光纤通信课件幻灯片

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1、光 纤 通 信 Optical Fiber Communication,请关掉手机,1 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 2 光纤和光缆 2.1 光纤结构和类型 2.2 光纤传输原理 2.3 光纤传输特性 2.4 光缆 2.5 光纤特性测量方法 3 通信用光器件 3.1 光源 3.2 光检测器 3.3 光无源器件,4 光端机 4.1 光发射机 4.2 光接收机 4.3 线路编码,讲授内容(1),5 数字光纤通信系统 5.1 两种传输体制 5.2 系统的性能指标 5.3 系统的设计 6 模拟光纤通信系统 6.1 调制方式 6.2 模拟基带直接光强调制 光纤

2、传输系统 6.3 副载波复用光纤传输系统,讲授内容(2),光纤通信新技术 7.1 光纤放大器 7.2 光波分复用技术 7.3 光交换技术 7.4 光孤子通信 7.5 相干光通信技术 7.6 光时分复用技术,8 光纤通信网络 8.1 通信网的发展趋势 8.2 SDH传送网 8.3 WDM光网络 8.4 光接入网,光纤通信系统刘增基 编著 西安电子科技大学出版社 光纤通信系统顾畹仪 编著 北京邮电大学出版社 光纤通信导论邱 昆 编著 电子科技大学出版社 光纤通信系统L.G.卡佐夫斯基等著 张肇仪等译 人民邮电出版社 光纤通信系统邓大鹏 编著 人民邮电出版社,参考书目,第一章 光纤通信概述,1.1

3、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。,光纤通信是人类科学技术 的重大突破，光纤通信 已成为现代信息社会的神经系统 光纤-信息社会的标志,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

4、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，理论上一根光纤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，可节约大量铜、铝，且直径小、重量轻， 性价比好。,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都是要可靠地实现最大可能的信息传输容量和传输距离。 通信系统的传输容量取决于对载波调制的

5、频带宽度，载波频率越高，频带宽度越宽。 通信技术发展的历史，实际上是一个不断提高载波频率和增加传输容量的历史。 20世纪60年代，微波通信技术已经成熟，因此开拓频率更高的光波应用，就成为通信技术发展的必然。 ,1.2 光纤通信的优点和应用,1.2.1光通信与电通信 电缆通信和微波通信的载波是电波，光纤通信的载波是光波。虽然光波和电波都是电磁波，但是频率差别很大。 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。,图 1.1 部分电磁波频谱,图 1.1 部分电磁波频谱,图1.1是相关的电磁波频谱。 光纤通信用

6、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在20 THz以上。 (0.7m430THz, 1.7m180THz) 由于光源和光纤特性的限制，目前，光强度调制的带宽一般只有20 GHz，因此还有3个数量级以上的带宽潜力可以挖掘。 ,微波波段有线传输线路是由金属导体制成的同轴电缆和波导管。 同轴电缆的损耗随信号频率的平方根而增大，要减小损耗，必须增大结构尺寸，但要保持单一模式的传输，又不允许增大结构尺寸。 波导管具有比同轴电缆更低的损耗， 但随着工作频率的提高，要减小波导结构的尺寸以保持单一模式的传输，损耗仍然要增大。 光纤

7、是由绝缘的石英(SiO2)材料制成的，通过提高材料纯度和改进制造工艺，可以在宽波长范围内获得很小的损耗。 图1.2给出各种传输线路的损耗特性。 ,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。 ,1.2.2光纤通信的优点 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GHz km)取决于光源的调制特性、 调制方式和光纤的色散特性。 石英单模光纤在1.31m波长具有零色散特性，通过光纤的设计，还可以把

8、零色散波长移到1.55m。在零色散波长窗口，单模光纤都具有几十GHz km的带宽。 另一方面，可以采用多种复用技术来增加传输容量。最简单的是空分复用，因为光纤很细，直径只有125 m, 一根光缆可以容纳几百根光纤，1212=144根光纤的带状光缆早已实现。这种方法使线路传输容量数十成百倍地增加。,就单根光纤而言，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。另一方面，减小光源谱线宽度和采用外调制方式，也是增加传输容量的有效方法 为了与同轴电缆通信和微波无线电通信比较，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。 ,表 1.4 光纤通信

9、与电缆或微波通信传输能力的比较,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。 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。 ,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

10、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。,采用光纤放大器、色散补偿光纤，中继距离还可增加， 见表1.5。而且，在表1.5中所列的中继距离下，传输的误码率极低(10-9甚至更小)。 ,表 1.5 WDM和TDM光纤通信试验系统的传输能力,传输容量大、传输误码率低、中继距离长的优点，使光纤通信系统不仅适合于长途干线网而且适合于接入网的使用， 这也是降低每公里话路的系统造价的主要原因。 , 3. 重量轻、 体积小 光纤重量很轻，直径很小。即使做成光缆，在芯数相同的条件下，其重

11、量还是比电缆轻得多，体积也小得多。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。,表 1.6 光缆和电缆的重量和截面积比较, 通信设备的重量和体积对许多领域特别是军事、航空和宇宙飞船等方面的应用，具有特别重要的意义。 在飞机上用光纤代替电缆，不仅降低了通信设备的成本，而且降低了飞机的制造成本。例如，在美国A-7飞机上，用光纤通信代替电缆通信，使飞机重量减轻27磅(约12.247 kg)，相当于飞机制造成本减少27万美元。 ,4. 抗电磁干扰性能好 光纤由电绝缘的石英材料制成，光纤通信线路不受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损坏。 无金属光缆非常适合于存在

12、强电磁场干扰的高压电力线路周围和油田、煤矿等易燃易爆环境中使用。 光纤(复合)架空地线(Optical Fiber Overhead Ground Wire, OPGW)是光纤与电力输送系统的地线组合而成的通信光缆，已在电力系统的通信中发挥重要作用。 ,5. 泄漏小， 保密性能好 在光纤中传输的光泄漏非常微弱，即使在弯曲地段也无法窃听。没有专用的特殊工具，光纤不能分接，因此信息在光纤中传输非常安全。 保密性能好的这一特点，对军事、政治和经济都有重要的意义。,6. 节约金属材料， 有利于资源合理使用 制造同轴电缆和波导管的铜、铝、铅等金属材料，在地球上的储存量是有限的；而制造光纤的石英(SiO2

13、)在地球上基本上是取之不尽的材料。 制造8 km管中同轴电缆，1 km需要120 kg铜和500 kg铝；而制造8 km光纤只需320 g石英。 所以， 推广光纤通信，有利于地球资源的合理使用。 ,总之，光纤通信不仅在技术上具有很大的优越性，而且在经济上具有巨大的竞争能力，因此其在信息社会中将发挥越来越重要的作用。,光纤通信器件的发展过程,贝尔光电话的传输距离很短，并没有实际应用价值,然而， 光电话仍是一项伟大的发明，它证明了用光波作为载波传送信息的可行性,贝尔光电话是现代光通信的雏型。 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，和普通光相比，激

14、光具有高亮度，高方向性，高单色性(光谱宽度窄) ,以及高相干性(频率和相位较一致) 。激光是一种高度相干光，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。,大气激光通信 二十世纪六十年代,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：用承载信息的光波， 通过大气的传播，实现点对点的通信是可行的。 但通信能力和质量受气候影响十分严重。由于雨、雾、雪和大气灰尘的吸收和散射，光波能量衰减很大。另一方面，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。通信的距离和稳定性都受到极大的限制，不能实现“全天候”通信。 但大气激光通信仍

15、有重要应用,在某些特定场合,如江河两岸、海岛之间、小区楼房之间宇宙空间、大气海洋之间(兰绿光)等。,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。该系统是在金属管内每隔一定距离安装一个透镜或反射镜，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损耗的传输介质， 对光通信的研究曾一度走入了低潮。 ,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

16、.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。,现代光纤通信 当时石英纤维的损耗高达1000 dB/km以上，高锟等人指出：这样大的损耗不是石英纤维本身固有的特性， 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。 材料本身固有的损耗基本上由瑞利(Rayleigh)散射决定，它随波长的四次方而下降，其损耗很小。 因此有可能通过原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤。,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小到几dB/km。 这个思想和预测受到世界