大學(xué)光纖通信技術(shù)課件

1、一.光纖通信技術(shù)定義光纖通信 光纖通信是利用光作為信息載體、以光纖作為傳輸?shù)耐ㄐ帕κ健Ｔ诠饫w通信系統(tǒng)中，作為載波的光波頻率比電波的頻率高得多，而作為傳輸介質(zhì)的光纖又比同軸電纜或?qū)Рü艿膿p耗低得多，所以說光纖通信的容量要比微波通信大幾十倍。光纖是用玻璃材料構(gòu)造的，它是電氣絕緣體，因而不需要擔(dān)心接地回路，光纖之間的中繞非常小，光波在光纖中傳輸，不會因?yàn)楣庑盘栃孤┒鴵?dān)心傳輸?shù)男畔⒈蝗烁`聽，光纖的芯很細(xì)，由多芯組成光纜的直徑也很小，所以用光纜作為傳輸信道，使傳輸系統(tǒng)所占空間小，解決了地下管道擁擠的問題。/sundae_meng一.光纖通信技術(shù)定義光纖通信 光纖通信是利用光作為信息載光纖通信系統(tǒng)原理圖/

2、sundae_meng光纖通信系統(tǒng)原理圖/二.光纖通信技術(shù)優(yōu)勢2.1頻帶極寬，通信容量大 光纖比銅線或電纜有大得多的傳輸帶寬，光纖通信系統(tǒng)的于光源的調(diào)制特性、調(diào)制方式和光纖的色散特性。散波長窗口，單模光纖具有幾十GHzkm的寬帶。對于單波長光纖通信系統(tǒng)，由于終端設(shè)備的電子瓶頸效應(yīng)而不能發(fā)揮光纖帶寬大的優(yōu)勢。通常采用各種復(fù)雜技術(shù)來增加傳輸?shù)娜萘?，特別是現(xiàn)在的密集波分復(fù)用技術(shù)極大地增加了光纖的傳輸容量。采用密集波分復(fù)術(shù)可以擴(kuò)大光纖的傳輸容量至幾倍到幾十倍。目前，單波長光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率一般在2.5Gbps到10Gbps，采用密集波分復(fù)術(shù)實(shí)現(xiàn)的多波長傳輸系統(tǒng)的傳輸速率已經(jīng)達(dá)到單波長傳輸系統(tǒng)的數(shù)百

3、倍。巨大的帶寬潛力使單模光纖成為寬帶綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)的首選介質(zhì)。/sundae_meng二.光纖通信技術(shù)優(yōu)勢2.1頻帶極寬，通信容量大http:/2.2 損耗低，中繼距離長 目前，實(shí)用的光纖通信系統(tǒng)使用的光纖多為石英光纖，此類光纖損耗可低于0.20dB/km，這樣的傳輸損耗比其它任何傳輸介質(zhì)的損耗都低，因此，由其組成的光纖通信系統(tǒng)的中繼距離也較其他介質(zhì)構(gòu)成的系統(tǒng)長得多。 如果將來采用非石英系統(tǒng)極低損耗光纖，其理論分析損耗可下降的更低。這意味著通過光纖通信系統(tǒng)可以跨越更大的無中繼距離；對于一個(gè)長途傳輸線路，由于中繼站數(shù)目的減少，系統(tǒng)成本和復(fù)雜性可大大降低。目前，由石英光纖組成的光纖通信系統(tǒng)最大中繼距離

4、可達(dá)200多km，由非石英系極低損耗光纖組成的通信系至數(shù)公里，這對于降低通信系統(tǒng)的成本、提高可靠性和穩(wěn)定性具有特別重要的意義。/sundae_meng2.2 損耗低，中繼距離長 目前，實(shí)用的光纖通信系統(tǒng)使用2.3 抗電磁干擾能力強(qiáng) 光纖原材料是由石英制成的絕緣體材料，不易被腐蝕，而且絕緣性好。與之相聯(lián)系的一個(gè)重要特性是光波導(dǎo)對電磁干擾的免疫力，它不受自然界的雷電干擾、電離層的變化和太陽黑子活動的干擾，也不受人為釋放的電磁干擾，還可用它與高壓輸電線平行架設(shè)或與電力導(dǎo)體復(fù)合構(gòu)成復(fù)合光纜。它是一種非導(dǎo)電的介質(zhì)，交變電磁波在其中不會產(chǎn)生感生電動勢，即不會產(chǎn)生與信號無關(guān)的噪聲。這樣，就是把它平行鋪設(shè)到高

5、壓電線和電氣鐵路附近，也不會受到電磁干擾。這一點(diǎn)對于強(qiáng)電領(lǐng)域（如電力傳輸線路和電氣化鐵道）的通信系統(tǒng)特別有利。/sundae_meng2.3 抗電磁干擾能力強(qiáng) 光纖原材料是由石英制成的絕緣 2.4光纖徑細(xì)、重量輕、柔軟、易于鋪設(shè) 光纖的芯徑很細(xì)，約為0.1mm，由多芯光纖組成光纜的直徑也很小，8芯光纜的橫截面直徑約為10mm，而標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜為47mm。這樣采用光纜作為傳輸信道，使傳輸系統(tǒng)所占空間小，解決了地下管道擁擠的問題，節(jié)約了地下管道建設(shè)投資。此外，光纖的重量輕，柔韌性好，光纜的重量要比電纜輕得多，在飛機(jī)、宇宙飛船和人造衛(wèi)星上使用光纖通信可以減輕飛機(jī)、輪船、飛船的重量，顯得更有意義。還有，

6、光纖柔軟可繞，容易成束，能得到直徑小的高密度光纜。/sundae_meng 2.4光纖徑細(xì)、重量輕、柔軟、易于鋪設(shè) 光纖的芯2.5 保密性能好 對通信系統(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，只要在明線或電纜附近設(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，更不用去說無線通信方式。光纖通信與電通信不同，由于光纖的特殊設(shè)計(jì)，光纖中傳送的光波被限制在光纖的纖芯和包層附近傳送，很少會跑到光纖之外。即使在彎曲半徑很小的位置，泄漏功率也是十分微弱的。并且成纜以后光纖在外面包有金屬做的防潮層和橡膠材料的護(hù)套，這些均是不透光的，因此，泄漏到光纜外的光幾乎沒

7、有。更何況長途光纜和中繼光纜一般均埋于地下。所以光纖的保密性能好。此外，由于光纖中的光信號一般不會泄漏，因此電通信中常見的線路之間的串話現(xiàn)象也可忽略。/sundae_meng2.5 保密性能好 對通信系統(tǒng)的重要要求之一是保密性好三.光纖通信技術(shù)主要部分光纖通信技術(shù)本身，應(yīng)該包括以下幾個(gè)主要部分：光纖光纜技術(shù)、光交換技術(shù)，傳輸技術(shù)、光有源器件、光無源器件以及光復(fù)用技術(shù)等。/sundae_meng三.光纖通信技術(shù)主要部分光纖通信技術(shù)本身，應(yīng)該包括以下幾個(gè)主3.1 光纖光纜技術(shù) 光纖技術(shù)的進(jìn)步可以從兩個(gè)方面來說明： 一是通信系統(tǒng)所用的光纖； 二是特種光纖。早期光纖的傳輸窗口只有3個(gè)，即850nm（第

8、一窗口）、1310nm（第二窗口）以及1550nm（第三窗口）。近幾年相繼開發(fā)出第四窗口（L波段）、第五窗口（全波光纖）以及S波段窗口。其中特別重要的是無水峰的全波窗口。這些窗口開發(fā)成功的巨大意義就在于從1280nm到1625nm的廣闊的光頻范圍內(nèi)，都能實(shí)現(xiàn)低損耗、低色散傳輸，使傳輸容量幾百倍、幾千倍甚至上萬倍的增長。這一技術(shù)成果將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。另一方面是特種光纖的開發(fā)及其產(chǎn)業(yè)化，這是一個(gè)相當(dāng)活躍的領(lǐng)域。/sundae_meng3.1 光纖光纜技術(shù) 光纖技術(shù)的進(jìn)步可以從兩個(gè)方面來3.2 光交換技術(shù) 光交換技術(shù)是用光纖來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、信號傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)交換傳輸技術(shù)。 光交換技術(shù)可以分成光路交換

9、技術(shù)和分組交換技術(shù)。光路交換又可分成三種類型，即空分（SD）、時(shí)分（TD）和波分/頻分（WD/FD）光交換，以及由這些交換組合而成的結(jié)合型。其中空分交換按光矩陣開關(guān)所使用的技術(shù)又分成兩類，一是基于波導(dǎo)技術(shù)的波導(dǎo)空分，另一個(gè)是使用自由空間光傳播技術(shù)的自由空分光交換。光分組交換中，異步傳送模式是2006年來廣泛研究的一種方式。/sundae_meng3.2 光交換技術(shù) 光交換技術(shù)是用光纖來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、3.3 光有源器件光有源器件的研究與開發(fā)本來是一個(gè)最為活躍的領(lǐng)域，但由于前幾年已取得輝煌的成果，所以當(dāng)今的活動空間已大大縮小。超晶格結(jié)構(gòu)材料與量子阱器件，已完全成熟，而且可以大批量生產(chǎn)，已完全商品化

10、，如多量子阱激光器（MQW-LD，MQW-DFBLD）。/sundae_meng3.3 光有源器件光有源器件的研究與開發(fā)本來是一個(gè)最為活躍3.4 光無源器件 光無源器件與光有源器件同樣是不可缺少的。由于光纖接入網(wǎng)及全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，導(dǎo)致光無源器件的發(fā)展空前地?zé)衢T。常規(guī)的常用器件已達(dá)到一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，品種和性能也得到了極大的擴(kuò)展和改善。所謂光無源器件就是指光能量消耗型器件、其種類繁多、功能各異，在光通信系統(tǒng)及光網(wǎng)絡(luò)中主要的作用是： 連接光波導(dǎo)或光路； 控制光的傳播方向；控制光功率的分配； 控制光波導(dǎo)之間、器件之間和光波導(dǎo)與器件之間的光耦合； 合波與分波； 光信道的上下與交叉連接等。早期的幾種光無源

11、器件已商品化。其中光纖活動連接器無論在品種和產(chǎn)量方面都已有相當(dāng)大的規(guī)模，不僅滿足國內(nèi)需要，而且有少量出口。光分路器（功分器）、光衰減器和光隔離器已有小批量生產(chǎn)。隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，相繼又出現(xiàn)了許多光無源器件，如環(huán)行器、色散補(bǔ)償器、增益平衡器、光的上下復(fù)用器、光交叉連接器、陣列波導(dǎo)光柵CAWG等等。這些都還處于研發(fā)階段或試生產(chǎn)階段，有的也能提供少量商品。按光纖通信技術(shù)發(fā)展的一般規(guī)律來看，當(dāng)光纖接入網(wǎng)大規(guī)模興建時(shí)，光無源器件的需求量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對光有源器件的需求。這主要是由于接入網(wǎng)的特點(diǎn)所決定的。接入網(wǎng)的市場約為整個(gè)通信市場的三分之一。因而，接入網(wǎng)產(chǎn)品有巨大的市場及潛在的市場。/sundae_me

12、ng3.4 光無源器件 光無源器件與光有源器件同3.5 光復(fù)用技術(shù) 光復(fù)用技術(shù)種類很多，其中最為重要的是波分復(fù)用（WDM）技術(shù)和光時(shí)分復(fù)用（OTDM）技術(shù)。光復(fù)用技術(shù)是當(dāng)今光纖通信技術(shù)中最為活躍的一個(gè)領(lǐng)域，它的技術(shù)進(jìn)步極大地推動光纖通信事業(yè)的發(fā)展，給傳輸技術(shù)帶來了革命性的變革。波分復(fù)用當(dāng)前的商業(yè)水平是273個(gè)或更多的波長，研究水平是1022個(gè)波長（能傳輸368億路電話），的潛在水平為幾千個(gè)波長，理論極限約為15000個(gè)波長（包括光的偏振模色散復(fù)用，OPDM）。據(jù)1999年5月多倫多的Light Management Group Inc ofToronto演示報(bào)導(dǎo)，在一根光纖中傳送了65536個(gè)

13、光波，把PC數(shù)字信號傳送到200m的廣告板上，并采用聲光控制技術(shù)，這說明了密集波分復(fù)用技術(shù)的潛在能力是巨大的。OTDM是指在一個(gè)光頻率上，在不同的時(shí)刻傳送不同的信道信息。這種復(fù)用的傳輸速度已達(dá)到320Gb/s的水平。若將DWDM與OTDM相結(jié)合，則會使復(fù)用的容量增加得更大，如虎添翼。/sundae_meng3.5 光復(fù)用技術(shù) 光復(fù)用技術(shù)種類很多，其中最為重要四. 光纖通信技術(shù)的發(fā)展及前景/sundae_meng四. 光纖通信技術(shù)的發(fā)展及前景http:/www.doci4.1光纖通信的歷史 光纖通信的誕生與發(fā)展是電信史上的一次重要革命。1966年，美籍華人高錕（C.K.Kao）和霍克哈姆（C.A

14、.Hockham）發(fā)表論文，預(yù)見了低損耗的光纖能夠用于通信，敲開了光纖通信的大門，引起了人們的重視。1970年，美國康寧公司首次研制成功損耗為20dB/km的光纖，光纖通信時(shí)代由此開始。1977年美國在芝加哥相距7000米的兩電話局之間，首次用多模光纖成功地進(jìn)行了光纖通信試驗(yàn)。8.5微米波段的多模光波為第一代光纖通信系統(tǒng)。1981年又實(shí)現(xiàn)了兩電話局間使用1.3微米多模光纖的通信系統(tǒng)，為第二代光纖通信系統(tǒng)。1984年實(shí)現(xiàn)了1.3微米單模光纖的通信系統(tǒng)，即第三代光纖通信系統(tǒng)。80年代中后期又實(shí)現(xiàn)了1.55微米單模光纖通信系統(tǒng)，即第四代光纖通信系統(tǒng)。用光波分復(fù)用提高速率，用光波放大增長傳輸距離的系統(tǒng)

15、，為第五代光纖通信系統(tǒng)。新系統(tǒng)中，相干光纖通信系統(tǒng)，已達(dá)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)水平，將得到應(yīng)用。光孤子通信系統(tǒng)可以獲得極高的速率，20世紀(jì)末或21世紀(jì)初可能達(dá)到實(shí)用化。/sundae_meng4.1光纖通信的歷史 光纖通信的誕生與發(fā)展是電信史上4.2光纖技術(shù)的發(fā)展前景 對光纖通信而言，超高速度、超大容量和超長距離傳輸一直是人們追求的目標(biāo)，而全光網(wǎng)絡(luò)也是人們不懈追求的夢想。/sundae_meng4.2光纖技術(shù)的發(fā)展前景 對光纖通信而言，超高速4.2.1向超高速系統(tǒng)的發(fā)展 目前10Gbps系統(tǒng)已開始大批量裝備網(wǎng)絡(luò)，主要在北美，在歐洲、日本和澳大利亞也已開始大量應(yīng)用。但是，10Gbps系統(tǒng)對于光纜極化模色散比較

16、敏感，而已經(jīng)鋪設(shè)的光纜并不一定都能滿足開通和使用10Gbps系統(tǒng)的要求，需要實(shí)際測試，驗(yàn)證合格后才能安裝開通。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，而其它方式尚處于試驗(yàn)研究階段。/sundae_meng4.2.1向超高速系統(tǒng)的發(fā)展 目前10Gbps系統(tǒng)已4.2.2向超大容量WDM系統(tǒng)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可用帶寬資源僅僅利用了不到1%，99%的資源尚待發(fā)掘。如果將多個(gè)發(fā)送波長適當(dāng)錯(cuò)開的光源信號同時(shí)在一光纖上傳送，則可大大增加光纖的信息傳輸容量，這就是波分復(fù)用（WDM）的基本思路。

17、采用波分復(fù)用系統(tǒng)的主要好處是： 1.可以充分利用光纖的巨大帶寬資源，使容量可以迅速擴(kuò)大幾倍至上百倍；2.在大容量長途傳輸時(shí)可以節(jié)約大量光纖和再生器，從而大大降低了傳輸成本；3.與信號速率及電調(diào)制方式無關(guān)，是引入寬帶新業(yè)務(wù)的方便手段；4.利用WDM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換和恢復(fù)可望實(shí)現(xiàn)未來透明的、具有高度生存性的光聯(lián)網(wǎng)。/sundae_meng4.2.2向超大容量WDM系統(tǒng)的演進(jìn) 采用電的時(shí)分4.2.3開發(fā)新代的光纖 傳統(tǒng)的G.652單模光纖在適應(yīng)上述超高速長距離傳送網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需要方面已暴露出力不從心的態(tài)勢，開發(fā)新型光纖已成為開發(fā)下一代網(wǎng)絡(luò)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）和無水吸收峰光纖（全波光纖）。從長遠(yuǎn)來看，BPON技術(shù)無可爭議地將是未來寬帶接入技術(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)還會有一個(gè)較長的發(fā)展過程。/sundae_meng4.2.3開發(fā)新代的光纖 傳統(tǒng)的G.652單模光纖4.2.4全光網(wǎng)絡(luò) 未來的高速通信網(wǎng)將是全光網(wǎng)。全光網(wǎng)是光纖通信技