光纤通信概论课件

,学习意义和发展形势,目前正处在科技飞速发展信息时代，一个国家科技发展的重要标志就是这个国家信息技术水平的高低！光纤通信已构成现代信息传输网的主体，发展前景十分广阔。“九五”是中国电信光缆通信干线建设取得重大成就的五年。中国电信基本上完成了连接全国31个省的“八纵八横的光缆传输网建设”，形成了以格型网结构为主，微波和卫星通信为辅的多种传输手段的立体网络，全国光缆总长度达100万公里，模拟话路已全部退网，网络全部实现数字化。,“十五”继续推进以光纤为主的传输网建设，主要任务已不是覆盖范围和容量问题，而是传输网的结构优化和调整问题，充分利用WDM技术来扩大带宽。目前，光纤通信已经发展到以DWDM来增加系统容量和速率，以用光放大器增加中继距离的全光通信，正在研究光孤子通信。所以，光纤通信将是一个很热门的研究领域。,第一章光纤通信概论,1.1光纤通信的发展史与现状1.2光纤通信的光波波谱1.3光纤通信的特点和应用1.4光纤通信系统的组成和分类1.5光纤通信的发展目标和研究内容,学习本章的目的和要求,掌握光纤通信的概念。了解光纤通信的产生及发展。掌握光纤通信系统的组成及特点。,概述,所谓通信：把信息从一个地方传送到另一个地方，这种信息传递称为通信，它是靠通信系统来完成的。通信系统：发送-传输-接收，需传送的信息在发送端输送到发送机中，将信息叠加或调制到作为信息信号载体的载波上，然后将已经调制的载波通过传输介质传输到远处的接收端，由接收机解调出原来的信号。信息的载波：射频波、微波、毫米波、光波等等。传输介质：金属导线、同轴电缆、金属波导管、大气、光纤等。光纤通信：以光波为载波，光纤作为传输介质的通信。,1.1光纤通信的发展史与现状,1.1.1早期的光通信古代使用的烽火台等。近代光通信的雏形可追朔到1880年，贝尔发明的第一个光电话，这一大胆的尝试，可以说是现代光通信的开端。在这里，将弧光灯的恒定光束投射在话筒的音膜上，随声音的振动而得到强弱变化的反射光束，这个过程就是调制。,图1.1贝尔电话系统,贝尔光电话和烽火报警一样，都是利用大气作为光通道，光波传播易受气候的影响，在大雾天气，它的可见度距离很短，遇到下雨下雪天也有影响。受到传输距离和信息量限制。1.1.2光纤通信在大气光通信受阻之后，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，如图1.2所示。,图1.2反射波导和透镜波导,这些波导虽然可避免大气传输的缺点，但结构太复杂且精度要求太高而不能实用。另一方面，光导纤维的研究正在进行，但早期的光纤损耗太大还不能用于光通信传输介质。,1966年，英籍华人高锟(K.C.Kao，当时工作于英国标准电信研究所)博士深入研究了光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题，发现这种玻璃纤维引起光损耗的主要原因是其中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属离子和其他杂质，其次是拉制光纤时工艺技术造成了芯、包层分界面不均匀及其所引起的折射率不均匀，他还发现这些玻璃纤维在红外光区的损耗较小。,在高锟理论的指导下，1970年美国康宁公司拉出了第一根损耗为20dB/km的光纤，才使其真正用于光通信的传输介质。1977年美国在芝加哥进行了44.736Mbit/s的现场实验，1978年，日本开始了32.064Mbit/s和97.728Mbit/s的光纤通信实验；1979年，由于工艺水平提高，单模光纤损耗在1550nm波长已降到0.2dB/km，随着光纤损耗不断降低，新的激光器也不断问世，光纤通信得到了迅速发展，光纤的三个低损耗窗口：850、1300、1550nm。,1962年，GaAs半导体激光二极管LD问世-光源小型化。GaAs-LD发射波长870nm-掺杂铝后-GaAsAl-LD发射波长850nm,1977年，GaAlAs激光器的寿命可达100万小时,InGaAsP-LD发射波长1310,1550nm。LD比较昂贵，后来LED问世推动了光纤通信实用化进程。此外，光接收机方面：半导体光电转换器件(APD,PIN)问世。及系统中需要的各种光无源器件（光纤活动连接器、光衰减器、波分复用器、分路器等）和专用仪器（光纤熔接器、光功率计等）出现。,日本也做出了超低损耗的光纤(损耗为0.2dB/km，波长为1.55m)，同时进行了多模光纤(同时允许多个方向的光线在其中传送的光纤)1.31m的长波长传输系统的现场试验。到如今，光纤通信已经发展到以采用光放大器(OpticalAmplifier，OA)增加中继距离和采用波分复用(WavelengthDivisionMultiplexing，WDM)增加传输容量为特征的第五代系统。,1974年，实验室内光纤通信阶段。1976年，出现了实用光纤通信系统。80年代，进入光纤通信的高速发展时期，经历：短波长波，多模单模，低速高速的发展过程。,光纤通信发展经历五代系统：,1）第一代光纤通信系统，850nm，多模（19731976）GaAlAs-LD、Si-PIN，44Mb/s(30km)2）第二代光纤通信系统，1310nm，多模（19761982）140Mb/s(44km)3）第三代光纤通信系统，1310nm，单模（1987）1.0Gb/s(50km)4）第四代光纤通信系统，1550nm，单模（1990）2.5Gb/s(100km)5）以WDM增加容量速率和使用光放大器增加中继距离的全光通信。目前，正在研究光孤子通信。数千km,光纤通信发展经历五代系统：,第一代光纤通信系统850/1310nm多模系统，140Mb/s，30km第二代光纤通信系统1310nm单模系统，1Gb/s，50km第三代光纤通信系统1550nm单模系统，2.5Gb/s，100km第四代光纤通信系统光放大器引入，数千km第五代光纤通信系统光孤子系统,小结,1光纤通信发展的里程碑1966年高锟博士发表的论文用于光频的光纤表面波导。2光纤通信发展的实质性突破1970年美国康宁公司制造出当时世界上第一根超低损耗光纤。3光纤通信爆炸性的发展（1）光纤损耗1970年：20dB/km；1972年：4dB/km；1974年：1.1dB/km；1976年：0.5dB/km；1979年：0.2dB/km；1990年：0.14dB/km。,小结,（2）光器件光发送器件：砷化镓铝半导体激光器异质结条形激光器分布反馈式激光器（DFB-LD）和多量子阱（MQW）激光器。光接收器件：Si-PINAPD。（3）光纤通信系统从小容量到大容量、从短波到长波、从低速到高速、从多模到单模、从短距离到长距离、从PDH(准同步传输）SDH(同步传输）DWDM。在智能光网络（ION）、光分插复用器（OADM）、光交叉连接设备（OXC）等方面也取得巨大进展。,1.2光纤通信的光波波谱,1.2.1光波波谱光波是电磁波，光波范围包括红外线、可见光、紫外线，其波长范围为：300m6103m。可见光由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色的连续光波组成，其中红光的波长最长，紫光的波长最短。波长再短就是X射线、射线。电磁波波谱图如图1-1所示。,1.2光纤通信的光波波谱,图1-1电磁波波谱图,1.2光纤通信的光波波谱,1.2.2光纤通信的光波波谱光纤通信的波谱在1.671014Hz3.751014Hz之间，即波长在0.8m1.8m之间，属于红外波段，将0.8m0.9m称为短波长，1.0m1.8m称为长波长，2.0m以上称为超长波长。单位换算如表1-1所示。表1-1各种单位的换算公式,1.3光纤通信的特点和应用,1.3.1光纤通信的优点1.光纤的通信容量大光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统，其载波光波是具有很高的频率的电磁波(约1014Hz)，传输可获得极高的信号频谱。带宽大（20000GHz/850，1300或1550nm波长），因此光纤具有很大的通信容量。,巨大的传输容量,光纤中传输的激光属于近红外线范围，波长在0.752.5m，仅以其十分之一作为传输频带，则可传送约1010路电话。因此光纤在单位面积上有极大的信号传输能力，即单位面积上的信息密度极高，传输容量极大。在光纤通信的=1310nm和=1550nm两个波长段区域，共有约200nm宽的低损耗区，理论上可提供近30THz的频带宽度。而目前实验室里利用波分复用技术时分复用技术实现的最高容量10Tbit/s级，因此光纤的频带利用率仍有很大的提高空间。,2.损耗低、中继距离长目前，实用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光纤，此类光纤在1.55m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，因此，由其组成的光纤通信系统的中继距离也较其它介质构成的系统长得多。工作波长为1550nm的色散位移单模光纤通信系统，若传输速率为2.5Gbit/s则中继距离可达150km；若传输速率为10Gbit/s，则中继距离可达100km；若采用光纤放大器和色散补偿光纤等，中继距离还可增加。,如果今后采用非石英光纤，并工作在超长波长(2m)，光纤的理论损耗系数可以下降到10-310-5dB/km，此时光纤通信的中继距离可达数千，甚至数万公里。3.抗电磁干扰能力强我们知道，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。光纤是电绝缘，所以不受电磁干扰，光纤间串话小。,4.保密性能好通信系统的重要要求之一是保密性好。光纤不受电磁干扰，光纤间串话小，保密性好。然而，随着科学技术的发展，电通信方式很容易被人窃听：只要在明线或电缆附近(甚至几公里以外)设置一个特别的接收装置，就可以获取明线或电缆中传送的信息。5.体积小，重量轻6.节省有色金属和原材料SiO2原料资源丰富，价格低廉。,电缆需消耗大量的铜和铅等有色金属，如，1km四管中同轴电缆约需460kg铜，而制1km光纤，只需几十克石英。制造光纤的石英（主要成分为SiO2）原材料丰富而便宜。,1.3.2光纤通信的缺点事物都是一分为二的，光纤通信有许多优点，因而发展很快，但光纤通信也有以下缺点:1.直接放大难，需要光/电和电/光变换部分2.光抗拉强度低，弯曲半径不宜太小3.光纤连接困难，分路耦合不方便,小结,光纤通信的优点（1）通信容量大（2）中继距离长（3）适应能力强（4）保密性能好（5）体积小、重量轻、便于施工和维护（6）原材料来源丰富，潜在价格低廉光纤通信的缺点光直接放大难，需要光/电和电/光变换部分；弯曲半径不宜太小；分路耦合不方便。,1.3.3光纤通信的应用（1）光纤在公用电信网间作为传输线。（2）局域网中的应用。（3）光纤宽带综合业务数字网及光纤用户线。（4）作为危险环境下的通信线。诸如发电厂、化工厂、石油库等场所。（5）满足不同网络层面的应用。核心网层面、城域网层面、局域网层面等。（6）应用于专网。光纤通信主要应用于电力、公路、铁路、矿山等通信专网。,1.4光纤通信系统的组成和分类,1.4.1光纤通信系统的组成光纤通信系统是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统。主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。数字光纤通信系统方框图如图1-2所示。,图1-2数字光纤通信系统方框图,光纤通信系统可以传送数字信号也可传送模拟信号。传送的信息有话音、图像、数据和多媒体业务。目前实用的光纤通信系统，采用的是数字编码、强度调制、直接检测（IM/DD）的通信系统，,光发送机的作用是将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注入光纤。光发送机一般由驱动电路、光源和调制器构成，光源器件一般是LED和LD这些将在后续章节中详细介绍。光接收机的作用是将光纤送来的光信号还原成原始的电信号，进行光/电转换。它一般由光电检测器和解调器组成，光电检测器一般是PIN和APD。光纤的作用是为光信号的传送提供传送媒介(信道)，将光信号由一处送到另一处。中继器分为电中继器和光中继器(光放大器)两种，其主要作用就是延长光信号的传输距离。,1.4.2光纤通信系统的分类1按传输信号分类（1）数字光纤通信系统（2）模拟光纤通信系统2按波长和光纤类型分类（1）短波长（0.85m左右）多模光纤通信系统（2）长波长（1.31m）多模光纤通信系统（3）长波长（1.31m）单模光纤通信系统（4）长波长（1.55m）单模光纤通信系统3按光源的调制方式分类（1）直接调制光纤通信系统（2）间接调制光纤通信系统。,根据光纤的传导模数量，光纤通信系统可以分为多模光纤通信系统和单模光纤通信系统。根据系统的工作波长，光纤通信系统可分为短波长光纤通信系统、长波长光纤通信系统和超长波长光纤通信系统。,1.5光纤通信的发展目标和研究内容,光纤损耗中继距离传输速率高速化色散传输容量长波长化成本联网应用普及化系统集成化（1）向超高速系统发展（2）向超大容量WDM系统发展（3）向光传送网方向发展（4）向G.655光纤发展（5）向宽带光纤接入网方向发展,1.5.2光纤通信的发展目标,1.5光纤通信的发展目标和研究内容,1）系