光纤通信系统概述.jsp

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1、课程名称：光 纤 通 信,教学内容,第一讲 光纤通信系统概述 第二讲 光纤和光缆 第三讲 光纤通信器件 第四讲 光源和光发射机 第五讲 光探测和光接收机 第六讲 光放大器 第七讲 光传输系统 第八讲 系统设计,第一章 概述,1.1 光纤通信技术发展 1.1.1 光纤通信史回顾,古老的光通信设备-烽火台,光通信是利用光波作为载波来传递信息的。 广义地说，用光传递信息并不是什么新鲜的事。早在公元两千多年以前，我们的祖先就在都城和边境堆起一些高高的土丘，遇到敌人入侵，就在这些土丘上燃起烟火传递受到入侵的信息，各地诸侯看见烟火就立刻领兵来救援。 其中还有著名的“周幽王烽火戏诸侯”的故事。这种土丘就叫烽

2、火台，它就是一种古老的光通信设备。,1.1.1 光纤通信史回顾 -古老的光通信,利用“光”的问题：向四面八方散射时，光强减弱和不能通过障碍物的问题上世纪六十年代初，光通信仅仅作为一种信号灯使用，如:马路上的红绿灯机场上的跑道标志灯航标灯等等。,高锟提出光纤通信,上世纪六十年代中期，光通信的应用发生了根本的变化。而且这种变化还是由于一位中国人引起的，他就是高锟！1966年，英籍华人、年轻工程师高锟发表了关于通信传输新介质的论文：他指出利用光导纤维进行信息传输的可能性和技术途径，从而奠定了光纤通信的基础。,高 锟-光纤通信发明家（左）,1998年在英国接受IEE (国际电气工程师学会 )授予的奖章

3、,高锟提出光纤通信,在高锟早期的实验中，光纤的损耗约为3 000 dB/km，他指出这么大的损耗不是石英纤维本身的固有特性，而是由于材料中的杂质离子的吸收产生的。高锟指出，如果把材料中金属离子含量的比重降低到106以下，光纤损耗就可以减小到 10 dB/km。再通过改进制造工艺，提高材料的均匀性，可进一步把光纤的损耗减少到几dB/km。这种想法很快就变成了现实。,网络历史,光网络-电网络 虽然光网络的发展与电网络的发展相对独立，但却又互相渗透，相互依存。由于技术的限制，目前即使是光网络，也是由光纤链路和电节点构成的网络。,1 最早的光电报 2 电报 3 电话 4 光电话 5 光纤 6光源 7

4、光纤通信,沿着电网络发展和光网络发展两根主线回顾一下人类通信的发展史，以更好地理解目前的网络状况。,1 最早的光电报,实际上，光网络的历史要早于电网络。最早的光电报实验:1791年，法国人Claude Chappe将一块两面分别刷成黑白两种颜色的木板不停地翻动，用了约四分钟的时间将一条包含有九个法文单词的信息传递给他在10英里（1英里=1.61公里 ）之外的兄弟。他的兄弟利用望远镜和一个表达信息的密码本，将该信息接收了下来。,最早的光电报,在这之后的约90年间，光电报不断被改进成为一个完整的通信系统。限制性：1 依赖于天气2光电报的操作者必须受过专门的训练，熟知庞大的密码本的内容.因此，光电报

5、并没有进入并改变普通市民的生活，最终于1881年被废弃。,2 电报,在欧洲人致力于改进光电报的同时，美国画家莫尔斯却在研究能够用电来传递信息的办法，并在1844年发明了真正意义上的电报。在以后的几十年间，电报成为人们进行信息交流的最主要的手段。,3 电话,文字信息-话音信号1876年，贝尔发明了电话。从此，人类用电进行通信的历史翻开了新的一页。,电话（后话）,20世纪初期关键技术：绝缘金属地线和铜丝拉制技术的发明解决问题：噪声和串扰问题电话线路更便宜，电话已经成为一种技术，并遍及美国.20世纪30年代电报与电话在美国人生活中的地位完全颠倒了过来，电话系统代替了电报系统。20世纪60年代末电话机

6、开始进入美国百姓家庭。,4 光电话,1880年，曾经发明了电话的贝尔又发明了光电话：他利用太阳光来传送话音。阳光被聚焦到一个反射镜上，当有声波传到反射镜表面时，反射镜就会振动，导致反射光变化，这就相当于发射机通过反射光将声波信号发射出去；在接收端，一个硒片被用来接收阳光，并将声波重现出来。贝尔的光电话应该说是现代自由空间光通信的雏形。,4 光电话,贝尔的光电话与前面的光电报有相似的缺点：系统工作依赖于天气条件，并且传输距离很短。,5 光纤,1951年，荷兰科学家Abraham Cornelis Sebastian Van Heel证明玻璃纤维的外涂敷层有助于将光保持在纤维内部。后来的光纤结构就

7、是在此基础上发展起来的。但是，当时光纤的损耗非常大，为1dB/m。光纤的应用基本上局限于医学领域。,光纤的进展情况,1970年 光纤研制取得了重大突破，美国康宁公司按照高锟的思路，生产出了损耗为20 dB/km的石英光纤 1972年 该公司生产的多模光纤损耗已下降到 4 dB/km 1973年 美国贝尔（Bell）实验室生产的光纤损耗为 2.5 dB/km1974年 已下降到 1.1 dB/km 1976 日本 NTT 公司已减小到 0.47 dB/km 80年代初 单模光纤在波长 1550 nm 的损耗已降到0.2 dB/km，接近了石英光纤的理论损耗极限。,6光源-半导体激光器也发明了,作

8、为光纤通信用的光源，半导体激光器也发明了，并取得了实质性的进展。 1973 年半导体激光器的寿命是 7 000 小时 1977 年贝尔实验室已达到 10 万小时，完全满足实用化的要求。 1979 美国 ATT 公司和日本 NTT 公司又研制成功了长波长（1550 nm）连续振荡半导体激光器。 低损耗光纤和连续振荡半导体激光器的研制成功，是光纤通信发展的重要里程碑。,激光和光纤的出现光纤通信发展的前提激光：无线电通信-无线电波作为相干光频电磁波； 光通信-激光。激光像普通无线电波一样，可以进行调制和解调，可以把各种信号载到光波上发射出去而实现光通信。光纤：激光通信的主要障碍是气候因素的影响和大气

9、层内信号的衰减。光导纤维的出现，使人们成功地解决了激光大气传输问题，使激光通信走上了稳步发展阶段。,7光纤通信,现代意义上的光通信一直要等到20世纪60年代有了强度很高、谱线很窄的光源和传输损耗很小的光纤以后才发展起来。,光纤通信,光纤技术在网络通信上应用的第一个例子：1975年，英格兰的某一地区的警察部门的通信系统因雷电袭击而遭受到严重破坏。为了避免再受雷电打击和电力浪涌的影响，一位警官建议当地标准电话和电缆公司把该部门的通信系统用光纤连接起来。该光纤通信系统的成功工作，给了世人一个巨大的鼓舞。从此，世界各地不断地投资改进光纤技术。光纤通信开始了大发展的时代。,光纤通信,光纤通信技术比电通信

10、技术有优越性: 1、带宽更宽 2、容量更大 3、传输距离更长 4、抗电磁干扰 5、尺寸小 6、重量轻致使电信部门首先采用这种新技术更新已有的电缆传输系统，并建立了许多新的光纤线路。,光纤通信,在1980年以前，美国和英国的电话公司已经在大西洋底敷设了7条连接欧美大陆的同轴电缆用以两个大陆间的电话通信。1988年，他们敷设的第8条连接欧美大陆的大西洋海底通信线路不再是同轴电缆而是光缆，这条光缆能够同时传送40 000路电话。很快，这样一条线路的通信容量也不能满足需要，第2条、第3条光缆又相继被沉入大西洋洋底，担当起欧美大陆通信线路的重任。同样，在太平洋及其他大陆或国家，也发生着类似的事情。,光纤

11、通信,早期的光纤通信系统应用于脉码调制语音通信系统和图像的模拟传输；随后光纤通信系统则用于PCM语音通信和图像的数字传输、长途干线传输及CATV系统。现代光纤通信系统对现有的点到点的传统的光纤通信系统提速，采用WDM技术实现高速、大容量的光网络、电节点的通信网络。而未来的光通信技术将朝着采用光节点、具有光交换功能的全光网络发展。,光纤通信,光纤已经在电话通信网中占据了重要的地位。光纤技术的优点不仅被电信公司所利用，而且也被有线电视公司及计算机网络运营商们所利用。,现已安装使用的光纤通信系统，光纤长度有的很短，只有几米长 (计算机内部或机房内) ；有的又很长，如连接洲与洲之间的海底光缆。 上世纪

12、70年代以来，光纤通信的发展速度之快令人震惊，可以说没有任何一种通信方式可与之相比拟。光纤通信已变成所有通信系统的最佳技术选择。,世界光纤产值从 96年 92 亿美元到2002年预计 198 亿美元，每 6 年翻一番 现在世界上光纤生产速度为 3 200 km/小时，即每天生产的光纤可绕地球两周 目前光纤产量每年递增 2025% 目前光缆产值按应用分类为：本地通信51.25%，LAN等 20.82%，干线 15.81%，CATV（75欧姆的同轴电缆） 8.6%，其它 3.5%,世界光纤通信发展情况,数据业务爆炸式增长， 光通信是唯一的出路,世界上所有新建的干线通信系统均采用光纤。 由于波分复用

13、技术和光纤技术的突飞猛进，现在一根光纤上的传输容量每 912个月就翻一番。5Gb/s系统已在横跨太平洋的海底光缆系统(TPC-5/6)中使用。波分复用(WDM)系统也在海底光缆系统上使用。 2002年阿尔卡特在 C 波段和 L 波段成功地进行了10.2 Tb/s (25642.7 Gb/s) 距离为 3100 km 的传输试验。,通信和计算机技术的发展，出乎许多人的预料。电子传输设备速度的高速增加只有光纤线路的容量才能满足。硅数字器件速度充其量可达到 12 Gb/s，而镓砷器件的速度是硅器件的 25 倍。10 Gb/s 的高速集成电路已经开发出来， 200 Gb/s 的晶体管和 40 Gb/s

14、 的集成电路也已逐渐成熟。,在交换技术方面，电路交换逐渐被具有路由器功能的分组交换所取代，最后的发展趋势是实现光交换和电信网络的全光化。由于光电技术的发展和逐渐成熟，世界光纤市场和光电器件市场大幅增长，而市场价格却急剧下降。光纤通信产业方兴未艾，其旺盛的生命力令人振奋。,1.1.2 光纤通信的特（优）点,1. 频带宽、传输容量大,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损耗低得多，因此相对于电缆或微波通信，光纤通信具有许多独特的优点。 电缆基本上只适用于数据速率较低的LAN，距离较长的高速局域网（100Mb/s）和城域网（MAN）必须采用光纤。,光

15、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。过去，通信线路是信号传输的技术瓶颈，但是自从使用光缆后，这个问题就不复存在了 。,全波光纤,光纤的传输带宽,当前运用的单模石英光纤，如G.652C，G.652D，已经基本消除氢损，它们的传输带宽，可以从1260nm到1675nm，共有415nm宽度。一般把这415nm宽度划分成O、E、S、C、L、U六个波段，具体划分方法如下； 初始(O)波段 1260nm-1360nm 扩展(E)波段 1360nm-1460nm 短(S)波段 1460nm

16、-1530nm 常规(C)波段 1530nm-1565nm 长(L)波段 1565nm-1625nm 超常(U)波段 1625nm-1675nm 当前各国光纤通信大都运用在C与L波段，而且仅使用其中的一小部分，还有大部分频率未曾使用。,光多路传输技术,光多路传输技术是充分挖掘光纤带宽潜力、扩大通信容量的技术之一。采用多路传输技术可以充分利用光纤带宽，给通信带来巨大的经济效益。 目前研究开发的光复用技术有WDM、OTDM和 OCDM 。 目前 OTDM（光时分复用 ） 和 OCDM（光码分复用 ） 均不成熟。,WDM 和 常 规的光通信系统的比较,2. 损耗小、中继距离长,电缆的损耗明显大于光纤，有的甚至大几个数量级。因此，电缆只能用于网径不大的 LAN，网径较大的 LAN 以及 MAN 只能使用光纤。采用分布式喇曼放大技术，已使 32 波长40 Gb/s WDM系统的无中继距离达到 250 km。,