光通信及光孤子
光纤通信最新技术
光纤通信最新技术光纤通信最新技术对光纤通信而言，超高速度、超大容量和超长距离传输一直是人们追求的目标。
目前主要的光纤通信技术有以下几种：一：波分复用技术波分复用(WDM)是将两种或多种不同波长的光载波信号(携带各种信息)在发送端经复用器(亦称合波器，Multiplexer)汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术；在接收端，经解复用器(亦称分波器或称去复用器，Demultiplexer)将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。
这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术，称为波分复用。
WDM波分复用并不是一个新概念，在光纤通信出现伊始，人们就意识到可以利用光纤的巨大带宽进行波长复用传输，但是在20 世纪90 年代之前，该技术却一直没有重大突破，其主要原因在于TDM 的迅速发展，从155Mbit/s 到622Mbit/s，再到2.5Gbit/s 系统，TDM 速率一直以过几年就翻4 倍的速度提高。
人们在一种技术进行迅速的时候很少去关注另外的技术。
1995 年左右，WDM 系统的发展出现了转折，一个重要原因是当时人们在TDM10Gbit/s 技术上遇到了挫折，众多的目光就集中在光信号的复用和处理上，WDM 系统才在全球范围内有了广泛的应用。
随着波分复用技术从长途网向城域网扩展，粗波分复用CWDM应运而生。
CWDM的波长间隔一般为20nm，以超大容量、短传输距离和低成本的优势，广泛应用于城域光传送网中。
目前为了进一步提高光通信系统的传输速率和容量，还提出了将波分复用和光时分复用OTDM相结合的方式。
把多个OTDM 信号进行波分复用。
从而大大提高传输容量。
只要WDM和OTDM两者适当的结合，就可以实现Tbit/s以上的传输，并且也应该是一种最佳的传输方式，因此它也成为未来高速、大容量光纤通信系统的发展方向。
实际上大多数超过3bit/s的传输实验都采用WDM和OTDM相结合的传输方式。
光通信和光模块
光通信和光模块一、光通信的概念及发展历程光通信是指利用光作为信息传输的媒介，将信息从一个地方传送到另一个地方。
它是一种高速、大容量、低损耗的通信方式，被广泛应用于互联网、电视、电话等领域。
光通信的发展历程可以分为以下几个阶段：1. 光纤出现阶段：20世纪60年代，人们开始研究光纤，但由于技术限制和成本问题，应用范围有限。
2. 光纤商业化阶段：20世纪70年代末期，随着技术的不断进步和成本的降低，光纤开始被商业化应用。
3. 光网络阶段：20世纪90年代初期，随着互联网的普及和需求不断增加，光网络逐渐成为主流。
4. 全光网络阶段：21世纪初期，全光网络开始普及，并逐渐取代了传统的电信网络。
二、光模块的概念及分类光模块是指将激光器、探测器、调制器等元件封装在一起形成的集成组件。
它是光通信系统中的重要组成部分，可以实现光信号的发送和接收。
根据不同的封装方式和功能，光模块可以分为以下几类：1. 激光器模块：将激光器封装在一起，用于发送光信号。
2. 探测器模块：将探测器封装在一起，用于接收光信号。
3. 光电转换模块：将激光器和探测器封装在一起，用于实现光电转换。
4. 调制器模块：将调制器封装在一起，用于调制发送的光信号。
三、常见的光模块及其应用1. SFP（Small Form-factor Pluggable）模块：是一种小型化、高速率、可插拔式的光纤收发器。
它广泛应用于数据中心、企业网络、存储网络等领域。
2. QSFP（Quad Small Form-factor Pluggable）模块：是一种四通道高速率、可插拔式的光纤收发器。
它主要应用于数据中心和高性能计算等领域。
3. CFP（C Form-factor Pluggable）模块：是一种大型化、高速率、可插拔式的光纤收发器。
它主要应用于光网络、数据中心等领域。
4. XFP（10 Gigabit Small Form-factor Pluggable）模块：是一种小型化、高速率、可插拔式的光纤收发器。
光纤通信新技术
光网络智能化技术
THANKS
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新型光网络技术
05
总结词
光传送网（OTN）是一种新型的光网络技术，它通过使用数字封装技术将客户信号封装在光层进行传输，具有高带宽利用率、低延迟、高可靠性等优点。
详细描述
OTN通过将客户信号封装在数字容器中，实现了对客户信号的透明传输，同时提供了强大的故障恢复和保护能力。此外，OTN还支持多播和广播功能，能够实现灵活的带宽管理和调度。
软件定义光网络（SDON）
未来展望
06
随着数据流量的快速增长，超高速光传输技术成为光纤通信领域的研究重点。
超高速光传输技术通过提高信号传输速率，实现更大容量的数据传输。目前已经实现了Tbps级别的传输速率，未来还有望进一步提高。
超高速光传输技术
详细描述
总结词
超长距离光传输技术
总结词
超长距离光传输技术是实现跨洲际、跨大洋光传输的关键技术。
详细描述
自动交换光网络（ASON）
总结词
软件定义光网络（SDON）是一种基于软件的光网络技术，它通过使用软件编程的方式实现光网络的配置和控制。
详细描述
SDON通过将光网络的配置和控制功能抽象化，使得网络管理员可以通过软件编程的方式实现光网络的配置和管理。这大大提高了网络的灵活性和可扩展性，同时也降低了运营成本。此外，SDON还支持多种协议和标准，能够与其他网络技术进行无缝集成。
详细描述
通过采用先进的信号处理技术和新型的光纤材料，超长距离光传输技术能够实现数千公里甚至上万公里的光信号传输，为全球通信网络的建设提供有力支持。
VS
光网络智能化技术是实现光网络高效运维和智能控制的重要发展方向。
详细描述
相干光及光孤子通信系统
基本原理
信号光
wS
光检测器
电信号处理
wL
本振光 基带信号
设信号光和本振光的电场分别为:
ES AS exp[ j (wS t S )]
EL AL exp[ j (wLt L )]
检测到的功率为:
P K ES EL
2
P(t ) PS PL 2 PS PL cos(w IF t S L )
光孤子通信系统主要由五部分组成：
光孤子源、调制器 传输光纤、孤子能量补偿放大器 孤子脉冲信号检测接收
光纤传输系统 EDFA 隔离器 隔离器 检测
孤子源
调制
脉冲源
EDFA
EDFA
EDFA
本章小结
本章小结
点对点光纤通信系统
组成原理 数字系统的构成
PDH体制和SDH体制 数字通信系统的设计 其它光纤通信系统
不考虑噪声时，带通滤波器滤波后的光电流可以写成
I f (t ) 2 R PS PL cos(wIF t )
基带信号
1 I d (2 R PS PL cos( ) ic ) 2
相干检测—外差异步解调
外差异步解调
信号光
wS
光检测器
带通 滤波器
包络检波
低通滤 波器
基带信号
wL
6.8 相干光通信系统
相干光通信的优势
接收机灵敏度
与IM/DD系统相比可以改进20dB ,从而在相同发射机功率 下，允许传输距离增加100km 能解调相位信息，可成倍增加光纤带宽利用率
信号输出
带宽利用率
光孤子
然而，若这一磁场变得再强一些、再大一些，则磁场中会存在一点，在此处将产生孤子式磁涡旋，它能渗透或开隧进入超导体。实际上，这是一个孤子穿过另一个孤子。
光子着稳定的形状的某种波形。所谓空间光孤子，就是光束宽度或者说光束截面不会发生变化的光束。举个例子吧，比如手电发出的光照到墙 上时会出现一个远比手电截面大的多的光截面，而如果它发出的光照到墙上时出现一个和自身一样大的光截面，那就叫空间光孤子了。
3 Ferrando, M. Zacarés, P. Fernandez de Cordoba, D. Binosi and J. Monsoriu, Spatial soliton formation in photonic crystal fibers, Opt. Express 2003(11): 452-459
由于孤子具有这种特殊性质，因而它在等离子物理学、高能电磁学、流体力学和非线性光学中得到广泛的应用。
1973年，孤立波的观点开始引入到光纤传输中。在频移时，由于折射率的非线性变化与群色散效应相平衡，光脉冲会形成一种基本孤子，在反常色散区稳定传输。由此，逐渐产生了新的电磁理论——光孤子理论，从而把通信引向非线性光纤孤子传输系统这一新领域。光孤子（soliton）就是这种能在光纤中传播的长时间保持形态、幅度和速度不变的光脉冲。利用光孤子特性可以实现超长距离、超大容量的光通信。
而光子晶 体，其本质是周期性的光结构。周期性结构光学介质系统由于其独特的关于光传输的控制等一些特性近几年引起了人们的强烈关注，兴起了人们对周期性光结构中的 非线性光传输，即对非线性效应和周期性效应相互作用的研究，包括耦合波导阵列中的分立孤子，光子晶体光纤中的空间孤子，以及光晶格中的空间孤子等。一方 面，这类系统将是发展全光开关器件的理想元件。光孤子对于高速率远距离大容量的全光通信技术的研究和孤子通信技术的商用化具有无可替代的重要性。另一方 面，光孤子与周期光结构相互作用的研究同时也将促进其他领域孤子研究的发展，比如像生物分子链，固体物理中电子波所遇到的晶格结构，以及玻色－爱因斯坦凝 聚中的周期光学势阱。所有形式的孤子具有共同的物理本质和行为特征，借助于周期型光结构中的光孤子，将帮助理解和探索其他孤子的研究和物理机制。因此，这 方面的研究已成为光孤子研究领域新兴的方向。
《光纤通信基础》习题及答案
光栅技术
第二章部分
2.1、光纤的结构由哪几部分组成？各有什么作用？ 答：光纤（Optical Fiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。纤芯的 折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。包层为光的传输提供反射 面和光隔离，并起一定的机械保护作用。 2.2、简述光纤的类型包括哪几种以及各自特点？ 解：实用光纤主要有三种基本类型： 1）、突变型多模光纤（Step Index Fiber, SIF）， 纤芯折射率为 n1 保持不变，到包层突然 变为 n2。这种光纤一般纤芯直径 2a=50~80 μm，光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播， 特点是信号畸变大。 2）、渐变型多模光纤（Graded Index Fiber, GIF）， 在纤芯中心折射率最大为 n1，沿径向 r 向外围逐渐变小，直到包层变为 n2。这种光纤一般纤芯直径 2a 为 50μm，光线以正弦形 状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变小。 3）、单模光纤（Single Mode Fiber, SMF），折射率分布和突变型光 纤相似，纤芯直径只有 8~10 μm，光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。因为这种光 纤只能传输一个模式（两个偏振态简并），所以称为单模光纤，其信号畸变很小。 2.3、色散的产生以及危害？ 答：由于光纤中所传信号的不同频率成分， 或信号能量的各种模式成分，在传输过程中， 因群速度不同互相散开，引起传输信号波形失真，脉冲展宽的物理现象称为色散；光纤色散 的存在使传输的信号脉冲畸变，从而限制了光纤的传输容量和传输带宽。 2.4、光缆的结构分类？ 答：(1) 层绞式结构：层绞式光缆的结构类似于传统的电缆结构方式，故又称为古典式光缆。 (2) 骨架式结构：架式光缆中的光纤置放于塑料骨架的槽中，槽的横截面可以是 V 形、U 形 或其他合理的形状，槽的纵向呈螺旋形或正弦形，一个空槽可放置 5~10 根一次涂覆光纤。 (3) 束管式结构：束管式结构的光缆近年来得到了较快的发展。它相当于把松套管扩大为整 个纤芯，成为一个管腔，将光纤集中松放在其中。 (4) 带状式结构：带状式结构的光缆首先将一次涂覆的光纤放入塑料带内做成光纤带，然后 将几层光纤带叠放在一起构成光缆芯。 2.5、光缆的种类？ 答：根据光缆的传输性能、距离和用途，光缆可以分为市话光缆、长途光缆、海底光缆和用
非线性光纤光学-第五章-光孤子
➢ 孤子的物理理解： ✓ 光孤子由色度色散和自相位调制的结合而形成。 ✓ 通过选择适当的波长和脉冲形状，激光产生孤子波形， 孤子波形通过
自相位调制抵消掉色度色散，从而保持波形不变。 ✓ 色度色散和啁啾(chirp)彼此抵消，从而产生孤子。
光孤子的数学描述
➢ 非线性薛定谔方程(NLS) 从数学上描述光孤子需要用到前面介绍的NLS，
✓ 随着波分复用技术的出现，色散管理技术被普遍采用，它通过周期性色散图从 总体上降低GVD，而在局部GVD则保持较高值。β2的周期性变化形成另一个光栅， 可以显著影响调制不稳定性。在强色散管理情况下（相对大的GVD变化），调制 不稳定性增益的峰值和带宽均减小。
✓ 调制不稳定性在几个方面影响WDM系统的性能。研究表明，四波混频的共振增强 对WDM系统有害，特别是当信道间隔接近调制不稳定性增益最强的频率时，使系 统性能明显劣化。积极的一面是，这种共振增强能用于低功率、高效的波长变 换
A z
i 2
2
2 A T 2
1 6
3
3 A T 3
i
|
A |2
A
2
A
为了简化孤子解，首先忽略光纤损耗和三阶色散，并引入归一化参量
U A , z , T
P0
LD
T0
输入脉冲宽度
归一化的方程为：
峰值功率
LD
T02
| 2
色散长度 |
i U
sgn(2
)
1 2
2U
2
N2
U 2U
N 2 LD
P0T02
第五章 光孤子
1.调制不稳定性 2.光孤子 3.其他类型孤子 4.孤子微扰 5.高阶效应
1.调制不稳定性
光纤通信技术总结
光纤通信技术总结一绪论1.1966年英籍华裔学者高琨和霍克哈姆发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信——光纤通信的基础。
2.光纤通信技术不断创新：光纤从多模发展到单模，工作波长从0.85?m发展到1.31?m，传输速率从几十Mb/s发展到几十Gb/s。
3.任何通信系统追求的最终技术目标都是要可靠地实现最大可能的信息传输容量和传输距离。
4.电缆通信和微波通信的载波是电波，光纤通信的载波是光波。
5.直接调制是用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，是输出光随电信号变化而实现的，这种方案技术简单、成本较低、容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。
外调制是把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的，这种调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高。
6.目前，使用光纤通信系统普遍采用直接调制——直接检测方式，光接收机最重要的特性参数是灵敏度。
7.光纤通信系统包括电信号处理部分和光信号传输部分。
光信号传输部分主要由基本光纤传输系统组成，包括光发射机、光纤传输线路和光接收机三个部分。
光纤通信系统可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。
二光纤和光缆1、光纤是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。
纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。
包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一点的机械保护作用。
2、光纤类型：突变型多模光纤、渐变性多模光纤、单模光纤等等 3、损耗限制系统的传输距离，色散则限制系统的传输带宽。
色散是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的传播时间不同而产生的一种物理效应。
色散一般包括模式色散、材料色散和波导色散。
模式色散：是由于不同模式的传播时间不同而产生的，它取决于光纤的折射率分布，并和光纤材料折射率的波长特性有关。
材料色散：是由于光纤的折射率随波长而变化，以及模式内部不同波长成分的光，其传播时间不同而产生的。
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——非线性效应：自相位调制
（SPM：Self-phase Modulation）
群速色散
光纤的群速色散使得不同频率的光波以不同 的速度传播，这样，同时出发的光脉冲，由于 频率不同，传输速度就不同，到达终点的时间 也就不同，便形成脉冲展宽，使信号畸变失真。
Hale Waihona Puke 自相位调制克尔效应（OKE）使得当光的强度变化时使 频率发生变化，从而使传播速度变化。在光纤 中这种变化使光脉冲后沿的频率变高、传播速 度变快；而前沿的频率变低、传播速度变慢。 这就造成脉冲后沿比前沿运动快，从而使脉冲 受到压缩变窄。
——物理上，孤子是物质非线性效应的一种特殊产物
——数学上，它是某些非线性偏微分方程的一类稳定的、能量有限的不 弥散解
——孤子在互相碰撞后，仍能保持各自的形状和速度不变
光孤子的形成机理
光孤子稳定存在的条件
——线性效应：光纤的群速色散 （GVD：Group Velocity Dispersion）
——特点: 开关速度快（10-2s量级）、开光转换率 高（达100%）、开光过程中光孤子形状
不发生改变，选择性能好
光孤子源技术
——光孤子稳定传输条件： 光脉冲为严格的双曲正割形 振幅满足一定的条件 ——现有的光孤子源 拉曼孤子激光器、参量孤子激光器、掺饵光纤孤 子激光器、增益开环半导体孤子激光器、锁模半 导体孤子激光器
全光孤子放大器
——特点：可对光信号直接放大，避免了光电、电 光模式
光孤子开关技术
光孤子通信系统
孤子与光孤子
孤子（Soliton）又称孤立波，是一种特殊形式的超短脉冲，或者说是一 种在传播过程中形状、幅度和速度都维持不变的脉冲状行波。
孤子的提出 ——1834年美国科学家罗素在流体力学中首先提出 ——在一条窄河道中，迅速拉一条船前进，在船突然停下时，在船头 形成的一个孤立的水波迅速离开船头 孤子的特点
注：Figure 1～3均引自Optical Soliton.Lisa Larrimore Physics 116
光孤子通信
光孤子通信的优点
① 传输容量比现有线性光纤通信系统
大1～2个数量级 ② 可以进行全光中继
主要技术内容
适合光孤子传输的光纤技术
——研究特定光纤参数条件下光孤子传输的有效距离