光纤通信1

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1、Optical Fiber Communications,Mingyi Gao Optical Network Technology Research Center (ONTRC) Address: Rm. 443, EE Building Email: mygao,光纤通信 (第四版) Gerd Keiser著 电子工业出版社,Reference,Content,1.概述 2.光纤的结构和导波原理和制造 3.光纤中的信号损伤 4.光源 5.光功率发射和耦合 6.光检测器 7.光接收机 8.数字光纤通信系统 9.模拟光纤通信系统,10.WDM概念和器件 11.光放大器 12.非线性效应 13.

2、光纤通信网络 14.光纤通信测量,Chapter 1: Introduction,基础知识 光纤通信的历史 光纤通信的主要特征：优缺点 光纤通信系统的组成和分类 应用,主要内容,基础知识,波长，频率 c(m/s)=(m)(Hz) E(J)=h(6.63*10-34Js)(Hz) E(eV)=1.2406/ (m),基础知识,dB, dBm dB=10 lg(P2/P1) dBm=10 lg(P(mw)/1mw),1.1 光纤通信的发展与现状,传输媒介,光纤通信系统：利用光纤传输光波信号的通信方式 优点：价格便宜、损耗低、频带宽，成为通信网骨干,无线通信：微波、卫星、激光,有线通信：铜线电缆、光

3、纤光缆,通信系统：将信息从一处传到另一处的全部技术设 备和传输媒介的总和,电磁波：交变电场产生交变磁场，交变磁场激起交变电场，电场、磁场无限地交变产生形成电磁场,光通信的基础：电磁波理论,麦克斯韦1865年 发表电磁场理论,赫兹1888年实验 证实电磁波存在,在电磁波谱中，光波范围包括红外线、可见光、紫外线，其波长范围为：300 mm 6 nm,电磁波谱,光纤通信载波在167 375 THz之间(0.8 mm1.8 mm) 0.8 mm 0.9 mm称为短波段 1.0 mm 1.8 mm称为长波段 2.0 mm以上称为超长波段,通信用光波范围 (为什么?),常用通信光载波频率193 THz (

4、1.55 mm),大带宽的原因：高载频 可承载的信号频率高,各种单位的换算公式,公元前11世纪，西周王朝，烽火台 白天点狼粪，晚上燃柴火“狼烟四起”,最早的光通信,第一个光电话系统的通话距离213米(1880年贝尔),光源不行：普通光源强度和纯度制约光通信的发展,现代光通信的开端：第一个光电话系统,调制,传输,解调,恒定的弧光灯光束投射在话筒的音膜上，随声音的振动而得到强弱变化的反射光束，这个过程就是调制。,激光器的发明：光通信进入一个崭新的阶段，它具有亮度高、谱线窄、方向性好 介质不行：大气通信受气象条件的影响，通信不稳定,频率为100 THz的红宝石激光器1960年梅曼(Maiman),新

5、阶段：大气激光通信,研究重点转入地下：出现反射波导和透镜波导等地下通信实验，但它们造价昂贵，调整、维护困难,地下光通信,没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质 使光通信的研究走入了低谷,1870年英国物理学家丁达尔 太阳光随着水流发生弯曲 n水 n空气光发生全反射,光纤的雏形,1953年英国伦敦学院卡帕尼博士发明了玻璃光导纤维：芯层+包层 (n芯层n包层) 光纤 1960年最好的光纤损耗为1000 dB/km，仅能用于医疗，如内窥镜,研究对象：光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题 损耗原因：1) 含有过量的金属离子(铬、铜、铁、锰)和OH- 2) 光纤拉制工艺造成芯、包层分界面不均匀及 其所引起的折射

6、率不均匀 新的发现：玻璃纤维在红外光区的损耗较小,现代光纤通信的大发展：光纤损耗的解决,光纤之父：高锟,1966年英国标准电信研究所,2009年物理学诺贝尔奖,1970年美国康宁公司研制成损耗20 dB/km石英光纤 1972年康宁公司高纯石英多模光纤损耗降为4 dB/km 1973年美国贝尔实验室的光纤损耗降低到2.5 dB/km 1974年贝尔实验室将损耗降低到1.1 dB/km 1976年日本NTT公司将损耗降低到0.47 dB/km 目前波长为1.55 mm的标准光纤损耗为 0.2 dB/km,低损耗光纤的研制,1970年Bell Lab、NEC和前苏联先后研制成功室温下 连续 振荡的

7、GaAlAs双异质结半导体短波长激 光器(寿命只有几个小时)为半导体激光器发展 奠定了基础，成为光纤通信史上的里程碑 1973年半导体激光器寿命达到7000小时 1976年NTT研制出波长为1.3mm的InGaAsP激光器 1977年Bell Lab研制的半导体激光器寿命达10万小时 1979年AT&T/NTT制成波长为1.55mm的半导体激光器,半导体通信光源的出现：光源小型化,目前商用的半导体激光器照片,1976年美国亚特兰大进行世界上第一个实用光纤通信 系统的现场试验 1976年日本34 Mb/s的阶跃多模光纤通信系统试验 1978年日本100 Mb/s的渐变型多模光纤通信系统试验 19

8、80年美国标准化FT - 3光纤通信系统投入商业应用 1983年日本敷设了纵贯南北的光缆长途干线 1988年美日英法建成第一条横跨大西洋海底光缆通信 系统 1989年建成第一条横跨太平洋 海底光缆通信系统,光纤通信系统的发展,当今世界范围的光纤通信系统,第一代：19661979 激光器(GaAs)，波长0.8m，多模光纤，最大中继距离10km (当时的同轴电缆系统中继距离为1km)，比特率为10100Mb/s。多模色散和损耗是限制中继距离的关键。,四个发展阶段：从基础研究到商业应用,第二代：上世纪80年代早期 激光器(InGaAs)，波长1.3m，单模光纤，最大中继距离50km，比特率为2.0

9、Gb/s。光纤的损耗(0.5 dB/km)限制了中继距离。,四个发展阶段：减小光纤色散,第三代：上世纪80年代后期初90年代初 激光器(InGaAsP)波长1.55m，单模(色散位移)光纤，比特率为2.510Gb/s，最大中继距离100km。这个阶段的缺点是采用电的方式中继。,四个发展阶段：降低损耗,第四代：上世纪90年代之后 激光器(InGaAsP)波长1.55m，单模光纤，采用波分复用技术和光放大技术，单波长信道比特率为2.510Gb/s，传输距离14000 km，并提出光通信智能化的概念,四个发展阶段：引入WDM和全光放大,WDM技术出现,1.2 光纤通信的主要特性,大容量：马路越宽，容

10、许通过的车辆越多，交通运输能力也越 大。如果把通信线路比作马路，那么应该说是通信线路的频带 越宽，容许传输的信息越多，通信容量就越大。,目前的光纤容量已经达到百多个Tb/s,损耗低、中继距离长,中继站多：传输成本高、维护不方便、运行不可靠 石英光纤在1.55 mm波长区的损耗为0.18 dB/km 例： 同轴电缆通信的中继距离只有几公里 最长的微波通信是50公里左右 光纤通信系统的最长中继距离已达数千公里,抗干扰能力强,现有的电通信系统抗干扰能力不足： 例1：电话线和电缆不能跟高压电线平行架设，也不 能在电气铁化路附近铺设 例2：据专家测算，如果在美国本土中心上空 463公 里处爆炸一颗原子弹

11、，1秒钟内即可使全美所 有的电缆通信系统失效，但光纤通信线路却能 基本不受影响 光纤为什么具有强抗干扰能力? 1. 光纤属绝缘体，不怕雷电和高压 2. 电磁源干扰不了频率比它们高得多的光 3. 杰出的抗核辐射能力,保密性强,电通信方式很容易被人窃听 1. 电缆通信：只要在电缆附近 (甚至几公里以外) 设 置一个特别的接收装置，就可以获取传送的信息 2. 无线通信方式：无线电波在大气中传播，甚至充斥 全球，很容易被人窃听 3. 密码学的发展使加密往往也无济于事 光纤通信是保密性能最好的通信方式之一 - 光在光纤中传输时不会跑出光纤和向外辐射电磁波 - 即使在拐弯很厉害的地方，漏出包层的光微乎其微

12、,体积小、重量轻,1千克高纯度石英玻璃 成千上万公里光纤 120吨铜和 500 吨铅 1000公里的 8 管同轴电缆 18管同轴电缆每米重11千克 同等容量的光缆每米重90克 柔软易弯曲、铺设非常方便,光纤的原材料取之不竭,电线主材：铜、铅等有色金属只够使用50年左右 光纤主材：普通的石英砂(SiO2)在地壳的化学成分中 占了一半以上，取之不尽、用之不竭,其它优点,不怕腐蚀 耐高低温能力较强(-65200度) 可实现多功能传输(同时传递话音、数据、图像等信息),缺点,案例：新疆某地区大雪导致光纤故障 (2006年10月) 原因：光缆没有防护好被冰雪包裹，并由于冰雪压 力和热胀冷缩导致光纤弯曲,

13、1.容易折断 (比如经常被挖断) 2.光纤连接困难 (断面是否垂直、焊接点是否有气泡) 3.光纤通信过程中怕水、怕冰 (OH-根吸收增大损耗) 4.光纤怕弯曲 (导致损耗增加),1.3 光纤通信系统的构成和分类,主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。,分类,根据调制信号的类型： 模拟光纤通信系统 数字光纤通信系统 根据光源的调制方式： 直接调制系统 间接调制系统 根据光纤的传导模数量：多模光纤通信系统 单模光纤通信系统 根据系统的工作波长： 短波长光纤通信系统 长波长光纤通信系统 超长波长光纤通信系统,1.4 光纤通信系统的应用,通信网络,公用电信网： 核心网、城域网,光纤接入网,海

14、底光缆及洲际通信网,无线通信网,电力、煤炭系统的监视、控制和管理,能源系统,抗干扰能力强,无源传感、宽带传输,铁路、地铁和高速公路通信及监控网络系统 铁路通信网特点： 1. 节点多，分支、插入话路频繁 2. 通信量大小不一，需求不同(传输电话、数据、图像) 3. 要求有强抗电磁干扰能力 除了光纤通信，其它通信方式不能满足这些要求,交通系统,光纤制导武器：光纤制导导弹、光纤制导鱼雷 需要获得实时的目标图像同时要求控制线轻巧,军事,水下通信系统是扫雷舰与浮游载体之间的传输线路 1. 浮游载体需要传回声纳信号和遥测信号(都是视频信号) 2. 舰体对浮游载体进行控制,军事,雷达：要求保证雷达室与作战情

15、报中心之间信息传输的抗干扰能力和保密性，要能保证作战情报中心的安全(长途控制) 光纤延迟线：调节每个微波单元的相位从而控制雷达的空间方位扫描,军事,内窥镜,医疗器械,激光手术中，有时需要手术的部位在人体腔道内， 这就要求激光能拐弯。目前大多数医疗激光可以通 过石英光纤来实现拐弯，因此激光手术刀又叫光纤 手术刀。,激光手术刀,机载电子,光网络与结构,1997-1999,1999-2001,中国高速信息示范网,ASON testbed & GMPLS 自动交换光网络 （异构）,2002-2006,3TNet 高性能宽带信息网 长三角示范工程,2001-2002,SHAONET 全光通信试验网,STONETS 上海科技网升级改造,8040 Gb/s,3 OADM 1 OXC,光传输与光信号处理,光发射模块,可重构光分插复用器,光接收模块,光高速传输 网络子模块和子系统 (硅基)光信号处理 生物光电子,100 GbE,光器件与光传感,