光通信技术

自由空间光通信
自由空间光通信（FSO），又称无纤光通信、 大气光通信（AOC）等，它的传输媒介是空 气，而非光纤。 对新运营商来说，该技术非常有吸引力，因 为他们缺乏现成的线缆资源。利用这种技术 能较快地、以较低成本占领市场。
FSO优点
带宽大，155Mb/s—2.5Gb/s的FSO系统已经 实现商用，演示系统的速率已达到160Gb/s。 成本低，不需要挖地下管道 。工作在一个完 全不受管制的频段 。 保密性好。
密集波分复用(DWDM)系统 密集波分复用(DWDM)系统 (DWDM)
波长间隔: 波长间隔 0.4nm 的整数倍
0.4nm ---- 50GHz ---- 32 路 0.8nm ----100GHz ---- 16 路 1.6nm ----200GHz ---- 8 路
参考频率: 参考频率 193100GHz (1552.52nm) 波长偏差: <20%信道间隔 波长偏差: <20%信道间隔 (10%) 监控信道: 监控信道 1510 ± 10nm 总功率: 总功率 ≤ + 17 dBm 光纤: 光纤 G. 655 距离: 距离 80-160 km 光中继 (EDFA) 增益均衡 (色散补偿 色散补偿) 色散补偿 标准: 标准 G.692
光纤通信系统 光发送机 传输光路 电端机 电信号输入 电端机 电信号输出 光接收机
光纤通信系统的基本组成
光接收机框图
光 信 号 探 测 器 前置 放大器 主放 大器 均衡器 AGC 电路 判决器 时钟 提取 译码器
探测器： 实现光电变换。 探测器： 实现光电变换。 前放： 实现低噪声放大。 前放： 实现低噪声放大。 主放： 提供足够的增益，且增益受AGC电路的控制。 电路的控制。 主放： 提供足够的增益，且增益受 电路的控制 均衡器： 保证判决时不存在码间干扰。 均衡器： 保证判决时不存在码间干扰。 判决器， 时钟提取：对信号进行再生。 判决器， 时钟提取：对信号进行再生。 AGC电路：改变接收机的增益，扩大接收机的动态范围。 电路： 电路 改变接收机的增益，扩大接收机的动态范围。
光发射机
中继器 光器件
光接收机
光纤的结构 石英光纤 芯层 包层 涂敷层 护套: 护套:紧套
包层 芯 树脂被覆层
松套
ncore>nclad
光纤的损耗
固有损耗
振动
□材料的本征吸收
----红外吸收----分子 ----红外吸收----分子 红外吸收-------紫外吸收----电子 ----紫外吸收----电子 紫外吸收----
•3R再生功能 3R再生功能
放大 消除波 形畸变 消除时 间抖动
光纤通信的产业链
光纤预制棒 关键原材料 光无源器件 光传输/ 光传输/交换 设备 光有源器件 测试设备 网络管理系统
光纤
光缆
网络集成商 运营商
光系统应用分类
按网络应用层面划分，光系统分为光传输系 统和光接入系统。 光传输系统用于干线网、本地网和城域网 接入网所采用的光通信技术为无源光网络 技术。而光纤到户的具体实现，则有赖于 EPON和GPON。
输入光脉冲 光纤 输出光脉冲
+
+
常用的单模光纤
0.6 0.5 衰减 (dB/km) 0.4 0.3 0.2 0.1 1100
G.655 G.652 & G.654 EDFA 频带
20
G.653
10 0 -10 -20 色散(ps/nm.km) 色散(ps/nm.km)
1200
1300 波长(nm) 波长
随着传输线路的延长，会由于传输损耗而使 随着传输线路的延长， 脉冲衰减， 脉冲衰减，同时加上传输线路的失真特性 光纤中的各种色散）产生脉冲波型的失真。 （光纤中的各种色散）产生脉冲波型的失真。 因此，需要中继器来进行修复。 因此，需要中继器来进行修复。
3R： re3R： re-amplifying 再放大（光放大器的功能） 再放大（光放大器的功能） re消除时间抖动） re-timing 再定时 （消除时间抖动） re消除波形畸变） re-shaping 再整形 （消除波形畸变） 通过这3 通过这3个R，得到接近于发射端的光信号的 copy， copy， 从而延长传输距离，提高信号质量。 从而延长传输距离，提高信号质量。 3R 组合
损 耗 (dB/km)
第二传输窗口
在1.55µm 1.55µ 处最小损 耗约为 0.2dB/km 0.2dB/km 第三传输窗口
瑞利散射
红外吸收
0.2 850
紫外吸收
1300 1550
波 长 (nm)
损耗主要机理：材料吸收、瑞利散射和辐射损耗 损耗主要机理：材料吸收、
光纤的色散
导致脉冲展宽(带宽降低) 导致脉冲展宽(带宽降低)
光检测器
光检测的物理基础:光电效应 光检测的物理基础 光电效应 PIN半导体光电二极管 半导体光电二极管 APD雪崩光电二极管 雪崩光电二极管
光放大器应用分类
根据用途分类： 根据用途分类： 后置放大器(功率放大器 后置放大器 功率放大器) 功率放大器 线路放大器(线性放大器） 线路放大器 线性放大器） 线性放大器 前置放大器(低噪声放大器 前置放大器 低噪声放大器) 低噪声放大器
波分复用是各种扩容方案中最有效的一种
光纤通信的扩容方案有空分复用 、时分复用 、光时分复 用 、波分复用等
各种新技术、 各种新技术、新器件使波分复用迅速推广使用
EDFA、复用/解复用器、新型光纤，色散补偿技术等 、复用 解复用器 新型光纤， 解复用器、
密集波分复用(DWDM)系统 密集波分复用(DWDM)系统 (DWDM)
光纤传输容量极限
增加谱宽： 增加谱宽：1300nm～1700nm=54.3THz ～
1300
1500 nm
1700
光纤通信系统的新波段
S+
1450 1490
S
1530
C
1570
L
1610
L+
1650
波 长 (nm) 波段 C C+L S+C+L
S++S+C+L+L+
波长范围(nm) 带宽(THz) 波长范围(nm) 带宽(THz)
后置放大器 (功率放大器 功率放大器) 功率放大器 光发 射机 线路放大器
主要应用于长途 干线通信网增加 传输距离，用于 接入网或者局域 网增加分支用户 数量等
前置放大器 光 接 收机
掺铒光纤放大器 (EDFA)
DWDM系统，OTDM系统，光孤子系统等。 系统， 系统， 系统 系统 光孤子系统等
中继器
光通信在中国的发展
光通信在中国的发展
光纤网络的分类
三种网络的不同要求
三种网络设备有着不同的性质决定了这 三种网络中设备开发的不同考虑： 三种网络中设备开发的不同考虑：
LongLong-haul: Capacity Metro: Smart Cost Access:
光 纤
驱动电路 调制器 光源 中继器 光纤 光纤 光电二 极管 放大器 判决器
FSO难点
天气影响。雾中极小的水颗粒像棱镜一样会使光束 信号发散，雾对FSO的影响就如雨衰对LMDS等无线 系统的影响，危害较大。 对准与保持 空中障碍物 眼睛安全问题
专题讨论
MSTP(基于SDH 的多业务传送平台 )技术 DWDM（密集型光波复用 ROADM ）技术 ASON(即ATM-PON,适合ATM交换网络 )技术 EPON(采用通用帧处理的OFP-PON )技术 FSO(自由空间光通信)技术
目前常用的波长数为8～ ， 目前常用的波长数为 ～40，每个波长的调制速 率为2.5～ 率为 ～10Gb/s，商用系统的最高容量为 ， 160×10Gb/s ×
大幅度降低成本
EDFA能同时放大所有波长的光信号，节省了大 能同时放大所有波长的光信号， 能同时放大所有波长的光信号 量光纤和再生中继器
逐步升级， 逐步升级，前期投入小
1400
1wk.baidu.com00
1600
1700
光发射机的功能 电光变换---将信息从电信号 搬移” 电光变换---将信息从电信号“搬移”到 ---将信息从电信号“ 高端电磁波（ 的电路组件, 高端电磁波（光）的电路组件,及完成为 了适应光信号的有关信号变换(线路编码) 了适应光信号的有关信号变换(线路编码) 输入的是双极性数字电信号( 电压) 输入的是双极性数字电信号 ( 电压 ) ， 输 出的是“ 有光” 无光” 光平” 出的是 “ 有光 ” 、 “ 无光 ” 或 “ 光平 ” 高低代表的数字信号(功率) 高低代表的数字信号(功率)
光放大器 有 有 无 无 无
应用 长途干线 长途干线 城/局域网 城/局域网 城/局域网
全波
15301530-1570 15301530-1610 14901490-1610 14501450-1650 13001300-1650
5.0 9.7 15.0 25.1 48.9
范崇澄 FS-08
密集波分复用(DWDM)系统 密集波分复用(DWDM)系统 (DWDM)
光通信技术
光纤传输技术发展的路标
1966年：高锟提出光传输理论； 1976年：实用化产品出现； 80年代：PDH开始规模使用； 80 PDH 90年代初：SDH标准完善，PDH仍为主力； 1994年：SDH逐步成为传输主力设备；
光纤传输技术发展的路标
1998年：DWDM开始建设，ASON技术探讨； 1999年：DWDM规模建设，全光网试验； 2001年：MSTP出现并逐渐使用； 2003年： ASON/OADM 逐渐使用； 2005年：ASON规模建设，ROADM进入骨干 网。
Tx1 λ1 DWDM系统构成 系统构成 λ1…..λn
…
λ1
Rx1
λ2 复 Tx2 用 器 ┇ λn Txn
功率 放大
中 继
前置 放大
解 λ2 复 Rx2 用 ┇ 器 λn Rxn
密集波分复用(DWDM)系统 密集波分复用(DWDM)系统 (DWDM)
波分复用系统的优越性
大幅度提高一对光纤的通信容量
跃迁 ----瑞利散射 □材料的本征散射 ----瑞利散射 (折射率微观不均匀 引起) 引起)
非固有损耗
----OH根吸收 光能→振动) ----OH根吸收 (光能→振动) OH ----宏观上的不均匀 □波导散射 ----宏观上的不均匀
□杂质吸收
光纤损耗谱特性
2.5 第一传输窗口
OH离子吸收峰 OH离子吸收峰
F-P光谱特性
多谱线，模式多， 多谱线，模式多，选频特性不好
DFB光谱特性
直接强度调制和外调制的区别
电信号输入 线路编码 驱动电路 LD 或 光信号 LED 控制电路
直接调制的光发射机
电信号输入
线路编码
驱动电路 光信号
控制电路
LD或LED 间接调制的光发射机
外调制器件
光接收机
光接收机的作用是将传输光路中的光信号转换为电信号。 光接收机的作用是将传输光路中的光信号转换为电信号。
对业务透明
无论是SDH业务，还是IP业务，无论是语音、 业务，还是 业务 无论是语音、 业务， 无论是 业务 图象还是数据，都可以在同一个WDM系统中传 图象还是数据，都可以在同一个 系统中传 输
可以联网
目前WDM系统已开始由点对点的简单系统，逐 系统已开始由点对点的简单系统， 目前 系统已开始由点对点的简单系统 渐向带有光分插复用(OADM)和光交叉连接 渐向带有光分插复用 和光交叉连接 (OXC)的全光网络演化 的全光网络演化
可以根据业务的需要，逐渐增加复用的波长， 可以根据业务的需要，逐渐增加复用的波长，避 免大量的带宽闲置， 免大量的带宽闲置，造成资金的占用
密集波分复用(DWDM)系统 密集波分复用(DWDM)系统 (DWDM)
波分复用系统的优越性
对速率透明
各种速率的信号可以在同一个WDM系统中传输， 系统中传输， 各种速率的信号可以在同一个 系统中传输 目前WDM系统传输的速率包括：STM-16、 系统传输的速率包括： 目前 系统传输的速率包括 、 STM-64、GE、10GE等 、 、 等
密集波分复用(DWDM)系统 密集波分复用(DWDM)系统 (DWDM)
选择波分复用的原因
光纤拥有巨大的带宽资源
从1300nm～1700nm，带宽约 ～ ，带宽约54.3THz(5.43×1013Hz) ×
Internet对带宽的爆炸性需求 对带宽的爆炸性需求
IP骨干网带宽要求每 ～9个月翻番，是Moore定律的 ～3 骨干网带宽要求每6～ 个月翻番 个月翻番， 定律的2～ 骨干网带宽要求每 定律的 倍
谢谢! 谢谢!