光纤通信绪论幻灯片

光纤通信OpticalFiberCommunication Education Telephone Travel Entertainment Health Shopping Banking 21世纪的通信业务 由光发射机 光纤光缆 中继器与光接收机等基本单元组成 此外还包括一些互连与光信号处理器件 如光纤连接器 隔离器 调制器 滤波器 光开关及路由器 分插复用器ADM等 数字光纤通信系统的组成 关键原材料 光纤预制棒 光纤通信的产业链 1概述1 1光纤通信的发展与现状1 2光纤通信的主要特性1 3光纤通信系统的组成和分类2光纤和光缆2 1光纤结构和类型 2 2光纤的射线理论分析2 3均匀光纤的波动理论分析2 4光缆3光纤的传输特性3 1损耗特性3 2色散特性3 3成缆对光纤特性的影响3 4典型光纤参数 常用光无源器件4 1光纤连接器4 2光纤耦合器4 3波分复用 解复用器4 4光开关光源与光发送机5 1半导体光源的物理基础 5 2半导体光源的工作原理5 3光源的工作特性5 4光发送机6光电检测器与光接收机6 1光电检测器6 2光电检测器的特性指标6 3光接收机6 4光接收机的噪声6 5光接收机的灵敏度 讲授内容 1 讲授内容 2 9SDH传送网10光纤通信系统设计10 1概述10 3数字光纤通信系统11光纤通信新技术11 2光孤子通信技术11 3全光通信网 7光放大器7 1概述7 2EDFA7 3光纤拉曼放大器7 4其他光放大器8光复用技术8 1概述8 2时分复用技术8 3DWDM技术 光纤通信系统 顾畹仪编著北京邮电大学出版社 光纤通信 G Keiser著李玉权等译电子工业出版社 光纤通信系统 杨祥林编著国防工业出版社 光纤通信工程 赵梓森编著人民邮电出版社 参考书目 第一章光纤通信概述 1 1光纤通信技术的发展史及现状1 2光纤通信的主要特性1 3光纤通信系统的组成和分类 1 1光纤通信技术的发展史及现状 什么是通信 通 传送 信 信息 信息的传送基本组成 发送 传输 接收 什么是光纤通信 利用激光作为信息的载波信号 并通过光纤来传送信息的通信系统 1 1光纤通信技术的发展史及现状 什么是通信 通 传送 信 信息 信息的传送基本组成 发送 传输 接收 什么是光纤通信 利用激光作为信息的载波信号 并通过光纤来传送信息的通信系统 光纤通信是人类科学技术的重大突破 光纤通信已成为现代信息社会的神经系统光纤 信息社会的标志 现代通信方式示意图 现代通信方式示意图 信息指用户要求传送的语音 图像 数据以及它们的各种组合 现代通信方式示意图 现代通信方式示意图 光纤通信经过30年的技术发展目前正在淘汰着其他的有线通信方式 光纤通信器件的发展过程 20世纪60年代中期 所研制的最好的光纤损耗在400dB以上1966年 英籍华人高锟 K C Kao 博士首次利用无线电波导通信的原理 提出了低损耗的光导纤维 简称光纤 的概念1970年Corning 粉末法 石英光纤20dB km1972年Corning高纯石英多模光纤损耗4dB km1973年贝尔 Bell 实验室2 5dB km1974年贝尔 Bell 实验室MCVD1 1dB km1976年日本电报电话 NTT 公司0 47dB km1979年掺锗石英光纤在1 55 m处的损耗已经降到0 2dB km 这一数值已经十分接近由Rayleigh散射所决定的石英光纤理论损耗极限1984年0 157dB km1986年0 154dB km 接近光纤损耗的理论极限 国外光纤技术发展概况 1970年美国贝尔实验室 日本电气公司 NEC 和前苏联先后突破了半导体激光器在低温 200 或脉冲激励条件下工作的限制 研制成功室温下连续工作的镓铝砷 GaAlAs 双异质结半导体激光器 短波长 1973年半导体激光器7000小时1976年日本电报电话公司研制成功1 3 m的铟镓砷磷 InGaAsP 激光器1977年贝尔实验室半导体激光器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 1966年高锟提出光纤作为传输介质的概念 此后光纤通信从研究到应用 发展非常迅速 技术上不断更新换代 通信能力 传输速率和中继距离 不断提高 应用范围不断扩大 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 系统采用GaAlAs激光器作光源 多模光纤作传输介质 速率为44 7Mb s 传输距离约10km 1980年美国标准化FT 3光纤通信系统投入商业应用 系统采用渐变型多模光纤 速率为44 7Mb s 1986年光纤通信系统在全球广泛应用 从提出光纤作为传输介质的概念 到广泛应用 20年时间高锟 光纤之父 光纤通信系统的发展历程 光纤通信追求目标 大容量 长距离技术发展 短波长 长波长 多模光纤 单模光纤 多模激光器 单模激光器 通信系统容量 比特率 距离积BL B比特率 L中继距离 每秒钟传输的比特数目 光纤通信技术的发展大体上可分为 光纤通信技术的发展大体上可分为 续 光纤通信技术的三次飞跃 1 20世纪60年代 1962年第一只半导体激光器诞生 随后半导体光检测器也研究成功 特别是1966年英籍华人科学家高锟与Hockham提出用玻璃可以制成衰减为20dB km的通信光导纤维 1970年美国康宁公司首先制出了20dB km的光纤 这标志着光纤通信系统的实际研究条件得以具备 20世纪70年代 1970年发明了LD的双异质结构 使得光源与光检测器的寿命都达到了10万小时的实用化水平 1979年发现了光纤1310nm和1550nm新的低损耗窗口 紧接着单模光纤问世 光纤的衰减系数一下降到0 2dB km 这使得光纤通信迈进了实用化阶段 从80年代初开始光纤通信便大步地迈向了市场 光纤通信技术的三次飞跃 2 20世纪90年代初 1989年掺铒光纤放大器EDFA的研制成功是光纤通信新一轮突破的开始 EDFA的应用不仅解决了光纤传输衰减的补偿问题 而且为一批光网络器件的应用创造了条件 使得光纤通信的数字传输速率迅速提高 促成了波分复用技术的实用化 光纤通信技术的三次飞跃 3 光纤通信系统的新波段 145014901530157016101650 S SCLL 波长 nm 光纤网络的分类 三种网络的不同要求 三种网络设备有着不同的性质 决定了这三种网络中设备开发的不同考虑 Long haul CapacityMetro SmartAccess Cost 国内发展概况 1963年开始光通信的研究1974年研究光纤通信1977年 第一根短波长 0 85mm 阶跃型石英光纤问世 损耗为300dB km1978年 阶跃光纤的衰减降至5dB km 研制出短波长多模梯度光纤 即G 651光纤1979年 研制出多模长波长光纤 衰减为1dB km 建成5 7km 8Mb s光通信系统试验段1980年1300nm窗口衰减降至0 48dB km 1550nm窗口衰减为0 29dB km 1981年多模光纤活动连接器进入实用1984年武汉 天津34Mb s市话中继光传输系统工程建成 多模 1990年 研制出G 652标准单模光纤 最小衰减达0 35dB km1992年降至0 26dB km 1991年 研制出G 653色散位移光纤 最小衰减达0 22dB km1997年 研制出G 655非零色散位移光纤 六五 七五 八五 铺设 八纵八横 光纤线路总长约七万公里传输码率 从140Mb s 2 5Gb s 10Gb s 40Gb s已开始研究 DFB 量子阱 激光器和EDFA研制成功 可供应用高速电子器件 波导器件尚有差距 国内现状 国内现状 虽然光纤光缆的研制仅短短的20多年 其应用却已相当普遍 迄今 已敷设光缆长度超过100万km 光缆已敷设到世界屋脊西藏 生产光缆的厂家有200多家 每年所用光纤的数量超过400万km 在实际网络中 无论是核心网还是接入网 目前主要应用的还是G 652光纤 在核心网中新建线路已开始采用G 655光纤 在接入网中已开始应用光纤带光缆 我国光通信领域已掌握了光纤 器件 系统等各方面的关键技术 逐渐走进了国际光通信的先进行列 尤其在主要技术上 都有了自己的特色和创新 美国1998年5月以亚利桑那大学为中心建立了 美国光谷 法国1999年以Alcatel为依托建立法国光谷许其贞委员于2000年3月在全国政协会议提案 建立 武汉 中国光谷 广东省建立 广东光谷 长春建设 长春光谷 北京 重庆 上海 合肥都在建光谷 福州光电园区 华科 高意 康顺 福建物构所 光谷 信息产业新的经济增长点 武汉 中国光谷 国家科技部批准的两个 光谷 之一国家计委批准的唯一一个 光谷 规范名称 武汉光电子及生物技术产业基地光电子技术 信息光电子 能量光电子消费光电子 软件产业生物技术 生物医药 生物材料生物农药 生物克隆 建设规划 面积 50平方公里地域 东至外环线 南至汤逊湖北岸西至珞狮路 北至东湖南岸特征 三湖 东湖 南湖 汤逊湖 六山 珞枷山 南望山 伏虎山喻家山 马鞍山 九峰山 区划 科研区 商贸区 居住区 管理区人口 40 60万经济 750亿元 光电子600亿 生物150亿 赵梓森 1953年8月毕业于上海交通大学 教授级高级工程师 中国工程院院士 国家级有突出贡献的专家 中国通信学会会士 湖北省科协副主席 第六 七 八届全国人大代表 国际电机电子工程师协会 IEEE 高级会员 武汉 中国光谷 首席科学家 兼任华中理工大学博士生导师 在通信行业内被称为 中国光纤之父 作为我国光纤通信技术的开拓者 学科带头人 赵院士为光纤通信在我国的科研及实用化做出了重大贡献 消费光电子光存储光传感光显示数码相机新型光源 能量光电子工业激光设备激光材料处理激光医疗设备激光元器件激光测量仪器 信息光电子光纤光缆光通信器件与光集成光通信系统设备IP网络及设备移动通信系统及设备 光纤通信 一根光纤中可同时传输一百多路信号 采用特殊技术甚至可以同时传输1022路 单路速率不断提升 已达到10 20 40Gb s采用OTDM技术甚至可达640Gb s 各种通信技术的快速发展使上千甚至上万公里的长距离传输成为可能 全光网成为目前光通信领域最热门的话题之一 光纤通信的发展方向 光纤通信未来的发展方向 光纤通信系统向相干光通信方向发展 光纤通信系统向全光通信方向发展 光纤通信系统向孤子光通信方向发展 光纤通信系统向网络通信方向发展 第一章光纤通信概述 1 1光纤通信技术的发展史及现状1 2光纤通信技术的主要特性1 3光纤通信系统概述 光纤通信技术的主要优点 光波频率很高 光纤传输的频带很宽 故传输容量很大 理论上可通上亿门话路或上万套电视 可进行图像 数据 传真 控制等多种业务 采用时分复用 波分复用等技术可以进一步提高传输容量 低损耗 中继距离长 误码率小 重量轻 体积小 耐高温 高压 抗腐蚀 工作可靠 不受电磁干扰 保密性好 光纤材料来源丰富 可节约大量有色金属 如铜 铝 表1 1各种传输线路的中继距离 相关通信基本概念和原理 模 数转换和抽样定理模拟信号 信号随时间连续变化 数字信号 信号仅取一些离散值 模拟信号和数字信号都用它们的带宽表示它们的特性 信号带宽代表信号傅立叶变换所含的频谱范围 why光纤传输容量大 根据抽样定理 模拟信号可以等间隔地抽样转为数字形式 当抽样频率fs满足Nyguist准则 fs 2 时 一个带宽 有限的模拟信号就可以不失真地由离散样本表示 模 数转换 抽样 量化 编码 信息带宽与载波频率的关系经过模 数转换后得到的数字信号 脉冲 序列仍然是一种低频信号 不宜直接传输 必须加在高频载波上才能有效发射 调制调制方式 调幅 常用 调频 调相E t A t e i 0tA t 的付氏变换为a 带宽 调制要求 信息带宽 载波频率 0 取样频率及量化数 B 1 T 单脉冲信息量大 单脉冲 t小 单脉冲的 大 需要更多带宽才能传输 假设数字通信系统能够在高达1 的载波频率的比特率下工作 试问在5GHz的微波载波和1 55 m的光载波上能传输多少路64kb s的音频信道 解 微波载波 5G 1 64k 781路光载波 f c 3 108 1 55 10 6 1 94 1014Hz能传输的音频信道数 1 94 1014 1 64k 3 107路 第一章光纤通信概述 1 1光纤通信技术的发展史及现状1 2光纤通信技术的主要优点1 3光纤通信系统的组成和分类 光纤通信系统的分类 按照调制信号类型分 模拟 数字光纤通信系统按照光源调制方式分 直接 间接调制光纤通信系统按照光纤的传导模数量分 单模 多模光纤通信系统按照系统的工作波长分 短波长 长波长 超长波长光纤通信系统 由光发射机 光纤光缆 中继器与光接收机等基本单元组成 此外还包括一些互连与光信号处理器件 如光纤连接器 隔离器 调制器 滤波器 光开关及路由器 分插复用器ADM等 数字光纤通信系统的组成 1 光发射机 光发射机由光源 调制器和信道耦合器组成 光信号是用电信号调制光载波产生的 直接调制 通过改变注入电流直接调制半导体光源的输出 带有啁啾 影响通信系统性能 间接调制 外调制 增加一调制器 适于高速系统应用 2 光纤 光纤 将光信号从光发射机无失真地传送到光接收机 基本特性参数 损耗 dB km 直接影响通