光通信原理與技術(shù)第1章

光通信原理與技術(shù)緒論電子信息科學(xué)與技術(shù)教研室成績評定課程性質(zhì)：專業(yè)任選課（考查）課程學(xué)時:42學(xué)時考核方式：考試平時成績50分；期末考試50分。答疑時間：每周三下午（實(shí)驗(yàn)樓539）

課程內(nèi)容光纖傳輸原理光纖通信幾何光學(xué)波導(dǎo)光學(xué)發(fā)送傳輸接收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)，了解光纖通信的發(fā)展現(xiàn)狀，更好地適應(yīng)社會需要。

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，高教出版社概念通信信息的傳遞：發(fā)送—傳輸—接收光通信用光波載運(yùn)信息，實(shí)現(xiàn)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)通信緒論光通信的發(fā)展遠(yuǎn)古時代；烽火臺，狼煙傳訊

近代：旗語，燈光雛形：目視通信現(xiàn)代光通信1960-1965各類激光器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)？光源發(fā)展：1960年7月8日，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(yīng)用，使沉睡了80年的光通信進(jìn)入一個嶄新的階段。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)。雖然壽命只有幾個小時，但它為半導(dǎo)體激光器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1977年，貝爾實(shí)驗(yàn)室研制的半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到100萬小時。為光纖通信的商用化奠定了基礎(chǔ)。1979年美國電報(bào)電話(AT&T)公司和日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長為1.55μm的連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器。傳光介質(zhì)發(fā)展1910年，Debye等人開始了介質(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(OpticalFiber)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)。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。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。并在1972年，又把光纖損耗降到4dB/km。

1970：光纖通信實(shí)用化的開端1973年，美國貝爾(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(NTT)公司將光纖損耗降低到0.47dB/km(波長1.2μm)。在以后的10年中，波長為1.55μm的光纖損耗：1979年是0.20dB/km，1984年是0.157dB/km，1986年是0.154dB/km，接近了光纖最低損耗的理論極限。光纖通信實(shí)驗(yàn)1976年，美國在亞特蘭大(Atlanta)進(jìn)行了世界上第一個實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗(yàn)。1980年，美國標(biāo)準(zhǔn)化FT-3光纖通信系統(tǒng)投入商業(yè)應(yīng)用。1976年和1978年，日本先后進(jìn)行了速率為34Mb/s的突變型多模光纖通信系統(tǒng)，以及速率為100Mb/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。2002年，光纖通信單通道傳輸速率達(dá)到40Gb/s,DWDM傳輸光通信容量達(dá)10Tb/s；2002年后，光通信開始向最后一站——用戶接入網(wǎng)邁進(jìn)。到如今，光纖通信已經(jīng)發(fā)展到以采用光放大器(OpticalAmplifier，OA)增加中繼距離和采用波分復(fù)用(WavelengthDivisionMultiplexing，WDM)增加傳輸容量為特征的系統(tǒng)。光通信的發(fā)展高速率發(fā)展光通信復(fù)接體制的發(fā)展（PDH/SDH）新技術(shù)的發(fā)展

10G-40G的電時分復(fù)用ETDMDWDM波分復(fù)用

EDFA摻鉺光纖放大器光纖通信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是以光纖為傳輸媒介，光波為載波的通信系統(tǒng)，其載波—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，此類光纖在1.55μm波長區(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

信系統(tǒng)的中繼距離也較其它介質(zhì)構(gòu)成的系統(tǒng)長得多。如果今后采用非石英光纖，并工作在超長波長(＞2μm)，光纖的理論損耗系數(shù)可以下降到10-3～10-5dB/km，此時光纖通信的中繼距離可達(dá)數(shù)千，甚至數(shù)萬公里。3.抗電磁干擾能力強(qiáng)電話線和電纜一般是不能跟高壓電線平行架設(shè)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。4.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(甚至幾公里以外)設(shè)置一個特別的接收裝置，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。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。制造光纖的石英（主要成分為SiO2）原材料豐富而便宜，幾乎取之不竭。6.體積小，重量輕，易于施工在傳輸同一信息量時，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半徑彎曲也不會斷，施工時可以采用與電纜相同或類似的敷設(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。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)，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光通信未來發(fā)展的熱點(diǎn)向超高速系統(tǒng)的發(fā)展向超大容量WDM系統(tǒng)的演進(jìn)實(shí)現(xiàn)光聯(lián)網(wǎng)開發(fā)新一代光纖IPoverSDH與IPoverOptical光接入網(wǎng)——解決全網(wǎng)瓶頸向超高速系統(tǒng)的發(fā)展

目前，10Gbps系統(tǒng)已開始大批量裝備網(wǎng)絡(luò)，超高速系統(tǒng)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，而其他方式尚處于試驗(yàn)研究階段。向超大容量WDM系統(tǒng)的演進(jìn)

采用電的時分復(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。如果將多個發(fā)送波長適當(dāng)錯開的光源信號同時在一級光纖上傳送，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?；赪DM應(yīng)用的巨大好處及近幾年來技術(shù)上的重大突破和市場的驅(qū)動，波分復(fù)用系統(tǒng)發(fā)展十分迅速。目前全球?qū)嶋H鋪設(shè)的WDM系統(tǒng)已超過3000個，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個波長的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，實(shí)用化系統(tǒng)的容量即可達(dá)到1Tbps的水平。實(shí)現(xiàn)光聯(lián)網(wǎng)

上述實(shí)用化的波分復(fù)用系統(tǒng)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)類似SDH在電路上的分插功能和交叉連接功能的話，無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，美國、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，特別是美國國防部預(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。開發(fā)新一代光纖

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)。其中，全波光纖將是以后開發(fā)的重點(diǎn)，也是現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)。從長遠(yuǎn)來看，XPON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)還會有一個較長的發(fā)展過程。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)展的主要推動力，因而能否有效地支持IP業(yè)務(wù)已成為新技術(shù)能否有長遠(yuǎn)技術(shù)壽命的標(biāo)志。目前，ATM和SDH均能支持lP，分別稱為IPoverATM和IPoverSDH，兩者各有千秋。但從長遠(yuǎn)看，當(dāng)IP業(yè)務(wù)量逐漸增加，需要高于2．4吉位每秒的鏈路容量時，則有可能最終會省掉中間的SDH層，IP直接在光路上跑，形成十分簡單統(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。但從面向未來的視角看，IPoverOptical將是最具長遠(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IP業(yè)務(wù)最理想的傳送技術(shù)將會成為未來網(wǎng)絡(luò)特別是骨干網(wǎng)的主導(dǎo)傳送技術(shù)。光接入網(wǎng)——解決全網(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題，必須大力發(fā)展光接