光纖通信技術

1、第,1,章,概,論,1,1,光纖通信發(fā)展的歷史和現狀,1.1.1,探索時期的光通信,1.1.2,現代光纖通信,1.1.3,國內外光纖通信發(fā)展的現狀,1,2,1.2.1,光通信與電通信,1.2.2,光纖通信的優(yōu)點,1.2.3,光纖通信的應用,13,光纖通信系統的基本組成,1.3.1,發(fā)射和接收,1.3.2,基本光纖傳輸系統,1.3.3,數字通信系統和模擬通信系統,返回主目錄,1.1,1.1.1,探索時期的光通信,?,原始形式的光通信,:,中國古代用“烽火臺”報警，歐洲人,用旗語傳送信息。,?,1880,年，美國人貝爾,(Bell),發(fā)明了用光波作載波傳送,話音的“光電話”。,貝爾光電話是現代光通

2、信的雛型,。,?,1960,年，美國人梅曼,(Maiman),發(fā)明了第一臺紅寶石激,光器，,給光通信帶來了新的希望。,激光器的發(fā)明和應用，,使沉睡了,80,年的光通信進入一個嶄新的階段,。,?,在這個時期，美國麻省理工學院利用,He,-,Ne,激光器和,CO,2,激光器進行了,大氣激光通信試驗,。,由于沒有找到,穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質,，,對光通信的研究,曾一度走入了低潮。,1.1.2,現代光纖通信,1966,年,，,英,籍,華,裔,學,者,高,錕,(C.K.Kao),和,霍,克,哈,姆,(C.A.Hockham),發(fā)表了關于傳輸介質新概念的論文，指出了利用,光纖,(Optical,Fib

3、er),進行信息傳輸的可能性和技術途徑，奠定了,現代光通信,光纖通信,的基礎。,指明通過,“原材料的提純制造出適合于,長距離通信使用的低損耗光纖”,這一發(fā)展方,向,光纖通信發(fā)明家,高錕,(,左,),1998,年在英國接受,IEE,授予的獎章,1970,年，,光纖,研制取得了重大突破,1970,年，美國康寧,(Corning),公司研制成功損耗,20dB/km,的,石英光纖。,把光纖通信的研究開發(fā)推向一個新階段。,?,?,1972,年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到,4,dB/km,。,1973,年,，,美,國,貝,爾,(Bell),實,驗,室,的,光,纖,損,耗,降,低,到,?,?,?,2

4、.5dB/km,。,1974,年降低到,1.1dB/km,。,1976,年，日本電報電話,(NTT),公司將光纖損耗降低到,0.47,dB/km(,波長,1.2,m),。,在以后的,10,年中，波長為,1.55,m,的光纖損耗：,1979,年是,0.20,dB/km,，,1984,年是,0.157,dB/km,，,1986,年是,0.154,dB/km,，,接近了,光纖最低損耗的理論極限,。,1970,年，光纖通信用,光源,取得了實質性的進展,?,1970,年，美國貝爾實驗室、日本電氣公司,(NEC),和前蘇聯,先后，研制成功,室溫下連續(xù)振蕩,的鎵鋁砷,(GaAlAs),雙異質結半,導體激光器

5、,(,短波長,),。雖然壽命只有幾個小時，但它為半導體激,光器的發(fā)展奠定了基礎。,?,?,1973,年，半導體激光器壽命達到,7000,小時。,1976,年，日本電報電話公司研制成功發(fā)射波長為,1.3,m,的銦鎵砷磷,(InGaAsP),激光器。,?,小時。,1977,年，貝爾實驗室研制的半導體激光器壽命達到,10,萬,1979,年美國電報電話,(AT&T),公司和日本電報電話公司研,制成功發(fā)射波長為,1.55,m,的連續(xù)振蕩半導體激光器。,由于光纖和半導體激光器的技術進步，使,1970,年成為光纖通信發(fā)展的一個重要里程碑,?,實用,光纖通信系統,的發(fā)展,1976,年，美國在亞特蘭大,(Atl

6、anta),進行了,世界上第一個實,用光纖通信系統的現場試驗,。,?,?,1980,年，美國標準化,FT,-,3,光纖通信系統投入商業(yè)應用。,1976,年和,1978,年，日本先后進行了速率為,34,Mb/s,的突變,型多模光纖通信系統，,以及速率為,100,Mb/s,的漸變型多模光纖通,信系統的試驗。,?,?,1983,年敷設了縱貫日本南北的光纜長途干線。,隨后，由美、日、,英、法發(fā)起的第一條橫跨大西洋,TAT-8,海底光纜通信系統于,1988,年建成。,第一條橫跨太平洋,TPC-3/HAW-4,海底光纜通信系統于,1989,年建成。從此，海底光纜通信系統的建設得到了全面展開，,促進了全球通

7、信網的發(fā)展。,?,?,光纖通信的發(fā)展可以粗略地分為三個階段,：,第一階段,(19661976,年,),，這是從基礎研究到商業(yè)應,用的開發(fā)時期。,第二階段,(19761986,年,),，這是以提高傳輸速率和增,加傳輸距離為研究目標和大力推廣應用的大發(fā)展時期。,第三階段,(19861996,年,),，這是以超大容量超長距離,為目標、全面深入開展新技術研究的時期。,?,?,?,1.1.3,1976,年美國在亞特蘭大進行的現場試驗，標志著光纖通信,從基礎研究發(fā)展到了商業(yè)應用的新階段,。,此后，光纖通信技術不斷創(chuàng)新：光纖從,多模發(fā)展到單模,，,工作波長從,0.85,m,發(fā)展到,1.31,m,和,1.55

8、,m(,短波長向長波,長,），,傳輸速率,從幾十,Mb/s,發(fā)展到幾十,Gb/s,。,隨著技術的進步和大規(guī)模產業(yè)的形成，,光纖價格不斷下,降,，應用范圍不斷擴大。,目前光纖已成為信息寬帶傳輸的主要媒質，光纖通信系統,將成為未來國家信息基礎設施的支柱。,在許多發(fā)達國家，生產光纖通信產品的行業(yè)已在國民經濟,中占重要地位,。,光纖通信整體發(fā)展時間表,100000,系,統,性,能,10000,1000,100,10,0.8m,多模,1.3m,單模,1.55m,直接檢測,1.55m,相干檢測,光孤子,光,放,大,器,(Gb/s,?,Km,）,1,0.1,1974 1976 1978 1980 1982

9、1984 1986 1988 1990 1992,1.2,光纖通信的優(yōu)點和應用,1.2.1,通信系統的,傳輸容量,取決于對載波調制的,頻帶寬度,，,載,波頻率越高，頻帶寬度越寬,。,光通信的主要特點,載波頻率高；頻帶寬度寬,（,圖,1.1,）,光通信利用的傳輸媒質,-,光纖，可以在寬波長范圍內獲得,很小的損耗。,（,圖,1.2,）,頻率,波長,名稱,紫外線,可見光線,(光纖通信用）,近紅外線,遠紅外線,亞毫米波,10,0 TH,z,10,THz,1 THz,10,0 GH,z,10,GHz,1 G,Hz,10,0 MHz,10,MHz,1 MHz,1,?,m,10,?,m,10,0,?,m,1

10、 m,m,毫米波,(EH,F),10,m,m,厘米波,(SHF),10,0 m,m,分米波,(U,HF),1 m,米波,(VH,F),10,m,短波,(H,F),10,0,m,中波,(MF),圖,1.1,部分電磁波頻譜,1000,1,),k,m,傳,輸,損,耗,/,(,d,B,100,10,1,軸,同,準,軸,標,同,底,海,m,m,?,3,8,?,51 mm,波導器,光纖,0.1,10 M,100 M,1 G,10 G,100 G,1 T,10 T,100 T,1000 T,(,注,),M,：,10,6,頻率,/H,z,G,：,10,9,T,：,10,12,圖,1.2,各種傳輸線路的損耗特性

11、,1.2.2,光纖通信的,優(yōu)點,?,容許頻帶很寬，,?,損耗很小，,中繼距離很長且誤碼率很小,?,重量輕、,體積小,?,抗電磁干擾性能好,?,泄漏小，,?,節(jié)約金屬材料，,有利于資源合理使用,1.2.3,光纖通信的,應用,光纖可以傳輸數字信號，也可以傳輸模擬信號。光纖在通,信網、廣播電視網與計算機網，以及在其它數據傳輸系統中，,都得到了廣泛應用。光纖寬帶干線傳送網和接入網發(fā)展迅速，,是當前研究開發(fā)應用的主要目標。,光纖通信的各種應用可概括如下：,通信網,構成因特網的計算機局域網和廣域網,有線電視網的干線和分配網,綜合業(yè)務光纖接入網,TV,622M,SDH,PSTN/ISDN,業(yè)務分配節(jié)點,(C

12、OT),DDN/,FR,SNMP,ATM,業(yè)務接入節(jié)點（,RT,）,100/1000M,E1/BRA/PRA,155M,Internet,骨干網,Q3,網管,與電信網管中心相連,典型應用之一：寬帶綜合業(yè)務光纖接入系統拓撲結構,典型應用之二：作為校園網的骨干傳輸網,1.3,光纖通信系統的基本組成,下圖示出單向傳輸的光纖通信系統，包括,發(fā)射,、,接收,和作,為廣義信道的基本,光纖傳輸系統,。,發(fā) 射,信,息,源,電,發(fā),射,機,電信號,輸入,光,發(fā),射,機,基本光纖傳輸系統,光纖線路,光,接,收,機,接 收,電,接,收,機,電信號,輸出,信,息,宿,光信號,輸出,光信號,輸入,基本光纖傳輸系統的三

13、個組成部分,1,、光發(fā)送機,組成框圖：,驅動電路,電信號輸入,調制器,通道耦合器,光輸出,光,源,結構參數：,發(fā)送功率，,dbm,概念,p,(,mv,),p,(,dBm,),?,10,?,lg,1,(,mv,),光源光譜特性,：,輸出光功率足夠大，調制頻率足夠高，譜線寬度,和光束發(fā)散角盡可能小，輸出功率和波長穩(wěn)定，,器件壽命長,電信號對光的調制的實現方式,直接調制,用電信號直接調制半導體激光器或發(fā)光二極管的驅動電流，,使輸出光隨電信號變化而實現的。,這種方案技術簡單，成本較低，容易實現，但調制速率,受激光器的頻率特性所限制。,外調制,把激光的產生和調制分開，用獨立的調制器調制激光器的,輸出光而

14、實現的。,外調制的優(yōu)點是調制速率高，缺點是技術復雜，成本較高，,因此只有在大容量的波分復用和相干光通信系統中使用。,電信號輸入,激光源,光纖,激光源,光信號輸出,電信號,輸入,驅動器,(a),圖,1.5,調制器,光纖,光信號輸出,驅動和控制,(b),(a),直接調制；,(b),間接調制,(,外調制,),2.,功能：,是把來自光發(fā)射機的光信號，以盡可能小的畸變,(,失,真,),和衰減傳輸到光接收機,組成,:,光纖,、,光纖接頭,和,光纖連接器,低損耗,“窗口”：,普通石英光纖在近紅外波段，除雜質吸收,峰外，其損耗隨波長的增加而減小，在,0.85,m,、,1.31,m,和,1.55,m,有三個損耗

15、很小的波長“窗口”，見后圖。,光源,激光器的發(fā)射波長,和,光檢測器,光電二極管的波長響應,，,都要和光纖這三個波長,窗口,相一致。,目前在實驗室條件下，,1.55,m,的損耗已達到,0.154,dB/km,，,接近石英光纖損耗的理論極限。,6,5,4,3,2,0,。,4,0,。,2,第一窗口,1,C,波段,15251565nm,第二窗口,第三窗口,0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5,1.57 1.62,波長,（,m,）,L,波段,普通單模光纖的衰減隨波長變化示意圖,3,、光接收機,功能：,是把從光纖線路輸出、產生畸變和衰減的微弱光信號轉換為電信號，,并經放大和處理后恢復成發(fā)射前的電信號,組成部分：,耦合器，光電檢測器，解調器,組成框圖：,電子電路,電信號輸出,光輸入,耦合器,光電檢測器,解調器,結構參數：,接收機靈敏度,，定為,BER10,-9,條件下，所要,求的最小平無接收功率。,檢測方式：,直接檢測,和,外差檢測,1.3.3,數字通信系統和模擬通信系統,數字通信系統,用參數取值離散的信號,(,如脈沖的有和無、電,平的高和低等,),代表信息，強調的是信號和信息之間的一