光通信原理與技術(shù)第1章

1、光通信原理(yunl)與技術(shù)緒論(xln)電子信息科學(xué)與技術(shù)教研室共三十頁(yè)成績(jī)(chngj)評(píng)定課程性質(zhì)：專(zhuān)業(yè)任選(rn xun)課（考查）課程學(xué)時(shí): 42學(xué)時(shí)考核方式：考試 平時(shí)成績(jī)50分；期末考試50分。答疑時(shí)間：每周三下午（實(shí)驗(yàn)樓539） 共三十頁(yè)課程內(nèi)容光纖傳輸原理光纖通信幾何光學(xué)(gungxu)波導(dǎo)光學(xué)發(fā)送傳輸(chun sh)接收共三十頁(yè)課程目的 掌握光纖通信的基本概念，基本理論和基本技術(shù)(jsh)，了解光纖通信的發(fā)展現(xiàn)狀，更好地適應(yīng)社會(huì)需要。 參考教材光纖通信，王江平等譯，電子工業(yè)出版社光通信技術(shù)與應(yīng)用，陳根祥等譯，電子工業(yè)出版社光波導(dǎo)與光纖通信基礎(chǔ)，丁么明，高教出版社共三十頁(yè)概

2、念(ginin)通信 信息的傳遞：發(fā)送傳輸接收光通信 用光波載運(yùn)信息，實(shí)現(xiàn)(shxin)通信光纖通信 用光波載運(yùn)信息，以光纖作傳輸媒體，實(shí)現(xiàn)通信大氣激光通信 無(wú)纖光通信。用光波載運(yùn)信息，以大氣作傳輸媒體，實(shí)現(xiàn)通信共三十頁(yè)緒論(xln)共三十頁(yè)光通信的發(fā)展(fzhn)遠(yuǎn)古時(shí)代；烽火臺(tái)，狼煙(lngyn)傳訊 近代：旗語(yǔ)，燈光雛形：目視通信現(xiàn)代光通信1960-1965各類(lèi)激光器1977貝爾實(shí)驗(yàn)室CaAlAs激光器1910-1966介質(zhì)波導(dǎo)研究理論，傳光用玻璃纖維研究1970-1972低損耗光纖的研究問(wèn)世光源：能否制造出室溫下連續(xù)工作的激光器？媒質(zhì)：能否找到損耗足夠低的傳輸媒質(zhì)？共三十頁(yè)光源發(fā)展：1

3、960年7月8日，美國(guó)人梅曼(Maiman)發(fā)明了第一臺(tái)紅寶石激光器， 給光通信帶來(lái)了新的希望。激光器的發(fā)明和應(yīng)用，使沉睡了80年的光通信進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。1961年，貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了氦-氖激光器1965年，二氧化碳激光器1970年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室、日本電氣公司(NEC)和前蘇聯(lián)先后，研制成功室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷(GaAlAs)雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(短波長(zhǎng))。雖然壽命只有(zhyu)幾個(gè)小時(shí)，但它為半導(dǎo)體激光器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。共三十頁(yè)1977 年，貝爾實(shí)驗(yàn)室研制的半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到100萬(wàn)小時(shí)。為光纖通信的商用化奠定了基礎(chǔ)。1979年美國(guó)電報(bào)電話(huà)(AT&T)公司(n s)和日本電報(bào)電話(huà)

4、公司(n s)研制成功發(fā)射波長(zhǎng)為1.55 m的連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器。共三十頁(yè)傳光介質(zhì)發(fā)展1910年，Debye等人開(kāi)始了介質(zhì)波導(dǎo)的理論研究1920年，進(jìn)行了介質(zhì)波導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)1951年，出現(xiàn)了光用玻璃纖維，由于傳輸損耗太大，用于一些醫(yī)療設(shè)備，并不用于通信。1966年，英籍華裔學(xué)者高錕(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文，指出了利用光纖(Optical Fiber)進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，奠定了現(xiàn)代光通信光纖通信的基礎(chǔ)(jch)。通過(guò)“原材料的提純制造出適合于長(zhǎng)距離通信使用的低損耗光纖”這一發(fā)展方向。共三十頁(yè)1970年，美國(guó)康寧(Corning

5、)公司研制成功損耗20dB/km的石英光纖。把光纖通信的研究(ynji)開(kāi)發(fā)推向一個(gè)新階段。并在1972年，又把光纖損耗降到4dB/km。 1970：光纖通信實(shí)用化的開(kāi)端1973 年，美國(guó)貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)室的光纖損耗降低到2.5dB/km。1974 年降低到1.1dB/km。1976 年，日本電報(bào)電話(huà)(NTT)公司將光纖損耗降低到0.47 dB/km(波長(zhǎng)1.2m)。在以后的 10 年中，波長(zhǎng)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。共三十頁(yè)光纖通信(un xin

6、tn xn)實(shí)驗(yàn)1976 年，美國(guó)在亞特蘭大(Atlanta)進(jìn)行了世界上第一個(gè)實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。1980 年，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化FT - 3光纖通信系統(tǒng)投入商業(yè)應(yīng)用(yngyng)。1976 年和 1978 年，日本先后進(jìn)行了速率為34 Mb/s的突變型多模光纖通信系統(tǒng)， 以及速率為100 Mb/s的漸變型多模光纖通信系統(tǒng)的試驗(yàn)。1983年敷設(shè)了縱貫日本南北的光纜長(zhǎng)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(tǒng)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(tǒng)于1989年建成。共三十頁(yè)2002年，光纖通信單通道傳輸速率達(dá)到40G

7、b/s,DWDM傳輸光通信容量達(dá)10Tb/s；2002年后，光通信開(kāi)始向最后一站用戶(hù)接入網(wǎng)邁進(jìn)。到如今，光纖通信已經(jīng)發(fā)展到以采用(ciyng)光放大器(Optical Amplifier，OA)增加中繼距離和采用波分復(fù)用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)增加傳輸容量為特征的系統(tǒng)。共三十頁(yè)光通信的發(fā)展(fzhn)高速率發(fā)展(fzhn)光通信復(fù)接體制的發(fā)展（PDH/SDH）新技術(shù)的發(fā)展 10G-40G的電時(shí)分復(fù)用ETDM DWDM波分復(fù)用 EDFA摻鉺光纖放大器共三十頁(yè)光纖通信(un xin tn xn)的主要特性光纖通信的優(yōu)點(diǎn)1. 光纖的容量大 光纖通信

8、是以光纖為傳輸媒介，光波為載波(zib)的通信系統(tǒng)，其載波(zib)光波具有很高的頻率(約1014Hz)，因此光纖具有很大的通信容量,可用帶寬一般在10THz以上。 2. 損耗低、中繼距離長(zhǎng) 實(shí)用的光纖通信系統(tǒng)使用的光纖多為石英光纖，此類(lèi)光纖在1.55m波長(zhǎng)區(qū)的損耗可低到0.18dB/km，比已知的其他通信線路的損耗都低得多，因此，由其組成的光纖通共三十頁(yè)信系統(tǒng)的中繼距離也較其它介質(zhì)構(gòu)成的系統(tǒng)長(zhǎng)得多。 如果今后采用非石英光纖，并工作在超長(zhǎng)波長(zhǎng)(2m)，光纖的理論損耗系數(shù)可以下降到10-310-5dB/km，此時(shí)光纖通信的中繼距離可達(dá)數(shù)千，甚至數(shù)萬(wàn)公里。3. 抗電磁干擾能力強(qiáng) 電話(huà)線和電纜一般是

9、不能跟高壓電線平行架設(shè)(jish)的，也不能在電氣鐵化路附近鋪設(shè)。光纖的材料是玻璃或塑料，都不導(dǎo)電；而且由于有很厚的光包層，避免了光纖中的光泄漏，所以不存在相互間的電磁干擾，也不怕外界噪聲。共三十頁(yè)4. 保密性能好 對(duì)通信系統(tǒng)的重要要求之一是保密性好。然而，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電通信方式很容易被人竊聽(tīng)：只要在明線或電纜附近(甚至幾公里以外)設(shè)置一個(gè)特別的接收裝置，就可以獲取明線或電纜中傳送的信息。更不用去說(shuō)無(wú)線通信方式。5. 節(jié)省有色金屬和原材料 制造通常的電纜需要消耗大量的銅和鉛等有色金屬。以四管中同軸電纜為例，1km四管中同軸電纜約需460kg銅，而制造1km光纖，只需幾十克石英。制造光纖

10、的石英（主要(zhyo)成分為SiO2）原材料豐富而便宜，幾乎取之不竭。共三十頁(yè)6. 體積小，重量輕，易于施工 在傳輸同一信息量時(shí)，光纜的重量比其他通信電纜重量要輕得多。每根光纖的直徑很小，制成光纜后可充分利用地下管道。有二次套塑的光纖，即使以幾厘米的曲率(ql)半徑彎曲也不會(huì)斷，施工時(shí)可以采用與電纜相同或類(lèi)似的敷設(shè)技術(shù)進(jìn)行敷設(shè)。通信設(shè)備的重量輕和體積小，對(duì)軍事、航空航天等特殊的應(yīng)用環(huán)境具有特別重要的意義。共三十頁(yè)光纖通信的缺點(diǎn) 事物都是一分為二的，光纖通信有許多優(yōu)點(diǎn)(yudin)，因而發(fā)展很快，但光纖通信也有以下缺點(diǎn)?？估瓘?qiáng)度低光纖連接困難光纖怕水共三十頁(yè)光通信未來(lái)(wili)發(fā)展的熱點(diǎn)向超

11、高速系統(tǒng)的發(fā)展(fzhn)向超大容量WDM系統(tǒng)的演進(jìn)實(shí)現(xiàn)光聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)新一代光纖IPoverSDH與IPoverOptical光接入網(wǎng)解決全網(wǎng)瓶頸共三十頁(yè)向超高速系統(tǒng)(xtng)的發(fā)展 目前，10Gbps系統(tǒng)已開(kāi)始大批量裝備網(wǎng)絡(luò)，超高速系統(tǒng)在北美，在歐洲、日本和澳大利亞(o d l y)也已開(kāi)始大量應(yīng)用。但是，10Gbps系統(tǒng)對(duì)于光纜極化模色散比較敏感，而已經(jīng)鋪設(shè)的光纜并不一定都能滿(mǎn)足開(kāi)通和使用10Gbps系統(tǒng)的要求，需要實(shí)際測(cè)試，驗(yàn)證合格后才能安裝開(kāi)通。它的比較現(xiàn)實(shí)的出路是轉(zhuǎn)向光的復(fù)用方式。光復(fù)用方式有很多種，但目前只有波分復(fù)用(WDM)方式進(jìn)入了大規(guī)模商用階段，而其他方式尚處于試驗(yàn)研究階段。共

12、三十頁(yè)向超大容量WDM系統(tǒng)(xtng)的演進(jìn) 采用電的時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)的擴(kuò)容潛力已盡，然而，光纖的200nm可用帶寬資源利用率不到1，還有99的資源尚待發(fā)掘。如果將多個(gè)發(fā)送波長(zhǎng)適當(dāng)錯(cuò)開(kāi)的光源信號(hào)同時(shí)在一級(jí)光纖上傳送，則可大大增加光纖的信息傳輸容量，這就是波分復(fù)用的基本思路。基于WDM應(yīng)用的巨大好處及近幾年來(lái)技術(shù)上的重大突破和市場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)，波分復(fù)用系統(tǒng)發(fā)展十分迅速。目前全球?qū)嶋H(shj)鋪設(shè)的WDM系統(tǒng)已超過(guò)3000個(gè)，而實(shí)用化系統(tǒng)的最大容量已達(dá)320Gbps，阿爾卡特朗訊公司已宣布將推出80個(gè)波長(zhǎng)的WDM系統(tǒng)，其總?cè)萘靠蛇_(dá)200Gbps。實(shí)驗(yàn)室的最高水平則已達(dá)到2.6Tbps。預(yù)計(jì)不久的將來(lái)，實(shí)用化

13、系統(tǒng)的容量即可達(dá)到1Tbps的水平。共三十頁(yè)實(shí)現(xiàn)(shxin)光聯(lián)網(wǎng) 上述實(shí)用化的波分復(fù)用系統(tǒng)(xtng)技術(shù)盡管具有巨大的傳輸容量，但基本上是以點(diǎn)到點(diǎn)通信為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，其靈活性和可靠性還不夠理想。如果在光路上也能實(shí)現(xiàn)類(lèi)似SDH在電路上的分插功能和交叉連接功能的話(huà)，無(wú)疑將增加新一層的威力。由于光聯(lián)網(wǎng)具有巨大的潛在優(yōu)勢(shì)，美國(guó)、日本及歐洲等發(fā)達(dá)地區(qū)投入了大量的人力、物力和財(cái)力進(jìn)行預(yù)研，特別是美國(guó)國(guó)防部預(yù)研局資助了一系列光聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目。光聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為繼SDH電聯(lián)網(wǎng)以后又一新的光通信發(fā)展高潮。共三十頁(yè)開(kāi)發(fā)新一代(y di)光纖 傳統(tǒng)的G.652單模光纖在適應(yīng)上述超高速長(zhǎng)距離傳送網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需要方面已暴露出力

14、不從心的態(tài)勢(shì)，開(kāi)發(fā)新型光纖已成為開(kāi)發(fā)下一代網(wǎng)絡(luò)(wnglu)基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。目前，為了適應(yīng)干線網(wǎng)和城域網(wǎng)的不同發(fā)展需要，已出現(xiàn)了兩種不同的新型光纖，即非零色散光(G.655光纖)和無(wú)水吸收峰光纖(全波光纖)。其中，全波光纖將是以后開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)，也是現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，XPON技術(shù)無(wú)可爭(zhēng)議地將是未來(lái)寬帶接入技術(shù)的發(fā)展方向。但從當(dāng)前技術(shù)發(fā)展、成本及應(yīng)用需求的實(shí)際狀況看，它距離實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用于電信接入網(wǎng)絡(luò)這一最終目標(biāo)還會(huì)有一個(gè)較長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程。共三十頁(yè)IPoverSDH與IPoverOptical 以lP業(yè)務(wù)為主的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是當(dāng)前世界信息業(yè)發(fā)展的主要推動(dòng)力，因而能否(nn fu)有效地支持I

15、P業(yè)務(wù)已成為新技術(shù)能否(nn fu)有長(zhǎng)遠(yuǎn)技術(shù)壽命的標(biāo)志。目前，ATM和SDH均能支持lP，分別稱(chēng)為IPoverATM和IPoverSDH，兩者各有千秋。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，當(dāng)IP業(yè)務(wù)量逐漸增加，需要高于24吉位每秒的鏈路容量時(shí)，則有可能最終會(huì)省掉中間的SDH層，IP直接在光路上跑，形成十分簡(jiǎn)單統(tǒng)一的IP網(wǎng)結(jié)構(gòu)(IPoverOptical)。三種IP傳送技術(shù)都將在電信網(wǎng)發(fā)展的不同時(shí)期和網(wǎng)絡(luò)的不同部分發(fā)揮自己應(yīng)有的歷史作用。但從面向未來(lái)的視角看，IPoverOptical將是最具長(zhǎng)遠(yuǎn)生命力的技術(shù)。特別是隨著IP業(yè)務(wù)逐漸成為網(wǎng)絡(luò)的主導(dǎo)業(yè)務(wù)后，這種對(duì)IP業(yè)務(wù)最理想的傳送技術(shù)將會(huì)成為未來(lái)網(wǎng)絡(luò)特別是骨干網(wǎng)的主導(dǎo)

16、傳送技術(shù)。共三十頁(yè)光接入網(wǎng)解決(jiju)全網(wǎng)瓶頸 近幾年，網(wǎng)絡(luò)的核心部分發(fā)生了翻天覆地的變化，無(wú)論是交換還是傳輸，都已更新了好幾代。一方面，網(wǎng)絡(luò)的這一部分將成為全數(shù)字化的、軟件主宰和控制的、高度集成和智能化的網(wǎng)絡(luò)；而另一方面，現(xiàn)存的接入網(wǎng)仍然部分是雙絞線銅線主宰的、原始落后(lu hu)的模擬系統(tǒng)。兩者在技術(shù)上存在巨大的反差，制約全網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展。為了能從根本上徹底解決這一問(wèn)題，必須大力發(fā)展光接入網(wǎng)技術(shù)。共三十頁(yè)27光纖通信(un xin tn xn)的應(yīng)用1、光纖通信系統(tǒng)的類(lèi)型 按傳輸信號(hào)的類(lèi)型模擬系統(tǒng)和數(shù)字(shz)系統(tǒng) 按調(diào)制方式直接調(diào)制和外差調(diào)制 按光纖的傳輸特性單模光纖系統(tǒng)和多模光纖系統(tǒng) 按光波長(zhǎng)短波長(zhǎng)、長(zhǎng)波長(zhǎng)和超長(zhǎng)波長(zhǎng)系統(tǒng)共三十頁(yè)282、光纖通信的應(yīng)用 通信網(wǎng) 計(jì)算機(jī)網(wǎng) 有線電視(yu xin din sh)網(wǎng) 綜合業(yè)務(wù)接入網(wǎng)共三十頁(yè)光通信系統(tǒng)(xtng)的構(gòu)成及其關(guān)鍵技術(shù) 目前實(shí)用的光纖通信系統(tǒng)，采用的是數(shù)字編碼、強(qiáng)度(qingd)調(diào)制、直接檢測(cè)（IM/DD）的通信系統(tǒng)信源電端機(jī)光發(fā)送端機(jī)光接收端機(jī)電端機(jī)接受體光纖共三十頁(yè)內(nèi)容摘要光通信原理與技術(shù)。光纖。1979年美國(guó)電報(bào)電話(huà)(AT&T)公司和日本電報(bào)電話(huà)公司研制成功發(fā)射波長(zhǎng)為1.