《绪论rendp》PPT课件.ppt

2019/6/13,1,第一章 绪论,任丹萍 河北工程大学信息与电气工程学院 ,光纤通信系统,2019/6/13,2,本章内容,1.1 光纤通信的发展历程 1.2 光纤通信发展现状及趋势 1.3 光纤通信的特点及应用 1.4 光纤通信系统简述,2019/6/13,3,本章重点、难点、学习目的及要求,本章重点 光纤通信系统的基本组成。 光纤通信的特点。 本章难点 光纤通信的光波波谱。 学习目的及要求 掌握光纤通信的概念。 了解光纤通信的产生及发展。 掌握光纤通信系统的组成及特点。,2019/6/13,4,引子-台湾地震造成海缆断裂,中国电信称，据我国地震台网测定，北京时间2006年12月26日20时26分和34分，在南海海域发生7.2、6.7级地震。受强烈地震影响，中美海缆、亚太1号、亚太2号海缆、FLAG海缆、亚欧海缆、FNAL海缆等多条国际海底通信光缆发生中断，中断点在台湾以南15公里的海域，造成附近国家和地区的国际和地区性通信受到严重影响。 1月29日下午，电信网通宣布，经过20多天的抢修，受地震影响中断的国际通信业务已全部恢复。,2019/6/13,5,引子-海缆断裂的影响,影响 商业 路透集团(Reuters Group PLC) 发布通告说，它在日本和韩国提供的交易信息、实时财经数据以及新闻等各类服务内容都曾出现了中断。 生活 网上购物、游戏、聊天 工作 及时协同、远程联系 学习 新京报：海缆中断致赴美法留学申请暂停,中华电信预计，此番海缆断线事件，单就营收部分，该公司就损失了一亿元以上。韩国最大的有线和宽带业者南韩电讯公司说，他们有27%的客户受到影响。东南亚最大电话公司新加坡电信发言人表示，部分客户可能经历数据或网络服务变慢的情况。日本第二大电信公司KDDI表示，海底线缆受损将影响东南亚的固网话务，该公司正将电话引导至通过美国与欧洲。,2019/6/13,6,引子-海缆修复示意,潜水机器人如何修复海底受损光缆,海底光缆是如何铺设的,2019/6/13,7,/bmiddle/c64cb99ejw1edf6lvynk8g20c807nwht.gif,/i/bn/2006-12-30/1143254.shtml,海底光缆的具体修复过程如下,1、机器人潜下水后，通过扫描检测，找到破损海底光缆的精确位置。 2、机器人将浅埋在泥中的海底光缆挖出，用电缆剪刀将其切断。船上放下绳子，由机器人系在光缆一头，然后将其拉出海面。同时，机器人在切断处安置无线发射应答器。 3、用相同办法将另一段光缆也拉出海面。和检修电话线路一样，船上的仪器分别接上光缆两端，通过两个方向的海底光缆登陆站，检测出光缆受阻断的部位究竟在哪一端。之后，收回较长一部分有阻断部位的海底光缆，剪下。另一段装上浮标，暂时任其漂在海上。,2019/6/13,8,4、接下来靠人工将备用海底光缆接上中美海底光缆的两个断点。连接光缆接头，可是个“技术含量“极高的活，非一般人能够胜任，必须是经过专门的严格训练、并拿到国际有关组织的执照后的人员，才能上岗操作。像这样的“接头工“，上海电信方面目前只有三四名。 5、备用海底光缆接上后，经反复测试，通讯正常后，就抛入海水。这时，水下机器人又要“上阵“了：对修复的海底光缆进行“冲埋“，即用高压水枪将海底的淤泥冲出一条沟，将修复的海底光缆“安放“进去。,2019/6/13,9,2019/6/13,10,引子-中美海缆,中美海缆系统采用具有自愈能力的环形结构。全长约26000公里。南北两条路由均可从中国达美国。 中美各有两个登陆点，它们分别是在中国的上海（崇明）和汕头（濠江）；在美国的班顿和圣路易斯奥比斯波。 北线上的韩国釜山和日本千仓，以及在南线上的日本冲绳和美国关岛均将以支线方式加入本光缆系统。,汕头国际海缆登陆站,崇明岛国际海缆登陆站,2019/6/13,11,全球海缆分布,2019/6/13,12,中国周边海缆分布,2019/6/13,13,光纤通信的发展历程-通信简史（1/3）,利用电磁波通信的历史可划分为三个阶段： 1838年电报开始的通信初级阶段； 1948年香农提出信息论开始的近代通信阶段； 80年代以后光纤通信应用、综合业务数字网崛起的现代通信阶段。,2019/6/13,14,光纤通信的发展历程-通信简史（2/3）,1838年，摩尔斯发明有线电报，开始了电通信阶段 1843年，亚历山大.本取得电传打字电报的专利 1864年，麦克斯韦创立电磁辐射理论,并被当时的赫兹证明，促使了无线通信的出现 1876年，贝尔利用电磁感应原理发明了电话 1879年，第一个专用人工电话交换系统投入运行 1880年，第一个付费电话系统运营 1892年，加拿大政府开始规定电话速率 1896年，马可尼发明无线电报 1907年，电子管问世，通信进入电子信息时代 1915年，横贯大陆电话开通; 实现越洋语音连接 1918年，调幅无线电广播、超外差式接收机问世 1925年，开通三路明线载波电话，开始多路通信 1936年，调频无线电广播开播 1937年，雷沃斯发明脉冲编码调制，奠定了数字通信基础 1938年，电视广播开播 20世纪40年代，二战期间，雷达与微波通信得到发展 1946年，第一台数字电子计算机问世 1947年，晶体管在贝尔实验室问世，为通信器件的进步创造了条件,2019/6/13,15,光纤通信的发展历程-通信简史（3/3）,1948年，香农提出了信息论，建立了通信统计理论 1950年，时分多路通信应用于电话系统 1951年，直拨长途电话开通 1956年，敷设越洋通信电缆 1957年，发射第一颗人造地球卫星 1958年，发射第一颗通信卫星 1962年，发射第一颗同步通信卫星，开通国际卫星电话；脉冲编码调制进入实用阶段 20世纪60年代，彩色电视问世；阿波罗宇宙飞船登月；数字传输理论与技术得到迅速发展；计算机网络开始出现 1969年，电视电话业务开通 20世纪70年代，商用卫星通信、程控数字交换机、光纤通信系统投入使用；一些公司制定计算机网络体系结构 20世纪80年代，开通数字网络的公用业务；个人计算机和计算机局域网出现；网络体系结构国际标准陆续制定 20世纪90年代，蜂窝电话系统开通，各种无线通信技术不断涌现；光纤通信得到迅速普遍的应用；国际互联网得到极大发展 1997年，68个国家签定国际协定，互相开放电信市场,2019/6/13,16,什么是光纤通信？,所谓光纤通信，就是利用光导纤维来传输携带信息的光波以达到通信之目的通信方式。 注：光波属于电磁波的范畴。属于光波范畴之内的电磁波包括紫外线、可见光和红外线 光通信,电磁波的种类与名称,2019/6/13,17,光纤通信的发展历程-光通信简史（1/12）,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(Bell)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。 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,烽火传信,旗语,稳定可靠和低损耗的传输介质难以发现，一度阻碍了光通信的发展。,2019/6/13,18,光纤通信的发展历程-光通信简史（2/12）,2019/6/13,19,光纤通信的发展历程-光通信简史（3/12）,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光频率的介质纤维表面波导，指出:“只要设法降低玻璃纤维中的杂质,就能够获得能用于通信的传输损耗较低的光导纤维。”这一预言，不仅给人们带来振奋和希望，同时也吹响了人类通信史上一次新的革命的进军号角。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的低损耗光纤”的发展方向,2019/6/13,20,2009年诺贝尔物理学奖得主高锟,2019/6/13,21,2009年诺贝尔物理学奖得主高锟,人物林“光纤之父”高锟,光纤电缆是本世纪最重要的发明之一。光纤电缆以玻璃作介质代替铜，使一根头发般细小的光纤，其传输的信息量相等于一条饭桌般粗大的铜“线”。它彻底改变了人类通讯的模式，为目前的信息高速公路奠定了基础，使“用一条电话线传送一套电影”的幻想成为现实。发明光纤电缆的，就是被誉为“光纤之父”的华人科学家高锟。 高锟1933年生于上海。他父亲是律师，家住在当时的法租界，小学时代是在上海度过的。童年的高锟对化学最感兴趣，他曾经自己制造过灭火筒、焰火烟花和晒相纸。最危险的一次是自制炸弹后来他又迷上了无线电，小小年纪就曾成功地装了一部有五六个真空管的收音机。 1948年，他们举家迁往香港。高锟先是入读圣约瑟书院，后来曾考入香港大学。但当时的高锟已立志攻读电机工程，而港大没有这个专业，于是他辗转就读了伦敦大学。,2019/6/13,22,人物林“光纤之父”高锟,毕业后，他加入英国国际电话电报公司ITT任工程师，因表现出色被聘为研究实验室的研究员，同时攻读伦敦大学的博士学位，1967年毕业。 1966年，高锟提出了用玻璃代替铜线的大胆设想：利用玻璃清澈、透明的性质，使用光来传送信号。他当时的出发点是想改善传统的通讯系统，使它传输的信息量更多、速度更快。对这个设想，许多人都认为匪夷所思，甚至认为高锟神经有问题。但高锟经过理论研究，充分论证了光导纤维的可行性。不过，他为寻找那种“没有杂质的玻璃”也费尽周折。为此，他去了许多玻璃工厂，到过美国的贝尔实验室及日本、德国，跟人们讨论玻璃的制法。那段时间，他遭受到许多人的嘲笑，说世界上并不存在没有杂质的玻璃。但高锟的信心并没有丝毫的动摇。他说：所有的科学家都应该固执，都要觉得自己是对的，否则不会成功。,2019/6/13,23,人物林“光纤之父”高锟,后来，他发明了石英玻璃，制造出世界上第一根光导纤维，使科学界大为震惊。 高锟的发明使信息高速公路在全球迅猛发展，这是他始料不及的。他因此获得了巨大的世界性声誉，被冠以“光纤之父”的称号。美国耶鲁大学校长在授予他“荣誉科学博士学位”的仪式上说：“你的发明改变了世界通讯模式，为信息高速公路奠下基石。把光与玻璃结合后，影像传送、电话和电脑有了极大的发展”高锟此后几乎每年都获得国际性大奖，但由于专利权是属于雇用他的英国公司的，他并没有从中得到很多的财富。中国传统文化影响极深的高辊 ，以一种近乎老庄哲学的态度说：“我的发明确有成就，是我的运气，我应该心满意足了。”,2019/6/13,24,人物林“光纤之父”高锟,高昆离开英国后，1987年担任香港中文大学校长，1996年退休。他在地球兜了一个圈之后，在香港回归祖国那年回来了，随及，他成立了一个高科技顾问公司，担任香港电讯等多家公司的顾问。目前他有五个职务，其中一个是创新科技委员会成员，专门为香港特区政府如何发展高科技出谋献策。他说：“香港给了我机会，我要尽力报答她。” 高锟的最大爱好是打网球和做陶瓷。他认为搞科研的人，往往既辛苦，又寂寞。当一个人静静地抚弄泥瓶，享受泥坯在手中变动着形状，按自己的审美眼光逐步走向完善、走向美，那是“很有治疗作用”的一种享受。,2019/6/13,25,2019/6/13,26,2009年诺贝尔物理学奖得主高锟,2019/6/13,27,世界欠你一个极大人情！,奥巴马致高锟贺函：“你的研究完全改变了世界促进了美国及世界经济的发展，我本人为你而感到骄傲，世界欠你一个极大人情”。,2019/6/13,28,光纤通信的发展历程-光通信简史（4/12）,现代光纤通信 1970年，贝尔研究所的林严雄（Hayashi）等人终于成功地研制出能在室内常温下连续工作的半导体激光器，这种激光器的体积很小，只有一颗米粒那么大，并且可以用电流控制激光的强度，这就为光通信的实现创造了条件 。 1970年，美国康宁玻璃公司的三位研究人员马瑞尔（Maurer）、卡普隆（Kapron）和凯克（Keck），首先研制成功了传输损耗只有每公里20分贝的光纤。 在室温下连续工作的半导体激光器和低损耗光纤是技术上的重大突破，使光纤通信立刻受到各国电信技术人员的重视，全面地开展研究工作，光纤通信终于得到了实现。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1970年，也因此而被称为“光纤通信元年”。,2019/6/13,29,光纤通信的发展历程-光通信简史（5/12）,光纤的发展 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(NTT)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。 通信光源的发展 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。,2019/6/13,30,光纤通信的发展历程-光通信简史（6/12）,实用光纤通信系统的发展 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。 1977年，在美国芝加哥和圣塔摩尼卡（Santa Moniea）之间首次开通了商用的光纤通信系统。（一对只有头发丝粗细的玻璃丝（直径0.85微米），竟然能同时开通8000路电话（传输速率达45兆比/秒） 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。,2019/6/13,31,光纤通信的发展历程-光通信简史（7/12）,宽带光通信技术光辉历程 翻开光通信的发展历程，展现在人们面前的是一幅高速和宽带化的历史画卷。 1966年，英籍华人科学家高锟提出了用石英玻璃纤维传送光信号的概念； 1970年，世界上第一根低损耗光纤（20dB/km）在美国康宁公司诞生； 1972年，半导体激光器实现室温下连续工作； 1977年，美国亚特兰大与华盛顿之间建成第一条数字光通信线路，采用LED、850nm 多模光纤，速率45Mbit/s； 1980年，日本NTT五藏野研究所开发32Mbit/s系统，采用多模光纤和LED； 1981年，1300nm多模光纤和激光二极管美日实现132或100Mbit/s系统； 1983年，1310nm单模光纤和单模激光器实现4200或400Mbps系统； 1988年，1550nmDSF和DFB LD使速率提高到1. 6Gbps； 1991年，1550nmDSF和DFB-MQW LD使容量提高到2.5Gbit/s； 1993年， WDM+ETDM技术出现，2.5G4.8； 1994年， EDFA实用化；OTDM进入实验系统； 1996年， CIENA首次向Sprint公司出售 2.5G x 16 DWDM系统样品； 1996年， 单路系统达到10Gbps； 1996年， NEC报道DWDM+OTDM研制水平达1Tbps； 1997年， MCI宣布建成世界第一条10Gbit x 4 DWDM商用光纤线路； 1998年， Lucent 2.5G x 80/10G x 40商品化； 1999年， 北电10G x 80商品化； 1999年， SIEMENS、NORTEL报道40G x 80（3.2Tbps）试验； 1999年， PIRELLI报道40G x 128，达到5.1Tbps总容量； 2000年， Lucent用DWDM实现160G x1022总容量达到160Tbps；,2019/6/13,32,光纤通信的发展历程-光通信简史（8/12）,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。 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。 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。 注：20世纪末至今，是传输系统向传输网络发展演进的时期，实现了传输链路向传输网络的发展。,2019/6/13,33,光纤通信的发展历程-光通信简史（9/12）,光纤通信系统发展可分为四个进程 第一代，以19731976年的0.85 m多模光纤通信系统为代表，传输速率为几十Mbit/s，中继距离约10km左右； 第二代，是70年代末、80年代初的多模和单模光纤通信系统，工作波长为1.31 m，传输速率是140 Mbit/s，中继距离约为2050km； 第三代，80年代中期以后的长波长单模光纤通信系统，其工作波长为1.31 m，传输距离约为50km； 第四代，指进入90年代以后的同步数字体系（SDH）光纤传输网络，传输速率可达2.5Gbit/s，中继距离为80km左右，在此传输网络中，开始采用光纤放大器（EDFA）以及光波复用技术。,2019/6/13,34,光纤通信的发展历程-光通信简史（10/12）,光纤通信发展趋势 向超高速系统发展 向超长距离传输系统发展 向超大容量WDM系统演进 向动态、智能光传送网方向发展 向宽带光纤接入网方向发展 向G.655 （非零色散位移光纤）光纤发展,2019/6/13,35,光纤通信的发展历程-光通信简史（11/12）,2019/6/13,36,光纤通信的发展历程-光通信简史（12/12）,2019/6/13,37,本章内容,1.1 光纤通信的发展历程 1.2 光纤通信发展现状及趋势 1.3 光纤通信的特点及应用 1.4 光纤通信系统简述,2019/6/13,38,光纤通信发展现状及趋势（1/2）,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0.85m发展到1.31m和1.55m(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。,2019/6/13,39,光纤通信发展现状及趋势（2/2）,光纤通信整体发展时间表,2019/6/13,40,本章内容,1.1 光纤通信的发展历程 1.2 光纤通信发展现状及趋势 1.3 光纤通信的特点及应用 1.4 光纤通信系统简述,2019/6/13,41,光纤通信的特点及应用-光纤通信的优点,频带宽，容量大 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。 激光的频率约为100THz,微波的频率为10GHz。从理论上讲，用光传输信息，通信容量比微波通信容量大一万倍。可传输7.5亿路电话，30万路电视。 损耗小，中继长 光纤提纯工艺的发展使得光纤传输可几百公里无中继。 重量轻，体积小 抗电磁干扰性能好 泄漏小，保密性好 原料丰富，节约资源 串扰小，信号传输质量高 化学稳定性好，耐腐蚀，寿命长,2019/6/13,42,光纤通信的特点及应用-光纤通信的缺点,需要光/电和电/光变换部分 电力传输困难 光直接放大难 抗拉强度低 光纤弯曲半径不宜过小 光纤的切断和连接操作技术复杂 分路、耦合麻烦,2019/6/13,43,光纤通信的特点及应用-光纤通信的应用（1/4）,光纤通信的应用 光纤在公用电信网间作为传输线。 局域网中的应用。 光纤宽带综合业务数字网及光纤用户线。 作为危险环境下的通信线。诸如发电厂、化工厂、石油库等场所。 满足不同网络层面的应用。核心网层面、城域网层面、局域网层面等。 应用于专网。光纤通信主要应用于电力、公路、铁路、矿山等通信专网。,2019/6/13,44,光纤通信的特点及应用-光纤通信的应用（2/4）,2019/6/13,45,光纤通信的特点及应用-光纤通信的应用（3/4）,典型应用之一：宽带综合业务光纤接入系统拓扑结构,2019/6/13,46,光纤通信的特点及应用-光纤通信的应用（4/4）,典型应用之二：作为校园网的骨干传输网,2019/6/13,47,光纤通信市场（1/2）,2019/6/13,48,光纤通信市场（2/2）,2019/6/13,49,本章内容,1.1 光纤通信的发展历程 1.2 光纤通信发展现状及趋势 1.3 光纤通信的特点及应用 1.4 光纤通信系统简述,2019/6/13,50,基本光纤通信系统的基本组成,光纤通信系统，包括发射、接收和作为广义信道的基本光纤传输系统。,2019/6/13,51,基本光纤传输系统的组成-光发射机（1/2）,结构参数 发送功率dBm概念：P（dBm）=10lgp(mv)/1(mv) 光源光谱特性 输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定， 器件寿命长。,组成框图,光发射机的功能是把电端机输出的数字基带信号转换为光 信号，并用耦合技术有效注入光纤线路。,2019/6/13,52,基本光纤传输系统的组成-光发射机（2/2）,电信号对光的调制的实现方式 直接调制 用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。 这种方案技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。 间接调制 把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。 外调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用。,图 1.5两种调制方案 (a) 直接调制 ， (b) 间接调制(外调制),2019/6/13,53,基本光纤传输系统的组成-光纤线路（1/2）,光纤线路的功能是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失真)和衰减传输到光接收机。 组成 光纤、光纤接头和光纤连接器 低损耗“窗口” 普通石英光纤在近红外波段，除杂质吸收峰外，其损耗随波长的增加而减小，在0.85