光纤通信技术

1. 光纤通信技术 王建萍 jpwang@tsinghua.edu.cn 信息光电子研究所 清华大学电子工程系 课程总结

2. 光电二极管 驱动电路 中继器 调制器 放大器 光纤 光纤 光源 判决器

3. 一、光发射机 • 激光器是一种阈值器件。 • 激光器的瞬态特性影响着调制信号的质量。 • 调制码型：NRZ、RZ、CRZ、CSRZ • 前向纠错（FEC）是数字通信系统中应用的基本差错控制方式之一，其原理是发端在信息比特后附加冗余的校验比特，即进行编码，接收端译码的同时，在纠错能力范围内，自动纠正传输中的错误，而无需信息的重发。其编码增益能给系统提供几个dB的富裕度。PMD

5. 二、光 纤 • 光纤的损耗； • 光纤的色散； • 光纤的非线性

6. 色散展宽是提高通信速率的主要障碍 图 1 图 2

7. 零色散波长 < D正常色散区 2>0, D<0 红快兰慢 光脉冲的较高的频率分量（兰移）比较低的频率分量（红移）传输得慢 > D反常色散区 2<0, D>0兰快红慢 光脉冲的较高的频率分量（兰移）比较低的频率分量（红移）传输得快

8. 色散诱导啁啾

9. 啁啾高斯脉冲展宽因子T1/T0随传输距离的变化 异号时2C<0，在传输初始阶段脉冲宽度变窄，而后迅速展宽 同号时2C>0，啁啾高斯脉冲单调展宽的速度比无啁啾脉冲的快 无啁啾脉冲，不论色散正负，脉宽随[1+(z/LD)2]1/2成比例展宽

10. 反常色散 非线性 克尔效应 正啁啾(t↑→ω↑) 自相位调制 压窄 折射率： 附加相移： 附加频移： 光纤中的非线性自相位调制

11. 正常色散 光脉冲具有一定的谱宽 展宽 反常色散 反常色散 非线性自相位调制 上啁啾 压窄 ★ LD<LNL色散占优势 展宽 色散与非线性效应平衡 无畸变一阶 光孤子传输 ★ LD=LNL 非线性效应 占优势 高阶光孤子传输 ★ LD>LNL 脉冲呈压窄、展宽、分裂、复原周期性变化 色散与非线性自相位调制共同作用

12. 色散与非线性自相位调制共同作用

13. 无损光纤中的光脉冲传输

14. 无损光纤中的光孤子传输 图 8 图 9

15. 无损光纤中的光孤子传输 图 10 图 11

16. 光孤子：利用非线性平衡色散效应 缺点：维持色散与非线性间的平衡条件过于精细，利用非线性带来其它副作用

17. 多种非线性效应共同作用

18. 光纤的其它限制及解决方案 PMD补偿技术 改善PMD特性的光纤 PMD限制 WDM/ETDM+OTDM L+，S，S+ 新型光纤 L波段WDM OTDM 非线性限制 非零色散位移光纤 色散补偿 孤子 WDM 色散位移光纤 色散限制 普通单模光纤

19. 时钟提取 MOD MOD 时分解复用器 超短脉冲光源 MOD 接收机 耦合器 EDFA 时钟源 MOD MOD 延时 提升容量方法：单信道比特率提高 OTDM 原理

20. 提升容量方法：多波段 WDM(波分复用) 窄带、小串话、稳定滤波 1 光发射机 1 光接收机 EDFA 2 2 光发射机 光接收机 3 3 光发射机 光接收机 N N 复用器 光发射机 解复用器 光接收机 增益平坦、宽带、较高输出功率 • 波长稳定、窄线宽 • 高速、小啁啾调制 • 高灵敏度 • 宽动态范围

21. 面临的问题 提升对L波段的器件要求 • L波段放大器，（L波段EDFA+拉曼放大器） • L波段的各种光子器件： LD， WDM， 隔离器…… DCF!?

22. 面临的问题 多波段带来的问题：非线性 非线性不可完全补偿，它将恶化OSNR，成为WDM系统容量提高的主要限制，它源于 • 开辟新窗口(L-Band…) • 物理效应: 宽频带导致的SRS...  光纤非线性 • 增加信道密度 • 物理效应: FWM, XPM…  光纤非线性

23. 几种技术方案 • 拉曼分布放大FRA • 前向纠错技术FEC • 传输光纤 • 信号调制格式 • 新型可调谐器件 • 如何应对PMD？补偿？好光纤？ • 3R再生

25. 三、光器件 • 受激辐射 • 非线性效应 • 半导体光电效应 • 基于晶体的电光、磁光、声光效应 • 基于波导的电光、磁光、声光效应 • 基于光纤的电光、磁光、声光效应 • 微机械 • 干涉 • 波导或光纤中的模式耦合 • 激光器（可调谐） • 放大器（增益均衡） • 调制器 • 探测器（波长选择） • 光隔离器 • 环行器 • 光开关 • 波长变换器 • 上下话路器 • 分束/合束器 • 波分复用/解复用器 • 滤波器

26. 光电子器件的新进展 • 光通信器件是光通信系统的基础，没有器件就没有系统，往往一个新器件的出现可以引起整个系统的重大革新。目前器件的发展和升值方向为： • 波长可选择、可调谐：多波长激光源、可调谐光探测器、波分复用/解复用器、波长转换器、增益平坦光放大器、光开关矩阵、可调色散补偿器、可调谐光滤波器…… • 集成化:多功能集成、有源和无源集成 • 小型化、智能化：能灵活地动态控制 • 全光纤化（基于光纤光栅）和半导体功能器件集成化 • 高可靠：通信设备要求连续使用寿命25年 • 产品走向：市场、技术难度、成本(backbone-metro-access)

27. 下一代WDM网络中的光通信器件 • S波段和L波段应用的光通信器件 • 基于技术组合的用于超密集波分复用的光通信器件(如：WDM和光开关可组合成一个全光的波长路由器） • 用于城域网的WDM器件：低价、可扩展和分插复用 • 用于40Gb/s系统的光通信器件：低色散，宽带宽的波分复用器件、动态增益均衡、动态色散控制 • 用于全光网的光通信器件：动态波长的提供

28. 四、光接收机 • 光接收机的灵敏度 • 灵敏度恶化——功率代价 • 误码率曲线 • 眼图 Transponder

30. Laser Disablea Laser Biss Mon DO IN 1:16 Multiplexer 2.5Gb/s Optical Tx 2.5 G Data D15 IN 2.5GHz PLL Clock Syn 2.5Gb/s Optical Output 2.5GHZ 155 Mb/s Ref Clock Line Loop Back Local Loop Back LOOP Back(2) DO Out 2.5 G Data 1:16 DeMultiplexer 2.5Gb/s Optical Rx D15 Out 2.5 G Clock 155 M Clock Out Frame Pulse 2.5Gb/s Optical Output LOS/LOF +5v +3.3V DC TO DC Conventer +3.3 -5.2v

32. 五、WDM系统的发展趋势 • 单路超高速40Gb/s,160Gb/s,640Gb/s • 超密信道间距10GHz 信道数攀升 1022 Channel • 展宽波长范围C-Band,L-Band,S-Band • 超长无中继 450km with remote Amp • 超长传输距离 • 网络化

33. 系统与网络 系统与网络的研究中，目前关注的热点有： • 如何扩大系统的容量－速率、带宽、波长密集度； • 如何延长中继的跨距－采用什么光纤和放大器； • 光限幅器和3R的全光再生（放大、整形和定时）； • 如何组建WDM网－如何上下路，如何保护； • WDM的实用化－现在什么系统将可商用； • IP over WDM的进展； • 光传送网（OTN)和全光网的进展；