【大學(xué)課件】光纖通信技術(shù)PPT

1、光纖通信技術(shù)編輯課件第一章 光纖通信概述 光纖發(fā)展簡史光纖發(fā)展簡史 光纖通信的特點(diǎn) 光纖通信應(yīng)用類型 光纖通信系統(tǒng)涉及的產(chǎn)品 光傳輸設(shè)備 光纖光纜及附件 光電器件 測試儀器與專用工具編輯課件 通信系統(tǒng)的基本組成：信號源，發(fā)送機(jī)，傳輸通道，接收機(jī)，信宿。 信號源：將信息送入發(fā)送機(jī)。 發(fā)送機(jī)：將信息以信號的形式連接到傳輸通道。 傳輸通道：鏈接發(fā)送機(jī)與接收機(jī)的橋梁。 接收機(jī)：從通道中提取信號，還原成信息。 信宿：接收通過接收機(jī)還原的信息。編輯課件在通信系統(tǒng)中，傳輸?shù)男畔⒘颗c已調(diào)載頻的帶寬有關(guān)，提高載頻頻率理論上可增加有效傳輸帶寬及系統(tǒng)的信息量。未來發(fā)展應(yīng)盡可能提高波段頻率。100 THz10 THz

2、1 THz100 GHz10 GHz1 GHz100 MHz10 MHz1 MHz1 m可見光線10 m100 m1 m m10 m m100 m m1 m10 m100 m中波 (MF)短波 (HF)米波 (VHF)分米波(UHF)厘米波(SHF)毫米波(EHF)亞毫米波遠(yuǎn)紅外線近紅外線(光纖通信用）頻率波長名稱紫外線編輯課件 光通信的早期探索 目視光通信階段（利用大氣來傳播可見光，由人眼來接收） 3千多年前，中國古代的烽火臺 1650年，望遠(yuǎn)鏡 1791年，法國人發(fā)明了燈信號和燈語 歐洲人的旗語 信號彈,交通燈 這些都不是真正的光通信！編輯課件 光電話1880年，美國人貝爾（Bell）發(fā)明

3、了用光波作載波傳送話音的“光電話”。編輯課件 光電話原理 貝爾用弧光燈或者太陽光作為光源，光束通過透鏡聚焦在話筒的震動(dòng)片上。當(dāng)人對著話筒講話時(shí)，震動(dòng)片隨著話音震動(dòng)而使反射光的強(qiáng)弱隨著話音的強(qiáng)弱作相應(yīng)的變化，從而使話音信息“承載”在光波上（這個(gè)過程叫調(diào)制）。在接收端，裝有一個(gè)拋物面接收鏡，它把經(jīng)過大氣傳送過來的載有話音信息的光波反射到硅光電池上，硅光電池將光能轉(zhuǎn)換成電流（這個(gè)過程叫解調(diào)）。電流送到聽筒，就可以聽到從發(fā)送端送過來的聲音了。編輯課件 利用太陽光作光源，用硒晶體作為光接收器件，成功進(jìn)行了光電話的實(shí)驗(yàn) ，傳輸距離200多米。 由于沒有合適的光源及傳輸媒質(zhì)，未得到發(fā)展。 意義：利用光波作為

4、載波傳送信息是可行的。編輯課件 要解決兩個(gè)問題 1.有穩(wěn)定的、低損耗的傳輸媒質(zhì) 光在大氣中的傳送要受到氣象條件的很大限制使信號傳輸受到很大阻礙。 2.高強(qiáng)度的、可靠的光源 太陽光、燈光等普通的可見光源，都不適合作為通信的光源。編輯課件 光源的探索 激光（LASER）：受激輻射的光放大。 它的產(chǎn)生基于偉大的科學(xué)家愛因斯坦在1916年提出的一套全新的理論。 它的頻率穩(wěn)定，約為300THZ。 這種光的頻率比已經(jīng)廣泛應(yīng)用的微波（1GHz40GHz）的頻率高近萬倍。激光來傳送信息從理論上來說，通信的容量可以比微波通信的容量也大近萬倍！編輯課件和普通光源相比，激光的優(yōu)點(diǎn)(1)單色性好： 頻率范圍極窄，發(fā)散

5、角很小，只有幾毫弧，激光束幾乎就是一條直線。氦氖激光的譜線寬度，只有10-8nm，顏色非常純。這種光波在光纖中傳輸產(chǎn)生的噪聲很小。(2)相干性高 從激光器發(fā)出的光可以步調(diào)一致地向同一方向傳播，可以用透鏡把它們會聚到一點(diǎn)上，把能量高度集中起來，送入光纖。(3)方向性強(qiáng) 幾乎是一束平行線。如果把激光發(fā)射到月球上去，歷經(jīng)38.4萬公里的路程后，也只有一個(gè)直徑為2km左右的光斑。編輯課件 1960年7月8日，美國科學(xué)家梅曼發(fā)明了第一臺紅寶石激光器(LASER) ，給光通信帶來了新的希望，研究現(xiàn)代化光通信的時(shí)代開始。（在室溫下不能連續(xù)工作 ） 1961年，氦氖氣體激光器。 1970年，貝爾研究所的林嚴(yán)雄

6、等人研制出能在室溫下連續(xù)工作的半導(dǎo)體激光器。 光源的問題得到解決！編輯課件 傳輸媒質(zhì)的探索 通信能力和質(zhì)量受周圍大氣環(huán)境的影響很大，如雨可造成30dB/km的損耗，濃霧衰減可達(dá)120dB/km 10dB/km的損耗意味著輸入的信號傳送1公里后只剩下十分之一 20dB/km的損耗意味著輸入的信號傳送1公里后只剩下百分之一 30dB/km的損耗意味著輸入的信號傳送1公里后只剩下千分之一編輯課件編輯課件 反射鏡波導(dǎo)：用與光束傳輸方向成45度角的兩個(gè)平行反射鏡代替透鏡而構(gòu)成。 缺點(diǎn)： 現(xiàn)場施工中校準(zhǔn)和安裝十分復(fù)雜； 地面活動(dòng)對波導(dǎo)影響很大;編輯課件 玻璃纖維（透明度很高的石英玻璃絲） ，人們用它制造了

7、醫(yī)療上用的內(nèi)窺鏡，如做成胃鏡，可以觀察到距離體內(nèi)1米左右的情況。但是它的衰減損耗特別大，只能傳輸很短的距離。直到20世紀(jì)60年代，最好的光纖的損耗仍在1000dB/km以上。這是不能用于通信的。 1966年7月，英籍華裔學(xué)者高錕大膽預(yù)言：只要能設(shè)法降低玻璃纖維的雜質(zhì)，就有可能使光纖的損耗從1000dB/km降低到20dB/km，甚至更低，從而可以用于通信。編輯課件光纖發(fā)展簡史 光纖通信發(fā)明家光纖通信發(fā)明家高錕高錕( (左左) ) 1998年在英國接受年在英國接受IEE授予的獎(jiǎng)?wù)率谟璧莫?jiǎng)?wù)戮庉嬚n件 1970年美國康寧公司用高純石英生產(chǎn)出世界上第一根低損耗光纖（20dB/km），開創(chuàng)了光纖通信的新

8、篇章。 1970年被稱為光纖通信元年。編輯課件 光纖通信技術(shù)發(fā)展的四個(gè)階段 第一階段（1970-1979）光導(dǎo)纖維與半導(dǎo)體激光器的研制成功，使光纖通信進(jìn)入實(shí)用化。1977年美國亞特蘭大的光纖市話局間中繼系統(tǒng)稱為世界上第一個(gè)光纖通信系統(tǒng)。 第二階段（1979-1989）光纖技術(shù)取得進(jìn)一步突破， 光纖損耗降至以下。由多模光纖轉(zhuǎn)向單模光纖，由短波長向長波長轉(zhuǎn)移。數(shù)字系統(tǒng)的速率不斷提高，光纖連接技術(shù)與器件壽命問題都得到解決，光纖傳輸系統(tǒng)與光纜線路建設(shè)逐漸進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期。編輯課件 第三階段（1989-1999） ：光纖數(shù)字系統(tǒng)由PDH向SDH過渡，傳輸速率進(jìn)一步提高。1989年摻鉺光纖放大器（EDFA

9、）的問世給光纖通信技術(shù)帶來巨大變革。EDFA的應(yīng)用不僅解決了長途光纖傳輸損耗的放大問題，而且為光源的外調(diào)制、波分復(fù)用器件、色散補(bǔ)償元件等提供能量補(bǔ)償，這些網(wǎng)絡(luò)元件的應(yīng)用，又使得光傳輸系統(tǒng)的調(diào)制速率迅速提高，并促成了光波分復(fù)用技術(shù)的實(shí)用化。編輯課件 第四階段（1999至今）光纖傳輸性能的改進(jìn)，光放大技術(shù)、傳輸色散補(bǔ)償技術(shù)、光信號分插復(fù)用、交叉連接技術(shù)的應(yīng)用，使光纖通信的優(yōu)越性進(jìn)一步顯現(xiàn)，光纖網(wǎng)絡(luò)智能化程度大大提高。編輯課件我國光纖通信的發(fā)展 1961年9月 由中國科學(xué)院-長春光學(xué)精密機(jī)械研究所研制成功中國第一臺紅寶石激光器。 70年代中期 研制出低損耗光纖和室溫下可連續(xù)發(fā)光的半導(dǎo)體激光器。 19

10、79年 分別在北京和上海建成了市話光纜通信試驗(yàn)系統(tǒng)。 “八五”期間 建成了含22條光纜干線、總長達(dá)3.3萬公里的“八橫八縱”大容量光纖通信干線傳輸網(wǎng)（SDH）。編輯課件第一章 光纖通信概述 光纖發(fā)展簡史 光纖通信的特點(diǎn)光纖通信的特點(diǎn) 光纖通信應(yīng)用類型 光纖通信系統(tǒng)涉及的產(chǎn)品 光傳輸設(shè)備 光纖光纜及附件 光電器件 測試儀器與專用工具編輯課件1.2 光纖通信的特點(diǎn) 1. 通信容量大 90年代，光纖的傳輸速率已經(jīng)達(dá)到了每秒T比特（1012），1Tb/s的速率意味著我們可以用一對只有頭發(fā)絲粗細(xì)的光纖在1秒鐘之內(nèi)將300年的泰晤士報(bào)傳送到世界上任何一個(gè)角落，或者同時(shí)傳送10萬路電視節(jié)目，或同時(shí)通1200

11、萬路電話。 一根光纖的傳輸容量如此巨大，而一根光纜中可以包括幾十根直至上千根光纖，如果再加上波分復(fù)用技術(shù)把一根光纖當(dāng)作幾十根、幾百根光纖使用，其通信容量之大就更加驚人了。編輯課件1.2 光纖通信的特點(diǎn) 2. 中繼距離長 減少長距離通信的中繼站，最主要的方法是減少傳輸線路的損耗。 由于光纖具有極低的衰減系數(shù)（目前已達(dá)0.25dB/km 以下），若配以適當(dāng)?shù)墓獍l(fā)射、光接收設(shè)備以及光放大器，可使其中繼距離達(dá)數(shù)百公里以上甚至數(shù)千公里。這是傳統(tǒng)的電纜（1.5km）、微波（50km）等根本無法與之相比擬的。編輯課件1.2 光纖通信的特點(diǎn) 3. 保密性能好 光纖是石英介質(zhì)材料構(gòu)成的，它是絕緣體，不怕雷電和高

12、壓，不受電磁干擾； 光纖中傳輸?shù)氖穷l率很高的光波，而各種干擾的頻率一般都比較低，所以它不能干擾頻率比它高的多的光波。編輯課件1.2 光纖通信的特點(diǎn) 4. 適應(yīng)能力強(qiáng)，體積小重量輕、便于施工和維護(hù) 光纖不怕外界強(qiáng)電磁場的干擾、耐腐蝕、可撓性強(qiáng)（彎曲半徑大于 250 毫米時(shí)其性能不受影響），具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。 相同線路的光纜要比電纜輕90%95%(光纜重量僅為電纜重量的十分之一到二十分之一)，而直徑不到電纜的五分之一。 光纜的敷設(shè)方式方便靈活，既可以直埋、管道敷設(shè)，又可以水底或架空敷設(shè)。編輯課件1.2 光纖通信的特點(diǎn) 5. 原材料來源豐富，潛在價(jià)格低廉 制造石英光纖的最基本原材料是二氧化硅即砂子

13、，而砂子在大自然界中幾乎是取之不盡、用之不竭的，而且1公斤高純度的石英玻璃可以制成上萬公里的光纖，而制造1公里18管的同軸電纜需120公斤的銅，或500公斤的鋁。編輯課件1.2 光纖通信的特點(diǎn) 光纖通信的缺點(diǎn) 1.光纖性質(zhì)脆，需涂覆保護(hù)層 5.光纖切斷和連接需用高精度技術(shù)和儀表器具。編輯課件第一章 光纖通信概述 光纖發(fā)展簡史 光纖通信的特點(diǎn) 光纖通信應(yīng)用類型光纖通信應(yīng)用類型 光纖通信系統(tǒng)涉及的產(chǎn)品 光傳輸設(shè)備 光纖光纜及附件 光電器件 測試儀器與專用工具編輯課件1.3 光纖通信應(yīng)用類型 一.光纖通信系統(tǒng)是以光波為載波，以光纖為傳輸介質(zhì)的通信系統(tǒng)。主要由光發(fā)送、光傳輸、光接收三部分組成。 下圖示

14、出單向傳輸?shù)墓饫w通信系統(tǒng)信息源電發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光接收機(jī)電接收機(jī)信息宿基本光纖傳輸系統(tǒng)光纖線路接 收發(fā) 射電信號輸入光信號輸出光信號輸入電信號輸出編輯課件 信息源：消息的產(chǎn)生地，其作用是把各種信息轉(zhuǎn)換為原始電信號，稱之為消息信號或基帶信號。 電發(fā)射機(jī)：基本作用是將信源和信道匹配起來，即將信源產(chǎn)生的消息信號變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?。調(diào)制是最常見的變換方式。 光發(fā)射機(jī)：功能是把輸入的電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并用耦合技術(shù)把光信號最大限度地注入光纖線路。編輯課件 光纖線路：是把來自光發(fā)射機(jī)的光信號，以盡可能小的畸變(失真)和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C(jī)。 光接收機(jī)：是把從光纖線路輸出、產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號轉(zhuǎn)

15、換為電信號，并經(jīng)放大和處理后恢復(fù)成發(fā)射前的電信號。編輯課件 電接收機(jī)：基本功能是完成發(fā)送設(shè)備的反變換，即進(jìn)行解調(diào)、譯碼、解碼等，并從帶有干擾的接收信號中正確恢復(fù)出相應(yīng)的原始基帶信號來。 信息宿：信息的接收者，將從電接收機(jī)收到的復(fù)原出的原始基帶信號轉(zhuǎn)換為信息。編輯課件 基本光纖傳輸系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的“光信道”，若配置適當(dāng)?shù)慕涌谠O(shè)備，則可以插入到現(xiàn)有的數(shù)字通信系統(tǒng)或模擬通信系統(tǒng)的接收機(jī)與發(fā)射機(jī)之間；基本傳輸系統(tǒng)若配置適當(dāng)?shù)墓馄骷?，可組成傳輸能力更強(qiáng)、功能更完善的光纖通信系統(tǒng)。 例如，在光纖線路中插入光纖放大器組成光中繼長途系統(tǒng)；配置波分復(fù)用器和解復(fù)用器，組成大容量波分復(fù)用系統(tǒng)；使用耦合器或光開關(guān)組成

16、無源光網(wǎng)絡(luò)。編輯課件 二.光纖通信系統(tǒng)可根據(jù)其所使用的傳輸信號形式、傳輸光的波長、光纖類型、信號調(diào)制方式、應(yīng)用范圍以及傳輸信道數(shù)目進(jìn)行不同方式的分類。編輯課件1.按傳輸信號的類型分類 光纖模擬通信系統(tǒng)； 光纖數(shù)字通信系統(tǒng)。 短波長光纖通信系統(tǒng)； 長波長光纖通信系統(tǒng)； 超長波長光纖通信系統(tǒng)。編輯課件 多模光纖通信系統(tǒng)； 單模光纖通信系統(tǒng)。 強(qiáng)度調(diào)制直接檢測系統(tǒng)； 外差光纖通信系統(tǒng)。編輯課件 公用光纖通信系統(tǒng)； 專用光纖通信系統(tǒng)。 單信道系統(tǒng)； 粗波分復(fù)用系統(tǒng)； 密集波分復(fù)用系統(tǒng)。編輯課件第一章 光纖通信概述 光纖發(fā)展簡史 光纖通信的特點(diǎn) 光纖通信應(yīng)用類型 光纖通信系統(tǒng)涉及的產(chǎn)品光纖通信系統(tǒng)涉及的

17、產(chǎn)品 光傳輸設(shè)備 光纖光纜及附件 光電器件 測試儀器與專用工具編輯課件1.4 光纖通信系統(tǒng)涉及的產(chǎn)品 光纖通信技術(shù)涉及的產(chǎn)品主要有以下四大類： 1.光傳輸設(shè)備； 2.光纖光纜及附件； 3.光電器件； 4.測試儀器與專用工具。編輯課件光纖通信的發(fā)展和未來 3.網(wǎng)絡(luò)化:以SDH傳送網(wǎng)和光纖接入網(wǎng)的發(fā)展為典型代表。編輯課件光纖通信的發(fā)展和未來 SDH是一種以聯(lián)網(wǎng)為基本特征的新型傳送體制，它將復(fù)接、傳送及交換功能融為一體并由統(tǒng)一網(wǎng)管進(jìn)行自動(dòng)化、智能化網(wǎng)絡(luò)管理，使得遍及全球的光纖網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)建成統(tǒng)一的綜合信息傳送網(wǎng)絡(luò)平臺。這也是SDH得以廣泛應(yīng)用的重要原因之一。 光纖接入網(wǎng)作為電信網(wǎng)的一部分，使得光纖直接面向用戶，告別了傳統(tǒng)銅線接入的諸多限制，通過光纖到家庭、光纖到路邊、光纖