。光信号通过接收机时，受到各种噪声影响，降低接收机的灵敏度。因此，对接收机噪声的研究分析是光接收机的主要课题。,第五章 内容列表,1 光器件概述2 光连接器 Connector3 光衰减器 Attenuator4 光耦合器 Coupler5 复用器与滤波器 Multiplexer and Filte
14、r6 光隔离器与环行器7 光调制器 Modulators8 光开光 Switches,光连接器Connector（活动的）,FC型：螺纹连接。外部材料为金属,SC型：外壳采用工程塑料，矩形结构，便于密集安装，不用螺纹连接，可以直接插拔。,ST型：采用带键的卡口式锁紧机构，确保连接时准确对中。,连接中的损耗问题：,Common commercial devicesPlanar Waveguide Coupler,光耦合器的常见实现方法,22光纤耦合器,可根据耦合比要求，决定拉伸长度。但拉锥长度太长，纤芯变得过细后，将引起能量辐射，功率降低，插入损耗明显增加。,复用器用途：,波长选择、光放大器的噪
15、声滤除、光复用/解复用,F-P滤波器的传输特性(a)传输函数(b)N个信道经波分复用后加到滤波器输入端的频谱图(c)滤波器输出端,DWDM系统对F-P滤波器参数的要求：F-P腔的自由谱区FSR必须大于多信道复用信号的频谱宽度，以免使信号重叠，造成混乱。在DWDM中，信道间距小于1nm，所以要求F-P腔有较窄的带宽F。,精细度F要高,级联F-P腔,Multilayer Dielectric Thin-Film Filter,多层介质膜复用解复用器特点：,通带特性好（平顶、隔离度高25dB）温度敏感性小（0.0005nm/C 不需温控）插损57dB（16波）波长数16CH波长间隔0.8nm 价格较
16、高PDL小(0.2dB)是16波长WDM系统中主要选用的器件,光隔离器与环行器,Isolators&Circulators 非互易器件用途：放置于激光器及光放大器前面，防止系统中的反射光对器件性能的影响甚至损伤，即只允许光单向传输。主要指标：低的插入损耗(对正向入射光，1dB)高的隔离度(对反向反射光，4050dB)原理：一般由起偏器、检偏器和旋光器组成。,原理展示,与输入偏振态有关的光隔离器的工作原理,Blocked,光调制器Modulators,光调制器：实现从电信号到光信号的转换。光调制的分类：从光源调制角度看：其一，内调制或直接调制（简单、经济、引入较大的啁啾）；其二，外调制（调制信号
17、啁啾小）。按被调制光波的参数分：强度调制、相位调制、偏振调制等。,光开关的分类,机械光开关热光开关电光开关微光机电系统（MOEMS）,SDH 内容目录,6.1 SDH概述6.2 SDH速率等级和帧结构6.3 SDH复用和映射过程6.4 SDH网元设备6.5 SDH同步与定时6.6 SDH传送网6.7 SDH网络保护和恢复6.8 SDH网络管理,6.2.1 网络节点接口,表6-1 SDH的标准速率,图6-2 STM-N帧结构,STM-1 SOH 结构示例,信息净负荷区域,信息净负荷区就是帧结构中存放各种信息容量的地方。,STM-N 净负荷(含POH),图6-3 G.707给出的复用途径,图6-4
18、 我国的SDH基本复用映射结构,VC-12,TU-12,TU-3,139264kb/s,34368kb/s,2048kb/s,C-12,C-3,C-4,AU-4,N,1,7,1,3,3,指针处理,复用,定位校准,映射,3.复用(续),由我国的复用路线可知：TUG-23TU-12；TUG-37TUG-2或1TU-3；STM-1VC-43TUG-3；STM-NNSTM-1；由上述可知，一个STM-1可以直接提供63个2Mbit/s或3个34Mbit/s（经PDH复用解复用可以得到48（163）个2Mbit/s）或一个140Mbit/s（经PDH复用解复用可以得到64个2Mbit/s口）。因此，在S
19、DH干线上开通34Mbit/s是不经济的。,图6-20 复用设备一般化逻辑方框图（部分）,图6-35 伪同步和主从同步原理图,图6-36 等级主从控制示意图,SDH传送网,传送网的分层与分割传送网可从垂直方向分解为三个独立的层网络，即电路层，通道层，传输媒质层。每一层网络在水平方向又可以按照该层内部结构分割为若干分离的部分，组成适于网络管理的基本骨架。,图6-38 分层和分割视图,图6-39 SDH传送网分层结构,传送网故障恢复速度与备用容量效率,不同的用户对故障恢复速度要求也不同。有的用户对网络的无间断运行具有强烈的依赖性，如银行自动取款机、大贸易公司等。对于这类用户，恢复时间应是自愈机制所
20、能达到的最短时间，目前这个时间约为50ms。但是多数应用的故障恢复时间的容许范围可以在几秒钟到几分钟之间。特别是业务成本比较低的时候，容许范围可以达到30min。,图6-43 1+1 和 1:n 保护,二纤单向复用段保护环工作原理,二纤单向通道保护环工作原理,四纤双向复用段保护环工作原理,二纤双向复用段保护环工作原理,图6-50 SDH设备的管理功能,光纤通信系统,10G,1000G,WDM,WDM,2.WDM系统组成,某商业系统组成光波长转换单元（OTU）；波分复用器：分波/合波器（ODU/OMU）；光放大器（BA/LA/PA）；光/电监控信道（OSC/ESC）。,单纤单向,MUX,DEMU
21、X,OTU,OTU,单纤双向,MUX/DEMUX,DEMUX/MUX,OTU,OTU,图7-5 WDM系统总体结构示意图（单向）,光 合 波 器,1,n,BA,光发送机,1,n,光纤,光接收机,s,光 分 波 器,l,n,PA,1,n,光纤,s,LA,光监控信道接收/发送器,s,s,光中继放大,有线路光放大器WDM系统的应用代码,WDM系统的应用代码一般采用以下方式构成：nWx-yz，其中n 是最大波长数目W 代表传输区段（WL，V或U分别代表长距离、很长距离和超长距离）x 表示所允许的最大区段数（x1）y 是该波长信号的最大比特率（y4或16分别代表STM4或STM16）z 代表光纤类型（z
22、2，3，5分别代表G.652，G.653或G.655光纤）,标称中心频率和最小通路间隔,所谓标称中心频率是指光波分复用系统中每个通路对应的中心波长。目前国际上规定的通路频率是基于参考频率为193.1 THz，最小间隔为100 GHz的频率间隔系列。,1552.52 nm,0.8 nm,1.WDM系统的技术问题,光源的波长稳定问题光信道的串扰问题光纤色散对传输的影响问题光纤的非线性效应问题EDFA的动态可调整增益与锁定问题EDFA的增益平坦问题EDFA的光浪涌问题EDFA级联使用时的噪声积累问题,数字光纤通信系统性能,8.1 数字传输模型8.2 误码特性8.3 抖动特性8.4 漂移特性8.5 延
23、时特性8.6 光纤通信系统的可用性8.7 光缆线路系统设计,图8-1 标准数字假设参考连接,HRX是按照最长距离和最坏情况下考虑的全程64kb/s连接,国际部分4段,国内部分5段,图8-2 标准数字假设参考连接（中等长度）,实际连接一般都比最长HRX短，因此引入了标准中等长度HRX,国内部分3段,国际部分只有1段,误码率,误码率的数值通常可用n10-P的形式表示，其中P为一整数。对于数字通信系统，实际上指的是比特误码率(BER-bit error rate)，即每个码元为1比特时的误码率，其表达式为,误码特性的评定方法,误码时间率阈值(BERT-bit error rate threshold
24、)在ITU-T G.821建议中，把误码劣化状态划分为三个领域：(1)可正常通信，即可接受的领域，其阈值为110-6。(2)可通信但质量有所劣化，即劣化领域，其阈值为110-6110-3。(3)不能通信，即不可接受的领域，其阈值为110-3。,8.2.4 误码性能的规范,G.821建议把27500km分成三个部分，即高级部分、中级部分和本地级部分。如图8.7所示。,抖动特性,抖动可以分为相位抖动和定时抖动。相位抖动指脉码传输过程中所形成的周期性的相位变化。定时抖动指脉码传输系统中的同步误差。抖动的大小或幅度通常可以用时间、相位度数或数字周期来表示。ITU建议采用数字周期来度量，即用“单位间隔”
25、或称时隙(UI)来表示。1UI相当于1比特信息所占有的时间间隔，数值上等于传输比特率的倒数。,可靠性和可用性表示方法,通常用来表示系统可靠性的参数有两个：一个是平均故障间隔时间(MTBF)，单位为小时；另一个是故障率()，单位为1/小时。1/MTBF。当采用10-9/小时作为计量单位时，称为 Fit，即1Fit10-9/小时。,衰减限制系统的中继距离可由下式来计算：式中，L为最大中继距离(单位为km)，ASR为系统S点和R点之间光缆线路容许的衰减(单位为dB)，AC为S、R点间增加的光纤连接器衰减(单位为dB)，AS为光纤固定接头平均衰减(单位为dB/Km)，Af为光纤的平均衰减系数(单位为d
26、B/Km)，MC为光缆的富余度(单位为dB/Km)。,衰减限制系统最大中继距离的计算,9 光纤接入网,9.1 光接入网基本概念9.2 光接入网关键技术9.3 有源光接入网AON 9.4 无源光接入网PON,接入网分类示意图,接入网,光接入网,图9-4 光纤接入网示意图,2.接入网的定界,接入网通用协议参考模型,无源光接入网PON基本概念,在光接入网中如果ODN全部是由无源器件组成，不包括任何有源节点，则这种光接入网就是无源光接入网PON。PON中的ODN部分仅由光分路器、光缆等无源器件组成，因此PON具有极高的可靠性，同时对环境的依赖程度小，是光接入网中最为看好的技术。,表9-3 各种PON技
27、术效率比较,光放大技术,10.1 光放大器概述10.2 掺铒光纤放大器 EDFA10.3 光纤拉曼放大器 FRA,图10-1 光放大器类型,图10-2 两种泵浦原理示意图,泵浦,泵浦,E3,E1,E2,激光发射,（a）三能级泵浦结构,（b）四能级泵浦结构,E3,E1,E2,E0,EDFA特性,增益特性 输出功率特性 噪声特性,三种不同泵浦方式EDFA结构,受激拉曼散射的工作原理,技术进展,11.1 色散补偿技术11.2 相干光通信11.3 光交换技术11.4 光孤子通信技术11.5 自由空间光通信 FSO,光联网,12.1 光联网技术概述12.2 城域光网络12.3 自动交换光网络 ASON1
28、2.4 全光互联网技术,光联网技术概述,未来的通信网络正向着智能化、宽带化、以IP为核心等方向发展。作为下一代网络（NGN，Next Generation Network）中下一代传送网的主要实现形式，光通信技术在传输距离、容量等方面继续发展的同时，也向着网络化和智能化管理方向发展。,光传送网层次结构示意,城域技术比较,基于SDH的多业务传送节点基本功能模型,狭义MSTP协议栈模型,级联和虚级联,VC的级联概念是在ITU-T G.7070中定义的，分为相邻级联和虚级联两种。SDH中用来承载以太网业务的各个VC在SDH的帧结构中是连续的，共用相同的通道开销（POH），此种情况称为相邻级联，有时也直接简称为级联。若SDH中用来承载以太网业务的各个VC在SDH的帧结构中是独立的，其位置可以灵活处理，此种情况称为虚级联。,
