清华大学-光纤通信技术详解

课程总结光纤通信技术王建萍[e-mail]信息光电子研究所清华大学电子工程系光源调制器驱动电路放大器光电二极管判决器光纤光纤中继器一、光发射机激光器是一种阈值器件。激光器的瞬态特性影响着调制信号的质量。调制码型：NRZ、RZ、CRZ、CSRZ前向纠错（FEC）是数字通信系统中应用的基本差错控制方式之一，其原理是发端在信息比特后附加冗余的校验比特，即进行编码，接收端译码的同时，在纠错能力范围内，自动纠正传输中的错误，而无需信息的重发。其编码增益能给系统提供几个dB的富裕度。PMD二、光纤光纤的损耗；光纤的色散；光纤的非线性色散展宽是提高通信速率的主要障碍图1图2D正常色散区20,D0红快兰慢光脉冲的较高的频率分量（兰移）比较低的频率分量（红移）传输得慢D反常色散区20,D0兰快红慢光脉冲的较高的频率分量（兰移）比较低的频率分量（红移）传输得快零色散波长色散诱导啁啾啁啾高斯脉冲展宽因子T1/T0随传输距离的变化异号时2C0，在传输初始阶段脉冲宽度变窄，而后迅速展宽无啁啾脉冲，不论色散正负，脉宽随[1+(z/LD)2]1/2成比例展宽同号时2C0，啁啾高斯脉冲单调展宽的速度比无啁啾脉冲的快非线性克尔效应自相位调制正啁啾(t↑→ω↑)压窄反常色散光纤中的非线性自相位调制折射率：Innn20附加相移：IZn22dtdIZn22附加频移：色散与非线性自相位调制共同作用光脉冲具有一定的谱宽展宽正常色散反常色散非线性自相位调制上啁啾压窄反常色散★LDLNL色散占优势展宽★LD=LNL色散与非线性效应平衡无畸变一阶光孤子传输★LDLNL非线性效应占优势高阶光孤子传输脉冲呈压窄、展宽、分裂、复原周期性变化色散与非线性自相位调制共同作用无损光纤中的光脉冲传输无损光纤中的光孤子传输图8图9图10图11无损光纤中的光孤子传输光孤子：利用非线性平衡色散效应缺点：维持色散与非线性间的平衡条件过于精细，利用非线性带来其它副作用多种非线性效应共同作用色散限制WDM孤子色散位移光纤普通单模光纤非线性限制非零色散位移光纤L波段WDMOTDM新型光纤PMD限制WDM/ETDM+OTDMPMD补偿技术光纤的其它限制及解决方案L+，S，S+改善PMD特性的光纤色散补偿提升容量方法：单信道比特率提高OTDM原理超短脉冲光源时钟源MODMODMODMOD延时EDFA耦合器时分解复用器时钟提取接收机MOD提升容量方法：多波段光发射机光发射机光发射机光发射机N123光接收机光接收机光接收机光接收机N123复用器解复用器EDFA•波长稳定、窄线宽•高速、小啁啾调制窄带、小串话、稳定滤波增益平坦、宽带、较高输出功率•高灵敏度•宽动态范围WDM(波分复用)L波段放大器，（L波段EDFA+拉曼放大器）L波段的各种光子器件：LD，WDM，隔离器……DCF!?提升对L波段的器件要求面临的问题多波段带来的问题：非线性开辟新窗口(L-Band…)物理效应:宽频带导致的SRS...光纤非线性增加信道密度物理效应:FWM,XPM…光纤非线性非线性不可完全补偿，它将恶化OSNR，成为WDM系统容量提高的主要限制，它源于面临的问题几种技术方案拉曼分布放大FRA前向纠错技术FEC传输光纤信号调制格式新型可调谐器件如何应对PMD？补偿？好光纤？3R再生三、光器件激光器（可调谐）放大器（增益均衡）调制器探测器（波长选择）光隔离器环行器光开关波长变换器上下话路器分束/合束器波分复用/解复用器滤波器受激辐射非线性效应半导体光电效应基于晶体的电光、磁光、声光效应基于波导的电光、磁光、声光效应基于光纤的电光、磁光、声光效应微机械干涉波导或光纤中的模式耦合光电子器件的新进展光通信器件是光通信系统的基础，没有器件就没有系统，往往一个新器件的出现可以引起整个系统的重大革新。目前器件的发展和升值方向为：波长可选择、可调谐：多波长激光源、可调谐光探测器、波分复用/解复用器、波长转换器、增益平坦光放大器、光开关矩阵、可调色散补偿器、可调谐光滤波器……集成化:多功能集成、有源和无源集成小型化、智能化：能灵活地动态控制全光纤化（基于光纤光栅）和半导体功能器件集成化高可靠：通信设备要求连续使用寿命25年产品走向：市场、技术难度、成本(backbone-metro-access)下一代WDM网络中的光通信器件S波段和L波段应用的光通信器件基于技术组合的用于超密集波分复用的光通信器件(如：WDM和光开关可组合成一个全光的波长路由器）用于城域网的WDM器件：低价、可扩展和分插复用用于40Gb/s系统的光通信器件：低色散，宽带宽的波分复用器件、动态增益均衡、动态色散控制用于全光网的光通信器件：动态波长的提供四、光接收机光接收机的灵敏度灵敏度恶化——功率代价误码率曲线眼图Transponder2.5Gb/sOpticalTx1:16Multiplexer2.5GHzPLLClockSyn1:16DeMultiplexer2.5Gb/sOpticalRx+3.3VDCTODCConventerLaserDisableaLaserBissMon2.5GData2.5GHZ2.5Gb/sOpticalOutput2.5Gb/sOpticalOutputDOIN2.5GData2.5GClockLOS/LOFD15IN155Mb/sRefClockLOOPBack(2)DOOutD15Out155MClockOutFramePulseLineLoopBackLocalLoopBack+5v-5.2v+3.3五、WDM系统的发展趋势单路超高速40Gb/s,160Gb/s,640Gb/s超密信道间距10GHz信道数攀升1022Channel展宽波长范围C-Band,L-Band,S-Band超长无中继450kmwithremoteAmp超长传输距离网络化系统与网络系统与网络的研究中，目前关注的热点有：如何扩大系统的容量－速率、带宽、波长密集度；如何延长中继的跨距－采用什么光纤和放大器；光限幅器和3R的全光再生（放大、整形和定时）；如何组建WDM网－如何上下路，如何保护；WDM的实用化－现在什么系统将可商用；IPoverWDM的进展；光传送网（OTN)和全光网的进展；