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1、课程总结课程总结光纤通信技术光纤通信技术王建萍王建萍 jpwangtsinghua.edu 信息光电子探讨所信息光电子探讨所清华高校电子工程系清华高校电子工程系光源光源调制器调制器调制器调制器驱动电路驱动电路驱动电路驱动电路放大器放大器光电二光电二极管极管判决器判决器光纤光纤光纤光纤光纤光纤光纤光纤中继器中继器中继器中继器一、光放射机一、光放射机n n激光器是一种阈值器件。激光器是一种阈值器件。激光器是一种阈值器件。激光器是一种阈值器件。n n激光器的瞬态特性影响着调制信号的质量。激光器的瞬态特性影响着调制信号的质量。激光器的瞬态特性影响着调制信号的质量。激光器的瞬态特性影响着调制信号的质量。
2、n n调制码型：调制码型：调制码型：调制码型：NRZNRZ、RZRZ、CRZCRZ、CSRZCSRZn n前向纠错（前向纠错（前向纠错（前向纠错（FECFEC）是数字通信系统中应用的基本）是数字通信系统中应用的基本）是数字通信系统中应用的基本）是数字通信系统中应用的基本差错限制方式之一，其原理是发端在信息比特后差错限制方式之一，其原理是发端在信息比特后差错限制方式之一，其原理是发端在信息比特后差错限制方式之一，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，接收端译码附加冗余的校验比特，即进行编码，接收端译码附加冗余的校验比特，即进行编码，接收端译码附加冗余的校验比特，即进行编码，接收
3、端译码的同时，在纠错实力范围内，自动订正传输中的的同时，在纠错实力范围内，自动订正传输中的的同时，在纠错实力范围内，自动订正传输中的的同时，在纠错实力范围内，自动订正传输中的错误，而无需信息的重发。其编码增益能给系统错误，而无需信息的重发。其编码增益能给系统错误，而无需信息的重发。其编码增益能给系统错误，而无需信息的重发。其编码增益能给系统供应几个供应几个供应几个供应几个dBdB的富有度。的富有度。的富有度。的富有度。PMDPMD二、光二、光 纤纤n n光纤的损耗；光纤的损耗；n n光纤的色散；光纤的色散；n n光纤的非线性光纤的非线性色散展宽是提高通信速率的主要障碍色散展宽是提高通信速率的主
4、要障碍图 1图 2 0,D0,D DD 反常色散区反常色散区反常色散区反常色散区 2 200兰快红慢兰快红慢兰快红慢兰快红慢光脉冲的较高的频率分量光脉冲的较高的频率分量光脉冲的较高的频率分量光脉冲的较高的频率分量（兰移）比较低的频率分（兰移）比较低的频率分（兰移）比较低的频率分（兰移）比较低的频率分量（红移）传输得快量（红移）传输得快量（红移）传输得快量（红移）传输得快零色散零色散零色散零色散波长波长波长波长色散诱导啁啾色散诱导啁啾色散诱导啁啾色散诱导啁啾啁啾高斯脉冲展宽因子啁啾高斯脉冲展宽因子啁啾高斯脉冲展宽因子啁啾高斯脉冲展宽因子T T1 1/T/T0 0随传输距离的变化随传输距离的变化随
5、传输距离的变化随传输距离的变化异号时异号时异号时异号时 2 2C0C0C0，啁啾高，啁啾高，啁啾高，啁啾高斯脉冲单调展宽的速度斯脉冲单调展宽的速度斯脉冲单调展宽的速度斯脉冲单调展宽的速度比无啁啾脉冲的快比无啁啾脉冲的快比无啁啾脉冲的快比无啁啾脉冲的快 非线性非线性 克尔效应克尔效应自相位调制自相位调制 正啁啾正啁啾(t)(t)压窄压窄反常色散反常色散光纤中的非线性自相位调制光纤中的非线性自相位调制折射率：折射率：附加相移附加相移：附加频移附加频移：色散与非线性自相位调制共同作用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光脉冲具有一定的谱宽光脉冲具有一定的谱宽光脉冲具有一定的谱宽 展宽展
6、宽展宽展宽正常色散正常色散正常色散正常色散反常色散反常色散反常色散反常色散非线性自相位调制非线性自相位调制非线性自相位调制非线性自相位调制 上啁啾上啁啾上啁啾上啁啾 压窄压窄压窄压窄反常色散反常色散反常色散反常色散 LDLNL非线性效应非线性效应 占优势占优势高阶光孤子高阶光孤子传输传输脉冲呈压窄、展宽、分裂、复原周期性变化脉冲呈压窄、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脉冲传输无损光纤中的光孤子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无损光纤中的光孤子传输光孤子：利用非线
7、性平衡色散效应光孤子：利用非线性平衡色散效应缺点：维持色散与非线性间缺点：维持色散与非线性间缺点：维持色散与非线性间缺点：维持色散与非线性间的平衡条件过于精细，利用的平衡条件过于精细，利用的平衡条件过于精细，利用的平衡条件过于精细，利用非线性带来其它副作用非线性带来其它副作用非线性带来其它副作用非线性带来其它副作用多种非线性效应共同作用多种非线性效应共同作用色散限制色散限制色散限制色散限制WDMWDM孤子孤子孤子孤子色散位移光纤色散位移光纤色散位移光纤色散位移光纤一般单模光纤一般单模光纤一般单模光纤一般单模光纤非线性限制非线性限制非线性限制非线性限制非零色散位移光纤非零色散位移光纤非零色散位移
8、光纤非零色散位移光纤L L波段波段波段波段WDMWDMOTDMOTDM新型光纤新型光纤新型光纤新型光纤PMDPMD限制限制限制限制WDM/ETDMWDM/ETDM+OTDM+OTDMPMDPMDPMDPMD补偿技术补偿技术补偿技术补偿技术光纤的其它限制及解决方案光纤的其它限制及解决方案L+L+，S S，S+S+改善改善改善改善PMDPMDPMDPMD特特特特性的光纤性的光纤性的光纤性的光纤色散补偿色散补偿色散补偿色散补偿提升容量方法：单信道比特率提高提升容量方法：单信道比特率提高 OTDM 原理原理超短脉超短脉超短脉超短脉冲光源冲光源冲光源冲光源时钟源时钟源时钟源时钟源MODMODMODMOD
9、MODMODMODMOD延时延时延时延时EDFAEDFA耦合器耦合器耦合器耦合器时分时分时分时分解复解复解复解复用器用器用器用器时钟提取时钟提取时钟提取时钟提取接收机接收机接收机接收机MODMOD提升容量方法：多波段提升容量方法：多波段光放射机光放射机光放射机光放射机光放射机光放射机光放射机光放射机光放射机光放射机光放射机光放射机光放射机光放射机光放射机光放射机 N N 1 1 2 2 3 3光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机 N N 1 1 2 2 3 3复用器复用器复用器复用器解复用器解复用器解复
10、用器解复用器EDFAEDFA 波长稳定波长稳定波长稳定波长稳定、窄线宽、窄线宽、窄线宽、窄线宽 高速、小啁啾调制高速、小啁啾调制高速、小啁啾调制高速、小啁啾调制窄带、小串话、稳定滤波窄带、小串话、稳定滤波窄带、小串话、稳定滤波窄带、小串话、稳定滤波增益平坦、宽带、较高输出功率增益平坦、宽带、较高输出功率增益平坦、宽带、较高输出功率增益平坦、宽带、较高输出功率 高灵敏度高灵敏度高灵敏度高灵敏度 宽动态范围宽动态范围宽动态范围宽动态范围WDM(波分复用波分复用)L波段放大器，（波段放大器，（L波段波段EDFA+拉曼放大器）拉曼放大器）L波段的各种光子器件：波段的各种光子器件：LD，WDM，隔离器隔
11、离器 DCF!?提升对提升对L波段的器件要求波段的器件要求面临的问题面临的问题多波段带来的问题：非线性多波段带来的问题：非线性多波段带来的问题：非线性多波段带来的问题：非线性n n开拓新窗口开拓新窗口(L-Band)n n物理效应物理效应:宽频带导致的宽频带导致的SRS.光光纤非线性纤非线性n n增加信道密度增加信道密度n n物理效应物理效应:FWM,XPM 光纤非光纤非线性线性非线性不行完全补偿，它将恶化非线性不行完全补偿，它将恶化OSNR，成，成为为WDM系统容量提高的主要限制，它源于系统容量提高的主要限制，它源于面临的问题面临的问题几种技术方案几种技术方案n n拉曼分布放大拉曼分布放大F
12、RAn n前向纠错技术前向纠错技术FECn n传输光纤传输光纤n n信号调制格式信号调制格式n n新型可调谐器件新型可调谐器件n n如何应对如何应对PMD？补偿？好光纤？补偿？好光纤？n n3R再生再生三、光器件三、光器件n n激光器（可调谐）激光器（可调谐）激光器（可调谐）激光器（可调谐）n n放大器（增益均衡）放大器（增益均衡）放大器（增益均衡）放大器（增益均衡）n n调制器调制器调制器调制器n n探测器（波长选择）探测器（波长选择）探测器（波长选择）探测器（波长选择）n n光隔离器光隔离器光隔离器光隔离器n n环行器环行器环行器环行器n n光开关光开关光开关光开关n n波长变换器波长变换
13、器波长变换器波长变换器n n上下话路器上下话路器上下话路器上下话路器n n分束分束分束分束/合束器合束器合束器合束器n n波分复用波分复用波分复用波分复用/解复用器解复用器解复用器解复用器n n滤波器滤波器滤波器滤波器n n受激辐射受激辐射受激辐射受激辐射n n非线性效应非线性效应非线性效应非线性效应n n半导体光电效应半导体光电效应半导体光电效应半导体光电效应n n基于晶体的电光、磁基于晶体的电光、磁基于晶体的电光、磁基于晶体的电光、磁光、声光效应光、声光效应光、声光效应光、声光效应n n基于波导的电光、磁基于波导的电光、磁基于波导的电光、磁基于波导的电光、磁光、声光效应光、声光效应光、声光
14、效应光、声光效应n n基于光纤的电光、磁基于光纤的电光、磁基于光纤的电光、磁基于光纤的电光、磁光、声光效应光、声光效应光、声光效应光、声光效应n n微机械微机械微机械微机械n n干涉干涉干涉干涉n n波导或光纤中的模式波导或光纤中的模式波导或光纤中的模式波导或光纤中的模式耦合耦合耦合耦合光电子器件的新进展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，往光通信器件是光通信系统的基础，没有器件就没有系统，往光通信器件是光通信系统的基础，没有器件就没有系统，往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。目前器件往一个新器件
15、的出现可以引起整个系统的重大革新。目前器件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：的发展和升值方向为：的发展和升值方向为：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、波波长可选择、可调谐：多波长激光源、可调谐光探测器、波波长可选择、可调谐：多波长激光源、可调谐光探测器、波波长可选择、可调谐：多波长激光源、可调谐光探测器、波分复用分复用分复用分复用/解复用器、波长转换器、增益平坦光放大器、光开关解复用器、波长转换器、增益平坦光放大器、光开关解复用器、波长转换器、增益平坦光放大器、光开
16、关解复用器、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、可调谐光滤波器矩阵、可调色散补偿器、可调谐光滤波器矩阵、可调色散补偿器、可调谐光滤波器矩阵、可调色散补偿器、可调谐光滤波器 集成化集成化集成化集成化:多功能集成、有源和无源集成多功能集成、有源和无源集成多功能集成、有源和无源集成多功能集成、有源和无源集成 小型化、智能化：能敏捷地动态限制小型化、智能化：能敏捷地动态限制小型化、智能化：能敏捷地动态限制小型化、智能化：能敏捷地动态限制 全光纤化（基于光纤光栅）和半导体功能器件集成化全光纤化（基于光纤光栅）和半导体功能器件集成化全光纤化（基于光纤光栅）和半导体功能器件集成化全光纤
17、化（基于光纤光栅）和半导体功能器件集成化 高牢靠：通信设备要求连续运用寿命高牢靠：通信设备要求连续运用寿命高牢靠：通信设备要求连续运用寿命高牢靠：通信设备要求连续运用寿命2525年年年年 产品走向：市场、技术难度、成本产品走向：市场、技术难度、成本产品走向：市场、技术难度、成本产品走向：市场、技术难度、成本(backbone-metro-access)(backbone-metro-access)下一代下一代WDM网络中的光通信器件网络中的光通信器件v S S波段和波段和波段和波段和L L波段应用的光通信器件波段应用的光通信器件波段应用的光通信器件波段应用的光通信器件v 基基基基于于于于技技技
18、技术术术术组组组组合合合合的的的的用用用用于于于于超超超超密密密密集集集集波波波波分分分分复复复复用用用用的的的的光光光光通通通通信信信信器器器器件件件件(如如如如：WDMWDM和和和和光光光光开开开开关关关关可可可可组组组组合合合合成成成成一一一一个个个个全全全全光光光光的的的的波波波波长长长长路路路路由器）由器）由器）由器）v 用用用用于于于于城城城城域域域域网网网网的的的的WDMWDM器器器器件件件件：低低低低价价价价、可可可可扩扩扩扩展展展展和和和和分分分分插插插插复用复用复用复用v 用用用用于于于于40Gb/s40Gb/s系系系系统统统统的的的的光光光光通通通通信信信信器器器器件件件
19、件：低低低低色色色色散散散散，宽宽宽宽带带带带宽宽宽宽的波分复用器件、动态增益均衡、动态色散限制的波分复用器件、动态增益均衡、动态色散限制的波分复用器件、动态增益均衡、动态色散限制的波分复用器件、动态增益均衡、动态色散限制v 用于全光网的光通信器件：动态波长的供应用于全光网的光通信器件：动态波长的供应用于全光网的光通信器件：动态波长的供应用于全光网的光通信器件：动态波长的供应四、光接收机四、光接收机n n光接收机的灵敏度光接收机的灵敏度n n灵敏度恶化灵敏度恶化功率代价功率代价n n误码率曲线误码率曲线n n眼图眼图Transponder 2.5Gb/s2.5Gb/sOptical TxOpt
20、ical Tx1:161:16MultiplexerMultiplexer2.5GHz2.5GHzPLLPLLClock SynClock Syn1:161:16DeMultiplexerDeMultiplexer2.5Gb/s2.5Gb/sOptical RxOptical Rx+3.3V DC TO DC+3.3V DC TO DCConventerConventerLaser DisableaLaser DisableaLaser Biss MonLaser Biss Mon2.5 G Data2.5 G Data2.5GHZ2.5GHZ2.5Gb/s2.5Gb/s Optical Ou
21、tput Optical Output2.5Gb/s2.5Gb/s Optical Output Optical OutputDO INDO IN2.5 G Data2.5 G Data2.5 G Clock2.5 G ClockLOS/LOFLOS/LOFD15 IND15 IN155 Mb/s155 Mb/sRef ClockRef ClockLOOP Back(2)LOOP Back(2)DO OutDO OutD15 OutD15 Out155 M Clock Out155 M Clock OutFrame PulseFrame PulseLineLineLoop BackLoop B
22、ackLocalLocalLoop BackLoop Back+5v+5v-5.2v-5.2v+3.3+3.3五、五、WDM系统的发展趋势系统的发展趋势n n单路超高速单路超高速40Gb/s,160Gb/s,640Gb/sn n超密信道间距超密信道间距10GHz 信道数攀升信道数攀升1022 Channeln n展宽波长范围展宽波长范围C-Band,L-Band,S-Bandn n超长无中继超长无中继450km with remote Ampn n超长传输距离超长传输距离n n网络化网络化系统与网络系统与网络 系统与网络的探讨中，目前关注的热点有：系统与网络的探讨中，目前关注的热点有：系统与网
23、络的探讨中，目前关注的热点有：系统与网络的探讨中，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；如何扩大系统的容量速率、带宽、波长密集度；如何扩大系统的容量速率、带宽、波长密集度；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接受什么光纤和放大器；如何延长中继的跨距接受什么光纤和放大器；如何延长中继的跨距接受什么光纤和放大器；如何延长中继的跨距接受什么光纤和放大器；光限幅器和光限幅器和光限幅器和光限幅器和3R3R的全光再生（放大、整形和定时）；的全光再生（放大、整形和定时）；的全光再生（放大、整形和定时）；的全光再生（放大、整形和定时）；如何组建如何组建如何组建如何组建WDMWDM网如何上下路，如何爱护；网如何上下路，如何爱护；网如何上下路，如何爱护；网如何上下路，如何爱护；WDM WDM的好用化现在什么系统将可商用；的好用化现在什么系统将可商用；的好用化现在什么系统将可商用；的好用化现在什么系统将可商用；IP over WDM IP over WDM的进展；的进展；的进展；的进展；光传送网（光传送网（光传送网（光传送网（OTN)OTN)和全光网的进展；和全光网的进展；和全光网的进展；和全光网的进展；