光纤通信课件刘增基第二版第1章.ppt

第1章概论 1 1光纤通信发展的历史和现状1 2光纤通信的优点和应用1 3光纤通信系统的基本组成 1 1光纤通信发展历史和现状 1 1探索时期的光纤通信 1 1880年 美国人贝尔发明了光电话 实现了用光载波传送话音 证明了用光载波传送信息的可行性 2 激光器的发明激光是高度相干光 具有波谱宽度窄 方向性极好 亮度极高频率和相位较一致的良好特性 是一种理想的载波 1960年 美国人梅曼发明了第一台红宝石激光器 氦 氖激光器 二氧化碳激光器相继出现 并投入应用 麻省理工学院进行了大气激光通信实验证明了 用激光作为载波实现点对点的通信是可行的 通信能力和质量受气候的影响十分严重 大气的吸收 散射使光波的能量损耗很大大气密度 温度的变化 造成折射率的变化 使光束发生偏移 大气激光通信的距离和稳定性受到了极大的限制 1 1 2现代光纤通信 1966年 高锟和霍克哈姆提出了利用光纤进行通信的可能性和技术途径 奠定了现代光通信 光纤通信的基础 当时石英纤维损耗高达1000dB km是杂质吸收产生的 材料的本征损耗由瑞利散射决定 与波长的4次方成反比 实际很小 通过材料的提纯可制造低损耗光纤 光纤的研制进程 1970年 美国康宁 Corning 公司就研制成功损耗20dB km的石英光纤 它的意义在于 使光纤通信可以和同轴电缆通信竞争 从而展现了光纤通信美好的前景 促进了世界各国相继投入大量人力物力 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将损耗降低到4dB km 1973年 美国贝尔 Bell 实验室将光纤损耗降低到2 5dB km 1974年降低到1 1dB km 1976年 日本电报电话 NTT 公司等单位将光纤损耗降低到0 47dB km 波长1 2 m 1986年是0 154dB km 接近了光纤最低损耗的理论极限 光纤通信用激光器的发展进程 1970年 美国 日本和前苏联先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 虽然寿命只有几个小时 但其意义是重大的 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 1977年 贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时 约11 4年 外推寿命达到100万小时 完全满足实用化的要求 在这个期间 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 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 光纤通信发展的三个阶段 第一阶段 1966 1976年 这是从基础研究到商业应用的开发时期 在这个时期 实现了短波长 0 85 m 低速率 45或34Mb s 多模光纤通信系统 无中继传输距离约10km 第二阶段 1976 1986年 这是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标并大力推广应用的大发展时期 在这个时期 光纤从多模发展到单模 工作波长从短波长 0 85 m 发展到长波长 1 31 m和1 55 m 实现了工作波长为1 31 m 传输速率为140 565Mb s的单模光纤通信系统 无中继传输距离为100 50km 第三阶段 1986 1996年 这是以超大容量 超长距离为目标 全面深入开展新技术研究的时期 在这个时期 实现了1 55 m色散移位单模光纤通信系统 采用外调制技术 传输速率可达2 5 10Gb s 无中继传输距离可达150 100km 实验室可以达到更高水平 目前 正在开展研究的光纤通信新技术 例如 超大容量的波分复用 Wavelength Division Multiplexing WDM 光纤通信系统 实现 和超长距离的光孤子 Soliton 通信系统 将在第7章作介绍 1 1 3国内外光纤通信发展的现状 光纤通信技术发展历程 光纤从多模发展到单模 工作波长从0 85 m发展到1 31 m和1 55 m 传输速率从几十Mb s发展到几十Gb s 另一方面 随着技术的进步和大规模产业的形成 光纤价格不断下降 应用范围不断扩大 从初期的市话局间中继到长途干线进一步延伸到用户接入网 从数字电话到有线电视 CATV 从单一类型信息的传输到多种业务的传输 目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质 光纤通信系统成为国家信息基础设施的支柱 1 2光纤通信的优点和应用 任何通信系统追求的最终技术目标都是要可靠地实现最大可能的信息传输容量和无中继传输距离 通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带宽度 载波频率越高 通信系统的传输容量越大 通信技术发展的历史 实际上是一个不断提高载波频率和增加传输容量的历史 1 2 1光通信与电通信 电缆通信和微波通信的载波是电波 光纤通信的载波是光波 虽然光波和电波都是电磁波 但是频率差别很大 光纤通信用的近红外光 波长约1 m 的频率 约300THz 比微波 波长为0 1m 1mm 的频率 3 300GHz 高3个数量级以上 光纤通信用的近红外光 波长为0 7 1 7 m 频带宽度约为200THz 在常用的1 31 m和1 55 m两个波长窗口 频带宽度也在20THz以上 由于光源和光纤特性的限制 目前 光强度调制的带宽一般只有20GHz因此还有3个数量级以上的带宽潜力可以挖掘 图1 2各种传输线路的损耗特性 1 2 2光纤通信的优点 一 频带宽 传输容量大二 损耗低 传输距离远三 重量轻 体积小 便于施工四 抗干扰能力强 保密性能好五 耐腐蚀 耐高温 可在恶劣环境中工作六 节约金属材料 有利于资源的合理利用 图1 3各种通信系统相对造价与传输容量的比较 1 2 3光纤通信的应用 光纤可以传输数字信号 也可以传输模拟信号 光纤在通信网 广播电视网与计算机网 以及在其它数据传输系统中 都得到了广泛应用 光纤宽带干线传送网 接入网发展迅速 是当前研究开发应用的主要目标 1 3光纤通信系统的基本组成 电信网由硬件和软件两部分组成 电信网的软件指通信网的一整套规定和标准 及其管理规范 以使通信网处于正常工作状态 电信网的硬件可划分为接入网 交换网和传输网 电信传输网是电信通信网中除交换 终端设备以外的传递消息 信号的运载网路 传输网和传输系统 传输系统简单的说就是传送用户信息的通道和系统 传输系统和传输媒介构成传输网 电信传输网是电信通信网中除交换 终端设备以外的传递消息 信号的运载网路 光纤通信系统实际上是一种有线系统 其媒介是光缆 对于数字光通信系统来说 传输的是数字信号 传输系统分类 光纤通信系统 光纤通信系统一般由传输媒介光纤 发射和接收几个部分组成 光纤通信系统一般是双向的 就如电话总是两端同时发送和接受一样 作为信息传送的承载者 光纤通信系统一般安装双向传送结构设计 两个方向的结构完全一样 可以用单向传输的光纤通信系统来说明光纤通信系统的基本组成 光纤通信系统主要由两个部分组成 其一为电信号处理部分 其二为光信号处理部分电信号处理包括发送端电信号处理和接入端电信号处理光信号处理包括光发射机 光接收机和光纤线路部分 发送端电信号处理 主要是信号的转换和调制 使经过处理的电信号适合在光纤通信系统上传输以数字电话传送为例说明发送端电信号处理机理 信息源 即话音通过电话机转换为模拟基带信号送至电发射机 电发射机采用8KHz的抽样频率对模拟信号进行抽样 然后量化 即将信号量化为1或0 最后进行编码成为适合传送的数字信号 这个过程称为模 数转换 发送端电信号处理 续 目前普遍采用的模 数转换是脉冲编码调制方式 PCM 经过上述抽样 量化和编码后 一路电话信号转换为速率为64kb s的数字信号 然后通过数字复接设备把30路电话信号组合成2 048Mb s的数字信号输入至光发射机进行传送 对于光通信系统来说 2 048Mb s 一般称为2M 的电信号是最基本的传送速率 一般情况下将2 048Mb s的电信号按照一定的通信标准复接成速率更高的信号进行传送 如2M 8M 16M等PDH制式的信号 以及155M 622M 2 5G等更高速的SDH制式的信号 接受端电信号处理 与发送端处理功能和过程相反 它把接受到的电信号解调制 转换为基带信号 最后由信息宿恢复用户信号 光发射机 光发射机把输入电信号转换为光信号 并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路 由光源 驱动器和调制器组成一般称为电 光转换或E O转换光波作为载波 利用调制器将电信号调制到光的参数如光强 相位等广泛使用的光源有半导体发光二极管 LED 半导体激光二极管 LD 以及动态单纵模分布反馈激光器 DFB 目前有直接光强调制和外调制两种方式直接调制通过电信号控制驱动电流外调制通过独立的调制器调制光的参数 两种调制方式 直接调制简单易实现 但速率和传送距离受限 外调制成本较高 在高速和长距离系统中使用 光接收机 光接收机是把经过光纤线路传送 产生了畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号 并经过放大和处理后恢复成发射前的电信号 一般称为光 电转换或O E转换 由光检测器 放大器和相关电路组成 光检测器是核心 要求噪声低 响应速度快 频带宽 响应度高 两种常用的光检测器PIN光电二极管和雪崩光电二极管 APD 检测方式有 直接检测和外差检测一般使用直接检测 光纤线路 光纤线路把来自光发射机的光信号 通过光纤传输到光接收机由光纤 光纤接头和光纤连接器组成光纤是光通信的主体和介质 光纤由纤芯 包层 覆层组成 许多根光纤在一起成缆为光缆 在工程中普遍使用光纤的最主要的两个参数 损耗和色散决定了光纤的性能和光通信系统的设计石英光纤是目前普遍使用的光纤 信号在光纤中传输损耗的产生 损耗来源a 吸收b 散射c 宏弯 externalbendings d 微弯 internal 弯曲下光纤损耗 attenuationcoefficient dB km 典型光纤损耗曲线 1 典型光纤损耗曲线 2 多模光纤的损耗高于单模光纤 紫外吸收在短波发现限制传输 红外吸收在长波方向限制传输 OH吸收峰在1400nm附近 瑞利散射对光纤传输产生极大的限制 瑞利散射是不可避免的损耗机制 在各个方向上散射 并且依赖波长 在短波方向限制大 逐步向长波方向减小 造成三个传输窗口 850 1310nm和1550nm 色散概念 光信号通过介质时折射率与光的频率或波长密切相关 非单一波长的光信号在介质中传输产生色散 色散体系结构 总色散 ps nm km 多模色散 波导色散 单模色散 材料色散 多模色散 不同的传输模式引起传输路径的不同 从而引起即是在光速恒定条件下的时延差异 时延的差异造成信号脉冲展宽 材料色散 不同波长的光在介质中以不同的速度传输 即是在相同传输路径下也会引起不同的时延 造成信号脉冲展宽 实际信号总是非绝对单色 含有多个波长成分 即总有谱线宽度 光纤色散对信号的影响 色散造成信号失真 限制传输距离和传输速率 Non linearitiesscaleas opticalpower 2 单模光纤色散曲线 1310nm和1550nm传输窗口 常规单模光纤在1310nm色散为零 在1550nm损耗最小 约为0 2dB km 这种光纤称为G 652光纤通过光纤设计 可以使光纤的零色散波长移到1550nm 这样使得1550nm实现损耗和色散同时最小 最大限度减小对传输的限制 这种光缆称为色散位移光纤 G 655光纤 功率 电平的表示和计算 在功率 电平的表示和计算上 经常使用dBm和dBdBm用于表达功率的绝对值 其计算公式为 10lg P功率值 lmW 1mW的功率对应的dBm值为 10lg lmW lmW 0dBm 10mW的功率对应的dBm值为 10lg l0mW lmW 1dBm 500mW的功率