光纖通信原理與系統(tǒng)

1、光纖通信原理與系統(tǒng),NANO科技（北京）有限公司田力,光通信的傳說,《東周列國志》第二回 褒人贖罪獻美女 幽王烽火戲諸侯,自由空間光通信,以大氣作為媒介來傳播光信號。發(fā)明于1960年左右，軍事保密通信電話。Free Space Optics－FSO,大氣,,光源,光源,調(diào)制器,調(diào)制器,接收機,接收機,,,,,,,,,,,自由空間光通信,優(yōu)點：1，光波波長短(微米)，常規(guī)物體衍射效應弱，方向性好，不容易被竊聽。2，受電磁干擾的影響小

2、。3，沒有無線電頻段劃分限制(License Free)。4，帶寬高，可以傳送更多信息(數(shù)字化戰(zhàn)場，T比特傳輸)。 目前可達2.5Gb/s。缺點：兩個端點之間必須光路通暢，因此鳥類等物體阻擋、雨/雪/霧/霾的衰減使自由空間光通信的傳輸距離和可靠性難以保證。,自由空間光通信的發(fā)展,可見光無線通信（稱為LiFi——Light Fidelity）是利用快速的光脈沖無線傳輸信息。根據(jù)不同速率在光中編碼信息完全可行，例如LED開表示

3、1，關表示0，通過快速開關就能傳輸信息。,光纖通信系統(tǒng)歷史,0，1916年，愛因斯坦的“受激輻射”理論誕生1，1966年，高錕理論預言光纖作為光波導傳輸光信號的可能性2，1970年，Corning研制出低損高純石英玻璃單模光纖(<20dB/km)，經(jīng)過不斷改進，光纖的損耗已經(jīng)小于0.2dB/km3，1962年，半導體激光器問世4，1970年，室溫工作的“雙異質(zhì)結”半導體激光器問世5，1986年，摻鉺光纖放大器(EDFA)

4、問世，使波分復用(WDM)技術得以商用化6，2000年：160*10Gb/s(C+L波段)，主要的干線通信系統(tǒng)，部分城域7，2013年：中國100G商用元年,四代光纖通信系統(tǒng),1 1983年，工作波長820nm，多模光纖，速率45Mb/s，紐約－華盛頓2 工作波長1310nm(在這個波段光纖損耗低)，多模光纖，速率417/560Mb/s，國內(nèi)干線網(wǎng)3 工作波長1310nm，單模光纖，速率622M－2.5Gb/s，長途干線與

5、越洋通信4 工作波長1550nm(在這個波段光纖損耗最低)，單模光纖，速率10－40Gb/s，長途干線與越洋通信，城域與接入網(wǎng)，1986年英國南安普敦大學光電研究中心研制出第一臺摻鉺光纖放大器(EDFA)，使不同波長的光信道同時放大成為可能，極大地推動了波分復用技術的發(fā)展。,密集波分復用系統(tǒng)基本結構,密集波分復用(Wavelength Division Multiplex-DWDM)：不同波長信道的光信號在同一根光纖中傳輸。固

6、定信道間隔，在光放大器的帶寬中。,光纖通信系統(tǒng)基本器件,光源：半導體分布反饋式激光器(Distributed Feedback-DFB)調(diào)制器：鈮酸鋰(LiNbO3)，半導體電吸收型(Electrical Absorbing-EA)傳輸介質(zhì)：普通單模光纖，色散補償光纖，非零色散位移光纖放大器：摻鉺光纖放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier-EDFA)，Raman拉曼放大器 半導體光放大器(Semic

7、onductor Optical Amplifier-SOA)接收機：半導體血崩型二極管APD型(數(shù)字系統(tǒng))，PIN型(模擬系統(tǒng))復用/解復用器：介質(zhì)模濾波器，波導陣列光柵其它有源、無源器件：耦合器，隔離器，環(huán)形器，跳線等。,光通信系統(tǒng)對電中繼系統(tǒng)的優(yōu)勢,波分復用技術優(yōu)勢不同波長的光信號(信道)在同一根光纖中傳輸，用一個光放大器放大所有光波長信道，比電中繼廉價，簡單。,認識光纖光纜,光纖的損耗,光纖的色散,色度色散(Chrom

8、atic dispersion)，不同波長的光群速度不同，由材料色散、波導色散構成，單模光纖模式色散為零。,光纖的色散對系統(tǒng)的影響,脈沖展寬，引起碼間串擾，造成誤碼。傳輸質(zhì)量：眼圖，誤碼率，光信噪比。,合分波技術,薄膜濾波型 DWDM_OADM 光路結構,DWDM系統(tǒng)中的合分波,OMU,ODU,,80波,40波,40波,Interleaver梳狀濾波器,EDFA的工作原理,摻鉺光纖放大器通常可得到15-40db的增益，中繼距離

9、可以在原來的基礎上提高100km以上。,EDFA Gain Block 模塊結構,光纖通信網(wǎng)絡拓撲結構,,點對點WDM系統(tǒng),,環(huán)形WDM系統(tǒng),復雜型WDM系統(tǒng),DWDM 160波系統(tǒng)框架 （部分單元名稱來自ZTE已有設備）,光層保護機制,主光通道保護機制,光波長級保護機制,帶外前向糾錯技術FEC,FEC帶外前向糾錯技術是一種信號數(shù)據(jù)處理技術，以犧牲帶寬的代價實現(xiàn)超強糾錯功能。FEC技術包括發(fā)送端編碼和接收端解碼。發(fā)送端編碼－在發(fā)送端將

10、特定算法產(chǎn)生的冗余碼與數(shù)據(jù)一起發(fā)送。接收端解碼－在接收端根據(jù)相應算法，利用冗余碼檢測并糾正在傳輸過程中可能產(chǎn)生的比特錯誤并還原信號。利用FEC技術，可以增強傳輸?shù)娜蒎e能力，從而降低系統(tǒng)對信噪比的要求，延長傳輸距離。滿足G.975/G.709標準，等效增加的OSNR約5－6dB，誤碼率可以從1E-4改善成1E-12。缺點是FEC會增加傳送速率。如OC-192未使用FEC是速率為9.953Gbps，使用GFEC速率為10.7Gbps，

11、使用EFEC速率為12.4Gbps。,信息大爆炸,,,語音終端的發(fā)展,數(shù)據(jù)終端的發(fā)展,機房的變化,光纖通信中單光纖速率的增長,20世紀80年代到90年代初期，干線光纖最高傳送速率140Mb/s干線光通信系統(tǒng)以PDH系統(tǒng)為主，語音業(yè)務為主流電信業(yè)務20世紀90年代到21世紀初期，干線光纖最高傳送速率為10Gb/s干線光通信系統(tǒng)以SDH系統(tǒng)為主，語音業(yè)務為電信總業(yè)務一半以上，數(shù)據(jù)業(yè)務以X.25網(wǎng)絡和幀中繼網(wǎng)絡為主，主要是科研教學等性質(zhì)

12、的流量為主21世紀初期十年，干線光纖最高速率1Tb/s以上干線光通信系統(tǒng)以SDH/IP over WDM為主，語音業(yè)務比例不到電信總業(yè)務一半，數(shù)據(jù)業(yè)務開始大發(fā)展，個人固定終端的娛樂業(yè)務驅(qū)動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務為主流數(shù)據(jù)業(yè)務目前，干線光纖通信最高傳送速率可達8Tb/s以上干線光通信系統(tǒng)以OTN/IP/Any over WDM為主，語音業(yè)務比例占電信總業(yè)務很小一部分，移動數(shù)據(jù)業(yè)務開始大發(fā)展，個人移動終端的娛樂業(yè)務和固定終端的多媒體業(yè)務（4K高

13、清TV）驅(qū)動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務為主流數(shù)據(jù)業(yè)務,從業(yè)務的復雜化到網(wǎng)絡復雜化,,云計算和云存儲,存儲網(wǎng)絡業(yè)務（Fiber channel）的發(fā)展,FC1 = 1.063Gb/s （1997年）FC2 = 2.125Gb/s（2001年）FC4 = 4.25Gb/s（2004年）FC8 = 8.5Gb/s（2005年）FC10 = 10.53Gb/s（2008年）FC16 = 14.03Gb/s（2011年）FC32 = 28.05Gb

14、/s（2016年）FC128 = 4×28.05Gb/s（2016年）,100G網(wǎng)絡的驅(qū)動力,IP流量的激增（手機4G網(wǎng)絡的開通和云計算/存儲的興起，4K高清）；降低每比特的成本（同樣的網(wǎng)絡基礎投資，傳送內(nèi)容增加數(shù)倍）；提供新的收益機會（廠家也需要生產(chǎn)新產(chǎn)品賺錢）；對已有光纖的利用，提高投資回報率（平攤基礎建設費用）；降低網(wǎng)絡的時延（網(wǎng)絡游戲、股票實時交易等）。100G技術逐漸成熟，可以商用。,100G關鍵技術簡介

15、,相干（Coherent）是什么？振動方向相同振動頻率相同相差恒定兩束相干的光相遇的區(qū)域會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。,水的干涉條紋,光的干涉----楊氏雙縫干涉,100G 調(diào)制技術,PM，把1個光信號分離成2個偏振方向，再把信號調(diào)制到這兩個偏振方向上，相當于對數(shù)據(jù)做了1分2的處理，速率降低一半；QPSK，一個香味就表示兩個數(shù)字bit，業(yè)相當于對數(shù)據(jù)做了1分2的處理，速率降低一半對于100G信號，實際上數(shù)據(jù)的波特率（信息速率）僅為100&

16、#247;2÷2=25G,100G相干接收技術,相干OFE（optical front end）AGC/Delay/Phase 補償CD 補償時鐘恢復PMD補償和PDM解復用頻偏補償相位恢復非線性補償,100G 其他核心技術,100G 之后,中國移動2014年開始進行400G網(wǎng)絡的測試。2014年華為和西班牙固網(wǎng)運營商Jazztel聯(lián)合宣布，將采用華為NE5000E 400G核心路由器建設IP骨干網(wǎng)，這

17、也將是西歐第一個400G骨干網(wǎng)，開啟了西歐400G商用時代2014年華為和智利Telefonica今年將采用業(yè)界領先的100G和400G技術，合作部署全球最高速的城域波分網(wǎng)絡，這將是全球首個商用的400G OTN波分網(wǎng)絡。2014年阿爾卡特-朗訊與澳大利亞網(wǎng)絡服務提供商Nextgen聯(lián)合宣布，在承載現(xiàn)網(wǎng)流量的現(xiàn)有光纖鏈路上順利完成澳大利亞首次400G數(shù)據(jù)傳輸測試。2015年MEF(MetroEthernetForum)在