数据通信_3_1(光纤通信及SDH).ppt

数据通信第三章光纤通信及SDH 教师 孙国林Email guolin sun 2 3 第三章光纤通信及SDH 3 1光纤通信的定义和历史3 2光纤通信的优点3 3光纤的构造 分类和导光原理3 4光纤通信的原理3 5光纤通信系统的组成3 6光纤通信系统的应用3 7SDH光通信系统 4 3 1光纤通信的定义 光纤通信 利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信之目的要使光波成为携带信息的载体 必须对之进行调制 在接收端再把信息从光波中检测出来 5 3 1光纤通信的定义 数字光纤通信系统基本上由光发送机 光纤与光接收机组成 6 通信系统的基本模型 一个通信系统主要包括 终端设备 传输系统和交换节点三大部分 7 一次通信的全过程 发送端的电端机把信息 如话音 进行模 数转换 用转换后的数字信号去调制发送机中的光源器件LD 则LD就会发出携带信息的光波 即当数字信号为 1 时 光源器件发送一个 传号 光脉冲 当数字信号为 0 时 光源器件发送一个 空号 不发光 光波经低衰耗光纤传输后到达接收端 在接收端 光接收机把数字信号从光波中检测出来送给电端机 而电端机再进行数 模转换 恢复成原来的信息 8 3 1光纤通信的历史 光纤通信的里程碑 1966年7月 英藉 华裔学者高锟博士 K C Kao 在PIEE杂志上发表了一篇文章 用于光频的光纤表面波导 该文从理论上分析证明了用光纤作为传输媒体实现光通信的可能性 只要解决好玻璃纯度和成分等问题 就能够利用玻璃制作光学纤维 从而高效传输信息 更重要的是科学地予言了制造通信用的超低耗光纤的可能性 即加强原材料提纯 加入适当的掺杂剂 可以把光纤的衰耗系数降低到20dB km以下 当时世界上用于工业 医学方面的光纤 其衰耗在1000dB km以上 9 光纤的衰减系数 光纤的衰减系数是指光在单位长度光纤中传输时的衰耗量 单位一般用dB km 衰减系数是光纤最重要的特性参数之一 因为在很大程度上它决定了光纤通信的传输距离 10 高锟 光纤之父 11 高锟的重要论文 K C Kao G A Hockham 1966 Dielectric fibresurfacewaveguidesforopticalfrequencies 光频率介质纤维表面波导 Proc IEEE113 7 1151 1158 K C Kao T W Davies 1968 SpectrophotometricStudiesofUltraLowLossOpticalGlasses I SingleBeamMethod JournalofScientificInstruments JournalofPhysicsE 2 1 1063 1068 DOI 10 1088 0022 3735 1 11 303K C Kao June1986 1012bit sOptoelectronicsTechnology IEEProceedings133 Pt J No3 230 236 DOI 10 1049 ip j 19860037 12 3 1光纤通信的历史 1970年美国康宁玻璃公司根据高锟文章的设想 用改进型化学相沉积法 MCVD法 制造出当时世界上第一根超低耗光纤 成为使光纤通信爆炸性竞相发展的导火索虽然当时康宁玻璃公司制造出的光纤只有几米长 衰耗约20dB km 而且几个小时之后便损坏了 但它找到了实现低衰耗传输光波的理想传输媒体 是光通信研究的重大实质性突破 13 从光纤的衰耗看 七O年 20dB km七二年 4dB km七四年 1 1dB km七六年 0 5dB km七九年 0 2dB km九O年 0 14dB km 3 1光纤通信的历史 已经接近石英光纤的理论衰耗极限值0 1dB km 14 从光器件看 1970年 美国贝尔实验室研制出世界上第一只在室温下连续波工作的砷化镓铝半导体激光器 为光纤通信找到了合适的光源器件 光接收器件从简单的硅PIN光二极管发展到量子效率达90 的 族雪崩光二极管APD 3 1光纤通信的历史 15 从光纤通信系统看 小容量 大容量短距离 长距离低水平 高水平旧体制 PDH 新体制 SDH 3 1光纤通信的历史 16 3 1光纤通信的历史 1976年 美国在亚特兰大开通了世界上第一个实用化光纤通信系统 码率为45Mb s 中继距离为10km 1990年 单模光纤通信系统进入商用化阶段 565Mb s 并着手进行零色散移位光纤和波分复用及相干通信的现场试验 而且陆续制定数字同步体系 SDH 的技术标准1997年 采用波分复用技术 WDM 的20Gb s和40Gb s的SDH产品试验取得重大突破 波分复用技术是将一系列载有信息 但波长不同的光信号合成一束 沿着单根光纤传输 在接收端再用某种方法 将各个不同波长的光信号分开的通信技术 这种技术可以同时在一根光纤上传输多路信号 每一路信号都由某种特定波长的光来传送 17 3 1光纤通信的历史 用带宽极宽的光波作为传送信息的载体以实现通信 这一几百年来人们梦寐以求的幻想在今天已成为活生生的现实 目前的光纤通信 其实际应用仅是其潜在能力的2 左右 尚有巨大的潜力等待人们去开发利用 18 第三章光纤通信及SDH 3 1光纤通信的定义和历史3 2光纤通信的优点3 3光纤的构造 分类和导光原理3 4光纤通信的原理3 5光纤通信系统的组成3 6光纤通信系统的应用3 7SDH光通信系统 19 3 2光纤通信的优点 1 通信容量大 从理论上讲 一根仅有头发丝粗细的光纤可以同时传输1000亿个话路 虽然目前远远未达到如此高的传输容量 但用一根光纤同时传输24万个话路的试验已经取得成功 比传统的明线 同轴电缆 微波等要高出几十乃至上千倍以上 一根光缆中可以包括几十根甚至上千根光纤 如果再加上波分复用技术把一根光纤当作几根 几十根光纤使用 其通信容量之大就更加惊人适合高速 宽带信息的传输 如高速通信干线 宽带综合业务通信网 长途一 二级干线通信 20 3 2光纤通信的优点 2 传输损耗低 中继距离远光纤具有极低的衰耗系数 目前商用化石英光纤已达0 19dB km以下 若配以适当的光发送与光接收设备 可使其中继距离达数百公里以上 传统的电缆 1 5km 微波 50km 据报导 用一根光纤同时传输24万个话路 100公里无中继的试验已经取得成功 已在进行的光孤子通信试验 已达到传输120万个话路 6000公里无中继的水平 在不久的将来实现全球无中继的光纤通信是完全可能的 21 3 2光纤通信的优点 3 通信串话小 保密性强光波在光纤中传输时只在其芯区进行 基本上没有光 泄露 出去 因此其保密性能极好 4 抗电磁干扰不怕外界强电磁场的干扰 光纤是用石英制成的 不受外界光的影响 强电 雷电等不会影响光纤传输性能在核辐射环境 也能正常进行通信 22 3 2光纤通信的优点 线径小 重量轻 便于敷设敷设方式方便灵活 可以直埋 管敷 又可水底和架空材料资源丰富光纤的最基本原材料是石英 二氧化硅 即砂子 因此其潜在价格是十分低廉的而通信用电缆的主要材料为稀有金属铜 其资源严重紧缺 23 光波在光纤中传输时只在其芯区进行 基本上没有光 泄露 出去 这是利用什么原理来做到的 24 第三章光纤通信及SDH 3 1光纤通信的定义和历史3 2光纤通信的优点3 3光纤的构造 分类和导光原理3 4光纤通信的原理3 5光纤通信系统的组成3 6光纤通信系统的应用3 7SDH光通信系统 25 3 3光纤的构造 1 光纤呈园柱形 它由纤芯 包层与涂敷层三大部分组成 26 纤芯位于光纤的中心部位 直径d1约9 50微米 其成份是高纯度的二氧化硅 还掺有极少量的掺杂剂如二氧化锗 五氧化二磷等 掺有少量掺杂剂的目的是适当提高纤芯的光折射率 n1 包层位于纤芯的周围 其直径d2约125微米 其成份也是含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅 而掺杂剂 如三氧化二硼 的作用则是适当降低包层的光折射率 n2 使之略低于纤芯的折射率 光纤的最外层是由丙烯酸酯 硅橡胶和尼龙组成的涂敷层 其作用是增加光纤的机械强度与可弯曲性 一般涂敷后的光纤外径约1 5厘米 3 3光纤的构造 1 27 3 3光纤的分类 2 五种分类方法 按光纤剖面折射率分布 阶跃光纤与渐变光纤按传播模式 多模光纤与单模光纤按工作波长 短波长光纤与长波长光纤按套塑类型 紧套光纤与松套光纤按光纤的组成成份 石英光纤 最常应用 含氟光纤与塑料光纤 28 3 3光纤的导光原理 3 光是一种频率极高的电磁波 而光纤本身是一种介质波导 因此光在光纤中的传输理论是十分复杂的 要想全面地了解它 需要应用电磁场理论 波动光学理论 甚至量子场论方面的知识 为了直观 形象 易懂 从几何光学的角度来讨论光纤的导光原理 把光波看作成为一条光线来处理 这正是几何光学的处理问题的基本出发点 29 光波在光纤中传输时只在其芯区进行 基本上没有光 泄露 出去 这是利用什么原理来做到的 30 1 全反射原理 降低光纤的衰耗 当光线在均匀介质中传播时是以直线方向进行的 但在到达两种不同介质的分界面时 会发生反射与折射现象根据光的折射定律 n1Sin 1 n2Sin 2其中n1为纤芯的折射率n2为包层的折射率 3 3光纤的导光原理 3 31 如果n1与n2的比值增大到一定程度 则会使折射角 2 90 此时的折射光线不再进入包层 而会在纤芯与包层的分界面上掠过 2 90 时 或者重返回到纤芯中进行传播 2 90 时 这种现象叫做光的全反射现象对应于折射角 2 90 的入射角叫做临界角 1 全反射原理 32 1 全反射原理 全反射是光信号在光纤中传播的必要条件当光在光纤中发生全反射现象时 由于光线基本上全部在纤芯区进行传播 没有光跑到包层中去 可以大大降低光纤的衰耗早期的阶跃光纤就是按这种思路进行设计的 33 第三章光纤通信及SDH 3 1光纤通信的定义和历史3 2光纤通信的优点3 3光纤的构造 分类和导光原理3 4光纤通信的原理3 5光纤通信系统的组成3 6光纤通信系统的应用3 7SDH光通信系统 34 3 4光纤通信的原理 要实现光纤通信 首先必须在信源对作为信息载体的光信号进行调制 调制后的光波经过光纤信道传送到信宿 由相关设备鉴别 检波 出它的变化 然后再现出原始信息 电 光 电 35 3 4光纤通信的原理 根据调制与光源的关系 光调制可分为两大类直接调制把要传送的信息转变为电流信号注入LD或LED 光源器件 从而获得相应的光信号间接调制利用晶体的电光效应 磁光效应 声光效应等性质来实现对激光辐射的调制这种调制方式既适应于半导体激光器 也适应于其它类型的激光器 间接调制中最常用的是外调制的方法 即在激光形成以后加载调制信号 36 第三章光纤通信及SDH 3 1光纤通信的定义和历史3 2光纤通信的优点3 3光纤的构造 分类和导光原理3 4光纤通信的原理3 5光纤通信系统的组成3 6光纤通信系统的应用3 7SDH光通信系统 37 3 5光纤通信系统的组成 一个基本光纤通信系统包括信源端的光发送机 光调制设备 信宿端的光接收机 光解调设备 和连接的光纤介质 实用的光纤通信系统一般都是双向的 并且每一端的发信机和接收机做在一起 称为光端机 同样 中继器也有正反两个方向 38 3 5光纤通信系统的组成 在实际应用中 作为一个完整的光纤通信系统 还应包括光中继器 监控系统 脉冲复接和脉冲分离系统 告警系统以及电源系统等 如图 39 1 光端机光发送机和光接收机统称为光端机 光端机是光纤通信系统中的光纤传输终端设备 位于电端机和光纤传输线路之间 3 5光纤通信系统的组成 40 1 光发送机作用是将电信号变成光信号 经耦合送入光纤中传输出去 光发送机主要由光源 信道编码电路以及光源的驱动与调制电路三部分组成 如图 1 光端机 41 1 光发送机光纤通信中的光源器件 电信号变成光信号 分为二大类 发光二极管 LED 激光二极管 LD 1 光端机 42 发光二极管 LED 当它处于正向工作状态时 即两端加上正向电压 电流从LED阳极流向阴极 电子从高能级范围的导带跃迁到低能级范围的价带 电能减少 从而释放出具有能量的光子 即发出莹光半导体晶体可以发出从紫外到红外不同颜色的光线 光的强弱与电流有关 1 光发送机 43 发光二极管 LED 的优点 使用简单 价格低廉 工作寿命长等优点 广泛地应用在较小容量 较短距离的光纤通信由于其线性度 P I 甚佳 所以也常常用于对线性变化要求较高的模拟光纤通信之中发光二极管 LED 的缺点 谱线较宽 所以难以用于大容量的光纤通信与光纤的耦合效率较低 所以难以用于长距离的光纤通信 1 光发送机 44 激光二极管 LD 其发光机理是受激发光 即利用LD中的谐振腔发生振荡而激发出许许多多的频率相同的光子 从而形成激光用半导体工艺技术在PN结两侧加工出两个相互平行的反射镜面 这两个反射镜面与晶体天然解理面一起构成了谐振腔结构当在LD两端加上正偏置电压时 像LED一样在PN结区域内因电子与空穴的复合而释放光子 1 光发送机 45 激光二极管 LD 其中的一部分光子沿着和反射镜面相垂直的方向运动时 会受到反射镜面的反射作用在谐振腔内往复运动只要外加正偏置电流足够大 光子的往复运动会激射出更多的 与之频率相同的光子 即发生振荡现象 从而发出激光 受激发光 当光增益大于的损耗时 便有激光向外射出 1 光发送机 46 激光二极管 LD 的优点 发光谱线狭窄与光纤的耦合效率高被广泛应用在大容量和长距离的数字光纤通信之中激光二极管 LD 的缺点 线性度与温度特性欠佳 但数字光纤通信对光源器件的线性度并没有很严格的要求 而温度特性欠佳可以通过一些有效的措施来补偿 LD成为数字光纤通信最重要的光源器件 1 光发送机 47 2 光接收机作用是将经过光纤传输衰减后的十分微弱的光信号转换成电信号 从中检测出传送的信息 并放大 再生成原发射信号 供终端处理使用 主要由光检测器 光信号接收电路和信道解码电路三部分组成 如图 1 光端机 48 光转换为电的器件称为光二极管 常见的两种 PIN光二极管APD光二极管 2 光接收机 49 PIN光二极管原理 具有PN结构的二极管由于内部载流子的扩散作用会在P型与N型材料的交界处形成势垒电场 即耗尽层 在设计 制造光二极管时 在P型材料与N型材料的中间插入一层掺杂浓度十分低的I型半导体材料 接近本征型 以形成较宽的耗尽层 这就是PIN光二极管降低半导体材料的掺杂浓度可以增加耗尽层的宽度 2 光接收机 50 APD光二极管原理 空穴电子对在高电场作用下高速运动 在运动过程中通过碰撞电离效应产生二次 三次新的空穴电子对 从而形成较大的光信号电流 2 光接收机 51 52 2 光中继器在长途光纤通信系统中 为了延长通信距离 每隔一定距离 50 70km 必须设置一个光中继器 以放大信号 补偿光能的衰减 恢复波形光为了使光中继机正常工作 便于监控 维护 必须有电源 公务 告警 监控等设备 有的光中继器还有区间通信接口 以提供一定的区间通信能力 3 5光纤通信系统的组成 53 自20世纪80年代末光纤放大器 EDFA 问世以来 在高速光纤通信系统中光放大器已经开始取代传统的光中继器 光放大器能直接放大光信号 对信号的格式和速率具有高度的透明性 使得整个系统更加简单灵活 2 光中继器 54 3 光纤和光缆光纤是截面很小的可绕透明长丝 它在长距离内具有束缚和传输光的作用光纤截面呈圆形 由纤芯 包层和涂覆层构成纤芯由高度透明的材料构成包层的折射率略小于纤芯 从而可以形成光波导效应 使大部分的光被束缚在纤芯中传输 3 5光纤通信系统的组成 55 光缆是由缆芯 加强件和护套组成缆芯主要是光纤 它是光缆的核心部分 决定着光缆的传输特性作为缆芯的光纤 为提高光缆的机械强度 抑制微弯损耗 通常需对光纤进行两次被覆第一次用软塑料 第二次用塑套 塑套分紧套与松套两种缆芯的结构多种多样 基本有层绞式 骨架式 中心套管式和带状式四种 带状式结构由一层层单元光纤芯线叠加 再放入套管或骨架内 这种结构形式有利于制造可容纳数百根光纤的高密度光缆 目前广泛应用于干线网和用户网 3 光纤和光缆 56 第三章光纤通信及SDH 3 1光纤通信的定义和历史3 2光纤通信的优点3 3光纤的构造 分类和导光原理3 4光纤通信的原理3 5光纤通信系统的组成3 6光纤通信系统的应用3 7SDH光通信系统 57 3 6光纤通信系统的应用 自从20世纪70年代以来 光纤通信开始进入实用阶段 并逐渐成为电信传送网的主要手段 光传送网 OTN 是一种以DWDM 密集波分复用 与光通道技术为核心的新型传送网结构 58 传送与传输 Transmission 区别 计算机通信与网络编程 电子科大计算机学院 59 3 6光纤通信系统的应用 传送与传输 Transmission 意义不同 传送 从信息传递的功能过程来描述的传送网属于逻辑功能意义上的网络传输 从信息信号通过具体物理媒质传递的物理过程来描述的 传输网是具体到实际设备组成的网络 60 传送网 分为3层 电路层 直接为用户提供电路交换业务 分组交换业务和租用线路等电信业务 设备包括交换机 数字电路交叉设备和IP路由器通道层 用来支持不同类型的电路层网络业务的传送 为电路层网络节点提供透明的传送通道 有准同步数字体系PDH通道 同步数字体系SDH的虚容器通道 异步传输模式ATM的信元虚通道等传输介质层 与具体的传输介质 如光纤 微波等 有关 它支持一个或多个通道 为通道层网络节点提供合适的通道容量通道层和传输介质层合在一起称为传送层 提供传送资源的下层平台 61 WDM 波分复用 利用多个激光器在单条光纤上同时发送多束不同波长激光的技术 基本原理是在发送端将不同波长的信号组合起来 复用 送入到光缆线路上的同一根光纤中进行传输 在接收端又将组合波长的光信号分开 解复用 并作进一步处理 恢复出原信号后送入不同的终端 WDM 波分复用 62 WDM复用设备 发送端的复用器 亦称合波器 将多路光信号汇合在一起 并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输接收端的解复用器 亦称分波器 将各种波长的光载波分离 然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号 63 WDM系统按照工作波长的波段不同可以分为两类 粗波分复用 CWDM 在整个长波长波段内信道间隔较大的复用 在1550nm波段的密集波分复用 DWDM 在同一窗口中信道间隔较小的波分复用在现阶段 WDM所指的就是DWDM技术 DWDM可以支持150多束不同波长的光波同时传输 每束光波最高达到10Gb s的数据传输率 能在一条比头发丝还细的光缆上提供超过1Tb s的数据传输率 3 6光纤通信系统的应用 64 自70年代以来 光纤技术不仅在电信等民用领域取得了飞速的发展 而且因其抗电磁干扰 保密性好 抗核辐射等能力 以及重量轻 尺寸小等优点 使它也得到了各发达国家政府和军方的重视与青睐在美国 早在80年代中期 先后计划的光纤军事应用项目就达400项左右 这些项目包括固定设施通信网 战术通信系统 遥控侦察车辆和飞行器 光纤制导导弹 舰载光纤数据总线 反潜战网络 水声拖曳阵列 遥控深潜器 传感器和核试验等 这些项目陆续有报道取得了不同的进展 3 6光纤通信在军事领域的应用现状 65 进入90年代以来 光纤技术的军事应用继续受到美 欧等国军方的重视 在美国 三军光纤技术开发活动的计划项目分成五大部分 有源和无源光元件 传感器 辐射效应 点对点系统和网络系统 由三军光纤协调委员会进行组织 每年投资为5千万美元 在面向21世纪的今天