《光纤通讯技术》课件

光纤通信技术光纤通信技术是现代通信领域的关键支柱，通过光纤传输信息，实现超高速、大容量的数据传输本课程将全面系统地介绍光纤通信的原理、系统与网络架构，涵盖从基础理论到前沿应用的各个方面我们将深入探讨光纤传输原理，分析关键器件的工作机制，并介绍各种实用技术及其应用场景通过本课程，您将掌握光通信领域的核心知识，了解行业最新发展动态，为未来研究与实践奠定坚实基础目录第一部分光纤通信概述介绍光纤通信的发展历史、现状、特点、应用领域及基本概念第二部分光纤传输原理与特性详解光纤结构、分类、导光原理、传输特性及光缆技术第三部分光通信系统组成分析光发送机、光接收机、光放大器等核心组件及系统设计第四部分光纤通信网络讲解光传送网、保护技术、波分复用网络及各类应用场景第五部分新型光纤通信技术探讨相干光通信、空分复用、量子通信等前沿技术发展第一部分光纤通信概述基础定义重要性光纤通信是利用光波作为载波，作为现代通信基础设施的核心，通过光纤介质传输信息的通信技光纤通信支撑着互联网、移动通术它将电信号转换为光信号，信、数据中心等信息系统的高速经光纤传输后再转换回电信号，运转，是数字经济的重要基础实现信息的高效传递发展脉络从理论构想到实际应用，光纤通信经历了数十年的技术演进，传输容量提升了数百万倍，成为现代通信网络的主要承载方式光纤通信的发展史年11880亚历山大格雷厄姆贝尔发明光电话，这是现代光通信的雏形，··首次展示了用光传递信息的可能性2年1966华裔科学家高锟提出用石英玻璃制造光纤的理论，预言光纤损耗可降至以下，为现代光纤通信奠定理论基础20dB/km年31970美国康宁公司成功制造出损耗小于的光纤，证实了20dB/km高锟的理论，实现了光纤通信的技术突破4年代1980商用光纤通信系统开始大规模部署，标志着光纤通信从实验室走向实际应用，开启信息传输的新时代年52009高锟因在光纤通信领域的开创性贡献获得诺贝尔物理学奖，光纤通信技术的重要性获得全球认可光纤通信的现状亿1500市场规模美元全球光纤通信产业链年市场规模已超亿美元，成为通信行业的支柱产业1500100+Tbps传输容量单系统传输容量从最初的级别发展到现在的数十甚至上百级别Gbps Tbps10000+km传输距离无电中继传输距离从数公里延伸至数千公里，跨洋系统可达多公里10000亿

5.4中国光纤用户中国已建成全球最大规模光网络基础设施，用户数超亿FTTH

5.4光纤通信的特点传输容量大单纤传输可达数十，相当于同时传输数百万路高清视频这种超大容量源Tbps于光波的高频特性，光波频率高达数百，提供了巨大的信息承载能力THz传输距离远现代光纤在无中继情况下可传输以上，采用光放大技术后可延伸至数100km千公里这归功于光纤超低的传输损耗和先进的信号放大技术抗电磁干扰能力强光纤由绝缘材料制成，不受电磁波影响，可在强电磁环境下稳定工作这使其特别适合在电力设施、工业环境等复杂场景应用体积小、重量轻相比传统铜缆，光纤直径仅毫米级，重量轻，便于安装与维护同等传输能力下，光缆的体积和重量仅为铜缆的十分之一左右光纤通信的应用领域电信骨干网络与城域网互联网数据中心网络建设5G光纤是现代电信网络的基础传输媒介，承在大型数据中心内，光纤用于服务器间的基站需要高带宽前传回传网络支持，5G/载着全球互联网的数据流量高速光纤干高速互连，支持级数据的快速存取和处光纤成为唯一可行的传输媒介每个基PB5G线连接各大城市和国家，构成全球通信的理随着云计算的发展，数据中心内光互站的回传带宽需求可达以上，只10Gbps动脉系统连技术变得愈发重要有光纤才能满足要求光通信的基本概念电光转换光纤传输/发送端将电信号转换为光信号光信号在光纤中传播信号处理光电转换/恢复原始信息接收端将光信号转换回电信号光通信系统利用光波作为载波传送信息，具有极高的频率约，这为信息传输提供了巨大的带宽资源现代光通信系统通常10^14Hz采用波分复用技术，在单根光纤中同时传输数十甚至上百个不同波长的光信号，极大地提升了系统容量第二部分光纤传输原理与特性光纤结构了解光纤的物理构成导光原理掌握光在纤中传播机制传输特性分析影响传输的关键因素本部分将深入探讨光纤的物理结构、工作原理和核心特性，帮助您理解光信号在光纤中传播的基本规律我们将分析单模与多模光纤的区别，研究光纤中的衰减、色散和非线性效应，以及这些因素如何影响通信系统的性能通过掌握这些基础知识，您将能够理解光纤通信系统设计的理论依据，为后续学习更复杂的系统和网络技术打下坚实基础光纤的基本结构纤芯传输光波的中心介质，直径单模或多模，8-10μm50-

62.5μm由高纯度掺杂二氧化硅制成，折射率较高包层包围纤芯形成折射率差的外层，直径，由纯二氧化硅制成，折125μm射率低于纤芯，确保光波在纤芯中传播保护层覆盖在包层外的涂覆层，直径，通常为丙烯酸树脂，提供初步250μm的机械保护和环境隔离外护套最外层保护材料，通常为聚乙烯或材料，保护光纤免受外界环境损PVC伤，提供额外的机械强度光纤的分类按传输模式分类按折射率分布分类单模光纤纤芯细，仅支持一种模阶跃型折射率在纤芯与包层间呈••式传输阶梯状变化多模光纤纤芯粗，支持多种模式渐变型折射率从中心向外缓慢变••同时传输化按功能分类按材料分类标准单模最常用的通用型石英光纤主流通信用光纤，性能•G.652•光纤最佳非零色散位移降低非线性塑料光纤成本低，易弯曲，短距•G.655•效应离应用大有效面积光纤适合高功率传输硬质玻璃光纤特殊环境应用••光纤导光原理折射现象全内反射数值孔径与模场当光从一种介质进入另一种介质时，传当光从高折射率介质纤芯射向低折射率数值孔径定义了光纤接收光线的能NA播方向会发生改变，这称为折射折射介质包层时，如果入射角大于临界角，力₁₂越大，NA=√n²-n²NA遵循斯涅尔定律₁₁光将完全反射回高折射率介质，不会透光纤接收光线的能力越强，但模间色散n sinθ=₂₂，其中₁和₂分别是两种射到低折射率介质中这就是光纤传输也越严重n sinθn n介质的折射率，₁和₂分别是入射角的物理基础θθ单模光纤中，光能量主要集中在纤芯中和折射角临界角₂₁，其中₁心区域，形成特定的模场分布多模光θc=arcsinn/nn为纤芯折射率，₂为包层折射率典型纤中，光能量分布在多个传输模式中n光纤的临界角约为°8单模与多模光纤参数单模光纤多模光纤纤芯直径或8-10μm50μm

62.5μm传输模式仅支持基模传输支持多种模式同时传输色散特性无模间色散，仅有材料存在明显的模间色散，色散和波导色散限制传输距离带宽距离积非常高较低几百-10GHz·kmMHz·km光源要求需要窄谱线宽激光器可使用或普通激光LED器连接难度对准要求高，连接相对对准要求低，连接相对困难简单适用场景长距离高速传输骨干网、短距离传输局域网、数长途通信据中心内部光纤的传输特性衰减特性光信号在光纤中传播时，强度随传输距离逐渐减弱衰减用表示，现代光纤在dB/km波长处衰减可低至衰减主要来源于材料吸收和瑞利散射1550nm

0.2dB/km色散特性不同波长的光在光纤中传播速度不同，导致脉冲展宽，最终限制传输距离和速率色散包括材料色散、波导色散和模间色散多模光纤色散系数用表示ps/nm·km非线性效应高功率光信号在光纤中传播时会产生各种非线性现象，如自相位调制、交叉相位调制、四波混频和受激散射等这些效应在长距离高速系统中尤为明显，需要特别考虑偏振特性实际光纤中存在双折射现象，导致不同偏振态的光传输速度存在差异，产生偏振模色散高速系统中，成为限制传输距离的重要因素之一PMD PMD光纤衰减光纤色散材料色散波导色散色散管理材料色散源于光纤材料二氧化硅折射率波导色散是由于不同波长的光在光纤中高速长距离系统中，色散必须严格控制随波长变化引起的时延差异当光脉冲模场分布不同而产生的短波长光能量常用技术包括使用色散位移光纤、DSF包含多个波长分量时，各分量传输速度更多地分布在包层，而长波长光更多地色散补偿光纤、色散补偿模块DCF不同，导致脉冲展宽集中在纤芯和相干系统中的数字色散补偿DCM在波长附近，二氧化硅的材料单模光纤中波导色散通常为负值，可用1300nm色散接近于零，但在窗口最于部分抵消材料色散通过调整纤芯直现代以上系统多采用相干检测与1550nm100G低损耗区，材料色散达到约径和折射率差，可设计出在特定波长处数字信号处理技术，能够有效补偿数万总色散为零的光纤的累积色散，大幅提升系统容量+17ps/nm·km ps/nm和距离光纤的非线性效应基于克尔效应折射率随光强变化导致的非线性基于散射效应光与声子或分子相互作用产生的非线性系统影响限制传输距离和信道数量克尔效应产生的非线性包括自相位调制、交叉相位调制和四波混频导致光脉冲自身相位变化，是不同信SPM XPMFWM SPMXPM道间的相互干扰，则产生新的频率分量，这在系统中尤为严重FWM DWDM散射效应主要包括受激布里渊散射和受激拉曼散射限制单信道的最大发射功率，则导致长波长信道从短波长信道SBS SRSSBS SRS获得能量抑制非线性效应的方法包括控制发射功率、增大有效面积、优化信道间隔和使用正色散传输等光缆结构与特点松套管式光缆紧套管式光缆带状光缆光纤置于充满防水化合物的松套管中，有光纤直接被塑料紧密包覆，结构紧凑、弯多根光纤按平行排列组成带状结构，大大较大自由空间，适合长途干线和骨干网曲半径小，适合局域网和室内布线这种提高了单位面积内的光纤密度，适合高密这种结构可有效减轻温度变化导致的应力，光缆易于端接和操作，但温度性能不如松度光纤连接需求带状光缆便于大规模熔提供优异的机械和温度性能套管式，通常用于短距离传输接，大幅提升施工效率，常用于城域网和接入网第三部分光通信系统组成发送端将电信号转换为光信号传输媒介光纤线路传送光信号中继放大补偿传输损耗接收端将光信号转换回电信号光通信系统由发送端、传输媒介和接收端三大部分组成发送端通过光电转换将信息调制到光载波上；传输媒介以光纤为主，负责传送光信号；接收端则通过光电转换恢复原始信息现代光通信系统中，为克服光信号在长距离传输中的衰减，通常在传输路径上设置光放大器作为中继，而不是传统的电再生中继，这大大简化了系统结构，提高了可靠性和性能光纤通信系统基本组成光纤传输线光发送机由光纤和光缆组成，传输光信号的媒介包含光源、驱动电路和调制装置，将电2信号转换为光信号光放大中继补偿传输损耗，延长传输距离3光网络单元光接收机实现复用、交换等网络功能包含光电探测器和放大电路，将光信号转换为电信号光发送机光源产生特定波长的光信号，通常为半导体激光器或激光器具有线宽窄、亮LED度高的特点，适用于高速长距离传输；成本低但带宽有限，适用于短距离LED应用驱动电路控制光源的电流注入，将电信号转换为光强变化驱动电路需要提供稳定的偏置电流和快速响应的调制电流，同时还要保证温度补偿和过流保护功能调制器高速系统中通常采用外调制方式，如马赫曾德尔调制器或电吸收调制-MZM器外调制可克服激光器直接调制的带宽限制和啁啾效应，实现更高质EAM量的光信号调制温度控制系统保持激光器在恒定温度下工作，确保波长稳定性和输出功率稳定性温控系统通常包括热敏电阻、温度控制器和制冷元件，如热电制冷器TEC光源技术光源类型工作原理特点主要应用自发辐射结构简单、成本短距离多模光纤LED低、寿命长、光传输谱宽激光器法布里珀罗腔成本适中、线宽中短距离传输系FP-形成的多纵模激较宽统2-3nm光激光器分布反馈结构形线宽窄、长距离高速传输DFB1MHz成的单纵模激光波长稳定垂直腔面发射激低功耗、易于二数据中心短距离VCSEL射维阵列集成互连可调谐激光器波长可电控调节单一器件可覆盖系统、DWDM多个波长备份光源光调制技术直接调制通过直接改变激光器的注入电流来实现光强变化优点是结构简单、成本低；缺点是调制带宽有限通常，且存在频率啁啾效应，限制传输距离适用于中低速短距离传输系统10GHz外部调制使用独立的外部调制器改变激光器输出的光强或相位主要包括马赫曾德尔调制器基于干涉效应和电-吸收调制器基于量子限制斯塔克效应外调制可实现更高带宽和更小的啁啾，适合高速长距40GHz离传输基本调制格式强度调制直接检测系统中，主要采用开关键控格式，即用光的有无表示数字和/IM/DD OOK10更先进的系统采用相位调制、或幅度相位联合调制，提高频谱效率BPSK QPSKQAM高阶调制现代高速系统采用偏振复用和高阶如、，单波长可实现甚至QAM DP-16QAM DP-64QAM400G传输速率高阶调制需要相干接收和数字信号处理技术支持，系统复杂度和成本较高，但频谱效率800G大幅提升光接收机光电探测器将光信号转换为电信号，常用二极管或雪崩光电二极管探测器需PIN APD要具备高响应度、低暗电流和足够的带宽，以确保系统性能前置放大器放大探测器输出的微弱电流信号，是决定接收灵敏度的关键环节常用跨阻放大器设计，需要平衡增益、带宽和噪声等参数TIA主放大器进一步放大信号并进行波形整形，使信号更适合后续处理主放大器通常包含自动增益控制功能，以适应不同强度的输入信号判决与时钟恢复电路对放大后的信号进行采样判决，恢复数字信号；同时从接收信号中提取时钟信息，确保采样时刻的准确性现代高速系统中，这些功能通常由数字信号处理芯片实现光电探测器光电二极管雪崩光电二极管性能参数PIN APD二极管是最常用的光电探测器，由在高反向偏置电压下工作，利用载响应度输出电流与入射光功率PIN PAPD•R型、本征和型半导体层组成光子在流子雪崩倍增效应产生内部电流增益，比值，单位I NA/W区被吸收产生电子空穴对，在电场作通常可达几十到上百倍这大大提高了I-暗电流无光照时的漏电流，影响探•用下形成光电流接收灵敏度，使系统在相同发射功率下测器噪声传输距离延长带宽决定系统最高传输速率二极管结构简单、价格低廉、可靠性•PIN高，响应时间可达几十皮秒，但没有内的缺点是需要高偏置电压、温度敏量子效率入射光子转换为电子的效APD•部增益机制，灵敏度有限常用材料包感性强、增益噪声较大是率InGaAs/InP括硅适用于可见光和适用于长波段的主要材料，但其雪崩增益InGaAs APD增益特有光生载流子的倍增•APD波段系数不如硅理想

1.3-

1.6μmAPD系数光放大器掺铒光纤放大器拉曼光纤放大器EDFA是最成功的光放大器，工作基于受激拉曼散射效应，使用普EDFA在波段和通传输光纤作为增益介质泵浦1530-1565nmC波段它使光波长比信号光短约拉1570-1610nmL100nm用掺铒光纤作为增益介质，通过曼放大具有增益带宽可调、分布或泵浦激光器式放大等优势，可与结合使980nm1480nm EDFA提供能量具有高增益用，扩展放大带宽，改善噪声性EDFA、低噪声、偏振不敏感能适用于超长距离和超高速传30dB和高饱和输出功率等优点，已成输系统为长距离光通信系统的标准配置半导体光放大器SOA结构类似于无反馈腔的半导体激光器，通过载流子注入实现粒子数反转和光放大体积小、易于集成，可工作在多个波长窗口，但存在偏振敏感、增益SOA饱和快和四波混频等问题，主要用于集成光学器件和短距离应用光无源器件光连接器光纤熔接分路器与隔离器光连接器实现光纤的可拆卸连接，常见类熔接是将两根光纤永久连接的方法，通过光分路器将一路光信号分成多路，用于型包括、、和等连电弧放电使光纤端面熔化并融合现代熔网络和测试系统光隔离器允许光信FC SCLC MPO/MTP PON接器性能主要由插入损耗典型值接机采用精密对准和自动放电控制，可实号单向传输，阻止反射光返回光源，保护

0.3dB和回波损耗评价单模光纤连接现极低的接头损耗熔接是干激光器免受反射干扰光环形器是一种特45dB

0.02dB器需要更高的精度，通常采用物理接触线光缆和长距离传输系统的首选连接方式，殊的多端口器件，信号从一个端口输入后或斜面物理接触结构减少反射具有损耗低、稳定性好的特点只能从下一个端口输出，广泛用于PC APCEDFA和光纤传感系统波分复用技术波分复用原理利用不同波长光信号互不干扰的特性复用方式2与两种主要技术CWDM DWDM系统容量显著提升单纤传输能力波分复用是在一根光纤中同时传输多个不同波长光信号的技术，大幅提高光纤利用率粗波分复用使用波长间隔为的WDM CWDM20nm通道，根据标准定义了个波长，设备成本低但信道数有限；密集波分复用波长间隔仅或ITU-T G.

694.218DWDM

0.8nm100GHz，可在波段实现个波长通道

0.4nm50GHz C+L80-160系统关键器件包括复用器将多个波长合并到一根光纤、解复用器分离不同波长和可调光滤波器等现代系统单波长速率达WDMDWDM，结合多个波长通道，单纤容量可超过，相当于同时传输数百万路高清视频400Gbps10040Tbps光通信系统设计功率预算分析计算发射功率、传输损耗和接收灵敏度，确定系统可用功率余量功率余量应满足系统老化和维护需求，通常预留功率预算直接决定系统的最大无中继传输距离和3-6dB可靠性色散限制计算分析累积色散对系统性能的影响，确定色散限制下的最大传输距离高速系统中，色散限制通常比功率限制更严格现代系统采用色散补偿光纤或电子色散补偿技术克服色散限制信噪比与误码率分析评估各类噪声对系统性能的影响，确保接收端信噪比满足误码率要求主要噪声源包括热噪声、散粒噪声、相位噪声和相邻信道干扰等高速系统通常要求误码率低于10^-12系统可靠性与经济性设计综合考虑系统可靠性、性能指标和成本因素，选择最优方案包括保护机制设计、设备冗余配置和总拥有成本分析等良好的系统设计需平衡技术先进性和经济合理性光端机结构线路终端设备中继站设备业务接口单元LTE位于光传输系统两端，完成位于传输路径中间，补偿光提供各类业务接入能力，如光电转换和业务接入功能信号衰减现代系统多采用千兆万兆以太网、/STM-包括多种速率和协议的业务全光放大中继，无需、等接口板卡OLA16/64FC接口，支持以太网、、光电转换，简化设备结构并通常采用模块化设计，便于SDH等多种业务接入提高可靠性灵活配置和升级OTN监控管理单元实现设备状态监控、告警管理、性能统计和远程配置等功能现代设备支持、SNMP等多种网管协议，实现TL1与网管系统的无缝对接现代光端机通常采用模块化设计，包括主控单元、交叉连接单元、业务接口单元和电源单元等系统支持热插拔功能，可在不中断业务的情况下更换单板设备还具备完善的环境监测和保护功能，确保在各种工作环境下稳定运行第四部分光纤通信网络网络架构理解光传送网层次结构网络保护掌握光网络生存性技术典型应用研究不同场景的光网络方案本部分将深入探讨光纤通信网络的架构、技术和应用我们将从光传送网的基本概念入手，详细讲解、等传送网技术及其演进过SDH OTN程同时，我们将分析光网络的保护机制，探讨如何确保网络在面临故障时的生存能力我们还将研究波分复用网络、无源光网络、数据中心光互连和海底光缆系统等典型应用场景，了解不同环境下的光网络解决方案通过本部分学习，您将掌握设计和管理现代光通信网络的核心知识光传送网概述物理层光纤线路和光器件层光层波长管理和光通道层电层业务适配和传送层光传送网是以光纤为传输介质的高速网络，提供大容量、多业务的传送能力它采用分层结构，物理层负责光信号的传输，光层处理波OTN长资源的管理和调度，电层完成业务信号的适配、复用和交换光传送网经历了从准同步数字体系到同步数字体系，再到光传送网和自动交换光网络的演进过程，每一代技术都PDHSDHOTNASON在提升传输速率、增强网络灵活性和智能化水平现代光传送网正逐步与网络融合，形成基于分组的光传送网架构，以适应互联网业务的爆IP发式增长光传送网SDH基本特点网络结构SDH SDH同步数字体系是制定的数字传送网标准，具有同步网络主要由以下设备组成SDH ITU-T SDH复用、标准化接口和丰富管理功能等特点采用字节交错SDH终端复用设备实现业务信号与信号间的转换•TM SDH复用方式，支持灵活的带宽管理和业务接入加减复用设备在高阶复用信号中插入或分离低阶•/ADM的基本帧结构为同步传送模块，速率为SDH STM-1-1信号，帧周期为更高速率通过

155.52Mbps125μs byte-数字交叉连接设备实现不同粒度业务的灵活调度•DXC方式形成，对应interleaving STM-4/16/64/256再生中继器补偿传输损耗，恢复信号质量•REG622Mbps/

2.5Gbps/10Gbps/40Gbps网络拓扑结构多样，包括点对点、链型、星型、环型和网SDH格型等，其中环型结构因其保护能力强、扩展灵活而被广泛采用光传送网OTN层次结构速率等级OTN OTN定义了多层协议结构，从上到下依次为光通道有效载荷定义了一系列标准速率对应OTN OPUOTN OTU

12.7Gbps STM-单元、光通道数据单元、光通道传输单元和光通，对应，ODUOTUOCh16/10GE LANOTU

210.7Gbps STM-64/10GE WAN道这种层次结构支持客户信号的透明传送，并提供强大的功能对应，对应OAM OTU343Gbps STM-256/40GE OTU4112Gbps新一代标准支持更高速率，如和100GE OTUCn400G800G前向纠错技术交换OTN帧结构中包含强大的前向纠错码，采用级交换是网络的核心功能，支持、、、OTN FECRSReed-ODU OTN

1.25G

2.5G10G或更先进的算法可提供约的编等多种颗粒度的电交叉连接交换矩阵容量已达数十，Solomon LDPC/SD-FEC FEC6dB100G OTNTbps码增益，大幅提升传输性能，使高速长距离传输成为可能使得大规模级业务调度成为可能，为下一代高效传送网奠定基础ODU光网络保护技术故障检测告警通知监测光路信号质量与连通性向管理系统报告故障情况业务恢复保护切换确保通信服务连续性将业务转移到备用路径光网络保护技术是确保网络在面临光纤中断、设备故障等情况时维持业务连续性的关键常见的线路保护方式包括保护同时发送两条路径，接收端选择1+1信号质量更好的路径、保护备用路径在故障发生时才承载业务和保护多条工作路径共享一条备用路径1:11:N环网保护机制包括单向路径交换环和双向线路交换环，后者资源利用率更高自动交换光网络则提供动态业务恢复能UPSR BLSR/MS-SPRING ASON力，可根据网络资源状态自动计算备用路径先进保护技术的保护倒换时间通常在以内，确保业务几乎无感知中断50ms波分复用光网络固定光网络可重构光网络全光网络智能光网络波长固定分配，网络结构静态波长动态调度，灵活适应业务变化无需光电转换，提高网络效率软件控制，自动优化资源配置波分复用光网络是现代骨干网的主要承载方式，早期网络采用固定光分插复用器，波长路由预先规划，无法动态调整随着可重构光分插复用器WDM OADMROADM技术的发展，网络实现了波长级别的动态调度能力，极大提高了网络灵活性和资源利用率波长选择交换是的核心技术，基于液晶、或技术实现波长级别的选择性交换现代支持×或×的端口配置，波长分辨率可达WSS ROADMMEMS PLC WSS19120甚至更细，部分产品支持灵活栅格功能，适应超高速信号的频谱需求全光网络避免了传统光电光转换的瓶颈，降低功耗和成本，提高网络透明度50GHz FlexGrid无源光网络网络架构PON无源光网络是一种点到多点的光接入技术，由光线路终端、无源光分路器和多个光网络单元组成位于中心局端，位于用户端，中间的光分路PON OLTONU OLTONU器无需供电，分支比通常为或1:321:64技术标准PON主要标准包括和基于以太网技术，下行，上行PON EPONIEEE

802.3ah/

802.3av GPON/XG-PONITU-T G.984/G.987EPON

1.25Gbps/10Gbps；下行，上行；下行，上行

1.25Gbps/10Gbps GPON

2.5Gbps

1.25Gbps XG-PON10Gbps

2.5Gbps下一代PON为满足不断增长的带宽需求，下一代技术已在开发中将提供下行和上行速率，支持低时延、高可靠性和大分支比更PON50G-PONITU-T G.980450Gbps25Gbps远期的技术包括和波分复用，将进一步提升接入网络性能100G-PON PONWDM-PON数据中心光互连数据中心内部网络架构现代大型数据中心采用网络拓扑如架构，需要大量高速光纤连接典型数据中心包含ClosSpine-Leaf数万至数十万条光纤链路，总长度可达数千公里这些链路连接服务器、交换机和存储设备，构成高速数据传输网络短距离光互连技术数据中心内短距离连接＜主要采用多模光纤和光源，支持、、等速率300m VCSEL10G25G100G传输距离增加时，需要转向单模光纤方案新兴的硅光子集成技术通过将光学元件集成在硅芯片上，大幅降低成本和功耗，是数据中心光互连的重要发展方向并行光传输高速数据中心互连广泛采用并行光技术，如使用×通道，使100GBASE-SR4425G400GBASE-SR8用×通道连接器可同时连接根光纤，大大简化了高密度布线下一代技术将采850G MPO/MTP8-24用等高阶调制，进一步提高频谱效率PAM4光模块标准数据中心常用光模块包括、、、等随SFP+10G QSFP+40G QSFP28100G QSFP-DD400G着速率提升，光模块功耗和散热成为关键挑战同时，随着数据中心规模扩大，光模块成本也成为运营成本的重要组成部分，促使业界开发更经济高效的解决方案海底光缆系统光网络管理智能化趋势关键管理功能随着网络规模和复杂度增加，光网络管理正向光网络管理系统架构光网络管理的核心功能包括故障管理故障检测、智能化方向发展人工智能和机器学习技术被光网络管理系统通常采用分层架构，包定位和处理、配置管理设备和业务配置、性用于故障预测、性能优化和自动化运维软件NMS括网元层、网络层和服务层网元层直接管理能管理性能数据收集和分析、安全管理访问定义网络和网络功能虚拟化技术SDN NFV物理设备；网络层管理端到端连接和资源；服控制和安全策略和计费管理资源使用记录使网络资源管理更加灵活，支持动态业务调度务层面向业务提供服务保障系统支持标准网现代系统还提供网络规划、容量预测和业务仿和按需分配带宽管接口如、、等，确保与真等高级功能SNMP TL1CORBA多厂商设备兼容第五部分新型光纤通信技术随着信息社会的发展，传统光通信技术面临容量和效率的瓶颈本部分将介绍一系列突破性的新型光通信技术，包括相干光通信、空分复用、全光交换、光载无线和量子通信等前沿技术，这些技术将极大地扩展光通信的能力边界我们还将探讨光通信标准化进程、测试技术和未来发展趋势，帮助您把握光通信技术的最新动态和未来方向这些前沿技术不仅具有理论研究价值，更有广阔的应用前景，将为未来信息社会的发展提供强大支撑相干光通信技术相干检测原理先进调制格式超技术100G相干光通信采用外部振荡光源本振激光与接相干系统支持高阶调制格式，常用的包括现代相干系统单波长速率已达，:400G/800G收信号混频，将光信号转换到电域进行处理通过更高阶调制、更宽符号速率和概率整形双偏振四相位键控，•DP-QPSK这种方式可检测光信号的全部特性振幅、相等技术不断提升性能新一代芯片PS DSP4bit/symbol位、频率和偏振，大幅提高接收灵敏度和频采用甚至工艺，集成度和处理能力7nm5nm双偏振阶正交幅度调制，谱效率•DP-8QAM8大幅提升，功耗显著降低6bit/symbol数字相干接收机将混频后的信号转换为数字下一代系统正在研究单波长传输，并探

1.6T双偏振阶正交幅度调•DP-16QAM16域，通过复杂的数字信号处理算法恢复索新型前向纠错码和非线性补偿技术，以进DSP制，8bit/symbol原始数据算法包括时钟恢复、色散补一步突破传输极限长期来看，相干技术将DSP双偏振阶正交幅度调偿、偏振分集、载波相位恢复等多个环节•DP-64QAM64向更小型化、更低功耗和更高集成度方向发制，12bit/symbol展高阶调制提高了频谱效率，但对信噪比要求更高，传输距离相应减少系统可根据传输距离动态调整调制格式，实现距离与容量的最佳平衡空分复用技术19商用多芯光纤最大纤芯数实验室已实现芯光纤3745少模光纤支持的最大模式数相比传统单模光纤提升数十倍容量10Pbps空分复用系统最高容量结合波分复用技术实现倍1000潜在容量提升与传统单模单芯光纤相比空分复用技术通过利用光纤的空间维度传输多路独立信号，突破传统单模光纤的容量瓶颈多芯光纤在单一玻璃包层中包含多个独立纤芯，每SDM MCF个纤芯可独立传输信号；少模光纤利用单一纤芯中的多个模式同时传输不同信号FMF空分复用面临的主要挑战包括模式耦合不同模式间的信号串扰和模式依赖损耗解决方案包括复杂的数字信号处理和特殊光纤设计空分复用与波MIMO分复用、偏振复用结合使用时，可实现单光纤数十的极限容量，为未来超大容量传输系统奠定基础Pbps全光交换技术波长层面空间层面光波长选择性交换光路径切换与重构控制层面时间层面软件定义光网络光分组突发交换/全光交换技术实现在光域完成信号交换，无需光电光转换，大幅降低功耗和时延波长选择交换是目前最成熟的全光交换技术，基于微镜阵O-E-O WSSMEMS列、液晶空间光调制器或波导阵列栅实现最新支持灵活栅格功能，可根据信号带宽需求动态分配频谱资源PLCWSS光分组交换和光突发交换是更具挑战性的技术，需要快速光开关和光缓存技术支持光电集成交换芯片将光学和电子功能集成在单一芯片上，提供更紧OPS OBS凑、高效的解决方案软件定义光网络通过分离控制平面和数据平面，实现网络资源的灵活调度和动态优化，是未来光网络的重要发展方向SDON光载无线技术射频信号生成产生高频无线信号光载波调制将射频信号调制到光载波上光纤传输通过光纤传送调制信号光电转换恢复原始射频信号无线发射通过天线发射射频信号光载无线技术将射频信号调制到光载波上，通过光纤传输后再恢复为射频信号发射这种技术结合了光纤的大容量、低损耗优势和无线通信的灵活性、移动性优势，广Radio overFiber,RoF泛应用于移动通信前传网络、分布式天线系统和室内覆盖系统光载无线技术分为模拟和数字两种模拟直接将射频信号调制到光载波，系统简单但对线性度要求高；数字先将射频信号数字化，传输数字比特流，系统复杂但抗干扰能力强RoF RoF RoFRoF随着网络和未来网络向毫米波和太赫兹频段发展，光载无线技术在高频段信号传输中的优势将更加明显，成为未来移动通信基础设施的关键技术5G6G量子通信技术量子通信原理量子通信利用量子力学原理实现安全通信，主要基于两个关键特性量子不可克隆原理无法精确复制未知量子态和量子测量塌缩测量会改变量子态这使得任何窃听行为都会留下可检测的痕迹，从而实现理论上无条件安全的通信量子密钥分发量子密钥分发是最成熟的量子通信技术，用于安全地在两方之间建立加密密钥常用协议包括QKD、和等光纤型系统已实现超过的传输距离，密钥生成速率达BB84E91MDI-QKD QKD500km Mbps级别星地量子通信实验则将距离扩展到上千公里量子纠缠量子纠缠是一种特殊的量子关联，两个或多个粒子形成一个量子系统，其中一个粒子的量子态无法独立描述利用纠缠态进行通信可实现远距离量子态传输量子隐形传态，这是构建量子互联网的基础近年来，量子纠缠分发距离不断刷新记录，已超过公里1000量子网络量子保密通信网络将点对点量子通信扩展为网络架构中国已建成京沪干线量子保密通信网络跨越多公里和多个城域量子网络量子中继器是突破距离限制的关键技术，目前仍处于实验室研究阶2000段随着技术进步，全球量子互联网建设已提上日程光通信标准化标准ITU-T国际电信联盟电信标准化部门负责制定全球通信标准，其中系列建议书专注于光纤ITU-T G和光系统重要标准包括光纤规范、频率栅格、G.652-G.657G.

694.1DWDM框架等标准在传送网和骨干网领域具有主导地位G.709OTNITU-T标准IEEE电气电子工程师协会的工作组负责以太网标准，包括多项光纤以太网技术规范IEEE

802.3如、、以太网等

802.3ae10GbE

802.3av10G-EPON

802.3bs200G/400G标准在数据通信和接入网领域占主导地位，特别是企业网络和数据中心应用IEEE中国标准中国通过工信部、中国通信标准化协会等机构积极参与国际标准制定并开发本土标准CCSA在前传网络、光接入网等领域，中国标准正发挥越来越重要的作用中国企业在、5G OTN、光通信等领域已成为国际标准的主要贡献者PON100G/400G互操作性光通信设备互操作性是产业健康发展的关键多个行业组织如光互联论坛、光网络联盟OIF等致力于促进不同厂商设备的互操作性测试和验证开放标准和接口规范如ONIE、正推动光网络向更开放、更标准化方向发展OpenROADM OpenConfig光纤通信测试技术光时域反射计OTDR是光纤故障定位的关键工具，通过发送光脉冲并分析返回的背散射和反射信号，绘制光纤特征图它可测量光纤长度、衰减系数、接头连接器损耗和断点位置等参OTDR/数现代具备高分辨率可达厘米级和自动分析功能，大大简化了测试工作OTDR光谱分析仪光谱分析仪用于测量光信号的波长分布和功率水平，是系统调试的必备工具它可监测信道功率平衡、光信噪比和信道串扰等参数高端设备分辨率可达，支WDM

0.1pm持实时监测动态光信号变化现代系统多采用光栅型或干涉型光谱分析技术误码率测试误码率测试是评估光通信系统质量的金标准，测量单位时间内的误码数量测试设备包括图形眼图分析仪、误码率测试仪和复杂调制分析仪等先进的相干接收BER Test机测试系统可分析、等高阶调制信号的星座图、和预误码率等参数DP-QPSK DP-16QAM EVMFEC光通信发展趋势超高速单波长传输400G/800G/

1.6T超大容量单纤容量突破级Pbps超长距离跨洋无中继传输智能化驱动的网络优化与管理AI绿色低碳能效提升与节能减排未来光通信技术将在多个维度突破极限传输速率方面，单波长速率将从目前的发展到乃至，主要通过高阶调制、超宽符号速率和创新编码技术实现传输容量方面，空分复400G800G

1.6T用、宽谱技术和新型光纤将使单纤容量突破大关，满足日益增长的数据流量需求Pbps技术融合与智能化是另一重要趋势光通信与无线、量子、人工智能等技术的融合将创造新的应用场景技术将用于网络规划、故障预测和自动优化，实现网络智能化运维同时，光通信设AI备的低功耗设计和光网络的智能调度将显著提升能效，助力碳中和目标实现总结与展望技术演进现状成就挑战瓶颈未来方向从高锟的开创性理论到如今的当前光通信技术已实现单波长光通信面临的主要挑战包括传未来研究将聚焦新型光纤材料、超高速全光网络，光纤通信历传输，单纤容量数十输容量逼近香农极限、光电转空间分集技术、光电集成、全400G经半个多世纪的快速发展，传，全球已铺设超过亿换瓶颈、设备功耗增加和系统光处理和智能化光网络等领域，Tbps10输容量提升了数百万倍，成为公里光纤，构建起覆盖全球的复杂度提升等问题推动光通信向更高容量、更远信息社会的基础设施光网络基础设施距离、更智能化方向发展光纤通信作为数字经济的神经系统，将在推动社会信息化进程中发挥不可替代的作用随着超高清视频、虚拟现实、人工智能和物联网等应用的普及，对通信网络的带宽、时延和可靠性要求将持续提高，光纤通信必将迎来新一轮技术革新作为通信领域的基础学科，光纤通信技术具有广阔的研究空间和应用前景期待同学们在未来的学习和工作中，积极探索光通信新技术，为构建高速、安全、普惠的信息基础设施做出贡献，共同推动光通信产业和社会数字化转型的发展。