光纤通信-刘增基-课件-第章

《光纤通信-刘增基-课件-第章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光纤通信-刘增基-课件-第章（53页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、主要内容： 第一章 概论 第二章 光纤和光缆 第三章 通信用光器件 第四章 光端机 第五章 数字光纤通信系统 第六章 光纤通信新技术 什么叫通信？ 什么叫光纤通信？ 利用光纤传输光波信号的通信方式 。 11 光纤通信发展的历史和现状 1 2 光纤通信的优点和应用 1 3 光纤通信系统的基本组成 第 1 章 概 论 返回主目录 第 1 章 概论 1.1光纤通信发展的历史和现状 1.1.1探索时期的光通信 原始形式的光通信 中国古代 -“烽火台”报警 欧洲人-旗语传送信息 1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音 的“光电话”。这种光电话利用太阳光或弧光灯作光源，通过 透镜把光

2、束聚焦在送话器前的振动镜片上，使光强度随话音的 变化而变化，实现话音对光强度的调制。在接收端，用抛物面 反射镜把从大气传来的光束反射到硅光电池上，使光信号变换 为电流，传送到受话器。(最远通信距离213米） 因为缺乏理想的光源和传输介质， 这种光电话的传输距 离很短，并没有实际应用价值，然而， 光电话的发明证明了 用光波作为载波传送信息的可行性。因此，贝尔光电话是现代 光通信的雏型。 光源： （1）1960年美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器 （2）氦氖(He - Ne)激光器 （3）二氧化碳(CO2)激光器 激光具有波谱宽度窄，方向性极好， 亮度极高，以及频率和 相位较一致的

3、良好特性。是一种理想的光载波。激光器的发明 和应用， 使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段。 传输介质的探索： 美国麻省理工学院利用He - Ne激光器和CO2激光器进 行了大气激光通信试验。实验证明：通过大气的传播承载 信息的光波，实现点对点的通信是可行的。但是通信的距 离和稳定性都受到极大的限制，体现在以下两个方面： （1）通过大气，光波能量衰减很大。 例如，雨能造成30 dB/km的衰减，浓雾衰减高达120 dB/km 。 （2）大气的密度和温度不均匀，造成折射率的变化，使光束 位置发生偏移。 固体激光器(例如“铷玻璃激光器”和“砷化镓激光器”)的 发明大大提高了发射光功率，延长了传

4、输距离，使大气激 光通信可以在江河两岸、海岛之间和卫星与地面之间使用 。 为了克服气候对激光通信的影响，人们自然想到把激光 束限制在特定的空间内传输。因而提出了透镜波导和反射镜 波导的光波传输系统。透镜波导是在金属管内每隔一定距离 安装一个透镜，每个透镜把经传输的光束会聚到下一个透镜 而实现的。反射镜波导和透镜波导相似，是用与光束传输方 向成45角的二个平行反射镜代替透镜而构成的。这两种波 导，从理论上讲是可行的，但在实际应用中遇到了不可克服 的困难。首先，现场施工中校准和安装十分复杂；其次，为 了防止地面活动对波导的影响，必须把波导深埋或选择在人 车稀少的地区使用。 由于没有找到稳定可靠和低

5、损耗的传输介质， 对光通信 的研究曾一度走入了低潮。 1.1.2现代光纤通信 1966年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)和霍 克哈姆(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概 念的论文，指出了利用光纤(Optical Fiber)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。 高锟等人指出：当时石英纤维的损耗高达1000 dB/km以上而是 由于材料中的杂质，例如过渡金属(Fe、 Cu等)离子的吸收产 生的。如果把材料中金属离子含量的比重降低到10-6以下，就 可以使光纤损耗减小到10 dB/km。再通过改进制造工艺的热处 理提高材料的均匀性，可以进一步把损耗减

6、小到几dB/km。 一、光纤研制的发展 （1）1970 年美国康宁(Corning)公司就研制成功损耗20 dB/km 的石英光纤。使光纤通信可以和同轴电缆通信竞争，从而展现 了光纤通信美好的前景。 （2）1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/km 。 （3）1973 年，美国贝尔(Bell)实验室光纤损耗降低到 2.5dB/km。 （4）1974 年降低到1.1dB/km。 （5）1976 年，日本电报电话(NTT)公司等单位将光纤损耗降低 到0.47 dB/km(波长1.2m)。 （6）1979 年0.20 dB/km，1984年0.157 dB/km。 （7）1986

7、年0.154 dB/km，接近了光纤最低损耗的理论极限。 二、光源研制的发展 （1）1970 年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前 苏联先后研制成功室温下连续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质 结半导体激光器(短波长)。寿命只有几个小时。 （2）1973 年，半导体激光器寿命达到7000小时。 （3）1977 年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10 万小时(约11.4年)，外推寿命达到100万小时，完全满足实 用化的要求。 （4） 1976年日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3 m的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器 （5） 1979年美国电报电话(AT&T)公司和日本电报电

8、话公司 研制成功发射波长为1.55 m的连续振荡半导体激光器。 由于光纤和半导体激光器的技术进步，使 1970 年成为 光纤通信发展的一个重要里程碑。 （1）1976 年，美国在亚特兰大(Atlanta)进行了世界上第 一个实用光纤通信系统的现场试验，系统采用GaAlAs激光器 作光源，多模光纤作传输介质，速率为44.7 Mb/s，传输距离 约10 km。 （2） 1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线，全长 3400 km，初期传输速率为400 Mb/s，后来扩容到1.6 Gb/s。 （3） 1989年建成第一条横跨太平洋 的TPC-3/HAW-4，全长 13200 km。 光纤通信从研

9、究到应用，发展非常迅速：技术上不断更新换 代，通信能力(传输速率和中继距离)不断提高，应用范围不 断扩大。 光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段： 第一阶段(19661976年)，这是从基础研究到商业应用的 开发时期。在这个时期，实现了短波长(0.85 m)低速率(45 或34 Mb/s)多模光纤通信系统，无中继传输距离约10 km。 第二阶段(19761986年)，这是以提高传输速率和增加传 输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。在这个时 期， 光纤从多模发展到单模，工作波长从短波长(0.85 m) 发展到长波长(1.31 m和1.55 m)， 实现了工作波长为 1.31 m、传输速率

10、为140565Mb/s 的单模光纤通信系统， 无中继传输距离为10050 km。 第三阶段(19861996年)，这是以超大容量超长距离为目 标、全面深入开展新技术研究的时期。在这个时期，实现了 1.55 m色散移位单模光纤通信系统。采用外调制技术，传 输速率可达2.510 Gb/s，无中继传输距离可达150100 km。 实验室可以达到更高水平。 目前，正在开展研究光纤通信新技术，例如，光纤放大 器，全光通信，超大容量的波分复用(WDM)光纤通信系统和超 长距离的光孤子(Soliton)通信系统。 1.1.3国内外光纤通信发展的现状 1976年美国在亚特兰大进行的现场试验，标志着光纤通信 从

11、基础研究发展到了商业应用的新阶段。现在发展的状况为（ 1）光纤从多模发展到单模。 （2）工作波长从0.85 m发展到1.31 m和1.55 m。 （3）传输速率从几十Mb/s发展到几十Gb/s。 （4）从初期的市话局间中继到长途干线进一步延伸到用户接 入网。 （5）从数字电话到有线电视(CATV)， （6） 从单一类型信息的传输到多种业务的传输。 在许多发达国家，生产光纤通信产品的行业已在国民 经济中占重要地位。根据资料，仅光缆产品一项(约占整个 光纤通信产品的一半)，1995年在世界市场销售额达38亿美 元。 表 1.1 世界成缆光纤市场销售量 年份 1994 199519961997199

12、8199920002001 光纤销售 总长度 /104 km 18102300290034704070473055806570 表 1.2 世界市场单模光纤平均价格 年份 1994 1995199619971998199920002001 价格 /($k m-1) 6867726960524644 表 1.3 世界成缆单模光纤市场销售量 年份 1998 19992000200120022003 光纤销售 总长度 /104 km 411046005350623072008110 1.2 光纤通信的优点和应用 1.2.1光通信与电通信 任何通信系统追求的最终 技术目标：可靠地实现最 大可能的信息传

13、输容量和 传输距离。 载波频率越高（光波） 频带宽度越宽 传输容量越大 图 1.1 部分电磁波频谱 光纤通信和电通信的主要差别： （1）电通信的载波是电波，光纤通信的载波是光波。 光纤通信用的近红外光(波长约1m)的频率(约300 THz) 比微波(波长为0.1m1 mm)的频率(3300 GHz)高3个数量 级以上。 光纤通信用的近红外光(波长为0.71.7m)频带宽度约 为200THz，在常用的1.31 m和1.55 m两个波长窗口 频带宽度也在20THz以上。 目前光纤通信用到的带宽一般只有40GHz，因此还有3个 数量级以上的带宽潜力可以挖掘。 （2）电通信用电缆传输信号，光通信用光纤

14、传输信号 光缆具有比电缆更小的高频率传输损耗 图 1.2 各种传输线路的损耗特性 1.2.2光纤通信的优点 在光纤通信系统中，作为载波的光波频率比电波频率高得 多，而作为传输介质的光纤又比同轴电缆或波导管的损耗低得 多，因此相对于电缆通信或微波通信，光纤通信具有许多独特 的优点。 1. 容许频带很宽，传输容量很大 光纤通信系统的容许频带(带宽)取决于光源的调制特性、 调制方式和光纤的色散特性。 （1）在零色散波长窗口，单模光纤都具有几十GHz km的带 宽。 （2）可以采用多种复用技术来增加传输容量。 （3）采用波分复用(WDM)或光频分复用(OFDM)是增加光纤通信 系统传输容量最有效的方法

15、。 （4）减小光源谱线宽度和采用外调制方式。 表1.4列出早已实现的单一波长光纤通信系统的传输容量和中 继距离。 目前，单波长光纤通信系统的传输速率一般为2.5 Gb/s和10 Gb/s。 采用外调制技术，传输速率可以达到40 Gb/s。波分复用 (WDM)和光时分复用(TDM)更是极大地增加了传输容量， 见表 1.。 WDM最高水平为132个信道，传输容量为20 Gb/s132=2640 Gb/s，相当于120 km的距离传输了3.3108条话路。 表 1.4 光纤通信与电缆或微波通信传输能力的比较 通信手段 传输传输 容量(话话 路)/条 中继继距离/km 1000 km内中继继器 个数

16、微波无线电线电 960 5020 小同轴轴 9604250 中同轴轴 180061600 光缆缆 19203033 光缆缆 14000(1Gb/s)8411 光缆缆 6000(445MB/S ) 1347 2. 损耗很小， 中继距离很长且误码率很小 石英光纤在1.31 m和1.55 m波长， 传输损耗分别为 0.50 dB/km和0.20 dB/km，甚至更低。因此，用光纤比用同 轴电缆或波导管的中继距离长得多，见表1.4。目前，采用外 调制技术，波长为1.55m的色散移位单模光纤通信系统，若 其传输速率为2.5 Gb/s，则中继距离可达150 km；若其传输 速率为10 Gb/s，则中继距离可达100 km。 3. 重量轻、 体积小 表1.6给出了铝/聚乙烯粘结护套(LAP)单元结构光缆和标准同 轴电缆的重量和截面积的比较。 项项目 8 芯