1光纤通信-概述

1、光纤通信光纤通信Optical Fiber Communication田春明田春明微波与光通信技术研究所微波与光通信技术研究所信息与通信工程系信息与通信工程系电子与信息工程学院电子与信息工程学院办公室：西一楼办公室：西一楼C-365C-365Tel:82668771-365Tel:82668771-365Email: TEmail: TXian Jiaotong University课程内容：课程内容：光纤通信概述光纤通信概述光纤和光无源器件光纤和光无源器件光源及其光发射机光源及其光发射机光检测器与光接收机光检测器与光接收机光通信线路光通信线路光通信网络光通信网络教材：教材：李履信等李履信等光

2、纤通信系统光纤通信系统第二版第二版 机械工业出版社机械工业出版社(1)(2，5)(3)(4)(8.7，8.2，7，10，11.1，11.2)(12.1，9，6)刘增基等刘增基等 光纤通信光纤通信 西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社王辉等王辉等 光纤通信光纤通信 电子工业出版社电子工业出版社Xian Jiaotong University1 光纤通信发展史光纤通信发展史2 光纤通信特点及应用光纤通信特点及应用3 光纤通信系统光纤通信系统第一章 光纤通信概论Xian Jiaotong University什么是光纤通信：什么是光纤通信：以光波作为载波，以光波作为载波，以光纤作为光传输介质

3、的一种有线通信方式以光纤作为光传输介质的一种有线通信方式光纤：导光光学纤维光纤：导光光学纤维光波：一种电磁波光波：一种电磁波Xian Jiaotong University通信系统框图通信系统框图发送机接收机信道载波载波：短波短波微波微波毫米波毫米波光波光波信道信道：金属导线金属导线同轴电缆同轴电缆金属波导金属波导大气、光纤大气、光纤Xian Jiaotong University电磁波谱图电磁波谱图10010210410610810101012101410161018102010221024无线电 微波红外紫外线可见光X 射线104105106107108109101010111012101

4、3101410151016f (Hz)f (Hz)双绞线同轴电缆无线电(AM) 无线电(FM)电视频道卫星通信地面微波通信光纤BandLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF射线Xian Jiaotong Universitym85. 0m31. 1m55. 1Hz141053. 3Hz141029. 2Hz141094. 1红外红外Xian Jiaotong University 话音 长波 中波 短波 微波 光波频率（低）（高）带宽（小）（大）C=B log2（1+S/N）容量（大）（小）Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University理论

5、上光纤通信可容纳：理论上光纤通信可容纳：电话：电话：7 7. .5 5亿路亿路电视：电视：3030万路万路Xian Jiaotong University1.1 光纤通信发展史光纤通信发展史光通信自古就有：烽火、旗语、信号弹、红绿灯Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 近代光通信：1880年Bell发明光电话，传输距离213m。Xian Jiaotong University存在两个方面的制约： 一) 信道：Bell的光电话利用大气作为传输介质，损耗非常大，同时自然界气象条件变化万千，对

6、光信号的干扰很大。 二) 光源： Bell的光电话利用自然光作为载波，这种光的频率和相位杂乱无章，不能用于大容量的通信。 近代光通信的发展就是上述两个方面的制约因素的解决过程。Xian Jiaotong University1960年，美国人梅曼发明红宝石激光器，获得激光。 谱宽度窄，方向性极好，亮度极高，以及频率和相位较一致的良好特性。 引起了新一轮的光通信研究热潮：激光大气通信地下光波导通信自由空间光通信Xian Jiaotong University 1970 年，光纤通信用年，光纤通信用光源光源取得了实质性的进展取得了实质性的进展 1970年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前

7、苏联先后研制成功室温下连续振荡室温下连续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器(短波长)。虽然寿命只有几个小时，但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。 1976年，日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3m的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器。 1977年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到100万小时。 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。Xian Jiaotong University1966年7月，英籍华人高琨发表论文，认为只要设法降低玻璃纤维中的杂质，可使

8、光纤损耗降为20dB/km，这是一篇划时代的论文。人们早就利用玻璃纤维（光纤）进行光通信了。利用光波导的原理，人们制造了内窥镜（胃镜），可以观测1m左右的距离。在60年代，最好的玻璃纤维的损耗在1000dB/km以上。10dB/km损耗就是输入的信号传送1公里后只剩下1/10； 20dB/km ：1/100；30dB/km ：1/1000； 1000dB/km：Xian Jiaotong University 1970年，年，光纤光纤研制取得了重大突破研制取得了重大突破 1970年，美国康宁(Corning)公司研制成功损耗20dB/km的石英光纤。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。把光纤通

9、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损耗降低到4 dB/km。 1973年，美国贝尔(Bell)实验室的光纤损耗降低到2.5dB/km。1974 年降低到1.1dB/km。 1976 年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到0.47 dB/km(波长1.2m)。 在以后的 10 年中，波长为1.55 m的光纤损耗： 1979 年是0.20 dB/km，1984年是0.157 dB/km， 1986 年是0.154 dB/km， 接近了光纤最低损耗的理论极限光纤最低损耗的理论极限。 Xian Jiaotong University1970年年光纤光纤研制取得了

10、重大突破研制取得了重大突破光源光源取得了实质性的进展取得了实质性的进展1970年被成为光纤传输元年年被成为光纤传输元年Xian Jiaotong University0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5损耗损耗 (dB/km)波长波长l (l (m)光纤损耗的谱特性光纤损耗的谱特性6 5 4 3 2 10.4第三窗口第三窗口 1.57 1.62 第一窗口第一窗口850nm1310nm1550nm0.2C 波段波段15301565nm第二窗口第二窗口光纤的谱线特性中有3个低损耗的传输窗口Xian Jiaotong University实用光纤通信系统的发展实用光

11、纤通信系统的发展 1976年，美国在亚特兰大(Atlanta)进行了世界上第一个实用光世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验纤通信系统的现场试验。 1980年，美国标准化FT - 3光纤通信系统投入商业应用。 1976年和 1978年，日本先后进行了速率为34 Mb/s的突变型多模光纤通信系统，以及速率为100 Mb/s的渐变型多模光纤通信系统的试验。 1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。 随后，由美、日、英、法发起的第一条横跨大西洋 TAT-8海底光缆通信系统于1988年建成。 第一条横跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系统于1989年建成。从此，海底光缆通信系统的建设得

12、到了全面展开，促进了全球通信网的发展。Xian Jiaotong University海底光缆网海底光缆网Xian Jiaotong University 第一代光纤通信系统第一代光纤通信系统 1970s 后期 850nm 、多模、几十兆比、十公里 1980s 初期 1310nm、多模、一百多兆比，二、三十公里 第二代光纤通信系统第二代光纤通信系统 1980s 中期 单模、1310nm、几百兆比、几十公里 第三代光纤通信系统第三代光纤通信系统 1990s初期 1550nm、几百上千兆比、上百公里 第四代光纤通信系统（色散影响为主）第四代光纤通信系统（色散影响为主） 1990s中期 光放大器，W

13、DM / FDM，几十GBit，上万公里。 第五代光纤通信系统第五代光纤通信系统 1990s后期 光孤子技术，利用非线性效应，抵消色散，光脉冲保形传输。到90年代，光纤的传输速率已达到每秒10G比特，相当于在一对头发丝1/10粗细的光纤可以通125万路电话。Xian Jiaotong University光纤的发展历程 Xian Jiaotong University光纤通信系统发展 Xian Jiaotong University我国光纤通信的开发历程我国光纤通信的开发历程 1977年，第一根短波长(0.85mm)阶跃型石英光纤问世，长度为17m，衰减系数为300dB/km。 1978年，研

14、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。Xian Jiaotong University 1984年，武汉、天津34Mb/s市话中继光传输系统工程建成(多模)。 1988年，全长245km的武汉长沙市34Mb/s多模光缆通信系统工程通过邮电部鉴定验收。 1989年，汉阳汉南40Mb/s单模光传输系统工程通过邮电部鉴定验收。 1991年，停止建设长途电缆通信系统，转为发展光通信。“八五”期间，建成

15、了22条光缆干线，33000km。Xian Jiaotong University 1993年，在掺铒光纤放大器的研究上取得突破性进展，小信号增益达25dB。上海无锡65Mb/s单模光传输系统工程通过邮电部鉴定验收。 1997年，研制出G.655非零色散位移光纤。成都攀枝花22Mb/s SDH光传输工程通过邮电部鉴定验收。 1998年，海口三亚5Gb/s光传输系统工程通过邮电部鉴定验收，该工程全长322km，仅在万宁设一个中继站，海口万宁的中继距离为172km 。 1999年，建成我国第一条高传输速率的国家一级干线（济南-青岛）82.5Gbit/s DWDM系统。Xian Jiaotong U

16、niversity1.2 光纤通信的特点及应用光纤通信的特点及应用1.2.1 光纤通信的特点光纤通信的特点1、载波频率高，频带宽，传输容量大、载波频率高，频带宽，传输容量大 双绞线的工作频率300KHz； 同轴电缆1GHz； 微波的频率为10GHz； 光纤传输的光频率为1001000THz。 从理论上讲，用光传输信息，通信容量比微波通信容量大一万倍！Xian Jiaotong University050100150200GbpsTwisted PairCo-axMultimodeSingle-modeSource: Corning IncorporatedXian Jiaotong Unive

17、rsity2、衰减小，最大无中继距离长、衰减小，最大无中继距离长 同轴电缆通信系统：48km； 微波系统：50km； 1550nm光纤通信系统：100km，采用EDFA和色散补偿技术 1000km 提纯工艺的发展 几百公里无中继传输 电缆的损耗随频率按 的规律增加，光纤通信的带内损耗不随频率变化。fXian Jiaotong University0102030405060708090100kilometersTwisted PairCo-axialMultimodeSingle-modeSource: Corning IncorporatedXian Jiaotong University3、

18、资源丰富、资源丰富 光纤的主要成分是SiO2资源十分丰富。 电缆的主要成分是Cu，Al等有色金属，资源有限。4、防干扰性能好、防干扰性能好 光纤不受强电干扰、电气化铁道干扰 和雷电干扰，抗电磁脉冲能力也很强，保密性好。 光纤间串话小，保密性好光纤间串话小，保密性好耐腐蚀、耐高压耐腐蚀、耐高压体积小、质量轻体积小、质量轻Xian Jiaotong University白玉微瑕白玉微瑕光纤质地脆;机械强度低;需要比较好的切割及连接技术，分路、耦合比较麻烦。Xian Jiaotong University1.2.2 光纤通信的应用光纤通信的应用 光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。 光纤在通信

19、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和接入网发展迅速，是当前研究开发应用的主要目标。 通信网通信网 构成因特网的计算机局域网和广域网构成因特网的计算机局域网和广域网 有线电视网的干线和分配网有线电视网的干线和分配网 综合业务光纤接入网综合业务光纤接入网光纤通信的各种应用可概括如下：Xian Jiaotong UniversityATMInternet骨干网骨干网DDN/ FRPSTN/ISDNTV业务分配节点业务分配节点 (COT)(COT)业务接入节点（业务接入节点（RTRT）网管网管SNMP与电信网管中心相连Q3100/1000ME1/

20、BRA/PRA155M622M SDH典型应用之一：宽带综合业务光纤接入系统拓扑结构Xian Jiaotong University典型应用之二：作为校园网的骨干传输网Xian Jiaotong University光纤通信的展望1、传输速率的高速化；2、用户网的光纤化； 电信网的全光纤化 光纤到户（FTTH） 光纤到路边（FTTC）Xian Jiaotong UniversityCopperFiber24 kbps - 1.5 MbpsOld networks, optimized for voiceCO/HECO/HE/19 Mbps - 1 Gbps +Optical networks,

21、 optimized for voice, video and dataCO/HE/Note: network may be aerial or underground 什么是什么是FTTH (Fiber-to-the-Home)Xian Jiaotong University为什么FTTH? - fiber versus copper 玻璃 利用光利用光 非导体：抗电磁干扰非导体：抗电磁干扰 低热膨胀性低热膨胀性 易碎刚性材料易碎刚性材料 化学稳定性好化学稳定性好 铜 利用电利用电 导电体：易受电磁干扰导电体：易受电磁干扰 高热膨胀性高热膨胀性 柔性材料柔性材料 易受腐蚀易受腐蚀 /Xian

22、 Jiaotong University技术层面上的考虑技术层面上的考虑 - SpeedServiceRequired Data RateVoIPStreaming audioPicture in 15 secondsSDTVHDTVFTTHDSL or cable modemXian Jiaotong University通过通过InternetInternet获得获得 Braveheart技术层面上的考虑技术层面上的考虑 Speed (IPTV Reference)TechnologyMinutesHoursDaysModem 56 kb/s2ISDN 128 kb/s2012DSL 1

23、Mb/s2.5Cable 2.5 Mb/s145FTTH 0.4所需时间估计所需时间估计Xian Jiaotong University3、光交换节点取代电交换节点 光交换是指对光纤传送的光信号直接进行交换。在光域中完成交换功能，而无需将光信号转换为电信号。有效的减小了时延，增加了系统的吞吐量。 4、相干光通信是未来的光纤通信方式 本振光源/光混频器，具有混频增益，系统的灵敏度极高，而且具有出色的波长选择性。 技术难度大5、孤子通信与全光通信 在一定的条件下，光纤的非线性效应与色散效应相互抵消，从而保持光脉冲形状在传播过程中不变形，形成所谓的光孤子。 光脉冲足够窄，脉冲能量在一定的范围之内。X

24、ian Jiaotong University1.3 光纤通信系统的基本单元光纤通信系统的基本单元 光纤通信系统是由光发射机、光纤线路和光接收机三个基本单元构成的。调制调制光源光源尾纤尾纤连接器连接器电信号输入电信号输入光发射机光发射机光放大器光放大器光纤光纤光纤接头盒光纤接头盒光纤线路光纤线路光纤光纤再生再生中续器中续器光纤接头盒光纤接头盒光耦合器光耦合器其他设备其他设备光检测器光检测器信号恢复信号恢复尾纤尾纤电信号输出电信号输出光接收机光接收机Xian Jiaotong University光源光谱特性光源光谱特性：输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线输出光功率足够大，调制频率足够高，谱

25、线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定， 器件寿器件寿命长命长Xian Jiaotong University电信号对光的调制的实现方式电信号对光的调制的实现方式 直接调制直接调制 用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。 调制调制光源光源输入电信号输入电信号输出光信号输出光信号电流电流这种方案技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。 Xian Jiaotong University光源光源调制器调制器输入输入电信号电信号光信号光信号（未加载信息）（未加载信息）光信号光信号

26、（已加载信息）（已加载信息）外调制外调制 把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。外调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用。 Xian Jiaotong University50m125m包层折射率n2纤芯折射率n1是把来自光发射机的光信号，是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变以尽可能小的畸变( (失真失真) )和衰减传输到和衰减传输到光接收机光接收机光的全反射光的全反射Xian Jiaotong University功能：功能：将接收到的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号组成

27、部分：组成部分：光电检测器，放大器，相关电路检测方式：检测方式：直接检测直接检测和外差检测外差检测组成框图组成框图：（数字光接收机）（数字光接收机）Xian Jiaotong University1.3.4 光纤通信系统的分类：光纤通信系统的分类： （1）按传输信号的类型分类 a. 光纤模拟通信系统。 b. 光纤数字通信系统。 （2）按调制方式分类 a. 直接强度调制光纤通信系统。 b. 外差光纤通信系统。Xian Jiaotong University （3）按光纤的传输类型分类 a. 多模光纤通信系统。 b. 单模光纤通信系统。 （4）按使用的光波长分类 a. 短波长光纤通信系统。 b.

28、长波长光纤通信系统。 c. 超长波长光纤通信系统。Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University激光大气通信 6070年代激光器的发明导致大气激光通信和地下光波导通信的热潮。地下光波导通信地下光波导通信将激光束 限制在地下空间通信克服气候的影响Xian Jiaotong University透镜波导型Xian Jiaotong University反射波导型Xian Jiaotong University地下光波导通信：返回返回Xian Jiaotong University受气候的影响很大激光大气通信的发展激光大气通信的发展 60年代，麻省理工学院利用He-Ne激光器和CO2激光器进行点对点大气激光通信实验，取得了成功。 近年来激光大气通信再度兴起-自由空间光通信（FSO技术）Xian Jiaotong UniversityFSO技术的应用技术的应用1、军事通信军事通信2、外层空间通信外层空间通信3、接入网接入网FSO技术在接入网中的优势：技术在接入网中的优