0.+光纤通信技术的演进.ppt

1 光纤通信系统OpticalFiberCommunicationSystem 2011年4月 2 光纤通信的概念与由来光纤通信系统的基本结构光纤通信的优点光纤通信的演进趋势 序言 3 传输媒介 光纤通信系统 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 已成为现代通信网的骨干 无线通信 微波 卫星 激光 有线通信 铜线电缆 光纤光缆 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 光纤通信的概念与由来 4 光纤通信 是以光波为载波 以光纤 即光导纤维 为传输媒质的通信方式 由来 手旗烽火台烽火台光电话 Bell 1880 灯光 ship ship turnsignals 光纤通信的概念与由来 5 光纤通信器件的发展过程 6 最早的光通信公元前11世纪 西周王朝 烽火台白天点狼粪 晚上燃柴火 狼烟四起 光通信的历史 其中还有著名的 周幽王烽火戏诸侯 的故事 这种土丘就叫烽火台 它就是一种古老的光通信设备 7 Photophone Bell 1880 光通信的出现比无线电通信还早1880年 贝尔成功地进行了光电话的实验通话距离最远达到了213米1896年 波波夫发送与接收第一封无线电报 光通信的历史 8 大气光通信 但由于大气通信受气象条件的影响 通信不稳定于是人们考虑其它途径来实现 光通信的历史 9 大气光通信受阻 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 地下光通信 没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质对光通信的研究走入了低潮 但反射波导和透镜波导造价昂贵 调整 维护困难 光通信的历史 10 1870年 英国物理学家丁达尔太阳光随着水流发生弯曲n水 n空气 光发生全反射 光纤的雏形 1953年 英国伦敦学院卡帕尼博士首次将丁达尔的观察用于实际 发明了用极细的玻璃制作的光导纤维 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 光通信的历史 探索光传输介质 水折射率4 3 11 激光器出现 光通信的历史 频率为100太赫兹 波长694 nm 的红宝石激光器 美国梅曼 Maiman 1960年 激光器的发明和应用 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 12 工作地点 英国标准电信研究所研究对象 光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题损耗原因 1 玻璃纤维中含有过量的铬 铜 铁与锰等金属离子和其他杂质 2 拉制光纤工艺造成芯 包层分界面不均匀及其所引起的折射率不均匀新的发现 一些玻璃纤维在红外光区的损耗较小 现代光纤通信 1966年 高锟和霍克哈姆发表的 用于光频的光纤表面波导 奠定了现代光通信的基础 高锟被尊为光纤之父 光通信的历史 13 14 1880年 美国科学家贝尔发明光电话 光通信开始起源发展 1960年 美国人梅曼发明第一台红宝石激光器 1966年 英籍华人高锟指出 如果能够减少玻璃中的杂质含量 就可以制造出损耗低于20dB km的光纤 1970年是使光纤通信发展出现跨越的一年 美国康宁公司研制出了损耗系数为20dB km的光纤 同年 美贝尔公司研制出使用寿命长达几小时的半导体激光器 光纤通信从此进入飞速发展 光通信的历史 简表 15 1960 第一台激光器问世1960s 大气光通信1966 Dr Kao s科学预言光纤通信1970 低损耗光纤发明1970 半导体激光器室温连续工作1976 44 7Mb s 多模光纤通信系统实验 AT T 0 85 mAtlanta 1977 44 7Mb s 现场实验 电话局 Chicago 1979 第一代光纤通信系统商用1980s 单模光纤通信系统 1 3 m 上世纪60和70年代的主要突破 16 在上世纪90年代的突破 掺铒光纤放大器 ErbiumDopedFiberAmplifier EDFA 密集波分复用技术 DenseWavelengthDivisionMultiplexing DWDMat1 55 mwindows 光网络技术 TheDevelopmentfromendtoendWDMsystemtoWDMallopticalnetwork 17 光纤通信发展四个阶段 第一代 1966 1979 从基础研究到商业应用的开发时期 第二代 上世纪80年代早期 减小了光纤色散 第三代 上世纪80年代后期初90年代初 降低了光纤损耗 第四代 上世纪90年代之后 引入了WDM和全光放大技术 18 第一代 1966 1979 从基础研究到商业应用的开发时期 激光器 GaAs 波长0 8 m 多模光纤 最大中继距离10km 当时的同轴电缆系统中继距离为1km 比特率为10 100Mb s 多模色散和损耗是限制中继距离的关键 光纤通信的四个发展阶段 19 第二代 上世纪80年代早期 减小了光纤色散 激光器 InGaAs 波长1 3 m 单模光纤 最大中继距离50km 比特率为2 0Gb s 光纤的损耗 0 5dB km 限制了中继距离 光纤通信的四个发展阶段 20 第三代 上世纪80年代后期初90年代初 降低了光纤损耗 激光器 InGaAsP 波长1 55 m 单模 色散位移 光纤 比特率为2 5 10Gb s 最大中继距离100km 这个阶段的缺点是采用电的方式中继 光纤通信的四个发展阶段 21 第四代 上世纪90年代之后 引入了WDM和全光放大技术 激光器 InGaAsP 波长1 55 m 单模光纤 采用波分复用技术和光放大技术 单波长信道比特率为2 5 10Gb s 传输距离14000km 并提出光通信智能化的概念 光纤通信的四个发展阶段 WDM技术出现 22 我国光缆骨干网分布图 23 下图示出单向传输的光纤通信系统 包括发射 接收和作为广义信道的基本光纤传输系统 2 光纤通信系统的基本结构 24 2 光纤通信系统的基本结构 25 光纤通信系统 光发送机 组成 半导体光源 核心 驱动器和调制器 功能 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 26 功能 是把来自光发射机的光信号 以尽可能小的畸变 失真 和衰减传输到光接收机组成 光纤 光纤接头和光纤连接器低损耗 窗口 普通石英光纤在近红外波段 除杂质吸收峰外 其损耗随波长的增加而减小 在0 85 m 1 31 m和1 55 m有三个损耗很小的波长 窗口 光源激光器的发射波长和光检测器光电二极管的波长响应 都要和光纤这三个波长窗口相一致 光纤通信系统 光纤线路 27 光纤通信系统 光接收机 组成 光电检测器 核心 放大器和相关电路功能 将光纤传来的光信号进行光 电转换 并对转换出的电信号进行放大和恢复 28 光纤通信系统 光中继器 功能 将经过一段光纤线路传输后产生了失真的光信号进行放大及再生后送入下一段光纤中传送从而可延长光信号传输距离 29 3 光纤通信的主要优点 频带宽 通信容量大传输损耗低 无中继传输距离长抗电磁干扰性能好 抗高温 耐腐蚀光纤通信串话小 保密性强 使用安全体积小 重量轻 便于敷设和运输材料丰富 节约有色金属 经济 30 1 频带宽 通信容量大 大容量 马路越宽 容许通过的车辆越多 交通运输能力也越大 如果把通信线路比作马路 那么应该说是通信线路的频带越宽 容许传输的信息越多 通信容量就越大 目前的光纤容量已经达到十多个Tbits s 31 扩大通信容量的方法 提高载波频率 光波也是一种电磁波 频率高 作为载波 容量大 电磁波谱 1 频带宽 通信容量大 32 通信波段划分及相应传输媒介 频率Hz 33 石英光纤在1 31 m和1 55 m波长 传输损耗分别为0 50dB km和0 20dB km 甚至更低 因此 用光纤比用同轴电缆或波导管的中继距离长得多 目前 采用外调制技术 波长为1 55 m的色散移位单模光纤通信系统 若其传输速率为2 5Gb s 则中继距离可达150km 若其传输速率为10Gb s 则中继距离可达100km 2 损耗很小 中继距离很长且误码率很小 34 2 损耗很小 中继距离很长且误码率很小 中继站多 传输线路的成本高 维护不方便 运行不可靠石英光纤在1 55mm波长区的损耗可低到0 18dB km 比已知的其他通信线路的损耗都低得多 例 同轴电缆通信的中继距离只有几千米 最长的微波通信是50千米左右 而光纤通信系统的最长中继距离已达300千米 35 光纤重量很轻 直径很小 即使做成光缆 在芯数相同的条件下 其重量还是比电缆轻得多 体积也小得多 3 重量轻 体积小 36 光缆和同轴电缆比较 光缆 低损耗 重量轻 损耗 0 3dB km 同轴电缆 RG 19 U 重量 6kg km 损耗 22 6dB km 重量 1 110kg km 损耗率7 km 损耗率99 5 km 100MHz 37 4 抗电磁干扰性能好 对于通信系统而言 最主要的干扰是电磁干扰 现有的电通信系统无法令人满意地解决这个问题 例 电话线和电缆一般是不能跟高压电线平行架设的 也不能在电气铁化路附近铺设 光纤为什么具有强抗干扰能力 1 光纤属绝缘体 介质 不怕雷电和高压2 电磁干扰不了频率比它们高得多的光3 杰出的抗核辐射能力据专家测算 如果在美国本土中心上空463千米处爆炸一颗原子弹 1秒钟内即可使全美国所有的电缆通信系统失效 但光纤通信线路却照样畅通无阻 基本不受影响 38 在光纤中传输的光泄漏非常微弱 即使在弯曲地段也无法窃听 没有专用的特殊工具 光纤不能分接 因此信息在光纤中传输非常安全 5 泄漏小 保密性能好 39 制造同轴电缆和波导管的铜 铝 铅等金属材料 在地球上的储存量是有限的 而制造光纤的石英 SiO2 在地球上地壳的化学成分中占了一半以上基本上是取之不尽的材料 制造8km同轴电缆 1km需要120kg铜和500kg铝 而制造8km光纤只需320g石英 所以 推广光纤通信 有利于地球资源的合理使用 6 节约金属材料 有利于资源合理使用 40 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 4 光纤通信的演进趋势 41 4 光纤通信的演进趋势 从短波长向长波长的发展从多模光纤向单模光纤的发展从低比特率向高比特率的发展从单通道向多通道的发展从端到端WDM系统向光网络的发展从一般光网络到智能光网络的发展新器件和新技术的挑战 42 a 从短波长向长波长的发展 早期 光源为三元化合物GaAlAs制成的半导体光源发光波长为 0 85 m传输介质光纤 1 3 m和1 55 m损耗更小1977年 采用四元化合物InGaAsP研制成功了激光器光源发光波长为 1 3 m 43 b 从多模光纤向单模光纤的发展 1984单模光纤取代了多模光纤 n2 n1 1 D D 0 002to0 01ForSingle Modefiber D 0 01to0 03ForMulti ModeFiber n1 n2 n1 44 c 从低比特率向高比特率的发展 45 d 从单通道向多通道的发展 46 e 从端到端WDM系统向光网络的发展 47 e 从端到端WDM系统向光网络的发展 48 f 从一般光网络到智能光网络的发展 自动交换光网络总体结构 ASON AutomaticSwitchedOpticalNetwork 基本思想 在光传送网络中引入控制平面以实现网络资源的实时按需分配 从而实现光网络的智能化 49 g 新器件和新技术的挑战 OTDM系统 相干光通信 成为高速领域研究热点光时分复用技术 OTDM 是指时分复用在光学领域完成的一项先进技术 提高每个信道传输信息容量的一个有效途径 50 由于未来的光网络要求支持多粒度的业务 业务的多样性使用户对带宽有不同的需求 按照这一要求 光交换技术又可分为以下几种 光路交换 OCS OpticalCircuitSwitching 技术 在光子层面的最小交换单元是一个波长通道上的业务流量 类似于现存的电路交换技术 采用OXC OADM等光器件设置光通路 中间节点不需要使用光缓存 目前对OCS的研究已经较为成熟 光分组交换 OPS OpticalPacketSwitching 技术 以光分组 包 作为最小的交换颗粒 g 新器件和新技术的挑战 几种不同的交换技术 51 光突发交换 OBS OpticalBurstSwitching 技术 采用数据分组和控制分组独立传送 在时间和空间信道上都是分离的 它采用单向资源预留机制 以光突发包作为最小的交换的单元 光标记交换 OMPLS OpticalMultiProtocolLabelSwitching 技术 将多协议标