光纖通信課件：第一章 光纖通信概述

第一章光纖通信概述1.1光纖通信技術的發(fā)展史及現(xiàn)狀1.2光纖通信系統(tǒng)概述1.1光纖通信技術的發(fā)展史及現(xiàn)狀什么是通信？“通”傳送，“信”信息；信息的傳送基本組成：發(fā)送、傳輸、接收什么是光纖通信？利用激光作為信息的載波信號，并通過光纖來傳送信息的通信系統(tǒng)。1.1光纖通信技術的發(fā)展史及現(xiàn)狀什么是通信？“通”傳送，“信”信息；信息的傳送基本組成：發(fā)送、傳輸、接收什么是光纖通信？利用激光作為信息的載波信號，并通過光纖來傳送信息的通信系統(tǒng)。光纖通信是人類歷史上的重大突破，現(xiàn)今的光纖通信已成為信息社會的神經(jīng)系統(tǒng)

現(xiàn)代通信方式示意圖用戶環(huán)路交換設備電復接設備衛(wèi)星通信微波通信光纖通信移動通信發(fā)送機接收機傳輸系統(tǒng)用戶終端用戶終端信息信息用戶終端用戶終端用戶環(huán)路交換設備電復接設備信息信息

現(xiàn)代通信方式示意圖用戶環(huán)路交換設備電復接設備衛(wèi)星通信微波通信光纖通信移動通信發(fā)送機接收機傳輸系統(tǒng)用戶終端用戶終端信息信息用戶終端用戶終端用戶環(huán)路交換設備電復接設備信息信息信息指用戶要求傳送的語音、圖像、數(shù)據(jù)以及它們的各種組合用戶環(huán)路交換設備電復接設備衛(wèi)星通信微波通信光纖通信移動通信發(fā)送機接收機傳輸系統(tǒng)用戶終端用戶終端信息信息用戶終端用戶終端用戶環(huán)路交換設備電復接設備信息信息

現(xiàn)代通信方式示意圖用戶終端交換設備接入網(wǎng)電復接設備傳輸系統(tǒng)

現(xiàn)代通信方式示意圖用戶環(huán)路交換設備電復接設備衛(wèi)星通信微波通信光纖通信移動通信發(fā)送機接收機傳輸系統(tǒng)用戶終端用戶終端信息信息用戶終端用戶終端用戶環(huán)路交換設備電復接設備信息信息光纖通信經(jīng)過30年的技術發(fā)展目前正在淘汰著其他的有線通信方式光纖通信技術的主要優(yōu)點光波頻率很高，光纖傳輸?shù)念l帶很寬，故傳輸容量很大，理論上可通上億門話路或上萬套電視，可進行圖像、數(shù)據(jù)、傳真、控制等多種業(yè)務；不受電磁干擾，保密性好；耐高溫、高壓、抗腐蝕，工作可靠；光纖材料來源豐富，可節(jié)約大量有色金屬(如銅、鋁)，且直徑小、重量輕。光纖通信器件的發(fā)展過程雛形：古代烽火、手旗、燈光1880年貝爾的光電話激光器(發(fā)送源）光纖(傳輸介質(zhì))1960Maiman發(fā)明紅寶石激光器1962半導體激光器誕生(GaAs870nm)70年代室溫工作LD(GaAsAI850nm)1300、1550nm多模LD單模LD1951醫(yī)用玻璃纖維(損耗1000dB/km)1966高錕理論預言1970康寧制出低損耗光纖(20dB/km)1300(0.5dB/km),1550nm(0.2dB/km)低損耗窗口光纖開發(fā)單模光纖光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展歷程光纖通信追求目標:大容量、長距離技術發(fā)展：短波長-長波長、多模光纖-單模光纖、多模激光器-單模激光器通信系統(tǒng)容量：比特率-距離積BL，B比特率，

L中繼距離每秒鐘傳輸?shù)谋忍財?shù)目。光纖通信技術的發(fā)展大體上可分為：工作波長光纖激光器比特率B中繼距離L第一代70年代850nm多模多模10～100Mb/s10Km第二代80年代初1300nm多模單模多模100Mb/s1.7Gb/s20Km50Km第三代80年代中～90年代初1550nm單模單模2.5Gb/s～10Gb/s100Km光纖通信技術的發(fā)展大體上可分為:（續(xù)）工作波長光纖激光器比特率B中繼距離L第四代90年代1550nm單模單模2.5Gb/s10Gb/s21000Km（環(huán)路）1500Km光放大系統(tǒng)第五代1550nm單模單模波分復用WDM單路速率:40,160,640Gb/s信道數(shù):8,16,64,128,1022超長傳輸距離:27000Km(Loop)6380(Line)目前研究內(nèi)容WDM光網(wǎng)絡；全光分組交換；光時分復用；光孤子通信；新型的光器件光纖通信技術的三次飛躍(1)20世紀60年代。1962年第一只半導體激光器誕生，隨后半導體光檢測器也研究成功。特別是1966年英籍華人科學家高錕與Hockham提出用玻璃可以制成衰減為20dB/km的通信光導纖維，1970年美國康寧公司首先制出了20dB/km的光纖，這標志著光纖通信系統(tǒng)的實際研究條件得以具備。20世紀70年代。1970年發(fā)明了LD的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，使得光源與光檢測器的壽命都達到了10萬小時的實用化水平。1979年發(fā)現(xiàn)了光纖1310nm和1550nm新的低損耗窗口，緊接著單模光纖問世。光纖的衰減系數(shù)一下降到0.5dB/km。這使得光纖通信邁進了實用化階段，從80年代初開始光纖通信便大步地邁向了市場。光纖通信技術的三次飛躍(2)20世紀90年代初。1989年摻鉺光纖放大器EDFA的研制成功是光纖通信新一輪突破的開始。EDFA的應用不僅解決了光纖傳輸衰減的補償問題，而且為一批光網(wǎng)絡器件的應用創(chuàng)造了條件。使得光纖通信的數(shù)字傳輸速率迅速提高，促成了波分復用技術的實用化。光纖通信技術的三次飛躍(3)光纖通信超高速大容量長距離網(wǎng)絡化一根光纖中可同時傳輸一百多路信號，采用特殊技術甚至可以同時傳輸1022路單路速率不斷提升，已達到10、20、40Gb/s采用OTDM技術甚至可達640Gb/s各種通信技術的快速發(fā)展使上千甚至上萬公里的長距離傳輸成為可能全光網(wǎng)成為目前光通信領域最熱門的話題之一EducationTelephoneTravelEntertainmentHealth……AllservicesNetworktrafficisgrowing!!Thewholeworldisinmymind!!DemandforBroadbandwidthOpticalnetworkingShoppingBanking21世紀的通信業(yè)務全球通信業(yè)務需求估計用戶增加；每個用戶的業(yè)務量增加；服務質(zhì)量的提高；通信容量需求急增光纖通信最具代表性技術

－波分復用WDM和光纖放大器EDFA光纖通信系統(tǒng)的新波段145014901530157016101650S+SCLL+

波長(nm)范崇澄FS-08波段波長范圍(nm)帶寬(THz)光放大器應用C1530-15705.0有長途干線C+L1530-16109.7有長途干線S+C+L1490-161015.0無城/局域網(wǎng)S++S+C+L+L+1450-165025.1無城/局域網(wǎng)全波1300-165048.9無城/局域網(wǎng)光纖傳輸技術進一步發(fā)展新的傳輸技術層出不窮色散管理技術L波EDFA，RAFEC技術色散與色散斜率的補償PMD補償技術OTDM技術與光孤子技術

2.5Gb/s10Gb/s40Gb/s10Gb/s40Gb/s20Gb/s80Gb/s80Gb/s320Gb/s3216841WDM波長數(shù)每波長比特率(TDM)40Gb/s

網(wǎng)絡容量演進戰(zhàn)略40G器件關鍵原材料光纖預制棒網(wǎng)絡管理系統(tǒng)測試設備光纖光纜光傳輸/交換設備光無源器件光有源器件運營商網(wǎng)絡集成商光纖通信的產(chǎn)業(yè)鏈全球光纖通信主要供應商ComponentsandModulesinDWDMNetworks

DWDMThinfilmfiltersFibergratingsWaveguidesCirculatorsInterleaversMux/Demux

modulesAmplifiersIsolatorsTapcouplersPumplasersGainequalizersAttenuatorsIntegrated

amplifiersSOAsOpticalSwitchesCirculatorsCouplersAdd/dropmodulesSwitchingTransmissionSourcelasersModulatorsWavelockersReceiversDetectorsTx/RxmodulesOver9000Products光纖網(wǎng)絡的分類三種網(wǎng)絡的不同要求三種網(wǎng)絡設備有著不同的性質(zhì)決定了這三種網(wǎng)絡中設備開發(fā)的不同考慮：

Long-haul:CapacityMetro:SmartAccess:Cost國內(nèi)現(xiàn)狀1963年開始光通信的研究1974年研究光纖通信“六五”、“七五”、“八五”鋪設“八縱八橫”光纖線路總長約七萬公里傳輸碼率：從140Mb/s~2.5Gb/s，10Gb/s，40Gb/s已開始研究。DFB（量子阱）激光器和EDFA研制成功，可供應用高速電子器件、波導器件尚有差距NSFCnet網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)說明：NSFCnet由六個節(jié)點組成，以清華為匯接點構(gòu)成兩個環(huán)行拓撲結(jié)構(gòu)，清華、北大和中科院三點構(gòu)成二纖雙向自愈環(huán)采用WDM傳輸技術，在清華和北大之間通過在實驗室中加光纖進行400公里廣域網(wǎng)模擬試驗；在其它節(jié)點構(gòu)成的環(huán)中采用單路SDH/SONET傳輸技術。

DWDMExperimentsystematTHU帶來的科學問題光纖性能是有限制的，隨著信道數(shù)據(jù)率和傳輸距離的增加，系統(tǒng)容量日益趨近極限，光纖不再是一個透明管道。

2.5Gb/sperchannel:forgetthefiber;160Gb/sperchannel:forgetWDM!為克服這些限制，除新型光纖(相對穩(wěn)定)外，綜合采用了色散管理、寬帶EDFA、Raman放大、前向糾錯（FEC）等行之有效的新技術；但新技術不一定都是好技術。系統(tǒng)總成本增加；靈活性、擴展性、生存性降低，特別不利于網(wǎng)絡設計怎樣才是好技術？帶來的科學問題持續(xù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)功能多、適應能力強、成本低的光子學器件與技術；革命性變革有待于基礎研究如何使光子變得聰明？所有的智能都在電層--只能是“低能”；光層變?yōu)閎igfatpipe使運營商無利可圖，限制了光通信的發(fā)展；電子也曾經(jīng)stupid，有存儲、信號處理等功能后才變?yōu)镾MART；基本問題：由材料開始！10~15年解決，將引發(fā)通信事業(yè)的另一次革命！第一章光纖通信概述1.1光纖通信技術的發(fā)展史及現(xiàn)狀1.2光纖通信系統(tǒng)概述

數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的組成由光發(fā)射機、光纖光纜、中繼器與光接收機等基本單元組成。此外還包括一些互連與光信號處理器件，如光纖連接器、隔離器、調(diào)制器、濾波器、光開關及路由器、分插復用器ADM等。光源調(diào)制器驅(qū)動電路光發(fā)射機放大器光電二極管判決器光接收機光纖光纖中繼器1.2光纖通信系統(tǒng)概述一、光纖的研究光纖：將光信號從光發(fā)射機無失真地傳送到光接收機?；咎匦詤?shù)：損耗（dB/km）：直接影響通信距離。色散（ps/nm.km）：將引起光脈沖信號展寬和碼間串擾，影響通信距離和容量。為實現(xiàn)高速長距離傳輸，要求光纖具有低損耗和低色散特性。近四十年的努力尋找合適的光纖，實用化的光損耗為20dB/km(99.5%/m)；60年代研究，70年代突破，2000年0.2dB/km(99.995%/m);新的實用化光纖不斷涌現(xiàn)突破色散限制傳輸光纖的改進（1）：G.653色散位移光纖EDFA頻帶0.10.20.30.40.50.6衰減(dB/km)1600170014001300120015001100波長(nm)20100-10-20色散(ps/nm.km)G.65317ps/nm.kmG.652傳輸光纖的改進（2）：

G.655非零色散位移光纖17ps/nm.kmEDFA頻帶0.10.20.30.40.50.6衰減(dB/km)1600170014001300120015001100波長(nm)20100-10-20色散(ps/nm.km)G.653G.652G.655二、光發(fā)射機光發(fā)射機由光源、調(diào)制器和信道耦合器組成。光信號是用電信號調(diào)制光載波產(chǎn)生的。直接調(diào)制：通過改變注入電流直接調(diào)制半導體光源的輸出。帶有啁啾，影響通信系統(tǒng)性能。外調(diào)制：增加一調(diào)制器，適于高速系統(tǒng)應用。光源驅(qū)動電路調(diào)制器信號輸入通道耦合器光發(fā)射機結(jié)構(gòu)框圖調(diào)制格式歸零碼RZ：代表比特1的光脈沖寬度比比特間隔窄，其振幅在比特周期結(jié)束前歸零。非歸零碼NRZ：光脈沖在整個時隙內(nèi)保持不變，其振幅在兩個連續(xù)的比特1之間不會降到零。當前，數(shù)字光纖通信以采用NRZ碼為主。有關各種調(diào)制碼型的研究很多。tt000111RZNRZ調(diào)制前光載波的形式為：

E(t)=Acos(0t+)調(diào)制方式模擬通信可采用調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相等多種調(diào)制方式。采用數(shù)字調(diào)制時，相應地稱為幅移鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）；信號只有兩種狀態(tài)的ASK稱為通斷鍵控（OOK），這是當前的數(shù)字通信系統(tǒng)通常使用的格式，屬于強度調(diào)制-直接檢測（IM-DD）通信方式，是通信方式中最簡單、最初級的方式。電場振幅載頻相位光發(fā)射機的參數(shù)(1)發(fā)送光功率（dBm）

P=10lg[P(mW)/1(mW)]

以1mW為基準的、用分貝表示的功率。表示功率的絕對值。

功率(mW)10010210.50.10.010.001功率(dBm)+20+10+30-3-10-20-30分貝的定義把信號功率與某個絕對值或某個噪聲功率進行比較。分貝：功率比值，用相當簡單的方式表示很大比值。

dB=10lg[P2/P1]

P2、

P1--光功率

功率比10N10210.50.110-NdB+10N+10+30-3-10-10N如：功率增加一倍，表明增益是3dB；功率減小到一半，表明損耗是3dB。分貝是一比值或相對單位。光纖損耗6dB－－通過光纖后，功率減小到連接器損耗1dB－－通過連接器后，功率減小到25％80％光譜特性最大均方根RMS寬度對于多縱模激光器和發(fā)光二極管這樣的光能量比較分散的光源,采用來衡量光脈沖能