概论04光纤通信技术.ppt

1 光纤通信技术 2 光纤通信内容 一 光纤通信概述二 光纤通信原理三 光纤通信系统四 光纤通信特点五 光纤传输技术六 光纤通信新技术 3 一 光纤通信概述 1 光纤通信 基本概念2 光纤通信 诞生历史3 光纤通信 光纤制造4 光纤通信 敷设方式5 光纤通信 发展里程6 光纤通信 战略地位7 光纤通信 我国现状 4 1 1 光纤通信 基本概念 光纤通信 利用光波为载波 以光导纤维作为传输媒质的通信方式载波 位于电磁波谱的近红外区 范围为1014 1015Hz特点潜在通信容量极大 带宽近1015Hz 5 1 2 光纤通信 诞生历史 最早的光通信 用于传递信息的烽火台光通信的基本要素 光源 烽火发送 点火或燃烟接收 人的眼睛传播媒介 大气传送信息 有无敌情协议 有信号则救援 6 贝尔的光电话原理示意图 弧光灯 送话器 抛物面镜 光探测器 受话器 贝尔 7 由于19世纪先后发明了电报 电话等电信设备 使光通信方法受到冷落 虽然人们意识到如果采用光波作为载波 通信容量可望提高几个数量级 但直到20世纪50年代末仍然找不到通信所必须的相干光源和合适的传输介质 1 2 光纤通信 诞生历史 8 更好的光源稳定激光器 使光源更加可靠 稳定更好的传输媒介低损耗的传输介质 光缆 让光波在闭合的光缆中传输 1 2光纤通信 诞生历史 9 激光器的发明 第一阶段 理论基础 1916年 爱因斯坦提出的受激辐射概念是激光器的理论基础 受激辐射可以对光进行放大且产生的光是相干光 即多个光子的发射方向 频率 相位偏振完全相同 10 第二阶段 微波受激放大器 量子力学的建立和发展使人们对微观结构及运动规律有了更深入的认识 1951年美国物理学家查尔斯 汤司经过3年的研究 把处于激发态的氨分子装入一个金属小盒 当微波射入小盒时 就发出了一束纯而强的微波射束 11 第三阶段 红宝石激光器 发明者 西奥多 梅曼 美国 时间 1960年梅曼在佛罗里达州迈阿密的实验室里研制成功世界上第一台激光器 他用一个高强闪光灯管来刺激红宝石水晶里的铬原子 从而产生一条相当集中的纤细红色光柱 当它射向某一点时 发出的激光强度为太阳光的1000倍 12 LASER 受激发射的光放大受激辐射式光频放大器知识产权 古尔德 激光一词的始创者 汤司 书面工作早于前者 梅曼 激光发明权无可争议 激光器的发明是20世纪科学技术的一项重大成就 它使人们终于有能力驾驭尺度极小 数量极大 运动极混乱的分子和原子的发光过程 13 通信光纤 一个意外发现希腊的一位制玻璃工人意外地发现 光能毫无散射地从玻璃棒的一端传到另一端 这已经初步揭示了光在玻璃上的传播规律 14 通信光纤 光传导现象英国科学家丁麦尔发现了一个有趣的现象 光和水流一起呈弧线状落到地面 光出现弯曲现象吗 15 通信光纤 早期的应用 医用胃镜 喉镜 1958年 光的传播规律在医学领域得到应用 由2500根细玻璃纤维制成的 内窥镜 将光引到人体胃内 使医生不用开刀 就可以看到胃里的情况 这些已有的发现 发明无疑给科学家增添了信心 他们在这基础上 进行更深入的探讨 主要问题 衰减1960年1000dB km10dB 10 120dB 10 21000dB 10 100 16 通信光纤 基本设想高锟在1966年7月提出 只要能设法降低玻璃纤维的杂质 就有可能使光纤的损耗从1000dB km降低到20dB km 从而有可能用于通信 光纤诞生世界上第一根低损耗 20dB km 的石英光纤诞生于1970年 美国康宁玻璃公司的马瑞尔 卡普隆 凯克研制成功 17 2009年12月10日瑞典首都斯德哥尔摩瑞典国王卡尔十六世古斯塔夫为高锟博士颁奖 18 1 3 光纤通信 光纤的制造 材料 二氧化硅 SiO2 又称硅石 自然界分布很广 如 石英砂 制作方法 1 直接熔化法高温将熔融状态的石英 去除杂质直接制成光纤 2 汽相氧化法氧化反应生成SiO2微粒 而后将其制成预制棒 拉丝成纤 3 最后进行涂覆 套塑 成为光缆 19 1 3 光纤通信 光纤的制造 要求 光纤原材料的纯度必须很高 必须防止杂质 气泡混入 要正确控制折射率的分布 正确控制光纤的结构尺寸 尽量减小光纤表面的伤痕损害 提高光纤机械强度 同样衰减3dB普通玻璃 几厘米高级光学玻璃 几米20dB km光纤 150米 20 1 4 光纤通信 敷设方式 架空光缆 架挂在电杆上使用的光缆 吊线 自承 直埋光缆 外部有保护的铠装 直接埋设在地下管道光缆 装入水泥 钢管 塑料管内埋设地下水底光缆 敷设于水底穿越河流 湖泊 海洋 21 1 5 光纤通信的发展里程 1970年 美国康宁 Corning 公司研制成功损耗20dB km的石英光纤 把光纤通信推向一个新阶段 被定为光通信的元年 1972年 康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4dB 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 47dB km 波长1 2 m 1979年是0 20dB km 1984年是0 157dB km 1986年是0 154dB km 接近了光纤最低损耗的理论极限 22 1976年和1978年 日本先后进行了速率为34Mb s的突变型多模光纤通信系统 以及速率为100Mb s的渐变型多模光纤通信系统的试验 1980年 美国标准化FT 3光纤通信系统投入商业应用 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 现在 光纤通信承载了全世界80 以上的电信业务 23 光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段 第一阶段 1966 1976年 这是从基础研究到商业应用的开发时期 第二阶段 1976 1986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 1986 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 24 1 6 光纤通信 战略地位 重要性各种通信网的主要传输方式 跨国通信已广泛铺设到了大西洋 太平洋海底 使全球通信变得非常简单快捷 广泛性目前发达国家又把光缆铺设到住宅 实现了光纤到办公室 光纤到家庭 25 1 7 光纤通信 我国的现状 1974年研究低损耗光纤和光通信70年代中期研制出低损耗光纤和激光器1979年建成了市话光缆通信试验系统80年代末光纤通信关键技术达到国际先进水平1991年起不再发展长途电缆通信系统 八五 期间建成了22条光缆干线1999年1月建成高传输速率的一级干线 26 二 光纤通信基本原理 1 通信光纤 基本结构2 光学原理 反射折射3 通信光纤 光的分类4 通信光纤 传输原理5 通信光纤 光纤分类6 通信光纤 衰减因素 27 2 1 通信光纤 基本结构 光纤由直径大约为0 1mm的细玻璃丝构成 它透明 纤细 具有把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构 它由折射较高的纤芯和折射率较低的包层组成 通常为了保护光纤 包层外还往往覆盖一层塑料加以保护 其中纤芯的芯径一般为50或62 5 m 包层直径一般为125 m 纤芯1 462 1 467 包层1 45 1 46 28 通信光纤 实际结构 29 2 2 光学原理 反射折射 全反射定理 光从波疏媒质进入波密媒质 当入射角增大到一定的角度时 折射光就会全部消失 30 2 3 通信光纤 光的分类 微波 31 最佳传输窗口 红外区域 光以850nm 1310nm和1550nm三种波长通过光纤时 所受的衰减要比以其它波长通过时小得多 光纤中传输的光是什么颜色的 32 2 4 通信光纤 传输原理 满足全反射定律 光全部返回 只要弯曲不十分厉害 光也不会折射到包层中去 33 2 5 光纤分类 塑料光纤 制造材料高度透明的有机玻璃主要优点成本低廉 芯径较大 与光源的耦合效率高 耦合进光纤的光功率大 使用方便 主要缺点由于损耗较大 带宽较小 只适用于短距离低速率通信 如短距离计算机网链路 船舶内 汽车内通信等 34 2 5 光纤分类 多模光纤 制造材料 石英主要特点 中心玻璃芯较粗 50或62 5 m 可传多种模式的光 模间色散较大 限制了传输数字信号的频率 随距离的增加会更加严重 35 2 5 光纤分类 单模光纤 主要特点中心玻璃芯很细 为9 m 只能传一种模式的光 模间色散很小 适用于远程通讯 但还存在着材料和波导色散 对光源的谱宽和稳定性有较高的要求 即谱宽要窄 稳定性要好 低损耗窗口在1310nm波长处 单模光纤的材料色散和波导色散一正 一负 大小相等 36 2 6 通信光纤 衰减因素 本征 固有损耗 固有吸收 粒子吸光振动发热 瑞利散射 空间微粒光的散射 弯曲 部分光纤内的光会损失 挤压 受到挤压时产生微小的弯曲 杂质 杂质吸收和散射 不均匀 材料的折射率不均匀 对接 光纤对接时产生的损耗 37 光纤传输的 窗口 光传输中损耗最小的波长点被称做 窗口 光纤的三个 窗口 0850nm 1310nm和1550nm3dB km0 35dB km0 15dB km 38 光纤传感技术 光纤温度传感器光纤位移传感器光纤振动传感器光纤电压传感器光纤液位传感器 探索一代 光谱雷达 39 三 基本光纤通信系统 1 光纤通信 系统组成2 子系统 电发射端机3 子系统 光发射端机4 子系统 光中继器5 子系统 光接收机 40 3 1 光纤通信 系统组成 光纤 中继放大器 EDFA等 接收光信号 并从中提取信息 然后转变成电信号 最后得到对应的话音 图象 数据等信息 包括所有的信号源 它们是话音 图象 数据等业务经过信源编码所得到的信号 将信号转变成光信号 先后用过的光波窗口有850 1310和1550nm 41 3 2 子系统 电发射端机 主要功能 PCM 脉冲编码调制 对模拟信号抽样 量化和编码 多路复用 采用频分FDM 时分TDM 多路复用 是指将多路信号组合在一条物理信道上进行传输 到接收端再用专门的设备将各路信号分离出来 可以提高通信线路的利用率 42 3 3 子系统 光发射端机 基本组成 光源 驱动器 调制器主要功能 将电端机的电信号对光源发出的光波进行调制 成为已调光波 再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输 43 3 4 子系统 光中继器 必要性 由于受发送光功率 接收机灵敏度 光纤线路损耗 甚至色散等因素的影响及限制 光端机之间的最大传输距离是有限的 举例说明 在1310nm工作区光端机的最大传输距离一般在50 70km 主要作用 补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减对波形失真的脉冲进行整形 44 3 4 光中继器 传统方法 光 电 光 O E O 光电检测器先将光纤送来的非常微弱的并失真了的光信号转换成电信号 再通过放大整形 再生 定时恢复 还原成电脉冲信号 称 3R 中继器 然后用这一电脉冲信号驱动激光器发光 又将电信号变换成光信号 向下一段光纤发送出光脉冲信号 45 3 4 光中继器 现代方法 掺铒光纤放大器 EDFA 实现了光中继 46 3 5 子系统 光接收机 基本组成光检测器和光放大器等组成主要功能将光纤或光缆传输来的光信号 经光检测器转变为电信号 再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平 送到接收端的电端机去 47 四 光纤通信的特点 1 传输频带宽 通信容量大2 线路损耗低 传输距离远3 抗干扰能力强 应用范围广4 线径细 重量轻5 抗化学腐蚀能力强6 光纤制造资源丰富7 光纤的缺点 脆弱 48 4 1 传输频带宽 容量大 通信容量贝尔实验室1999年展示了全球首个传输速度达3Tb s的远距离数据传输系统 在300公里长的实验光纤上 创造出了每秒传输信息3 28Tb的纪录 可容纳20亿路电话和5000万套电视节目传输 大不列颠百科全书 仅需4 7秒 49 4 2 线路损耗低 距离远 传输距离美国的Crovis公司在芝加哥到西雅图的3200km上成功地实现了160 2 5G信号的传输 在当时 创造了波长数最多 无电再生传输距离最长的现场传输世界记录 50 4 3 抗干扰能力强 应用广 天然干扰 如雷电 电离层的变化和太阳黑子的活动等 工业干扰 如电动马达 高压电力线等 甚至还有可能发生核爆炸干扰 抗干扰的原因 石英介质构成 是绝缘体 不怕雷电和高压 不受电磁干扰 载波是频率很高的光波 而各种干扰的频率一般都比较低 51 4 4 线径细 重量轻 军事用途美国首先在军用飞机上用光纤代替了电缆 不但降低了成本 节约了空间 而且增加了灵活性和抗干扰能力 应用举例美国用光纤代替了A7飞机上的电缆 飞机的重量减轻了12 25Kg 这个数字可不是一个小数字 因为根据计算 高性能的飞机每增加1磅 16盎司 453 592克 的重量 成本就要增加1万美元 18芯光缆 150kg km18芯同轴电缆 11t km 52 1942年4月18日从航空母舰上起飞的B 25轰炸机对日本本土进行轰炸 53 4 5 抗化学腐蚀能力强 适用环境光纤的使用环境温度范围宽 受温度 季节等的变化影响很小 并且使用寿命很长 抗化学腐蚀能力强 54 4 6 原材料随处可见 原材料普遍性资源丰富的二氧化硅 说得更通俗一点就是随处可见的砂子原材料节省性用1公斤的高纯度的石英玻璃可以拉制几千公里的光纤 相比之下 制造1公里18管同轴电缆需要耗120公斤的铜 或500公斤的铅 55 4 7 光纤的主要缺点 主要缺点光纤质地脆机械强度低需要比较好的切割及连接技术分路 耦合比较麻烦 光纤怕水 56 五 光纤传输技术 SDH 1 SDH技术 产生背景2 SDH技术 发展历史3 SDH技术 标准形成4 SDH技术 主要特点5 SDH传输网 基本概念6 SDH传输网 基本单元 SDH SynchronousDigitalHierarchy同步数字体系 57 5 1 SDH技术 产生背景 PDH缺陷准同步数据传输体系 从早期话音通信传输演变而来 用户需求用户和网络的要求正在不断变化 也即能迅速 经济地为用户提供电路与服务 甚至最终希望能对电路带宽和业务提供在线实时控制 58 技术条件以微处理器支持的智能网络单元的出现一种有机地结合了高速大容量光纤传输技术和智能网络技术的新体制 相比于PDH技术统一比特率 统一接口标准 设备兼容性 网络管理能力大大加强 管理智能化 提出了自愈网的概念 自动恢复能力 采用数字复接技术 上下支路信号简单 59 5 2 SDH技术 发展历史 初步概念由美国贝尔实验室提出来的 由一整套分等级的标准数字传送结构组成的 适用于各种经适配处理的净负荷在物理媒体上进行传送 称为SONET 正式接受CCITT于1988年接受了SONET概念 并重新命名为同步数字体系 SDH 使之成为不仅适用于光纤 也适用于微波和卫星传输的通用技术体制 60 5 3 SDH技术 标准形成 接口标准为了建立世界性的统一标准 CCITT在光电接口 设备功能和性能 管理控制以及协议信令方面进行了重要修改和扩展 并于1988年至1990年分别通过了有关SDH的9个标准 涉及比特率 网络节点 复用结构 复用设备 网络管理 线路系统和光接口 标准完善1992年又通过了4个有关SDH信息模型 网络结构和抖动性能的新建议 1993年还通过2个新建议 61 5 4 SDH技术 基本概念 SDH定义由SDH网络单元组成的 在光纤上进行同步信息传输 复用和交叉连接的网络 主要特点统一的网络节点接口 简化了信号的互通以及信号的传输 复用 交叉连接和交换过程 有一套标准化的信息结构等级 称为STM 1 STM 4和STM 16 并具有一种块状帧结构 能够支持网络的OAM 62 5 5 SDH网络 基本单元 基本单元同步光缆线路系统 同步复用器SM 分插复用器ADM和同步数字交叉连接设备SDXC等等 主要特点能够在基本光缆段上实现横向兼容性 即允许不同厂家设备在光路上互通 它有一套特殊的复用结构 允许现存PDH SDH和B ISDN信号都能进入其帧结构 因而具有广泛的适应性 63 5 6 SDH网络 主要特点 统一标准充分利用光纤高带宽的特性 将传输速率大大提高 统一了北美制式1 544M和欧洲制式2 048M 使用标准的光接口 使得不同厂家的产品可以在光接口上实现互联 横向兼容 一步复用只需利用软件即可使高速信号一次直接分插出低速支路信号 SDH可使网络管理功能大大加强 64 六 光纤通信的新技术 1 DWDM密集波分复用技术2 EDFA掺铒光放大技术3 光孤子技术4 全光网络 65 6 1 DWDM技术 基本思路 波分复用在光纤通信系统中也可以采用光的频分复用的方法来提高系统的传输容量 在接收端采用解复用器将各信号光载波分开 由于在光的频域上信号频率差别比较大 称为波分复用 CWDM20nm 疏松波分间隔 DWDM0 2nm 1 2nm 密集波分间隔 66 波道划分根据每一信道光波的波长不同可以将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道 把光波作为信号的载波 发送端采用波分复用器将不同波长的信号光载波合并起来送入一根光纤 接收端由波分复用器将这些不同波长承载不同信号的光载波分开 67 双向传输只需将两个方向的信号分别安排在不同波长传输即可 多路传输根据波分复用器的不同 可以复用的波长数也不同 从几个至几十个 上百个不等 DWDM技术使得光纤通信容量大增 68 6 2 EDFA技术 基本概念 EDFA技术 掺铒光放大器在光纤中掺杂稀土元素铒来实现光放大的 称为掺饵光纤放大器 90年代初 波长1550nm的EDFA宣告研制成功并能实际推广应用 基本原理当用高能量的激光器激励掺铒光纤时饵离子会发出频谱很宽的荧光带 这时光信号通过掺铒光纤时 荧光带的能量会转移到信号光上 使信号光得到增强和放大 69 放大器EDFA掺铒光纤放大器 是一种对信号光放大的一种有源光器件 主要意义掺饵光纤放大器的诞生是光纤通信领域革命性的突破 它使长距离 大容量 高速率的光纤通信成为可能 是DWDM系统及未来高速系统 全光网络不可缺少的重要器件 70 6 3 光孤子技术 基本概念 光孤子定义在光纤中经过长距离传输而保持形状或波长不变的特殊光脉冲 产生历史1844年英海军军官斯科特 亚瑟孤立波现象 1973年贝尔实验室的长谷川预言光纤中能传输孤子 1980年贝尔实验室莫勒瑙尔在实验中观察到了孤子脉冲 71 6 3 光孤子技术 基本概念 光孤子通信系统的构成 光孤子通信系统方框图 72 稳定脉