第1章光通信概述.ppt

教材 光通信原理与系统 黎洪松高等教育出版社普通高等教育 十一五 国家级规划教材 本书内容 光通信概述光通信的理论基础光纤光通信器件光纤通信系统光网络无线激光通信 第1章光通信概述 讲述光通信的发展概况 光通信系统的主要组成部分 光通信系统的基本问题与主要性能指标 什么是光通信 光通信就是将光波作为载体来实现信息传输 两个基本条件 1 光源2 传输光的介质 1 1光波的电磁频谱 考研面试常问问题1 可见光的波长范围是多少 考研面试常问问题2 目前光通信的波段是多少 1 2光通信发展 一 原始形式的光通信 古代通信形式 一 原始形式的光通信 烽火台报警通信 目视通信 缺点 信息量小 受环境影响大 烽火台告诉我们关于现代通信的两个概念 1 光通信 2 接力通信 由于人们无法解决光向四面八方散射时光强减弱和不能通过障碍物的问题 直到上世纪六十年代初 光通信都没有什么重大的进展 它仅仅作为一种信号灯使用 如 马路上的红绿灯机场上的跑道标志灯等等 二 19世纪中叶 电通信出现 电报 电话以及无线电通信等 1837年 美国人莫尔斯发明了电报 贝尔发明了电话 马可尼 波波夫发明了无线电通信 一直到20世纪60年代 电通信都在通信领域处于绝对的统治地位 缺点 随着科技的发展 容量越来越难满足要求 三 20世纪60年代以后 现代光通信出现 光纤通信等 光纤通信的特点 1 通信容量大 2 传输距离长 3 抗电磁干扰 5 适应环境 重量轻 安全等 电缆和光纤的损耗和频带比较 三 现代光通信技术的产生和发展 1 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 2 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 使沉睡了近百年的光通信进入一个崭新的阶段 激光器发出的激光与普通光源发出的光相比 其光束的强度高 方向性好 光谱的范围小 相位和频率一致性好 其特性与无线电磁波类似 是一种理想的通信载波 可用来携带信息进行长距离传输 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 这一阶段研究的重点主要是解决光的传输路径问题 1 大气光波通信 2 地下透镜波导 许多不可克服的困难 现场施工复杂 对每个透镜要进行严格校准和牢固安装 转弯时 需要增加透镜或反射镜 弯度越大 增加数越多 光能损耗越大 因此 系统造价昂贵 并且调整 测试 维修都非常困难 实用意义不大 由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质 对光通信的研究一度走入了低潮 3 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 指出了利用光纤 OpticalFiber 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 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 论文针对当时损耗达1000dB km的情况指出 这样大的损耗不是石英玻璃光纤本身固有的基本特性 而是由于材料中带有杂质 如含有过渡金属离子造成的 材料本身的损耗由瑞利散射决定的 它随波长的四次方下降 损耗很低 2009年获诺贝尔物理学奖 高锟 光纤通信发明家 4 1970年 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 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 在以后的10年中 波长为1 55 m的光纤损耗 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 5 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 6 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 90年代以后 除用户线外 光纤传输已经完全取代了传统的电缆通信 成为通信网的主体 光纤通信技术成为主流技术 以异乎寻常的速度发展 人类进入了光通信时代 7 其他光通信技术的发展大气激光通信技术 虽不是主流技术 但发展并未停滞 在一些不宜铺设光纤的地区 如海岛 海岛陆地之间还是有很好的发展空间 卫星间激光通信技术 地球外层空间及星际间不存在大气对光信号的吸收及遮挡 蓝绿激光水下通信技术 海水对蓝绿激光的损耗较小 可以用激光通信解决潜艇通信的问题 考研面试常问问题3 以波长划分的光纤通信发展的三个重要阶段 第一代光纤通信系统 0 85微米多模光纤通信系统第二代光纤通信系统 1 3微米低色散窗口第三代光纤通信系统 1 55微米低损耗窗口 1 3光通信系统组成 1 光源 2 光源调制3 光发送机 4 信道5 光检测器 6 光接收机 举例 光纤通信系统构成 1 光发送机 一般由半导体光源 核心 驱动器和调制器等组成 将待发送的电信号进行电 光转换 并将转换出的光信号最大限度的注入光纤中进行传输 光源 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 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 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 外调制 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 两种调制方案 a 直接调制 b 间接调制 外调制 2 光纤线路 是把来自光发送机的光信号 以尽可能小的畸变 失真 和衰减传输到光接收机 光纤光缆 线路 接续 盒 中继器 包含多根光纤 可架空铺设 也可以铺设在管道内 或直埋于地下 或铺设于海底 光缆一般2km一盘 盘与盘相连采用光缆盒 用于光信号的恢复与放大 目前广泛采用EDFA作为中继器 3 光接收机机 是把从光纤线路输出 产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号 并经放大和处理后恢复成发射前的电信号 检测方式 直接检测和外差检测直接检测 将探测器上的光功率直接转化为电信号输出 这种方案实现起来容易 节省成本 但噪声大 对于弱信号探测时 失真较大 外差检测 通过本振激光器混频实现信号探测 这种方案适用于微弱信号探测 噪声低 灵敏度高 但技术复杂 成本较高 3 光纤通信的优势 1 巨大的传输带宽 光纤低损耗频段为0 8 1 65um 单根光纤的可用频带几乎达到200THz 即使在1 55um处 带宽也可以达到15THz 2 极低的传输损耗 1 55um波段损耗已降至0 2dB km以下 同时EDFA技术的发展 可以有效补偿光纤损耗 3 抗电磁干扰 不向外辐射电磁波 提高了保密性 又不产生电磁污染 光纤通信系统避免了电缆间由于相互靠近而引起的电磁干扰 金属电缆发生干扰的主要原因就是金属导体向外泄漏电磁波 由于光纤的材料是玻璃或塑料 都不导电 因而不会产生电磁波的泄漏 也就不存在相互之间的电磁干扰 4 重量轻 安全 易敷设 光缆的安装和维护比较安全 简单 这是因为 首先 玻璃或塑料都不导电 没有电流通过或电压的干扰 其次 它可以在易挥发的液体和气体周围使用而不必担心会引起爆炸或起火 第三 它比相应的金属电缆体积小 重量轻 更便于机载工作 而且它占用的存储空间小 运输也方便 5 寿命长 尽管还没有得到证实 但可以断言 光纤通信系统远比金属设施的使用寿命长 因为光缆具有更强的适应环境变化和抗腐蚀的能力 4 光纤通信的不足 1 接口昂贵 在实际使用中 需要昂贵的接口器件将光纤接到标准的电子设备上 2 强度差 光缆本身与同轴电缆相比抗拉强度要低得多 这可以通过使用标准的光纤包层PVC得到改善 3 不能传送电力 有时需要为远处的接口或再生的设备提供电能 光缆显然不能胜任 在光缆系统中还必须额外使用金属电缆 4 需要专用的工具 设备以及培训 需要使用专用工具完成光纤的焊接以及维修 需要专用测试设备进行常规测量 光缆的维修既复杂又昂贵 从事光缆工作的技术人员需要通过相应的技术培训并掌握一定的专业技能 1 4光通信系统的基本问题与主要性能指标 1 衰减 光信号功率在传输过程中的损耗2 色散 光波中不同频率分量以不同速度传输而产生时间上的延迟效应3 最大比特率 信道上每秒所传输的比特数 比特 秒 4 带宽 信号不失真的传输范围 分电带宽和光带宽 5 传输距离 中继距离6 通信容量 用比特率 距离积 Bit s km 带宽 距离积 MHz km 表示 1 5光通信技术展望 1 光源光纤通信采用的光源是半导体光源 如半导体发光二极管LED 半导体激光器LD 2 光纤1984年 单模光纤取代了多模光纤 使得光纤通信系统的容量又有了很大增长 如今 各种各样的新型光纤的出现 进一步提高了通信的容量与质量 3 光放大器掺铒光纤放大器 EDFA 代替了传统的光 电 光型的中继器 大大提高了光通信的性能 如今 更宽带宽的光放大器不断地出现 可进一步提高光通信的容量 4 WDM复用技术利用WDM技术 可使光纤传输容量获得突破 WDM的基本思想是将工作波长略微不同 各自携带了不同信息的多个光源发出的光信号 一起注入同一根光纤进行传输 5 全光透明网络 由于电子器件本身的物理极限 交换过程引入的 电子瓶颈 问题成为限制通信网络吞吐能力的主要因素 全光网络中各节点信号的连接和交换在光域内进行 波长路由就是指这种连接和交换依据波长来确定 亦即当光信号从输入端 信号源 传送到输出端 用户 时 是根据它们的波长进行路由选择的 从光电混合网向全光网过渡仍有很长的路要走 主要因为光信息处理技术不成熟 如光缓存 光逻辑等都还处在实验室研究阶段 6 空间光通信系统中的光学系统由于电磁通信越来越拥挤 同时电磁环境也越来越恶劣 利用激光实现短距离无线接入可以解决这类问题 另卫星间建立光链路可以大幅度提高卫星通信的容量 彻底解决微波频段频率资源紧缺的问题 为实现空间光信号的有效收发 除了有上面光发送端机与光接收端机外 还要有光学准直系统 光学收发天线等 思考题 1 光纤通信的优缺点各是什么 3 光纤通信的优势 1 巨大的传输带宽 光纤低损耗频段为0 8 1 65um 单根光纤的可用频带几乎达到200THz 即使在1 55um处 带宽也可以达到15THz 2 极低的传输损耗 1 55um波段损耗已降至0 2dB km以下 同时EDFA技术的发展 可以有效补偿光纤损耗 3 抗电磁干扰 不向外辐射电磁波 提高了保密性 又不产生电磁污染 光纤通信系统避免了电缆间由于相互靠近而引起的电磁干扰 金属电缆发生干扰的主要原因就是金属导体向外泄漏电磁波 由于光纤的材料是玻璃或塑料