第1章光纤通信概述.ppt

2019年12月19日11时1分 光纤通信原理与系统 CommunicationandInformationSchoolShanghaiUniversityZouXuemeizxm 2019年12月19日11时1分 第一章光纤通信概论第二章光纤第三章光源与光发送机第四章光检测器与光接收机第五章光放大器第六章光纤通信系统 目录 2019年12月19日11时1分 第一章光纤通信概论光纤通信的发展历程和光网络的概况通信发展历程为什么是光纤光纤通信的发展光纤通信的支撑技术光纤通信系统的应用 2019年12月19日11时1分 1 通信的发展历程 1873年 美国人莫尔斯发明了电报 用电传输了文字信息 1876年 美国人贝尔发明了电话 用电传输了声音 1924年 英国人贝尔德发明了电视机 用电传输了图像 1946年 美国美国宾夕法尼亚大学 电子计算机 电报 电话和电视都是用无线电或有线电传输信息 电通信作为信息传输的有效通道 一直沿用了一个多世纪 20世纪 电子世纪21世纪 光子世纪 光子技术将带来一场超过电子技术的产业革命 光子技术的应用 1 作为光子发生与控制的激光技术和产业 2 运算速度更快的光子计算机 3 存储量大的光存储技术 4 代替现行通信方式的光通信 5 全息光技术 2019年12月19日11时1分 什么是光纤通信 光纤通信 利用光纤光缆传输光波信号的通信方式 优点 价格便宜 线路损耗低 频带宽 是现代通信网的骨干 通信系统 将信息从一处传到另一处的全部技术设备和信道 传输媒介 的总和 2019年12月19日11时1分 电磁波 交变的电场会产生交变的磁场 交变的磁场又会激起交变的电场 这种电场 磁场无限地交变产生 合称电磁场 这种交变的电磁场会在空间以波的形式由近及远地传播开去 这就是电磁波 光也是电磁波 电磁波 麦克斯韦1865年发表电磁场理论 赫兹1888年实验证实电磁波存在 2019年12月19日11时1分 通信传输媒介分类及相应波段划分 101 107 102 106 103 105 104 104 105 103 106 102 107 101 108 100 109 10 1 1010 10 2 1011 10 3 1012 10 4 1013 10 5 1014 10 6 1015 ELF VF VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF 自由空间波长 m 频率 Hz 电力 电话 无线电 电视 微波 红外 可见光 双铰线 同轴电缆 光纤 卫星 微波 AM无线电 FM无线电 频段划分 传输介质 2019年12月19日11时1分 电磁频谱 电磁波的波长范围 发送信号的频率越高 波长越短 可载送的信息量就越多 光波是电磁波 光波范围包括红外线 可见光 紫外线 其波长范围为 300 m 6 10 3 m 2019年12月19日11时1分 光纤通信的光波波谱光纤通信的波谱在1 67 1014Hz 3 75 1014Hz之间 即波长在0 8 m 1 8 m之间 属于红外波段 将0 8 m 0 9 m称为短波长 1 0 m 1 8 m称为长波长 2 0 m以上称为超长波长 表1 1各种单位的换算公式 2019年12月19日11时1分 2 Whyfiber 光纤的优点 近乎无限的带宽 没有光纤就没有当今的信息高速公路 低损耗 0 2dB km 传输距离远 无电磁干扰 信号传输质量高 保密性好耐化学腐蚀光纤尺寸小 重量轻 便于传输和铺设 低价 光纤是石英玻璃拉制成形 原材料来源丰富 并节约了大量有色金属 2019年12月19日11时1分 高速宽带DWDM光传输的容量潜力 15301675nm 1260 无水峰 单纤全部可用频段为400nm 约50THz 频谱效率 为0 4bit s Hz 说明 则 可用容量上限 为50THz 0 4bit s Hz 20Tb s若每波长信道速率40Gb s 单根纤芯可传500个波长 500路x40Gb s 20Tb s 0 2dB 0 3dB 2019年12月19日11时1分 10Gb s能作什么 1 ASCIICharacter 8bit 109Char s 1000books 2 VoiceChannel 64Kb s 155 000Channels3 HDTV 60Mb s 160ChannelsCompressed 20Mb s 500Channels4 GigabitEthernet 1Gb s 8Channels 2019年12月19日11时1分 电信号输入 半导体激光器 光探测器 电信号输出 fiber EE OO EE 3 光通信的发展 激光的发明主要是半导体激光器 60年代 光导纤维技术的发展 70年代 半导体探测器 60年代 WDM技术的出现 90年代 光放大技术 90年代 几个里程碑 2019年12月19日11时1分 3 1早期的光通信 公元前11世纪 西周王朝 烽火台白天点狼粪 晚上燃柴火 狼烟四起 2019年12月19日11时1分 图1 1贝尔电话系统 在这里 将弧光灯的恒定光束投射在话筒的音膜上 随声音的振动而得到强弱变化的反射光束 这个过程就是调制 到了1880年 贝尔发明了第一个光电话 这一大胆的尝试 可以说是现代光通信的开端 2019年12月19日11时1分 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 它具有亮度高 谱线窄 方向性好 但通信不稳定 1960年 大气光波通信 图1 2红宝石激光器 美国梅曼 Maiman 1960 2019年12月19日11时1分 光波地下传输 在大气光通信受阻之后 人们将研究的重点转入到地下光波通信的实验 先后出现过反射波导和透镜波导等地下通信的实验 图1 3反射波导和透镜波导 2019年12月19日11时1分 红宝石激光器 贝尔光电话和烽火报警一样 都是利用大气作为光通道 光波传播易受气候的影响 在大雾天气 它的可见度距离很短 遇到下雨下雪天也有影响 反射波导和透镜波导造价昂贵 调整 维护困难 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 2019年12月19日11时1分 1870年 英国物理学家廷德尔在实验中观察到 把光照射到盛水的容器内 从出水口向外倒水时 光线也沿着水流传播 出现弯曲现象 这好象不符合光只能直线传播的定律 1955年光纤才得到实际应用 当时在英国伦敦学院工作的卡帕尼博士 发明了用极细的玻璃制做的光导纤维 芯层 包层 芯层的折射率大于包层 光在其中做全反射 1960年左右 最好的光纤损耗也在1000分贝 公里 dB km 由于 损耗很大 它最初被用于医疗 如内窥镜 3 2光纤的发展 2019年12月19日11时1分 1966年高锟提出光纤波导的概念 当时最好光纤的损耗1000dB km 但他推测出小于20dB km的损耗是可以做到的并可进入商用 1974年美国康宁公司的French采用MCVD方法制出损耗小于4dB km的石英光纤 从此石英光纤正式登上光通信的宝座 2019年12月19日11时1分 高锟 K C Kao 博士深入研究了光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题 发现这种玻璃纤维引起光损耗的主要原因是其中含有过量的铬 铜 铁与锰等金属离子和其他杂质 其次是拉制光纤时工艺技术造成了芯 包层分界面不均匀及其所引起的折射率不均匀 他还发现一些玻璃纤维在红外光区的损耗较小 光纤之父 英籍华人高锟 K C Kao 博士工作地点 英国标准电信研究所 2019年12月19日11时1分 1966年 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 用于光频的光纤表面波导 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 这一发展方向 奠定了现代光通信 光纤通信的基础 高锟 左 从瑞典国王手中接过2009诺贝尔物理学奖 2019年12月19日11时1分 1970年起 光纤研制取得了重大突破1970年 美国康宁 Corning 公司研制成功损耗20dB km的石英光纤 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 目前 波长为1 55 m的光纤损耗 0 2dB km 已接近了光纤最低损耗的理论极限 2019年12月19日11时1分 3 3半导体激光器的发展 1960年美国休斯公司实验室的西奥多梅曼发明红宝石激光这就是在光频下发明了连续波的振荡器 1961年出现He Ne激光器之后 便开始了光通信的研究 自由空间与透镜波导 半导体双异质结激光器1969年研究成功GaAlAs在室温下 连续工作的半导体激光器 由于半导体激光器体积小 发光谱线窄以及与光纤的耦合效率高 价格低廉等优点 已成为光通信不可缺少的光源器件 2019年12月19日11时1分 1970年 光纤通信用光源取得了实质性的进展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 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 2019年12月19日11时1分 半导体光电探测器的进步1970年代半导体光电探测器的技术已很成熟当时的PIN二极管 入射一个光子可产生一个电子 雪崩光电二极管 APD 入射一个光子则可产生10 100个电子 3 4光电探测器的发展 由于光源 光探测器及光纤均已成功 所以在70年代后期光纤通信便正式登上通信的舞台 2019年12月19日11时1分 3 5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 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 1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线 1988年由美 日 英 法发起的第一条横跨大西洋TAT 8海底光缆通信系统建成 1989年第一条横跨太平洋TPC 3 HAW 4海底光缆通信系统建成 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年12月19日11时1分 当今世界范围的光纤通信系统 海底光缆及洲际通信网 2019年12月19日11时1分 3 6光通信容量发展的五个阶段 0 8微米短波长 多模 GaAs 0 85um 1 3微米长波长 单模 GaAlAs 1 3um 1 5微米 单模 1 5微米相干光通信 未实用 1 5微米EDFA WDM 2019年12月19日11时1分 光通信容量的发展 1977年 世界上第一条光纤通信系统在美国芝加哥投入商用 速率为45Mb s 1979年 我国在上海也率先进行了光纤通信的实验 120路的光纤电话并入从四川路局到海宁路局 1 8km 的市话网 2019年12月19日11时1分 单纤传输容量 74 94 一个数量级 4年95 指数增长 数量级 6个月 摩尔定律 数量级 18month 2019年12月19日11时1分 信源 信源编码 TDM 信道编码 调制 信源解码 TDM 信道解码 调制 光纤 PCM电端机 光接收机 光发射机 PCM解调 信源 语音图象数据 信源 数字光通信系统构成 2019年12月19日11时1分 4 光纤通信的支撑技术 OAMP DWDM 2019年12月19日11时1分 3 DWDM光纤传输系统 2019年12月19日11时1分 TX TX TX TX TX TX TX TX 40km 40km 40km 40km 40km 40km 40km 40km 40km TX TX TX TX TX TX TX TX MUX 120km 120km 120km WDM EDFA革新了光纤传输 DEM WDM EDFA革新了光纤传输 EDFA EDFA 2019年12月19日11时1分 5 1光纤通信网光纤公用电信网 核心网 城域网我国市内电话光缆传输试验从1978年开始 目前 公用电信网的传输线基本上均是采用光纤光缆连接 光纤局域网光纤宽带网光纤接入网无线通信网海底光缆及洲际通信网 5 光纤通信系统的应用 2019年12月19日11时1分 5 2能源 交通和其他电力系统的监视 控制和管理 由于使用了光纤 不受强电磁干扰 不仅信息传输量增大 而且工作更加可靠 传输信息用的光纤 可以放在输电线 地线的中心 不受干扰 施工方便 用电设备观测雷击很困难 因为雷击对电设备也可能造成破坏 而用光纤却可以直接观测雷击现象 煤炭系统的监视 控制和管理 电监控系统信号均为电信号 在含瓦斯高的矿井中容易引起爆炸 因此 如果考虑安全因素 电信号功率不能太大 这又导致传输距离受限 而如果采用光纤系统 很多设备可以无源化 即保证了安全 又能实现远距离监控 2019年12月19日11时1分 铁路通信网铁路通信网是直接为铁路运输调度服务的独立通信网 它具有结点多 分支 插入话路频繁 通信容量有大有小 通信距离长短不一 组网方式多种多样 传输信号种类各异等特点 电气化铁路对通信要求 通信容量要大 不受电力机车强电磁干扰 传输电话 数据以外还要传输列车运行的长距离无人监控图像信号 除了光纤通信 没有哪一种通信方式能满足这些要求 地铁控制系统高速公路监控系统 2019年12月19日11时1分 5 3军事战术通信主要有两种系统 一种是本地分配系统 包括战地指挥所的布线 兵器之间的连接 野战计算机的互连 以及基地信息传输系统等 一种是长距离战术通信系统 一般通信距离超过1千米 水下通信系统是扫雷舰与浮游载体之间的数据传输线路 扫雷舰的主要任务是清扫航道上的水雷 而利用浮游载体扫雷最为安全而可靠 扫雷舰与浮游载体之间连着3根光纤 一根光纤把水下浮游载体探测到的声纳信号和遥测信号 都是视频信号 传给舰船 另一根光纤用来传输舰船给水下浮游载体的控制信息 第三根光纤备用 光纤反潜战网络 也就是把光纤传输线路与水听器相连 把监测到的敌潜声音信号通过光纤传输到舰上或岸上信息处理中心 以便确定作战方案 光纤用于水下通信 探测的灵敏度高 传输的信息量大 抗各种干扰的能力强 而且重量轻 浮力大 2019年12月19日11时1分 航空母舰 机载通信 舰载通信 雷达 在雷达室与作战情报中心之间传输信息 不仅改善了抗干扰能力和保密性能 而且还能更好保证作战情报中心的安全 光纤制导武器主要包括光纤制导导弹和光纤制导鱼雷 它用光纤传输目标图像 制导精度高 导弹射程远 而且更安全可靠 是一种由射击手控制的人工智能武器 2019年12月19日11时1分 5 4医学应用利用传光束的照明器和测氧计利用传像束的内窥镜激光手术刀 2019年12月19日11时1分 5 5机车电子 2019年12月19日11时1分 5 6宽带应用 三网融合 三重播放业务的驱动 3Play 数据 IP视频 宽带语音 带宽需求大量增长支持单播业务和组播业务的高效率传送支持接入技术的不断演进 例如 ATM转向Ethernet 对语音和视频业务提供高可靠性的传送保障商业用户业务的演进 IP VPN 以太网VPNs 存储区域网络SAN高带宽的业务需求提供网络高可用性和高安全性业务的快速提供和端到端管理及故障定位固定 移动网络的融合 公共的网络汇聚层 在网络L2 L1 L0提供业务疏导 支持接入技术的不断演进 e g TDMtoEthernetforWiMAX 减少独立的骨干网络数量 优化网络结构 降低网络建设维护成本卓越的多层业务OAM 提供高可用性和可恢复的网络支持 2019年12月19日11时1分 目前叠加的城域传送网 2019年12月19日11时1分 长三角地区试验网 一期 Eachusercanpossessabout 50Mb sbandwidth O