光纤通信-1演示教学

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1、光纤通信,1.概论 2.光纤和光缆 3.通信用光器件 4.光端机 5.数字光纤通信系统 6.模拟光纤通信系统 7.光纤通信新技术 8.光纤通信网络,11 光纤通信发展的历史和现状 1.1.1 探索时期的光通信 1.1.2 现代光纤通信 1.1.3 国内外光纤通信发展的现状 1 2 光纤通信的优点和应用 1.2.1 光通信与电通信 1.2.2 光纤通信的优点 1.2.3 光纤通信的应用 1 3 光纤通信系统的基本组成 1.3.1 发射和接收 1.3.2 基本光纤传输系统 1.3.3 数字通信系统和模拟通信系统,第 1 章 概 论,返回主目录,1.1 光纤通信的发展与现状,传输媒介,光纤通信系统：

2、利用光纤光缆传输光波信号的通信方式。 优点：价格便宜，线路损耗低、频带宽，已成为现代通信网 的骨干。,无线通信：微波、卫星、激光,有线通信：铜线电缆、光纤光缆,通信系统：将信息从一处传到另一处的全部技术设备和信道 (传输媒介) 的总和。,光纤通信的波谱在1.671014 Hz 3.751014 Hz之间，即波长在0.8 mm 1.8 mm之间，属于红外波段；将0.8 mm 0.9 mm称为短波长，1.0 mm 1.8 mm称为长波长，2.0 mm以上称为超长波长。,1.1.1 探索时期的光通信, 原始形式的光通信:中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传送信息。, 1880年，美国人贝尔(Be

3、ll)发明了用光波作载波传送话音的“光电话”。贝尔光电话是现代光通信的雏型。,弧光灯的恒定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。但是，普通光源强度和纯度都成为制约光通信发展的因素。, 1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器， 给光通信带来了新的希望。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。, 在这个时期，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。,大气光通信受阻，人们将研究的重点转入到地下光波通信的实验，先后出现过反射波导和透镜波导等地下通信的实验。但反射波导和透镜波导

4、造价昂贵，调整、维护困难。,由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质， 对光通信的研究曾一度走入了低潮。,光纤波导传输光的原理-临界角,光纤是一种纤芯折射率比包层折射率高的同轴圆柱形电介质波导 阶跃(SI，Step Index)多模光纤折射率 n1在纤芯保持不变，到包层突然变为 n2,阶跃多模光纤结构,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。,指明通过“原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用

5、的低损耗光纤”这一发展方向,损耗原因： 1) 玻璃纤维中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属 离子和其他杂质；2) 拉制光纤工艺造成芯、包层 分界面不均匀及其所引起的折射率不均匀,光纤通信发明家高锟(左)1998年在英国接受IEE授予的奖章, 1970年，光纤研制取得了重大突破 1970年，美国康宁(Corning)公司研制成功损耗20dB/km的石英光纤。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。 1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/km。 1973 年，美国贝尔(Bell)实验室的光纤损耗降低到2.5dB/km。1974 年降低到1.1dB/km。 1976 年，日本电报电话(NT

6、T)公司将光纤损耗降低到0.47 dB/km(波长1.2m)。 在以后的 10 年中，波长为1.55 m的光纤损耗： 1979 年是0.20 dB/km，1984年是0.157 dB/km，1986 年是0.154 dB/km， 接近了光纤最低损耗的理论极限。,全 波 光 纤,光纤在 1 280 nm 1 620 nm的近红外波段，具有 6个传输窗口，采用密集波分复用技术，这 6 个窗口从理论上讲可以提供多达 10 000 个信道。,WDM 和 常 规的光通信系统的比较,1970 年，光纤通信用光源取得了实质性的进展 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

7、下连续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器(短波长)。虽然寿命只有几个小时，但它为半导体激光器的发展奠定了基础。 1973 年，半导体激光器寿命达到7000小时。 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。 1977 年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时。 1979年美国电报电话(AT&T)公司和日本电报电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,实用光纤通信系统的发展 1976 年，美国在亚特兰大(Atlanta

8、)进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验。 1980 年，美国标准化FT - 3光纤通信系统投入商业应用。 1976 年和 1978 年，日本先后进行了速率为34 Mb/s的突变型多模光纤通信系统， 以及速率为100 Mb/s的渐变型多模光纤通信系统的试验。 1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。 随后，由美、日、 英、法发起的第一条横跨大西洋 TAT-8海底光缆通信系统于1988年建成。 第一条横跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系统于1989年建成。从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全球通信网的发展。 2002年阿尔卡特在 C 波段和 L 波段成功地

9、进行了10.2 Tb/s (25642.7 Gb/s) 距离为 3100 km 的传输试验。,当今世界范围的光纤通信系统,光纤通信的发展可以粗略地分为四个阶段： 第一阶段(19661976年)，这是从基础研究到商业应用的开发时期。,激光器 (GaAs) 波长0.8 m，多模光纤，最大中继距离10 km (当时的同轴电缆系统中继距离为1 km)，比特率在10100 Mb/s。多模色散和损耗是限制中继距离的关键。, 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。,激光器 (InGaAs) 波长1.3 m，单模光纤，最大中继距离50 km，比特

10、率140565Mb/s。光纤的损耗限制了中继距离，当时的损耗为 0.5 dB/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。,激光器 (InGaAsP) 波长1.55m，单模 (色散位移) 光纤，比特率2.510 Gb/s，最大中继距离100 km。这个阶段的缺点是采用电的方式中继。,第四代：上世纪90年代之后 (通过引入WDM和全光放大技术) 激光器 (InGaAsP) 波长1.55 m，单模光纤，采用波分复用技术和光放大技术，单个波长信道比特率2.510 Gb/s，传输距离14000 km，并提出光通信智能化的概念。,WDM技术出现,

11、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，标志着光纤通信从基础研究发展到了商业应用的新阶段。 此后，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和1.55 m(短波长向长波长），传输速率从几十Mb/s发展到几十Gb/s。 随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不断下降，应用范围不断扩大。 目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的支柱。 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。,光纤通信整体发展时间表,100000 10000 1000 100 10 1

12、0.1,1.2 光纤通信的优点和应用,1.2.1 光通信与电通信 通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带宽度，载波频率越高，频带宽度越宽。 光通信的主要特点 载波频率高；频带宽度宽（图 1.1 ） 光通信利用的传输媒质-光纤，可以在宽波长范围内获得很小的损耗。 （图 1.2 ）,图 1.1 部分电磁波频谱,图 1.2 各种传输线路的损耗特性,1.2.2 光纤通信的优点 1.容许频带很宽，传输容量很大,目前的光纤容量已经达到十多个Tbits/s,使用复用技术扩展光纤带宽,中继站多：传输线路的成本高、维护不方便、运行不可靠 石英光纤在1.55 mm波长区的损耗可低到0.18 dB/km，比已知的

13、其他通信线路的损耗都低得多。 例：同轴电缆通信的中继距离只有几千米，最长的微波通信是 50 千米左右，而光纤通信系统的最长中继距离已达 300千米。,2. 损耗低、中继距离长,3.抗干扰能力强,对于通信系统而言，最主要的干扰是电磁干扰。现有的电通信 系统无法令人满意地解决这个问题。 例：电话线和电缆一般是不能跟高压电线平行架设的，也不能 在电气铁化路附近铺设。 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. 电磁干扰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 据专家测算，如果在美国本土中心上空 463千米处爆炸一颗原 子弹，1 秒钟内即可使全美国所有的电缆

14、通信系统失效。但光 纤通信线路却照样畅通无阻，基本不受影响。,4. 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，就可以获取明线或电缆中传送的信息。 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 拐弯非常厉害的地方，漏出包层的光也微乎其微。,5.体积小、重量轻,1千克高纯度石英玻璃 成千上万千米光纤 120吨铜和 500 吨铅 1000千米的 8 管同轴电缆 18

15、管同轴电缆每米重11千克，而同等容量的光缆每米重90克 光纤体积小、重量轻、柔软易弯曲、铺设非常方便。可广泛应用于航天航空、汽车电子等领域。,6.光纤的原材料取之不竭,电线主材：铜、铅等有色金属，预计只够使用50年左右 光纤主材：普通的石英砂(SiO2)，它在地壳的化学成分中占了 一半以上，可以说是取之不尽、用之不竭,光纤材料不怕腐蚀，可以架在空中，也可埋入地下；它有较强的耐高低温能力(-65200度)，在一般的飞机、舰艇和车辆上都可使用；它可实现多功能传输，同时传递话音、数据、传真、图像等各种信息。,其它优点:,1.2.3 光纤通信的应用 光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤在通信

16、网、广播电视网与计算机网，以及在其它数据传输系统中， 都得到了广泛应用。光纤宽带干线传送网和接入网发展迅速， 是当前研究开发应用的主要目标。 光纤通信的各种应用可概括如下：, 通信网 构成因特网的计算机局域网和广域网 有线电视网的干线和分配网 综合业务光纤接入网,公用电信网： 核心网、城域网,通信网络,电力、煤炭系统的监视、控制和管理 电力系统：光纤可以放在输电线、地线的中心，不受干扰。 尤其在观测雷击的时候能起到电设备不可替代的作用。 煤炭系统：电监控系统信号均为电信号，在含瓦斯高的矿井 中容易引起爆炸。因此，如果考虑安全因素，电信号功率不 能太大，这又导致传输距离受限。而如果采用光纤系统，很 多设备可以无源化，即保证了安全，又能实现远距离监控。,ATM,Internet骨干网,DDN/ FR,PSTN/I