《光纖通信技術(shù)》課件

光纖通信技術(shù)概述光纖通信是現(xiàn)代信息技術(shù)的重要基礎(chǔ)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(xué)習(xí)目標(biāo)掌握光纖通信基本原理理解光傳輸機(jī)制和系統(tǒng)組成熟悉關(guān)鍵設(shè)備與技術(shù)了解光源、檢測器和放大器工作原理把握系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法學(xué)習(xí)光網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與維護(hù)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(fù)用技術(shù)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?cái)?shù)據(jù)低損耗傳輸信號衰減小，傳輸距離遠(yuǎn)抗電磁干擾不受外部電磁場影響體積輕巧直徑細(xì)，重量輕，易于安裝光纖通信系統(tǒng)基本構(gòu)成光發(fā)射機(jī)將電信號轉(zhuǎn)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(bǔ)償傳輸過程中的損耗光接收機(jī)將光信號轉(zhuǎn)換回電信號光纖通信的應(yīng)用領(lǐng)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(wù)器集群家庭寬帶提供高速上網(wǎng)服務(wù)移動通信支持5G基站回傳網(wǎng)絡(luò)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(zhì)中傳播方向改變反射特性入射角等于反射角光纖結(jié)構(gòu)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(hù)光纖不受機(jī)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(yuǎn)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(biāo)2計(jì)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(qiáng)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(dǎo)色散光在波導(dǎo)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(jī)制光纖的帶寬特性光纖制造工藝預(yù)制棒制備氣相沉積或熔融法拉絲預(yù)制棒加熱熔融后拉制涂覆表面涂覆保護(hù)材料檢測測試損耗、強(qiáng)度等參數(shù)光纜的結(jié)構(gòu)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(hù)，適用惡劣環(huán)境光纖連接技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)連接器機(jī)械接續(xù)使用機(jī)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(dǎo)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(diào)制響應(yīng)時間支持高速直接調(diào)制<0.1nm光譜線寬窄線寬利于遠(yuǎn)距離傳輸光源：發(fā)光二極管參數(shù)典型值應(yīng)用特點(diǎn)光譜寬度30-100nm短距離傳輸調(diào)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(diào)制特性直接調(diào)制通過改變注入電流調(diào)節(jié)輸出光強(qiáng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低帶寬有限，啁啾效應(yīng)明顯外部調(diào)制使用外部調(diào)制器控制光強(qiáng)高帶寬，低啁啾系統(tǒng)復(fù)雜，成本高電吸收調(diào)制利用電吸收效應(yīng)調(diào)制光信號集成度高，體積小光檢測器：PIN二極管三層結(jié)構(gòu)P型區(qū)-本征區(qū)-N型區(qū)光電轉(zhuǎn)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(yīng)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(diǎn)高靈敏度內(nèi)部增益：50-100倍響應(yīng)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(xué)效應(yīng)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(diào)節(jié)工作波長范圍寬光發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)與原理電驅(qū)動電路提供精確電流驅(qū)動光源激光器或LED產(chǎn)生光載波調(diào)制單元將信息調(diào)制到光載波上光學(xué)接口耦合光信號到光纖中光接收機(jī)結(jié)構(gòu)與原理光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電流前置放大低噪聲放大微弱信號均衡器補(bǔ)償頻率響應(yīng)判決電路恢復(fù)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)間的功率差異模擬光纖通信系統(tǒng)性能指標(biāo)載噪比CNR表征視頻信號質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)諧波失真非線性失真導(dǎo)致頻率分量頻率響應(yīng)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(fù)用技術(shù)原理多波長復(fù)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(fù)用系統(tǒng)光時分復(fù)用技術(shù)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(fù)各路信號光正交頻分復(fù)用技術(shù)光碼分復(fù)用技術(shù)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(shù)光電光交換光-電-光轉(zhuǎn)換，成熟可靠速率受電子器件限制全光交換無需光電轉(zhuǎn)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(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)環(huán)形拓?fù)浔Ｗo(hù)倒換能力強(qiáng)星形拓?fù)渲行墓?jié)點(diǎn)控制簡單網(wǎng)狀拓?fù)淇煽啃愿?，靈活性強(qiáng)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(luò)（PON）技術(shù)光線路終端OLT中心局端設(shè)備光分路器1:N分光，無需供電光網(wǎng)絡(luò)單元ONU用戶端設(shè)備光傳送網(wǎng)（OTN）技術(shù)1數(shù)字包裝包裝各種客戶信號2前向糾錯強(qiáng)大的糾錯能力3OAM功能完善的運(yùn)維管理能力4多級復(fù)用ODU復(fù)用和波長復(fù)用光纖到戶（FTTH）技術(shù)中心局端OLT設(shè)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(shù)光纖光柵測量溫度和應(yīng)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(shè)計(jì)原則需求分析帶寬、距離、可靠性要求拓?fù)湟?guī)劃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和覆蓋范圍器件選型光纖、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)規(guī)格鏈路計(jì)算功率預(yù)算和色散預(yù)算性能驗(yàn)證系統(tǒng)測試和優(yōu)化光功率預(yù)算計(jì)算色散補(bǔ)償技術(shù)色散補(bǔ)償光纖(DCF)負(fù)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(bǔ)償(EDC)數(shù)字信號處理技術(shù)靈活可調(diào)，無光器件損耗功耗較大非線性效應(yīng)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(zhuǎn)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(diào)制使用色散管理技術(shù)，補(bǔ)償譜寬展寬光纖通信系統(tǒng)測試與維護(hù)光功率測試測量鏈路各點(diǎn)功率故障定位OTDR測量斷點(diǎn)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(zhì)量光時域反射儀（OTDR）原理與應(yīng)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(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議光纖通信的安全性與保密性物理層保護(hù)難以無損分路竊聽光加密技術(shù)光學(xué)域信號混淆監(jiān)測防護(hù)實(shí)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(yīng)用前傳網(wǎng)絡(luò)RRU與BBU間高帶寬連接1中傳網(wǎng)絡(luò)DU與CU間低時延鏈路2回傳網(wǎng)絡(luò)基站接入核心網(wǎng)絡(luò)時鐘同步提供高精度時間同步空分復(fù)用與多芯光纖技術(shù)硅光子技術(shù)與集成光學(xué)硅基波導(dǎo)光信號傳輸路徑集成調(diào)制器高速信號調(diào)制集成探測器光電信號轉(zhuǎn)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(xué)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(jié)構(gòu)研發(fā)全光網(wǎng)絡(luò)光交換和光計(jì)算融合端到端全光連接智能化AI驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)自優(yōu)化自動故障預(yù)測與修復(fù)融合創(chuàng)新光無線融合技術(shù)量子光通信應(yīng)用光纖通信在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用服務(wù)器互聯(lián)高密度短距離連接交換機(jī)互聯(lián)Tbps級高速背板機(jī)架間連接高密度MPO/MTP光纜集群互聯(lián)遠(yuǎn)距離高帶寬DWDM水下光纖通信系統(tǒng)特種光纜加強(qiáng)型結(jié)構(gòu)抗水壓中繼站水下放大中繼設(shè)備分支單元支持多方向信號分路電力供應(yīng)高壓直流遠(yuǎn)程供電自由空間光通信技術(shù)基本原理通過大氣傳輸激光信號無需光纖介質(zhì)點(diǎn)對點(diǎn)定向傳輸技術(shù)特點(diǎn)部署靈活快速高帶寬：10Gbps以上受天氣條