《光纖通信技術》課件

光纖通信技術概述光纖通信是現(xiàn)代信息技術的重要基礎利用光波作為信息載體通過光纖傳輸數(shù)據(jù)信號課程介紹與學習目標掌握光纖通信基本原理理解光傳輸機制和系統(tǒng)組成熟悉關鍵設備與技術了解光源、檢測器和放大器工作原理把握系統(tǒng)設計方法學習光網(wǎng)絡規(guī)劃與維護技能光纖通信的發(fā)展歷程11966年高錕提出光纖通信理論21970年康寧公司研制出低損耗光纖31980年代光纖通信系統(tǒng)商用化42000年代波分復用技術突破，容量大幅提升光纖通信的優(yōu)勢超大容量單根光纖可傳輸幾十太比特數(shù)據(jù)低損耗傳輸信號衰減小，傳輸距離遠抗電磁干擾不受外部電磁場影響體積輕巧直徑細，重量輕，易于安裝光纖通信系統(tǒng)基本構成光發(fā)射機將電信號轉換為光信號光纖傳輸媒介光信號在光纖中傳播光放大器補償傳輸過程中的損耗光接收機將光信號轉換回電信號光纖通信的應用領域互聯(lián)網(wǎng)骨干網(wǎng)支撐全球數(shù)據(jù)交換海底通信連接各大洲間信息傳輸數(shù)據(jù)中心高速互聯(lián)服務器集群家庭寬帶提供高速上網(wǎng)服務移動通信支持5G基站回傳網(wǎng)絡光的基本特性波粒二象性既表現(xiàn)為波又表現(xiàn)為粒子傳播速度真空中光速約為3×10^8米/秒折射現(xiàn)象不同介質中傳播方向改變反射特性入射角等于反射角光纖結構與材料纖芯傳輸光信號的核心部分包層形成全反射條件的低折射率層涂覆層保護光纖不受機械損傷單模光纖與多模光纖單模光纖芯徑小：8.3-10μm只傳輸一種模式光波色散小，傳輸距離遠主要用于長距離通信多模光纖芯徑大：50-62.5μm可傳輸多種模式光波模間色散大，傳輸距離短主要用于短距離通信光纖傳輸原理：全反射臨界角條件入射角需大于臨界角折射率差異纖芯折射率大于包層光束路徑光在纖芯內(nèi)鋸齒形傳播能量約束光能量被限制在纖芯中光纖的數(shù)值孔徑1定義光纖接收光線的能力指標2計算公式NA=√(n?2-n?2)3意義決定光纖的接收錐角光纖的模場分布距離中心位置(μm)光強度(相對值)光纖的色散特性材料色散不同波長光速度不同波導色散光在波導中傳播特性差異模間色散多模光纖中不同模式傳播時間差影響脈沖展寬，限制傳輸帶寬光纖的損耗機制光纖的帶寬特性光纖制造工藝預制棒制備氣相沉積或熔融法拉絲預制棒加熱熔融后拉制涂覆表面涂覆保護材料檢測測試損耗、強度等參數(shù)光纜的結構與類型松套式光纜光纖在松套管內(nèi)，抗壓性好帶狀光纜光纖排列成帶狀，密度高鎧裝光纜金屬層保護，適用惡劣環(huán)境光纖連接技術熔接光纖端面熔融連接，損耗最小連接器對接使用FC/SC/LC等標準連接器機械接續(xù)使用機械式接頭快速連接端面處理研磨優(yōu)化端面以減少損耗光源：半導體激光器1310nmO波段工作波長零色散窗口1550nmC波段工作波長最低損耗窗口<1ns調制響應時間支持高速直接調制<0.1nm光譜線寬窄線寬利于遠距離傳輸光源：發(fā)光二極管參數(shù)典型值應用特點光譜寬度30-100nm短距離傳輸調制帶寬100-300MHz中低速系統(tǒng)發(fā)光功率-20~-10dBm多模光纖配套工作壽命10萬小時高可靠性光源的調制特性直接調制通過改變注入電流調節(jié)輸出光強結構簡單，成本低帶寬有限，啁啾效應明顯外部調制使用外部調制器控制光強高帶寬，低啁啾系統(tǒng)復雜，成本高電吸收調制利用電吸收效應調制光信號集成度高，體積小光檢測器：PIN二極管三層結構P型區(qū)-本征區(qū)-N型區(qū)光電轉換光子激發(fā)電子-空穴對電流產(chǎn)生載流子在電場作用下定向移動光檢測器：雪崩光電二極管工作原理利用雪崩倍增效應高反向偏置電壓下工作單個光子可觸發(fā)多個電子性能特點高靈敏度內(nèi)部增益：50-100倍響應速度快噪聲較PIN二極管大光放大器：摻鉺光纖放大器泵浦激勵980nm或1480nm激光泵浦能級躍遷鉺離子受激輻射信號放大1550nm波段信號獲得增益光放大器：拉曼放大器拉曼散射基于非線性光學效應頻移特性泵浦光向低頻方向移動約13THz分布式增益在傳輸光纖中直接獲得增益寬帶增益可調節(jié)工作波長范圍寬光發(fā)射機結構與原理電驅動電路提供精確電流驅動光源激光器或LED產(chǎn)生光載波調制單元將信息調制到光載波上光學接口耦合光信號到光纖中光接收機結構與原理光電探測器將光信號轉換為電流前置放大低噪聲放大微弱信號均衡器補償頻率響應判決電路恢復數(shù)字信號光纖通信系統(tǒng)的信噪比分析接收光功率(dBm)信噪比(dB)數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的誤碼率10^-9標準誤碼率要求每10億比特出現(xiàn)1個錯誤10^-12高可靠系統(tǒng)要求每萬億比特出現(xiàn)1個錯誤3.7dBQ因子差異兩個標準間的功率差異模擬光纖通信系統(tǒng)性能指標載噪比CNR表征視頻信號質量的關鍵指標諧波失真非線性失真導致頻率分量頻率響應不同頻率信號的傳輸特性噪聲系數(shù)系統(tǒng)引入的額外噪聲量波分復用技術原理多波長復用不同波長光信號合并傳輸波長篩選接收端分離不同波長通道間隔波長間需保持足夠距離密集波分復用系統(tǒng)光時分復用技術時隙分配不同信號占用不同時間片信號合并多路信號交替發(fā)送同步控制精確時鐘同步至皮秒級信號分離接收端按時隙恢復各路信號光正交頻分復用技術光碼分復用技術編碼用特定碼序列表示數(shù)據(jù)合并傳輸多用戶編碼信號同時傳輸解碼接收端用匹配濾波器提取信號抗干擾具有良好的安全性能光交換技術光電光交換光-電-光轉換，成熟可靠速率受電子器件限制全光交換無需光電轉換，低時延支持透明傳輸各種速率波長選擇交換按波長靈活路由信號支持動態(tài)帶寬分配光網(wǎng)絡拓撲結構環(huán)形拓撲保護倒換能力強星形拓撲中心節(jié)點控制簡單網(wǎng)狀拓撲可靠性高，靈活性強光同步數(shù)字系列（SDH）SDH級別速率容量STM-1155Mbps63個E1STM-4622Mbps252個E1STM-162.5Gbps1008個E1STM-6410Gbps4032個E1無源光網(wǎng)絡（PON）技術光線路終端OLT中心局端設備光分路器1:N分光，無需供電光網(wǎng)絡單元ONU用戶端設備光傳送網(wǎng)（OTN）技術1數(shù)字包裝包裝各種客戶信號2前向糾錯強大的糾錯能力3OAM功能完善的運維管理能力4多級復用ODU復用和波長復用光纖到戶（FTTH）技術中心局端OLT設備集中管理干線光纜高芯數(shù)主干光纜配線光纜社區(qū)內(nèi)分配光纖入戶光纜直接連接用戶家庭光纖傳感技術光纖光柵測量溫度和應變分布式聲波管道泄漏和入侵檢測光纖陀螺高精度角速度測量光纖通信系統(tǒng)設計原則需求分析帶寬、距離、可靠性要求拓撲規(guī)劃網(wǎng)絡結構和覆蓋范圍器件選型光纖、發(fā)射機、接收機規(guī)格鏈路計算功率預算和色散預算性能驗證系統(tǒng)測試和優(yōu)化光功率預算計算色散補償技術色散補償光纖(DCF)負色散系數(shù)光纖插入損耗較大可級聯(lián)使用光纖布拉格光柵(FBG)不同波長不同傳播延時損耗小，體積小溫度穩(wěn)定性要求高電子色散補償(EDC)數(shù)字信號處理技術靈活可調，無光器件損耗功耗較大非線性效應及其抑制受激布里淵散射限制單通道功率，降低發(fā)射功率受激拉曼散射控制總信號功率，避免通道間功率轉移四波混頻使用不等間隔信道，降低非線性相位匹配自相位調制使用色散管理技術，補償譜寬展寬光纖通信系統(tǒng)測試與維護光功率測試測量鏈路各點功率故障定位OTDR測量斷點位置光譜分析檢查信道波長和功率眼圖測試評估數(shù)字信號質量光時域反射儀（OTDR）原理與應用5ns脈沖寬度決定空間分辨率0.5m定位精度高精度故障點定位40dB動態(tài)范圍決定測試最大距離3min平均時間影響測量信噪比光纖通信標準與協(xié)議光纖通信的安全性與保密性物理層保護難以無損分路竊聽光加密技術光學域信號混淆監(jiān)測防護實時監(jiān)測信號異常高層加密數(shù)據(jù)加密傳輸保障光纖在5G通信中的應用前傳網(wǎng)絡RRU與BBU間高帶寬連接1中傳網(wǎng)絡DU與CU間低時延鏈路2回傳網(wǎng)絡基站接入核心網(wǎng)絡時鐘同步提供高精度時間同步空分復用與多芯光纖技術硅光子技術與集成光學硅基波導光信號傳輸路徑集成調制器高速信號調制集成探測器光電信號轉換量子通信與光纖量子密鑰分配單光子傳輸量子態(tài)編碼信息密鑰協(xié)商基于量子力學原理不可竊聽性量子無克隆定理保障光纖通信的未來發(fā)展趨勢超大容量單纖容量突破P比特級新型光纖結構研發(fā)全光網(wǎng)絡光交換和光計算融合端到端全光連接智能化AI驅動的網(wǎng)絡自優(yōu)化自動故障預測與修復融合創(chuàng)新光無線融合技術量子光通信應用光纖通信在數(shù)據(jù)中心的應用服務器互聯(lián)高密度短距離連接交換機互聯(lián)Tbps級高速背板機架間連接高密度MPO/MTP光纜集群互聯(lián)遠距離高帶寬DWDM水下光纖通信系統(tǒng)特種光纜加強型結構抗水壓中繼站水下放大中繼設備分支單元支持多方向信號分路電力供應高壓直流遠程供電自由空間光通信技術基本原理通過大氣傳輸激光信號無需光纖介質點對點定向傳輸技術特點部署靈活快速高帶寬：10Gbps以上受天氣條