光通信概述

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1、光纤通信概念 光纤通信系统的基本单元 光纤通信的基本问题 光纤通信系统的主要性能指标 光纤通信技术的回顾和展望,第1章 绪论,第一章 光纤通信概述,1.1 光纤通信技术的发展史及现状 1.2 光纤通信系统概述,1.1光纤通信技术的发展史及现状,什么是通信？ “通”传送，“信”信息；信息的传送 基本组成：发送、传输、接收,什么是光纤通信？ 利用激光作为信息的载波信号，并通过 光纤来传送信息的通信系统。,1.1光纤通信技术的发展史及现状,什么是通信？ “通”传送，“信”信息；信息的传送 基本组成：发送、传输、接收,什么是光纤通信？ 利用激光作为信息的载波信号，并通过 光纤来传送信息的通信系统。,光

2、纤通信是人类历史上 的重大突破，现今的光纤通信 已成为信息社会的神经系统,现代通信方式示意图,现代通信方式示意图,信息指用户要求传送的语音、图像、数据以及它们的各种组合,现代通信方式示意图,现代通信方式示意图,光纤通信经过30年的技术发展目前正在淘汰着 其他的有线通信方式,光纤通信技术的主要优点,光波频率很高，光纤传输的频带很宽，故传输容量很大，理论上可通上亿门话路或上万套电视，可进行图像、数据、传真、控制等多种业务； 不受电磁干扰，保密性好； 耐高温、高压、抗腐蚀，工作可靠； 光纤材料来源丰富，可节约大量有色金属(如铜、铝)，且直径小、重量轻。,光纤通信器件的发展过程,光纤通信系统的发展历程

3、,光纤通信追求目标: 大容量、长距离 技术发展：短波长-长波长、多模光纤-单模光纤、多模激光器-单模激光器,通信系统容量：比特率-距离积BL，B 比特率， L 中继距离,每秒钟传输的比特数目。,光纤通信技术的发展大体上可分为：,光纤通信技术的发展大体上可分为:（续）,光纤通信技术的三次飞跃(1),20世纪60年代。1962年第一只半导体激光器诞生，随后半导体光检测器也研究成功。特别是1966年英籍华人科学家高锟与Hockham提出用玻璃可以制成衰减为20dB/km的通信光导纤维，1970年美国康宁公司首先制出了20dB/km的光纤，这标志着光纤通信系统的实际研究条件得以具备。,20世纪70年代

4、。1970年发明了LD的双异质结构，使得光源与光检测器的寿命都达到了10万小时的实用化水平。1979年发现了光纤1310nm和1550nm新的低损耗窗口，紧接着单模光纤问世。光纤的衰减系数一下降到0.5dB/km。这使得光纤通信迈进了实用化阶段，从80年代初开始光纤通信便大步地迈向了市场。,光纤通信技术的三次飞跃(2),20世纪90年代初。1989年掺铒光纤放大器EDFA的研制成功是光纤通信新一轮突破的开始。EDFA的应用不仅解决了光纤传输衰减的补偿问题，而且为一批光网络器件的应用创造了条件。使得光纤通信的数字传输速率迅速提高，促成了波分复用技术的实用化。,光纤通信技术的三次飞跃(3),光纤通

5、信,一根光纤中可同时传输一百 多路信号，采用特殊技术 甚至可以同时传输1022路,单路速率不断提升， 已达到10、20、40Gb/s 采用OTDM技术甚至 可达640Gb/s,各种通信技术的快速 发展使上千甚至上万公 里的长距离传输成为可能,全光网成为目前光通信 领域最热门的话题之一,Education,Telephone,Travel,Entertainment,Health,Shopping,Banking,21世纪的通信业务,全球通信业务需求估计,用户增加； 每个用户的业务量增加； 服务质量的提高；,通信容量 需求急增,光纤通信最具代表性技术 波分复用WDM和光纤放大器EDFA,光纤通信

6、系统的新波段,1450 1490 1530 1570 1610 1650,S+ S C L L+,波 长 (nm),范崇澄 FS-08,光纤传输技术进一步发展,新的传输技术层出不穷 色散管理技术 L波EDFA，RA FEC技术 色散与色散斜率的补偿 PMD补偿技术 OTDM技术与光孤子技术,网络容量演进战略,40G 器件,关键原材料,光纤预制棒,光纤通信的产业链,全球光纤通信主要供应商,光纤网络的分类,三种网络的不同要求,三种网络设备有着不同的性质决定了这三种网络中设备开发的不同考虑： Long-haul: Capacity Metro: Smart Access: Cost,国内现状,196

7、3年 开始光通信的研究 1974年 研究光纤通信 “六五”、“七五”、“八五”铺设“八纵八横”光纤线路总长约七万公里 传输码率：从140Mb/s2.5Gb/s，10Gb/s，40Gb/s已开始研究。 DFB（量子阱）激光器和EDFA研制成功，可供应用 高速电子器件、波导器件尚有差距,NSFCnet 网络的拓扑结构,说明：NSFCnet由六个节点组成，以清华为汇接点构成两个环行拓扑结构，清华、北大和中科院三点构成二纤双向自愈环采用WDM传输技术，在清华和北大之间通过在实验室中加光纤进行400公里广域网模拟试验；在其它节点构成的环中采用单路SDH/SONET传输技术。,1.1 光纤通信概念 1.1

8、.1 什么是光纤通信 1 概念 光纤通信是是用光作为信息的载体，以光纤作为传输介质的一种通信方式。它首先要在发射端将需传送的电话、电报、图像和数据等信号进行光电转换，即将电信号变成光信号，再经光纤传输到接收端，接收端将接收到的光信号转变成电信号，最后还原成信号。 2 光纤通信系统的构成 图1.1.1为光纤通信系统示意图。,图1.1.1 光纤通信系统的构成,基本单元为三个部分：光发射机、光纤和光接收机。 光发射机 光发射机由将带有信息的电信号转换成光信号的转换装置和将光信号送入光纤的传输装置组成，光源是其核心部件，由半导体发光二极管LED（Light Emission Diode）或者激光二极管

9、LD（Laser Diode）构成； 光纤 光纤在实用系统中一般以光缆的形式存在； 光接收机 光接收机由光检测器、放大电路和信号恢复电路组成。 光发射机和光接收机也称为光端机。 在光纤通信系统中还包括大量的有源、无源光器件， 图1.1.4中示出的连接器起着各种设备与光纤之间的连接作用，光耦合器用于需要将传输的光分路或合路的场合，光放大器起着对光波放大的作用，用于弥补光信号传输一定距离后，因光纤衰减致使的光功率减弱。,1.1.2 光纤通信中光的作用及特性 光作为载波，可以极大地提高信道的带宽 带宽 带宽是信号进行传输且没有明显衰减的频率范围.信道的带宽越大，信道容量就越大。我们以模拟信号为例，说

10、明信号携带的信息量与其所占的带宽有关。比如，话音信号的带宽约为4kHz，电视图像信号的带宽为6MHz，显然电视图像的信息量比话音信号大。所以信号占据的频带宽，意味着携带的信息量大，则传输该信号的信道带宽也要随之增大。 信道容量与信道带宽之间的关系 由香农哈特利 （Shannon-Hartley）定理决定： (1.1.1) 式中，C为信道容量（单位为比特/秒，bps），B为信道带宽（单位为赫兹，Hz），SNR是信号功率与噪声功率的比值，称之为信噪比。由(1.1.1)式可见，增加信道带宽可以有效地提高信道容量。,从图1.1.2(的通信用电磁波频谱可见， 双绞线的工作频率可以到300kHz， 同轴电

11、缆为1GHz， 微波波导传输信号的频率可高达100GHz， 而光纤通信所用光的频率范围为100THz到1000THz，根据估计，其带宽可达50THz。目前单波长信号速率已达到40Gbit/s，已经实现了单根光纤传输容量为10.96Tb/s的实验系统。 光纤通信中光的波长、载波频率 波长 800nm1700nm 结论:光作为载波，可以极大地提高信道的带宽,2. 光在光纤中传输的工作波长是由光纤特性决定的 光纤的损耗特性 光纤的损耗特性是指光在光纤中传输时,其功率会衰减的特性. 事实上光纤对不同波长的光呈现的传输特性是有很大差别的，这里我们主要考虑光纤的衰减特性，也称为损耗特性，因为低损耗是实现光

12、信号长距离无中继传输的前提。 产生光纤的损耗的原因 一是因光纤材料（石英）和结构引起的吸收、散射等造成的损耗 二是组成系统时所产生的损耗，例如接插件连接损耗、弯曲损耗等 光纤损耗的波长特性 在此仅说明光纤本身的损耗。图1.1.3是一个典型的石英光纤损耗谱，,由图可见: 大约在850nm、1300nm和1550nm处有三个低损耗窗口，也称为透光窗口。 三个窗口的衰减分别为：850nm附近为2dB/km，1310nm附近为0.5dB/km，在1550nm附近为0.2dB/km。我们把15301565nm的波长范围称为C波段，这是目前高速大容量长距离系统常用的波段。,3. 光在光发射机和光接收机中的

13、工作基于光的辐射与吸收 光发射机和光接收机中的光源和光检测器是基于半导体材料对光的辐射与吸收机理工作的。 半导体材料的导电特性介于金属和绝缘体之间，其导电特性可以借助于图1.1.4所示的能带图(晶体的能带)来解释，纵轴表示能量，横轴长度没有意义。,（a） 光的自发辐射（发光二极管）,光的辐射: 如果导带EC上的电子跃迁到价带EV上，就会将其间的能量差（也称能带差）以光的形式放出，光子的频率与能带差的关系为 （1.1.2a） 或者 （1.1.2b） 式中为普朗克常数（h6.6251034Js）,c为光速，能带差的单位是电子伏特，波长的单位为微米。 半导体发光二极管LED的工作正是基于电子从高能带

14、跃迁到低能带将电能转变为光能的机理。(图示) 我们可以通过控制半导体材料的成份来改变能带差，从而改变其发 光波长。 把电流注入到半导体中的PN结上，则原子中占据低能带的电子被激励到高能带后，再跃迁到低能带上，它们将自发辐射出光子，如图1.1.5（a）所示。,自发辐射的特点 由于高能带中的电子实际上处于不同的能级，不可能都恰好带有相同的能量，当它们自发辐射到低能带的不同能级上时，根据（1.1.2a）式可知，这些光波的频率并不完全一样。 另外这些光波还具有不同的相位和偏振方向，因此自发辐射光是一种非相干光，即频率、相位和偏振方向各不相同。 对于激光二极管(LD)必须要克服上述缺点. 光的吸收 光接

15、收器是基于光电效应, 光检测器的工作过程则与LED相反，如果把能量大于的光照射到半导体材料上，则处于低能带的电子吸收该能量后被激励而跃迁到高能带上，我们可以通过在半导体PN结上外加电场，将处于高能带的电子取出，从而使光能转变为电能，如图1.1.5（b）所示。(动画演示),（b）光的吸收（光检测器）, 光的受激发射 激光二极管LD的工作机理为受激发射，即在入射光的激发下，产生与入射光频率、相位、偏振方向及传播方向一样的发射光，当然，后者的强度远远大于前者，见图1.1.5（c）。 受激发射条件： 一是高能带上的电子密度要大于低能带上的电子密度，这种状态称为粒子数反转，可采用通过向半导体激光二极管注

16、入正向电流的方式来实现粒子数反转； 二是半导体激光器中必须存在光子谐振腔，并在谐振腔里建立起确定的振荡，从而得到单色性和方向性好的激光输出。 激光束的特点:频率、相位、偏振方向、传播方向都一样，即全同光子 （动画演示）,（c） 光的受激发射（激光二极管）,1.2 光纤通信系统的基本单元 光纤通信系统的基本单元,1.2.1 光发射机 1.光源及其调制方式 光源是光发射机的核心部件 LED与LD参数与性能比较,光纤通信系统中对光源的要求 1)低损耗透光窗口 2)功率稳定、足够高 3)单色性、方向性好,以减少色散效应 4)电光转换效率高寿命长可靠性高 5)调制特性好,响应速度快 6)输出特性好,线性度高 光源的外形和输出结构,(a) LED外形图和输出特性,(b) LD外形图和输出特性 图1.2.1 光源的外形和特性,（a