光纤通信系统组成1课件.ppt

1、第第9章章 光纤通信系统简介光纤通信系统简介9.1 光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成9.2 光复用技术光复用技术9.3 光纤通信系统的分类光纤通信系统的分类9.3 光纤通信的发展现状光纤通信的发展现状9.4 光纤通信新技术光纤通信新技术光纤通信是光波为载波，光纤为传输介质的通信方式。光纤只能传输光信号，不能传输电信号，通信系统在发送端必须先把电信号变成光信号，在接收端再把光信号变为电信号，即电/光和光/电转换。9.1 9.1 光纤通信系统组成和基本原理光纤通信系统组成和基本原理 光纤通信概念光纤通信概念数字信号传输过程数字信号传输过程系统中的各种干扰系统中的各种干扰最终产生误码最终

2、产生误码一个基本的光纤通信系统由三大部分构成：光发射机、光纤光缆、光接收机。输出电信号放大恢复输入电信号光发射机光纤光缆光接收机调制光源中继器光纤光缆光电检测 光纤通信系统组成光纤通信系统组成光发射机的功能：把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。光发射机由光源、调制器和信道耦合器组成。光纤光纤光源：光源：光源是实现电/光转换的关键器件，在很大程度上决定着光发射机的性能。通信用光源的要求如下 ： 发射的光波长应和光纤通信使用的“窗口”一致，即中心波长应在1.31m和1.55m附近。光谱单色性要好， 即谱线宽度要窄， 以减小光纤色散对带宽的限制。 光源：光源：光源种

3、类：光源种类：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。发光二极管输出非相干光； 半导体激光器输出相干光。 LD输出光功率较大，光功率较大，谱线窄，方向谱线窄，方向性好，性好，适合长距离，大容量的通信系统。但寿命较短，价格高。LED光功率较小，谱线宽，调制速率较低，寿命较光功率较小，谱线宽，调制速率较低，寿命较长，价格低。长，价格低。适合短距离，小容量的通信系统。在短波段(800900nm)，常使用镓铝砷(GaAlAs)LD和LED，在长波段(10001600nm)，常用铟镓砷磷(InGaAsP)LED光信号调制方式：光信号是用电信号调制光载波产生的。分为直接调制和外调制两种

4、。直接调制：通过改变注入电流直接调制半导体光源的输出。广泛应用的是直接光强(功率)调制。 外调制：在光路上设置一个光调制器对光进行调制。LDLD 内调制（直接调制）内调制（直接调制）输入接口线路编码调制电路控制电路电信电信号输号输入入光信号输出光信号输出将要传送的信息转变为电流信号注入将要传送的信息转变为电流信号注入LD或或LED耦合耦合器器P激激光光器器输输出出功功率率IthI输输入入电电信信号号曲曲线线IP-IbPb输输出出光光信信号号驱驱动动电电流流tt模拟信号对 LD 调制数字信号对数字信号对 LD 调制调制PI曲曲线线IP-激激光光器器输输出出功功率率Ith驱驱动动电电流流输输入入电

5、电脉脉冲冲输输出出光光脉脉冲冲tPth对 LD 直接调制电电信信号号驱驱动动LD低低频频电电信信号号调调制制后后的的光光波波调调制制光光输出光信号反映输入电信号。数字光纤通信系统普遍采用二进输出光信号反映输入电信号。数字光纤通信系统普遍采用二进制二电平码，即制二电平码，即“有光脉冲有光脉冲”表示表示“”码，码， “无光脉冲无光脉冲”表表示示“0”码。码。防止防止LDLD输出的输出的激光反射，实激光反射，实现光的单向传现光的单向传输输数据数据电接口电接口线路线路编码编码驱动驱动电路电路调制器调制器光隔离器光隔离器LDLD 外调制外调制控制电路将调制信号控制调制器，利用调制器的电光、声光等物理效应

6、将调制信号控制调制器，利用调制器的电光、声光等物理效应使其输出光的强度等参数随信号而变。使其输出光的强度等参数随信号而变。外调制方法外调制方法激光部分调制部分M-ZM-Z型电光调制器型电光调制器电吸收调制器电吸收调制器外调制示意图外调制示意图外外调调制制器器放放大大器器 电电信信号号调调制制光光电电调调制制信信号号调调制制后后的的光光波波LDL LD D 输输出出连连续续光光波波 M-Z型电光幅度调制器型电光幅度调制器LiNbO3 tV共平面共平面条形电极条形电极偏振光输入偏振光输入调制信号调制信号波导波导3LiNbO-Ti输出输出DCABEa+ +- - -ABtt00输出输出光信号光信号调

7、制调制电信号电信号LiNbO3 tV共平面共平面条形电极条形电极偏振光输入偏振光输入调制信号调制信号波导波导3LiNbO-Ti输出输出DCAB电光调制器工作原理电光调制器工作原理由于加在两个分支中的电场方向相反，所以在两个分由于加在两个分支中的电场方向相反，所以在两个分支中的折射率和相位变化也相反，例如若在支中的折射率和相位变化也相反，例如若在A A分支中引分支中引入的相位变化入的相位变化 /2/2，那么在，那么在B B分支则引入分支则引入- - /2/2相位的变相位的变化，因此化，因此A A、B B分支将引入相位分支将引入相位 的变化。的变化。 两个理想的背对背相位两个理想的背对背相位调制器

8、，在外电场的作调制器，在外电场的作用下，能够改变两个分用下，能够改变两个分支中待调制传输光的相支中待调制传输光的相位。位。LiNbO3 tV共平面共平面条形电极条形电极偏振光输入偏振光输入调制信号调制信号波导波导3LiNbO-Ti输出输出DCAB由于外加电场控制着两个分支中相干光的相位差，由于外加电场控制着两个分支中相干光的相位差，所以外加电场也控制着输出光的强度，从而对幅所以外加电场也控制着输出光的强度，从而对幅度进行了调制。调制带宽可达度进行了调制。调制带宽可达 20 GHz。电光调电光调制器工制器工作原理作原理电光调制器基于晶体和各向异性聚合物中的线性电光电光调制器基于晶体和各向异性聚合

9、物中的线性电光效应，即电光材料的折射率效应，即电光材料的折射率n随施加的外电场随施加的外电场E而变化，而变化，即即n = n（E） ，像，像LiNbO3这样的电光材料，它的折射这样的电光材料，它的折射率明显随施加的外电压而改变，从而实现对光的调制。率明显随施加的外电压而改变，从而实现对光的调制。电光调制器工作原理电光调制器工作原理yxyx加电压前电光调制原理电光调制原理VVLnnyx)(263302nV yxyx当光沿晶体光轴z方向传播时，经过长度为L的晶体后，由于晶体的电光效应，两个正交的偏振分量将产生位相差：电光调制原理电光调制原理VVLnnyx)(263302nV yxyxP1 P2LV

10、yxz电光调制原理电光调制原理VVLnnyx)(263302nV yxyxP1 P2L-VyxzLiNbO3 tV共平面共平面条形电极条形电极偏振光输入偏振光输入调制信号调制信号波导波导3LiNbO-Ti输出输出DCABEa+ +- - -ABtt00输出输出光信号光信号调制调制电信号电信号 电吸收调制器电吸收调制器(EAM, Electro Absoption Modulator)是一种是一种p-i-n半导体器件，其半导体器件，其 i 层对光的吸收损耗与外加的调制电压有层对光的吸收损耗与外加的调制电压有关。关。 当调制电压使当调制电压使 p-i-n 反向偏置时，入射光完全被反向偏置时，入射光

11、完全被 i 层吸收，层吸收，相当于输出相当于输出 “0” 码；码； 反之，当偏置电压为零时，势垒消失，入射光不被反之，当偏置电压为零时，势垒消失，入射光不被 i 层吸收层吸收而让其通过，相当于输出而让其通过，相当于输出 “1” 码，从而实现对入射光的调码，从而实现对入射光的调制。制。 电吸收波导调制器电吸收波导调制器+pinpin入射光入射光入射光入射光 h hMQWttPP00tV0-V调制调制电信号电信号VV电吸收调制器电吸收调制器(EAM, Electro Absoption Modulator)是一种是一种p-i-n半导体器件，其半导体器件，其 i 层由多量子阱层由多量子阱（MQW）波

12、导构成。）波导构成。 i 层对光的吸收损耗与外加层对光的吸收损耗与外加的调制电压有关。的调制电压有关。当调制电压使当调制电压使 p-i-n 反向偏置时，入射光完全被反向偏置时，入射光完全被 i 层吸收，相当于输出层吸收，相当于输出 “0” 码；码；反之，当偏置电压为零时，势垒消失，入射光不被反之，当偏置电压为零时，势垒消失，入射光不被 i 层吸收而让其通过，相当于输出层吸收而让其通过，相当于输出 “1” 码，从而实码，从而实现对入射光的调制。现对入射光的调制。 电吸收波导调制器电吸收波导调制器1.02.03.03.04.00.00.20.40.60.81.0归归一一化化透透光光强强度度T T反

13、向偏置电压V（V）反向偏置电压V（V）电吸收调制器是一种p-i-n半导体器件，其 i 层由多量子阱（MQW）波导构成。 i 层对光的吸收损耗与外加的电压有关。电吸收调制器透光率和反向偏压的关系电吸收调制器透光率和反向偏压的关系电吸收调制器吸收系数和波长的关系电吸收调制器吸收系数和波长的关系2000400060008000波长波长1200125013001350140003.0吸吸收收系系数数 1cm ()0V-2V-4V（nm）光传输部分光纤光传输部分光纤光纤传输特性主要包括损耗、色散和非线性三个方面。光纤通信系统对光纤传输特性总的要求是有尽可能低的损耗和尽可能小的色散。损耗l由于损耗效应，使

14、信号光强度大大减弱，低于接收探测器的灵敏度后系统不能正常工作。l可以通过光放大技术进行补偿色散l由于色散引起的信号畸变。l对于高速率的系统（ 10Gb/s及以上）要实现长距离传输，必须采用色散补偿技术。色散补偿光纤(DCF)补偿法、啁啾光纤光栅(DCG)补偿法。2、光接收机：、光接收机：光接收机的功能：是把从光纤线路输出、产生畸变光接收机的功能：是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。理后恢复成发射前的电信号。光接收机组成：由光探测器、放大器和相关电路组光接收机组成：由光探测器、放大器和相关电

15、路组成，光探测器是光接收机的核心。成，光探测器是光接收机的核心。 对光探测器的要求是响应度高、对光探测器的要求是响应度高、 噪声低和响应速噪声低和响应速度快。度快。 光纤通信系统常用探测器：PIN光电二极管和雪崩光电二极管APD 短波长段：Si-APD 长波长段：Ge-APD； InGaAsP-APD；PIN接收方式：直接检测方式/外差检测方式 直接检测的设备简单、经济，是当前实用光纤通信系统普遍采用的接收方式。 外差检测方式能大幅度提高光接收机的灵敏度，但设备比较复杂，对光源的频率稳定度和光谱宽度要求很高。 光接收机组成框图光接收机组成框图 光接收机的前端光接收机的前端n前端：由光电探测器和

16、前置放大器组成。前端：由光电探测器和前置放大器组成。n作用：将耦合入光电探测器的光信号转换为电流作用：将耦合入光电探测器的光信号转换为电流信号，然后进行预放大（电流电压转换），以便信号，然后进行预放大（电流电压转换），以便后级作进一步处理。是光接收机的核心。后级作进一步处理。是光接收机的核心。n要求：低噪声、高灵敏度、足够的带宽要求：低噪声、高灵敏度、足够的带宽光检测器的选择：要视具体应用场合而定。lPIN光电二极管具有良好的光电转换线性度，不需要高的工作电压，响应速度快。lAPD最大的优点是它具有载流子倍增效应，其探测灵敏度特别高，但需要较高的偏置电压和温度补偿电路。l从简化接收机电路考虑，

17、一般情况下大多采用PIN光电二极管作光探测器。前置放大器的主要作用是保持探测的电信号不失真地放大和保证噪声最小，一般采用场效应晶体管(FET)。PIN/FET和APD/FET。光接收机组成框图光接收机组成框图线性通道光接收机组成框图光接收机组成框图判决再生与时钟提取任务：把线性通道输出的波形恢复成数字信号任务：把线性通道输出的波形恢复成数字信号判决即是用一判决电平与判决即是用一判决电平与均衡器输出信号进行比较，均衡器输出信号进行比较，以确定某时隙码元为以确定某时隙码元为“1”1”还是为还是为“0”0”，当在判决时，当在判决时刻输出的电压信号比判决刻输出的电压信号比判决电平高，则判断为电平高，则

18、判断为“1”1”码，码，否则判断为否则判断为“0”0”码。若判码。若判决结果为决结果为“1”1”，则由再生，则由再生电路产生一个矩形电路产生一个矩形“1”1”脉脉冲；若判决结果为冲；若判决结果为“0”0”，则由再生电路重新输出一则由再生电路重新输出一个个“0”0”。为了精确地确定为了精确地确定“判决时判决时刻刻”，需要从信号码流中提，需要从信号码流中提取准确的时钟信息作为标定，取准确的时钟信息作为标定，以保证与发送端一致。以保证与发送端一致。判判决决器器时钟恢复时钟恢复输出输出 1 1 0 1 0 1 判决、再生过程均衡器输均衡器输出波形出波形时钟时钟再生后再生后的信号的信号判决电压判决电压3

19、、光中继器、光中继器光脉冲经过光纤传输一定距离后，由于光纤的损耗光脉冲经过光纤传输一定距离后，由于光纤的损耗和色散的影响，其幅度衰减，波形发生畸变，限制了和色散的影响，其幅度衰减，波形发生畸变，限制了长距离传输。为此需要一个光中继器来放大衰减的信长距离传输。为此需要一个光中继器来放大衰减的信号，恢复畸变了的信号。号，恢复畸变了的信号。放大恢复输入电信号光发射机光纤光缆光接收机调制光源中继器光纤光缆光电检测3R： re-amplifying 再放大（光放大器的功能）再放大（光放大器的功能） re-timing 再定时再定时 （消除时间抖动）（消除时间抖动） re-shaping 再整形再整形 （

20、消除波形畸变）（消除波形畸变）通过这通过这3个个R，得到接近于发射端的光信号的，得到接近于发射端的光信号的 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。 光中继器的光中继器的3R功能：功能：光中继方式：光中继方式：光光电电光方式和光光方式和光光方式两种光方式两种光光电电光方式：光方式：实际上是一个接收机一个发送机对，它将检测到的微实际上是一个接收机一个发送机对，它将检测到的微弱变形光信号，变为电信号，经放大整形后变成规则弱变形光信号，变为电信号，经放大整形后变成规则的电比特流，再调制光发送机，恢复原光比特流继续的电比特流，再调制光发送机，恢复原光比特流继续沿光纤传

21、输。沿光纤传输。光一光方式：光一光方式：是直接将光信号进行光放大，而无须先将光信号转换是直接将光信号进行光放大，而无须先将光信号转换成电信号。近年来迅速发展起来的光放大器，就可以成电信号。近年来迅速发展起来的光放大器，就可以用于光用于光光中继方式的光放大器。光中继方式的光放大器。 光放大器光放大器光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要里程碑。光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光电光(O-E-O)变换方式。l装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道，在WDM系统中复杂性和成本倍增，可实现1R、2R、3R中继光放大器（O-O-O）l多波长放大、低成本，只能实现1R中继光放大器的原理光放

22、大器的功能：提供光信号增益，以补偿光信号在通路中的传输衰减，增大系统的无中继传输距离。在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数反转（非线性光纤放大器除外），然后通过受激辐射实现对入射光的放大。光放大器是基于受激辐射或受激散射原理实现入射光信号放大的一种器件。其机制与激光器完全相同。实际上，光放大器在结构上是一个没有反馈或反馈较小的激光器。光放大器的类型利用稀土掺杂的光纤放大器（EDFA、PDFA）利用半导体制作的半导体光放大器（SOA）利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器（FRA、FBA）几种光放大器的比较放大器类型原理激励方式工作长度噪声特性与光纤耦合与光偏振关系稳定性掺稀土光纤放大器粒

23、子数反转光数米到数十米好容易无好半导体光放大器粒子数反转电100m1mm差很难大差光纤(喇曼)放大器光学非线性(喇曼)效应光数千米好容易大好掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器EDFA简介简介掺杂光纤放大器利用掺入石英光纤的稀土离子作为增益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放大，放大器的特性主要由掺杂元素决定：工作波长为1550nm的铒(Er)掺杂光纤放大器(EDFA-Er-Doped Fiber Amplifier)工作波长为1300nm的镨(Pr)掺杂光纤放大器(PDFA)工作波长为1400nm的铥(Tm)掺杂光纤放大器(TDFA)目前，EDFA最为成熟，是光纤通信系统必备器件。为什么要用掺铒光纤

24、放大器？工作频带正处于光纤损耗最低处(1525-1565nm)；频带宽，可以对多路信号同时放大-波分复用；对数据率/格式透明，系统升级成本低；增益高(40dB)、输出功率大(30dBm)、噪声低(45dB)；全光纤结构，与光纤系统兼容；增益与信号偏振态无关，故稳定性好；所需的泵浦功率低(数十毫瓦)。EDFA中的中的Er3+能级结构能级结构泵浦波长可以是520、650、800、980、1480nm波长短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。hvhvhv掺铒光纤放大器（掺铒光纤放大器（ EDFA）的工作原理）的工作原理当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时，Er3+从低能级被激

25、发到高能级上，由于在高能级上的寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较低能级上，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。若输入的信号光的光子能量等于E2和E1之间能量差，则电子从E2跃迁到E1，产生受激辐射光，故光信号被放大。EDFA的工作原理的工作原理三种泵浦方式的EDFA光发光发射机射机光接光接收机收机EDFA光发光发射机射机光接光接收机收机光发光发射机射机光接光接收机收机 中继放大器中继放大器EDFAEDFA前置放大器前置放大器后置放大器后置放大器掺铒光纤放大器的应用掺铒光纤放大器的应用数字光纤通信系统结构数字光纤通信系统结构系统结构系统结构PCM端机，输入端机，输入/输出接口输出接口基本组成

26、部分：光发送基本组成部分：光发送/接收端机，光纤线路，光接收端机，光纤线路，光中继器中继器光发送端机输入接口PCM端机输入电信号光信号光中继器光信号PCM端机输出接口光接收端机电信号输入光纤线路光纤线路模拟信号367512抽样量化编码0246011110111101001010（3） （6） （7） （5） （1） （2）TPCM编码过程编码过程按一定频率抽样，周期按一定频率抽样，周期T T每个量化信号用每个量化信号用8 8个比特二个比特二进制代码替代。进制代码替代。用单极性二进制码表示数用单极性二进制码表示数字信号字信号光发射机原理框图光发射机原理框图 电信号输入电信号输入光发射机光纤光缆调

27、制光源1 0 1 0 1 11 0 1 0 1 1主放主放大器大器峰值峰值检波检波均 衡均 衡器器判决判决再生再生高压直高压直流变换流变换器器前置前置放大放大AGCAGC定时定时提取提取APDAPD光 信光 信号号电信号电信号数字光纤通信系统数字光纤通信系统光接收机电原理图数字信号传输过程数字信号传输过程各种干扰各种干扰最终产生误码最终产生误码例题：某光纤通信系统的参数为：例题：某光纤通信系统的参数为： 光发送机平均发送光功率光发送机平均发送光功率Pmax= -5 dBm 光接收机灵敏度光接收机灵敏度Pr= -43 dBm 光纤损耗系数光纤损耗系数 =0.4 dB/km 系统富余度系统富余度M

28、=6dB 活接头损耗活接头损耗AC=0.5dB 每公里接续损耗每公里接续损耗 s= 0.025dB/km 无需中继器，所能传输的最长距离是多少无需中继器，所能传输的最长距离是多少损耗受限系统设计损耗受限系统设计（不考虑色散）（不考虑色散） 解： 最大允许链路损耗=Pt-Pr= -5 (-43) = 38dBm 光纤损耗 (光纤+熔接) = (0.4dB+0.025dB) L 连接器损耗 = 1dB ( 2个连接器, 每个0.5 dB) 系统余量= 6dB 因此，总体链路损耗 = (0.425L+1+6)dB最大传输距离最大传输距离= (38-1-6)/0.425=72.9 km (答案答案)光

29、纤通信系统中，信息是通过编码脉冲序列在光纤中传光纤通信系统中，信息是通过编码脉冲序列在光纤中传输的，光脉冲的宽度由系统的比特率输的，光脉冲的宽度由系统的比特率B B决定，因而不希决定，因而不希望色散展宽而产生误码。但实际上总是会引起脉冲展宽，望色散展宽而产生误码。但实际上总是会引起脉冲展宽，脉冲展宽会导致相邻比特周期的信号重叠，从而限制了脉冲展宽会导致相邻比特周期的信号重叠，从而限制了光纤通信系统的比特率光纤通信系统的比特率B B和传输距离和传输距离L L，而，而BLBL积是评价积是评价系统传输性能的基本参数，称为系统传输性能的基本参数，称为通信容量通信容量。对于对于色散系数色散系数s s=1

30、7 (ps/nm.km), =1550nm的系统的系统,通常采用经验公式通常采用经验公式: B2L6000 (Gb/s)2.km当B=2.5Gb/s时,L960km当B=10Gb/s时,L60km色散受限传输距离分析色散受限传输距离分析 9.2 光复用技术光复用技术为了提高通信线路的利用率，所采用的复用技术，可为了提高通信线路的利用率，所采用的复用技术，可使同一传输线路上同时传输多路不同信号而互不干扰。使同一传输线路上同时传输多路不同信号而互不干扰。 波分复用波分复用 (WDMWavelength Division Multiplexing) 频分复用频分复用 ( FDMFrequence D

31、ivision Multiplexing ) 时分复用时分复用 (OTDMOptical Time Division Multiplexing) 光码分复用光码分复用(OCDM Optical Code Division Multiplexing) 波分复用波分复用（-Wavelength Division Multiplexing)波分复用是在一根光纤中同时传输多个不同波长的光信号的技术。将光纤的低损耗窗口划分成若干个波段，每个波段用作一个独立的通道传输一种预定波长的光信号。80001.02.03.04.010001200140016001800载波频率信道间隔110 GHz波长 / nm衰

32、减 / (dBkm1)WDM基本工作原理：基本工作原理：在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用），并耦合进光缆线路上同一根光纤中进行传输，在接收端将组合波长的光信号进行分离（解复用），并作进一步处理后恢复出原信号送入不同终端。光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机 NN 1 1 2 2 3 3EDFAEDFAMUXMUXDEMUXDEMUX典型的点对点光纤通信系统典型的点对点光纤通信系统 1 1 NN 3 3 2 2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 波分复用原理示意图波分复用原理示意图WDM系统波长区分配目前光波分复用系统的工作主要波

33、长：目前光波分复用系统的工作主要波长：15301562nm（C-band)通信系统的设计不同，每个波长之间的间隔宽度也有不同。按照通道间隔的不同，WDM可以细分为CWDM(稀疏波分复用)和DWDM(密集波分复用)。CWDM的信道间隔为20nm，而DWDM的信道间隔从0.2nm 到1.2nm，所以相对于DWDM，CWDM称为稀疏波分复用技术。 波分复用是目前研究最多、发展最快、应用最为广泛的光复用技术。经过数年的发展和应用，波分复用技术已趋于成熟，而且越来越成为现代通信系统中不可替代的传输技术。目前，波分复用系统的传输容量正以极快的速度增长，直接基于WDM传输的业务也越来越多。EDFAMUX发送

34、机DEMUX接收机为了进一步提高光纤带宽利用率，相邻两光载波的间隔将越来越小，一般认为：当相邻光载波的间隔小到0.1nm(10GHz)以下时，此时的复用称为光频分复用光频分复用。光频分复用（光频分复用（ OFDM) ）80001.02.03.04.010001200140016001800载波频率信道间隔110 GHz波长 / nm衰减 / (dBkm1)解波分复用器件基于多层介质薄膜滤波器的波分复用器基于多层介质薄膜滤波器的波分复用器透镜透镜透镜透镜透镜透镜透镜透镜透镜窄带滤波器光纤13571,2,8光纤2486玻璃衬底光纤光时分复用技术指利用高速光开关把多路光信号在时域光时分复用技术指利用

35、高速光开关把多路光信号在时域里复用到一路上的技术。其基本原理是把时间分割成周里复用到一路上的技术。其基本原理是把时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙，然后根据一定期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙，然后根据一定的时隙分配原则，使每个信源在每帧内只能按指定的时的时隙分配原则，使每个信源在每帧内只能按指定的时隙向信道发送信号，接收端在同步的条件下，分别在各隙向信道发送信号，接收端在同步的条件下，分别在各个时隙中取回各自的信号而不混扰。个时隙中取回各自的信号而不混扰。 1复复接接器器2N分分接接器器12N12N时隙时隙帧帧(a)光时分复用光时分复用 (OTDMOptical Time Di

36、vision Multiplexing)光时分复用原理光时分复用原理IIIIII光光开开关关根据一定的时隙分配原则，每个信源在每帧根据一定的时隙分配原则，每个信源在每帧内只能按指定的时隙向信道发送信号内只能按指定的时隙向信道发送信号 光开关的功能是转换光路，实现光信号的交换。光开关的功能是转换光路，实现光信号的交换。 光开关分类：光开关分类：机械光开关（包括微机械光开关）机械光开关（包括微机械光开关）波导光开关（波导光开关（利用电光、磁光、热光和声光效应）光开关光开关光交换部件光交换部件 光开关的功能是转换光路，实现光信号的交换。光开关的功能是转换光路，实现光信号的交换。 光开关分类光开关分类

37、机械光开关（包括微机械光开关）机械光开关（包括微机械光开关）波导光开关（波导光开关（利用电光、磁光、热光和声光效应）光开关光开关光交换部件光交换部件微机电开关微机电开关微机电系统微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Michanical Systems)构成的微机电光开关已成为构成的微机电光开关已成为DWDM网中网中大容量光交换技术的主流产品。大容量光交换技术的主流产品。它是一种在半导体衬底材料上，用传统的半导体它是一种在半导体衬底材料上，用传统的半导体工艺制造出可以前倾后仰、上下移动或旋转的微工艺制造出可以前倾后仰、上下移动或旋转的微反射镜阵列，在驱动力的作用下，对输入光信号反射

38、镜阵列，在驱动力的作用下，对输入光信号可切换到不同输出光纤的微机电系统。可切换到不同输出光纤的微机电系统。微反射镜微反射镜(Micro-Mirror)通常微反射镜的尺寸只有通常微反射镜的尺寸只有140 m 150 m，驱动力可，驱动力可以利用热力效应、磁力效应和静电效应产生。以利用热力效应、磁力效应和静电效应产生。机械光开关机械光开关可旋转微反射镜可旋转微反射镜 MEMS 光开关光开关微反微反射镜射镜输出输出波导1波导1输入输入波导波导衬底衬底控制控制信号信号V V入射光入射光出射光出射光出射光出射光输出输出波导2波导2取向1取向1取向2取向288 MEMS光开关阵列光开关阵列Digital

39、MEMS optical switches Input Output 微机械光开关进展微机械光开关进展用贝尔实验室开发的用贝尔实验室开发的 MEMS 技术（微透镜），已微透镜），已实现实现 256 256 的光交叉连接（交换能力的光交叉连接（交换能力 10 万亿万亿比特比特/s），是世界上第一个），是世界上第一个10 G 光交叉连接系统；光交叉连接系统；2001年已达到年已达到 1024 1024；它可以运行在任何光层速率，包括它可以运行在任何光层速率，包括 40Gb/s以及更以及更高的速率。高的速率。波导光开关波导光开关开关时间短（毫秒到亚毫秒量级）；开关时间短（毫秒到亚毫秒量级）；体积非常

40、小，而且易于大规模集成；体积非常小，而且易于大规模集成；但插入损耗、隔离度、消光比和偏振敏感性指标都但插入损耗、隔离度、消光比和偏振敏感性指标都比较差。比较差。马赫马赫-曾德尔曾德尔1 1波导光开关波导光开关LiNbO3 tV共平面共平面条形电极条形电极偏振光输入偏振光输入波导波导3LiNbO-Ti输出输出DCEa+ +- - -A AB B控制信号控制信号控制信号控制信号t tt t输出光输出光 tVtAEcoscos2outputLiNbO3 tV共平面共平面条形电极条形电极偏振光输入偏振光输入波导波导3LiNbO-Ti输出输出DCEa+ +- - -A AB B控制信号控制信号控制信号控

41、制信号t tt t输出光输出光 tVtAEcoscos2output利用电光效应原理也可以构成波导光开关。由两个利用电光效应原理也可以构成波导光开关。由两个Y形波导构成的马赫形波导构成的马赫-曾德尔曾德尔1 1光开关，与幅度调制光开关，与幅度调制器类似，在理想的情况下，输入光功率在器类似，在理想的情况下，输入光功率在C点平均点平均分配到两个分支传输，在输出端分配到两个分支传输，在输出端D干涉，其输出幅干涉，其输出幅度与两个分支光通道的相位差有关。当度与两个分支光通道的相位差有关。当A、B分支的分支的相位差相位差 为为0时输出功率最大，当时时输出功率最大，当时 ，两个分支，两个分支中的光场相互抵

42、消，使输出功率最小，在理想的情中的光场相互抵消，使输出功率最小，在理想的情况下为零。相位差的改变由外加电场控制。况下为零。相位差的改变由外加电场控制。光开关原理光开关原理光码分复用光码分复用(OCDM Optical Code Division Multiplexing)l光码分复用技术是光码分复用技术是在同一光纤中传输多个信道，在同一光纤中传输多个信道，而而每个信道都有一个特有的编码方式来传送其信每个信道都有一个特有的编码方式来传送其信号。号。l基本原理是不同信道的信号用互成正交的不同码基本原理是不同信道的信号用互成正交的不同码序列序列来传送来传送，用各个信道的信号调制同一光波，用各个信道的

43、信号调制同一光波，在同一光纤信道中传输，接收端用与发送方向相在同一光纤信道中传输，接收端用与发送方向相同的码序列进行相关接收，即可恢复出原信道的同的码序列进行相关接收，即可恢复出原信道的信号。信号。发射机 光编码器 光编码器 发射机 复用 解复用 光解码器 光解码器 1N 1 阈值判决 “ 1 ”“ 0 ”T“ 1 ”“ 0 ”TN OCDM通信系统框图 在发射端，要传输的数据信号首先经过适当的调制方式，转换成相应的编码的光信号。 编码信号通过光纤网络到达接收端之后，通过解码器进行解码处理，恢复出期望的光信号，再经过光电转换设备。得到电域上的数据信号。9.3 光纤通信系统的分类光纤通信系统的分

44、类根据调制信号的类型分类：根据调制信号的类型分类：光纤通信系统可以分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统可以分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统。光纤通信系统。l 模拟光通信系统：传送的是模拟信号模拟光通信系统：传送的是模拟信号l 数字光通信系统：传送的是数字信号。数字光通信系统：传送的是数字信号。按信号的复用方式按信号的复用方式时分复用系统时分复用系统 ( TDMTime Division Multiplexing)波分复用系统波分复用系统 (WDMWavelength Division Multiplexing)频分复用系统频分复用系统 (FDMFrequence Division Mu

45、ltiplexing )空分复用系统空分复用系统 ( SDMSpace Division Multiplexing) 按光电探测方式直接探测光通信系统： 采用直接检测方式检测传输的信号。相干探测光通信系统： 采用相干检测方式检测传输的信号。光纤通信使用的三个通信窗口：光纤通信使用的三个通信窗口：短波长波段短波长波段(850nm)（衰减大，现在基本不用了）（衰减大，现在基本不用了）长波长波段长波长波段(1310nm和和1550nm)目 前 波 分 复 用 通 信 系 统 是 在目 前 波 分 复 用 通 信 系 统 是 在 1 5 5 0 n m 波 段波 段（1525nm1565nm）同时使用

46、）同时使用8、16或更多个波长，或更多个波长，其波长间隔为其波长间隔为1.6nm、0.8nm。9.4、光纤通信工作波段：、光纤通信工作波段：光纤的损耗与波长的关系光纤的损耗与波长的关系C波段：波长波段：波长1530 1562nm； L波段：波长波段：波长1570 1604nm ；S波段：短于波段：短于1525nm的波长范围，这个波段因为的波长范围，这个波段因为全波光纤的研制成功可以扩展到全波光纤的研制成功可以扩展到1365nm；L波段和波段和S波段又分别称为光通信的第波段又分别称为光通信的第4窗口和第窗口和第5窗口。窗口。 光通信窗口新的划分：光通信窗口新的划分：光纤通信系统波段划分光纤通信系

47、统波段划分目前光波分复用系统的工作主要波长：目前光波分复用系统的工作主要波长：15301565nm（C-band)S-band光纤通信系统的新波段光纤通信系统的新波段1450 1490 1530 1570 1610 1650 波长波长 (nm)第一代：第一代：19661979 (从基础研究到商业应用的开发从基础研究到商业应用的开发时期时期)9.5 9.5 光纤通信的发展现状光纤通信的发展现状激光器激光器 (GaAs) 波长波长0.8 m，多，多模光纤，最大中继距离模光纤，最大中继距离10 km ，比特率在比特率在10100 Mb/s。多模色。多模色散和损耗是限制中继距离的关散和损耗是限制中继距

48、离的关键。键。第二代：上世纪第二代：上世纪80年代早期年代早期 (通过减小光纤色散通过减小光纤色散)激光器激光器 (InGaAs) 波长波长1.3 m，单模光纤，最大中继距离单模光纤，最大中继距离50 km，比特率，比特率2.0Gb/s。光纤的。光纤的损耗限制了中继距离，当时的损耗限制了中继距离，当时的损耗为损耗为 0.5 dB/km。第三代：上世纪第三代：上世纪80年代后期初年代后期初90年代初年代初 (通过降低光通过降低光纤损耗纤损耗)激光器激光器 (InGaAsP) 波长波长1.55m，单模单模 (色散位移色散位移) 光纤，比特率光纤，比特率2.510 Gb/s，最大中继距离，最大中继距

49、离100 km。这个阶段是采用电的方式中继。这个阶段是采用电的方式中继。第四代：上世纪第四代：上世纪90年代之后年代之后 (通过引入通过引入WDM和全光放大技术和全光放大技术)激光器 (InGaAsP) 波长1.55 m，单模光纤，采用波分复用技术和光放大技术，单个波长信道比特率2.510 Gb/s，传输距离14000 km，并提出光通信智能化的概念。目前国际上已商用的系统有：目前国际上已商用的系统有：42.5 Gb/s(10 Gb/s) 82.5 Gb/s(20 Gb/s) 162.5 Gb/s(40 Gb/s)402.5 Gb/s(100 Gb/s)3210 Gb/s(320 Gb/s)4

50、010 Gb/s(400 Gb/s) 目前目前采用波分复用光纤通信达到的水平实验室已实现了8240 Gb/s(3.28 Tb/s)的速率，传输距离达3100 km=300 km。Optical Fiber Communication Conference提供的情况有：提供的情况有： Bell Labs: 82路40 Gb/s=3.28 Tb/s在3100 km=300 km的True Wave(商标)光纤(即G.655光纤)上，利用C和L两个波带联合传输； 日本日本NEC: 16020 Gb/s=3.2 Tb/s， 利用归零信号沿色散平坦光纤，经过增益宽度为64 nm的光纤放大器，传输距离达1