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1、光纤通信技术,2012-12,课程总体说明,自1966年高锟博士提出光纤通信的概念以来，光纤通信的发展远远超乎人们的想象，它以其独特的优点掀起通信领域的一次革命性的变革。目前，光纤通信已经遍及世界各地，成为现代通信网的主要支柱。,一、基本学习内容：,二、课程的性质： 本课程是高等工科院校电子信息类专业的一门重要的专业技术课程，是研究光纤通信系统及其应用的必修课程。 三、课程的任务： 通过学习和实践，使学生获得光纤通信系统的组成原理和光纤通信技术必要的基本知识和基本技能，培养学生分析问题、解决问题的能力，为从事光电子信息技术、科学研究打下良好的基础知识。,四、本课程重点内容提示：,1、光纤是信息
2、的传输媒质： 通信系统的三大组成部分：信源、传输、信缩,解决信息的传输瓶颈,传输设备,信源,信宿,2、光电子器件：,（1）信号的发送端： 信息源（电信号） 光信号 光源：（LD LED）-载波 光调制：（信息加载，A/D转换） 光波复用/解复用器：（增大信息的传输量； 电信号复用方式：频分复用、时分复用、码分复用）,2、光电子器件：,（2）传输及中继放大： 传输过程中：光纤、EDFA、滤波器 （3）信号的接收端: 光信号检测：（PIN APD） （光信号 ） 电信号 信息的恢复（解复用、D/A转换）,第1章 光纤通信技术概论,本章内容提要：,1.1 光纤通信技术简介 1.2 光纤通信系统的组成
3、 1.3 光纤通信系统的分类 1.4 光纤通信技术有关产品,1.1 光纤通信技术简介,一、光通信： 利用光【可 见光、不可见 （红外）光】 进行信息的传 递。,1、光通信的实例： 烽火台（消息树）： 利用大气进行光通信 手旗语： 用于海上交通的船舰通话 交通灯：R停(stop) G行(go),2、自然光通信传输的缺点：,传不远，有衰减（光只能直线传播、不能弯曲） 影响传输距离L （单位： km） 信息量小(信息单一、内容不丰富 ） 传输比特率B （单位： bit/S）,1.1 光纤通信技术简介,3、光通信的技术指标：,（1）传输速率B（比特率: bit/s ） （常用单位：Tb/s、 Gb/s
4、、Mb/s、 Kb/s、b/s） （2）无中继距离L: （常用单位： m、km ）,1.1 光纤通信技术简介,1.1 光纤通信技术简介,（3）通信容量： 比特率距离积： BL（BL) 单位：Gbit/s km P2 例1-1,1.1 光纤通信技术简介,二、光纤通信 1、 定义： 利用光导纤维（简称光纤）传输光波信号的通信方式，称为光纤通信。,2、光通信与电通信的比较 信号源区别（信息转换成 电、光） 传输媒质的特点（金属电导体、光导体透明介质） 要求不同（低速小容量、高速大容量）,1.1 光纤通信技术简介,3、工作波长（频率） 光纤通信中的光 信号是工作在近红外 区，其波长是0.8 1.8m；
5、（800nm 1800nm 纳米通 信），对应的频率为 167375THz。（c=f）,光纤通信发展示意图,1.1 光纤通信技术简介,1、定义： 是指利用激光 作为信息的载波， 通过光导纤维来传 输信息的通信系统,2、结构说明 光源的作用-Laser(载波) 光纤的作用-利用低损耗波长（窗口） 光调制器-信息的加载,三、光纤通信系统：,1.1 光纤通信技术简介,四、电/光传输网络的性能比较,（1）电气危害和电磁干扰比较严重 （2）传输损耗大、带宽窄 （3）保密性差、电磁辐射 （4）电缆的体积大、重量太重,1、电缆网络的缺点,1.1 光纤通信技术简介,（1）巨大的传输容量 频率：1014-101
6、5Hz，（T ： 1012） 容量：理论上在一根光纤中能传输上亿门电话或上万套电视节目，是微波通信的104-105倍,（2）极低的传输衰耗 光缆：衰耗在0.35dB/km以下，无中继距离达100Km。 电缆：19dB/km以上，无中继距离几至几十Km。 （3）抗电磁干扰 光纤是介电材料制成的，不怕外光、电磁和雷击等的干扰 （4）资源丰富，节约能源 矿产资源丰富SiO2、冶炼能耗低。,2、光纤通信的特点,1.1 光纤通信技术简介,（5）信道串扰小、保密性好 由光纤的结构决定（全反射） （6）光缆尺寸小、重量轻、可挠性好 光纤的外直径只有125m （比头发丝还细）套 外套后制成24-48芯光 缆后
7、，外径为18mm。,（7）抗腐蚀、不怕潮 光缆：不吸潮，如果进水也不影响信号的传输。 电缆：吸潮、进水后，信号传输接地或短路。 （8）防盗(无金属),3、电缆与光缆的损耗和传输带宽的比较,1.1 光纤通信技术简介,4、举例说明-容量大,P6 例1-2:设每路声音信道的带宽为4kHz，假设系统带宽是载波的1%，请问载波波长为1.55m的光波，能运载多少声音信道？,解：载波波长 =1.55m 载波频率f0=c/ =3108m/s/1.55m=1.941014Hz, 系统带宽B= 1%f0=1.941012Hz， 每路声音信道的带宽B1=4kHz， 运载的声音信道数:N=B/B1 =2.831012
8、/4103 =7108路,1.1 光纤通信技术简介,P6例1-3：假定地球上有1010个家庭(100亿) ，每个家庭有一部电话，如果使用频分复用，在一条线路上同时发送这些电话信号，请问要求的最小带宽B1是多少? 若用Fiber传输，一个波长1.31m光波，可以携带这个复用的信号吗?,解：最小带宽B1= 10104103=41013HZ 若用 =1.31m的光纤传输，其频率 f0=c/ =（3108m/s）/1.31m =2.291014Hz 因f0=2.291014Hz大于B= 41013HZ，所以用一个1.31m的光波可以携带这个复用的信号。,1.1 光纤通信技术简介,1、初步思想：1966
9、年，在 英国Harlow I T T实验室工 作的英籍华人工程师高锟 (C.K.Kao)提出“人们应该能 够发送高速信息光脉冲到一 根纤细的玻璃丝中”,并证明 了这一想法是可实现的。这 也是从基础研究到商业应用 的开发时期。,（1）2009年度诺贝尔物理学奖 其中一位是高锟，还有两位是美国人。高锟是香港的科学家，他分得奖金的1/2，两个美国人各分 1/4。,五、光纤通信技术发展,1.1 光纤通信技术简介,（2）获奖原因 高锟的主要成果： 被誉为“光纤之父” 。 因在光学通信领域中光的传输的开创性成就而获奖。 一九六六年七月，三十三岁的高锟和他ITT公司的同事GeorgeHockha在英国电机工
10、程师学会学报发表论文介电波导管的光波传送思路,后来人们的研究具体内容： A、远距离传输： 减少衰减（寻找低损耗窗口） 中继传输方法（E/O O/E转换、 光放大器的诞生EDFA） B、提高传输率： 信号处理：数字信号序列复用（PDH、SDH） 光缆（多纤组成） 波分复用（WDM）,1.1 光纤通信技术简介,美国人获奖理由： CCD电子耦合器件-用于电子成像,2、第一阶段：19701979年，光导纤维与半导体激光器的研制成功，使光纤通信技术由起步逐渐成熟，并进入实用化阶段。这是以提高传输速率B和增加传输距离L为研究目标和大力推广应用的大发展时期(重点问题是降低传输损耗：由1000dB/km降为2
11、0dB/km)。,1.1 光纤通信技术简介,3、第二阶段：19791989年，是光纤通信技术快速发展的年代，光纤技术取得了进一步突破，其传输损耗降到0.5dBkm以下。,4、第三个发展阶段：1989年至今为，光纤数字系统由准同步数字体系PDH（Plesiochronous Digital Hierarchy）向同步数字体系SDH（Synchronous Digital Hierarchy）过渡，数据传输速率进一步提高。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。,5、整个发展过程： 寻找光纤的低损耗传输窗口（增加传输距离L） （0.85m=850nm 、1.31m=1310nm
12、 、1.55m=1550nm ） 光源、光检测器 光纤成缆 光无源器件 测试仪器。 据统计：目前全世界90%以上的通信业务，都是由光纤来传输。,1.1 光纤通信技术简介,1、全光放大中继技术 2、光多路传输技术 3、波长选择和波长转换技术,4、光交换技术 5、光分插复用技术 6、网络控制和网络管理技术 7、集成光学技术,六、光纤传输网的关键技术,1.1 光纤通信技术简介,1、光纤（Optical Fiber）是目前现代通信网络中信息的最佳传输介质。,2、光纤通信（Optical Fiber Communication）是信息社会的支柱。 3、光纤通信网（Optical Fiber Commun
13、ication Network）是信息高速公路的骨干网，用户接入网，也是全球通信今后发展的主体项目。,七、重要名词与作用,1.2 光纤通信系统的组成,一、光纤通信系统三个主要部分组成 ： 1、基本组成 光发射机 传输光纤(光缆) 光接收机,基本组成图,细化图,2、细化结构图,再细化结构图,3、再细化结构,1.2 光纤通信系统的组成,请注意！ 一个实用的光纤通信系统，需要配置用来完成各种功能的电路、设备及辅助设施，只有组成一个通信网络实体,才能正式投入实际运行，如接口电路、复用设备、管理系统以及供电设施等。,4、典型应用之一：宽带综合业务光纤接入系统拓扑结构,光纤通信系统简图,1.3 光纤系统的
14、分类,1、短波长光纤通信系统 早期工作在800900nm波长范围，目前主要用于计算机局域网、用户接入网等速率较低、距离较短的系统。 2、长波长光纤通信系统 波长10001600nm范围。通常用1310nm和1550nm两种波长。由于此波段上石英光纤有最低的衰耗，这类系统的中继距离较长。 3、超长波长光纤通信系统 当采用非石英系光纤，如卤化物光纤，工作波长大于2000nm时，衰耗值可低至10-210-5dBkm，可望实现1000km无中继传输。这种光纤尚在研制阶段。,一、不同波长的光纤通信系统,1.3 光纤系统的分类,1、多模光纤通信系统 这种系统用石英多模梯度光纤作为传输媒质。传输带宽受到限制
15、，一般应用于140Mbits以下的系统。 2、单模光纤通信系统 采用石英单模光纤作为传输媒质。传输容量大，无中继传输距离长。用于长途干线网。,二、单模和多模光纤通信系统,1.3 光纤系统的分类,1、光纤模拟通信系统 常用于广播节目、彩色电视节目、工业监视信号、交通监控信号等的传输。 2、光纤数字通信系统 用来传输电的PCM数字信号。设备较为复杂，但传输质量高，通信距离长。光纤数字通信系统框图如图所示，是目前较常用的传输方法。,三、数字和模拟光纤通信系统,1.3 光纤系统的分类,1、强度调制直接检测系统 用电信号对光源进行强度调制，在接收端用光检测器直接检测，称为IM/DD系统。其优点是简单、经
16、济，但通信容量受到限制。 2、外差光纤通信系统 发送端，待传输的数字或模拟信号和连续的光载波一起送到外调制器，待传输的信号控制光发射机光源光波的某一参数（频率或相位），接收端采用相干解调来还原被传输的信号。还没实用，研究阶段。,四、不同调制方式的光纤通信系统,1.3 光纤系统的分类,1、单信道(波长)系统 在一根光纤中只传送一个光波长，而采用时分复用的方式(TDM)提高系统传输容量。 2、粗波分复用系统(CWDM) 在一根光纤中同时传送少量不同光波长(信道间隔大于20nm)。粗波分复用系统在业务类型繁杂、传输容量多变的城域网中广泛采用。 3、密集波分复用系统(DWDM) 在一根光纤中同时传送多个不同波长的光信号(信道间隔小于8 nm)，同时采用时分复用提高每一波长的传输速率，使系统容量得到数百倍提高。,五、按传输信道
