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,調制器,調制器,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)，經過不斷改進，光纖的損耗已經小于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，國內干線網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，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)調制器：鈮酸鋰(LiNbO3)，半導體電吸收型(Electrical Absorbing-EA)傳輸介質：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(數字系統(tǒng))，PIN型(模擬系統(tǒng))復用/解復用器：介質模濾波器，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據處理技術，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、特定算法產生的冗余碼與數據一起發(fā)送。接收端解碼－在接收端根據相應算法，利用冗余碼檢測并糾正在傳輸過程中可能產生的比特錯誤并還原信號。利用FEC技術，可以增強傳輸的容錯能力，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,數據終端的發(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，數據業(yè)務以X.25網絡和幀中繼網絡為主，主要是科研教學等性質

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，數據業(yè)務開始大發(fā)展，個人固定終端的娛樂業(yè)務驅動互聯(lián)網業(yè)務為主流數據業(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，移動數據業(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）驅動互聯(lián)網業(yè)務為主流數據業(yè)務,從業(yè)務的復雜化到網絡復雜化,,云計算和云存儲,存儲網絡業(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網絡的驅動力,IP流量的激增（手機4G網絡的開通和云計算/存儲的興起，4K高清）；降低每比特的成本（同樣的網絡基礎投資，傳送內容增加數倍）；提供新的收益機會（廠家也需要生產新產品賺錢）；對已有光纖的利用，提高投資回報率（平攤基礎建設費用）；降低網絡的時延（網絡游戲、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)域會產生干涉現(xiàn)象。,水的干涉條紋,光的干涉----楊氏雙縫干涉,100G 調制技術,PM，把1個光信號分離成2個偏振方向，再把信號調制到這兩個偏振方向上，相當于對數據做了1分2的處理，速率降低一半；QPSK，一個香味就表示兩個數字bit，業(yè)相當于對數據做了1分2的處理，速率降低一半對于100G信號，實際上數據的波特率（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網絡的測試。2014年華為和西班牙固網運營商Jazztel聯(lián)合宣布，將采用華為NE5000E 400G核心路由器建設IP骨干網，這

17、也將是西歐第一個400G骨干網，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絡，這將是全球首個商用的400G OTN波分網絡。2014年阿爾卡特-朗訊與澳大利亞網絡服務提供商Nextgen聯(lián)合宣布，在承載現(xiàn)網流量的現(xiàn)有光纖鏈路上順利完成澳大利亞首次400G數據傳輸測試。2015年MEF(MetroEthernetForum)在