光纤通信原理与系统

SIFOTONICSTECHNOLOGIESCONFIDENTIAL光纤通信原理与系统NANO科技（北京）有限公司田力SIFOTONICSTECHNOLOGIESCONFIDENTIAL2光通信的传说•《东周列国志》第二回褒人赎罪献美女幽王烽火戏诸侯SIFOTONICSTECHNOLOGIESCONFIDENTIAL3自由空间光通信以大气作为媒介来传播光信号。发明于1960年左右，军事保密通信电话。FreeSpaceOptics－FSO大气光源光源调制器调制器接收机接收机SIFOTONICSTECHNOLOGIESCONFIDENTIAL4自由空间光通信优点：•1，光波波长短(微米)，常规物体衍射效应弱，方向性好，不容易被窃听。•2，受电磁干扰的影响小。•3，没有无线电频段划分限制(LicenseFree)。•4，带宽高，可以传送更多信息(数字化战场，T比特传输)。•目前可达2.5Gb/s。缺点：•两个端点之间必须光路通畅，因此鸟类等物体阻挡、雨/雪/雾/霾的衰减使自由空间光通信的传输距离和可靠性难以保证。SIFOTONICSTECHNOLOGIESCONFIDENTIAL5自由空间光通信的发展可见光无线通信（称为LiFi——LightFidelity）是利用快速的光脉冲无线传输信息。根据不同速率在光中编码信息完全可行，例如LED开表示1，关表示0，通过快速开关就能传输信息。SIFOTONICSTECHNOLOGIESCONFIDENTIAL6光纤通信系统历史•0，1916年，爱因斯坦的“受激辐射”理论诞生•1，1966年，高锟理论预言光纤作为光波导传输光信号的可能性•2，1970年，Corning研制出低损高纯石英玻璃单模光纤(20dB/km)，经过不断改进，光纤的损耗已经小于0.2dB/km•3，1962年，半导体激光器问世•4，1970年，室温工作的“双异质结”半导体激光器问世•5，1986年，掺铒光纤放大器(EDFA)问世，使波分复用(WDM)技术得以商用化•6，2000年：160*10Gb/s(C+L波段)，主要的干线通信系统，部分城域•7，2013年：中国100G商用元年SIFOTONICSTECHNOLOGIESCONFIDENTIAL7四代光纤通信系统11983年，工作波长820nm，多模光纤，速率45Mb/s，纽约－华盛顿2工作波长1310nm(在这个波段光纤损耗低)，多模光纤，速率417/560Mb/s，国内干线网3工作波长1310nm，单模光纤，速率622M－2.5Gb/s，长途干线与越洋通信4工作波长1550nm(在这个波段光纤损耗最低)，单模光纤，速率10－40Gb/s，长途干线与越洋通信，城域与接入网，1986年英国南安普敦大学光电研究中心研制出第一台掺铒光纤放大器(EDFA)，使不同波长的光信道同时放大成为可能，极大地推动了波分复用技术的发展。SIFOTONICSTECHNOLOGIESCONFIDENTIAL8密集波分复用系统基本结构•密集波分复用(WavelengthDivisionMultiplex-DWDM)：不同波长信道的光信号在同一根光纤中传输。•固定信道间隔，在光放大器的带宽中。SIFOTONICSTECHNOLOGIESCONFIDENTIAL9光纤通信系统基本器件•光源：半导体分布反馈式激光器(DistributedFeedback-DFB)•调制器：铌酸锂(LiNbO3)，半导体电吸收型(ElectricalAbsorbing-EA)•传输介质：普通单模光纤，色散补偿光纤，非零色散位移光纤•放大器：掺铒光纤放大器(Erbium-DopedFiberAmplifier-EDFA)，Raman拉曼放大器•半导体光放大器(SemiconductorOpticalAmplifier-SOA)•接收机：半导体血崩型二极管APD型(数字系统)，PIN型(模拟系统)•复用/解复用器：介质模滤波器，波导阵列光栅•其它有源、无源器件：耦合器，隔离器，环形器，跳线等。SIFOTONICSTECHNOLOGIESCONFIDENTIAL10光通信系统对电中继系统的优势波分复用技术优势不同波长的光信号(信道)在同一根光纤中传输，用一个光放大器放大所有光波长信道，比电中继廉价，简单。SIFOTONICSTECHNOLOGIESCONFIDENTIAL11认识光纤光缆SIFOTONICSTECHNOLOGIESCONFIDENTIAL12光纤的损耗第三传输窗口第二传输口第一传输窗口13001550850紫外吸收红外吸收瑞利散射0.22.5损耗(dB/km)波长(nm)光纤损耗谱特性SIFOTONICSTECHNOLOGIESCONFIDENTIAL13光纤的色散•色度色散(Chromaticdispersion)，不同波长的光群速度不同，由材料色散、波导色散构成，单模光纤模式色散为零。SIFOTONICSTECHNOLOGIESCONFIDENTIAL14光纤的色散对系统的影响•脉冲展宽，引起码间串扰，造成误码。•传输质量：眼图，误码率，光信噪比。0101011001?10110原始信号传输后的信号传输光纤SIFOTONICSTECHNOLOGIESCONFIDENTIAL15合分波技术滤波器型(TFF)阵列波导光栅型(AWG)耦合器型(熔融拉锥型)衍射光栅型1234。。。SIFOTONICSTECHNOLOGIESCONFIDENTIAL16薄膜滤波型DWDM_OADM光路结构SIFOTONICSTECHNOLOGIESCONFIDENTIAL17DWDM系统中的合分波OMUODUOMUODU80波40波40波Interleaver梳状滤波器SIFOTONICSTECHNOLOGIESCONFIDENTIAL18EDFA的工作原理掺铒光纤放大器通常可得到15-40db的增益，中继距离可以在原来的基础上提高100km以上。SIFOTONICSTECHNOLOGIESCONFIDENTIAL19EDFAGainBlock模块结构SIFOTONICSTECHNOLOGIESCONFIDENTIAL20光纤通信网络拓扑结构G.692/G.959.1G.691OMUOBAOPAODUOTU1OTU2OTU3OTUnOMUOBAOPAODU...OTU1OTU2OTU3OTUn...OTU1OTU2OTU3OTUn...OTU1OTU2OTU3OTUn...OLAOLAG.692/G.959.1G.691客户侧信号发送端客户侧信号接收端客户侧信号发送端客户侧信号接收端点对点WDM系统OADMOADMOADMOADM环形WDM系统复杂型WDM系统SIFOTONICSTECHNOLOGIESCONFIDENTIAL21DWDM160波系统框架（部分单元名称来自ZTE已有设备）OTUOMUOMUOCIBALACOBMBALACC+bandCbandL+bandLbandOTMOBMPA1PanLACDCMBALACOBMOLAOBMPA1PanLACDCMBAPAOCIOADOCIDCMBALACOBMOBMDRAPA1PanLACDCMBAPAOCIODUODUOTMPA1PanLACDCMBALACOMUOMUOCIOTUPA1PanLACDCMBAPAOCIOADOCIDCMBALACPA1PanLACDCMBAPAOCIODUODUOADMSIFOTONICSTECHNOLOGIESCONFIDENTIAL22光层保护机制OP板内实现双发选收ABCD内环：共享保护通道外环：工作通道倒换前业务路由倒换后业务路由倒换开关主光通道保护机制光波长级保护机制SIFOTONICSTECHNOLOGIESCONFIDENTIAL23带外前向纠错技术FECFEC带外前向纠错技术是一种信号数据处理技术，以牺牲带宽的代价实现超强纠错功能。FEC技术包括发送端编码和接收端解码。发送端编码－在发送端将特定算法产生的冗余码与数据一起发送。接收端解码－在接收端根据相应算法，利用冗余码检测并纠正在传输过程中可能产生的比特错误并还原信号。利用FEC技术，可以增强传输的容错能力，从而降低系统对信噪比的要求，延长传输距离。满足G.975/G.709标准，等效增加的OSNR约5－6dB，误码率可以从1E-4改善成1E-12。缺点是FEC会增加传送速率。如OC-192未使用FEC是速率为9.953Gbps，使用GFEC速率为10.7Gbps，使用EFEC速率为12.4Gbps。SIFOTONICSTECHNOLOGIESCONFIDENTIAL24信息大爆炸语音终端的发展数据终端的发展机房的变化SIFOTONICSTECHNOLOGIESCONFIDENTIAL25光纤通信中单光纤速率的增长•20世纪80年代到90年代初期，干线光纤最高传送速率140Mb/s–干线光通信系统以PDH系统为主，语音业务为主流电信业务•20世纪90年代到21世纪初期，干线光纤最高传送速率为10Gb/s–干线光通信系统以SDH系统为主，语音业务为电信总业务一半以上，数据业务以X.25网络和帧中继网络为主，主要是科研教学等性质的流量为主•21世纪初期十年，干线光纤最高速率1Tb/s以上–干线光通信系统以SDH/IPoverWDM为主，语音业务比例不到电信总业务一半，数据业务开始大发展，个人固定终端的娱乐业务驱动互联网业务为主流数据业务•目前，干线光纤通信最高传送速率可达8Tb/s以上–干线光通信系统以OTN/IP/AnyoverWDM为主，语音业务比例占电信总业务很小一部分，移动数据业务开始大发展，个人移动终端的娱乐业务和固定终端的多媒体业务（4K高清TV）驱动互联网业务为主流数据业务SIFOTONICSTECHNOLOGIESCONFIDENTIAL26从业务的复杂化到网络复杂化SIFOTONICSTECHNOLOGIESCONFIDENTIAL27云计算和云存储SIFOTONICSTECHNOLOGIESCONFIDENTIAL28存储网络业务（Fiberchannel）的发展•FC1=1.063Gb/s（1997年）•FC2=2.125Gb/s（2001年）•FC4=4.25Gb/s（2004年）•FC8=8.5Gb/s（2005年）•FC10=10.53Gb/s（2008年）•FC16=14.03Gb/s（2011年）•FC32=28.05Gb/s（2016年）•FC128=4×28.05Gb/s（2016年）SIFOTONICSTECHNOLOGIESCONFIDENTIAL29100G网络的驱动力•IP流量的激增（手机4G网络的开通和云计算/存储的兴起，4K高清）；•降低每比特的成本（同样的网络基础投资，传送内容增加数倍）；•提供新的收益机会（厂家也需要生产新产品赚钱）；•对已有光纤的利用，提高投资回报率（平摊基础建设费用）；•降低网络的时延（网络游戏、股票实时交易等）。•100G技术逐渐成熟，可以商用。SIFOTONICSTECHNOLOGIESCONFIDENTIAL30100G关键技术简介•相干（Coherent）是什么？–振动方向相同–振动频率相同–相差恒定•两束相干的光相遇的区域会产生干涉现象。水的干涉条纹光的干涉----杨氏双缝干涉SIFOTONICSTECHNOLOGIESCONFIDENTIAL31100G调制技术•PM，把1个光信号分离成2个偏振方向，再把信号调制到这两个偏振方向上，相当于对数据做了1分2的处理，速率降低一半；•QPSK，一个香味就表示两个数字bit，业相当于对数据做了1分2的处理，速率降低一半•对于100G信号，实际上数据的波特率（信息速率）仅为100÷2÷2=25GSIFOTONICSTECHNOLOGIESCONFIDENTIAL32100G相干接收技术1.相干