光纖通信概述

第1章概述第一頁，共五十三頁。第1章概述光通信是20世紀70年代發(fā)展起來的通信技術(shù)。光通信技術(shù)的誕生是通信發(fā)展史上的一次革命性進步，促進了人類社會向信息化社會的發(fā)展。光通信技術(shù)主要涉及光信號的產(chǎn)生、傳輸、檢測以及組網(wǎng)技術(shù)。本章將簡要介紹光通信的發(fā)展與特點，光纖通信系統(tǒng)的組成等。第二頁，共五十三頁。第1章概述1.1光纖通信的發(fā)展歷程1.2光纖通信的特點與應(yīng)用1.3光纖通信系統(tǒng)的分類與組成第三頁，共五十三頁。1.1光纖通信的發(fā)展歷程光纖通信是以光作為信息載體，以光纖作為傳輸媒介的通信方式光纖通信技術(shù)是近40年來迅猛發(fā)展起來的高新技術(shù)，給世界通信技術(shù)乃至國民經(jīng)濟、國防事業(yè)和人民生活帶來了巨大變革我國的高速骨干網(wǎng)絡(luò)、城市環(huán)網(wǎng)已經(jīng)建成并不斷發(fā)展，光纖已經(jīng)開始進入辦公室和家庭，在信息社會里，光纖網(wǎng)絡(luò)將無處不在第四頁，共五十三頁。一、早期的光通信直到20世紀60年代，電通信在通信領(lǐng)域都處于絕對統(tǒng)治地位一般來說，傳送信息的總量與載波的工作頻率直接相關(guān)，提高載波頻率在理論上可以增加傳輸帶寬，通常也就可以提高信息傳輸容量第五頁，共五十三頁。一、早期的光通信通信應(yīng)用的電磁頻譜第六頁，共五十三頁。一、早期的光通信電磁波頻譜中，一個重要的部分是光頻區(qū)域以光波形式實現(xiàn)信息傳輸一般不是通過對載波的頻率調(diào)制完成的，而是通過改變光波的光功率來實現(xiàn)的光波的傳輸可以采用大氣信道和導(dǎo)波信道第七頁，共五十三頁。一、早期的光通信早在1880年，貝爾就研制成功了光學(xué)電話大氣作為光通道第八頁，共五十三頁。一、早期的光通信地下光波通信的實驗反射波導(dǎo)透鏡波導(dǎo)建設(shè)成本極高沒有實用價值第九頁，共五十三頁。二、光纖通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)代意義的光通信系統(tǒng)兩個關(guān)鍵問題：一是合適的光源；二是理想的傳光媒介20世紀初就由德拜提出光學(xué)纖維波導(dǎo)中傳輸一直到60年代，用當時最好的光學(xué)玻璃做成的光學(xué)纖維其損耗也高達1000dB/km第十頁，共五十三頁。二、光纖通信技術(shù)的發(fā)展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)新概念的論文玻璃纖維引起光損耗的主要原因是其中含有過量的鉻、銅、鐵與錳等金屬離子和其它雜質(zhì)其次是拉制光纖時工藝技術(shù)造成了芯、包層分界面不均勻及其所引起的折射率不均勻還發(fā)現(xiàn)一些玻璃纖維在紅外光區(qū)的損耗較小第十一頁，共五十三頁。二、光纖通信技術(shù)的發(fā)展1970年美國的康寧玻璃公司（CorningGlassWork）拉出了第一根損耗為20dB/km的光纖它的意義在于：使光纖通信可以和同軸電纜通信競爭第十二頁，共五十三頁。二、光纖通信技術(shù)的發(fā)展1970年，光纖通信用的光源也取得了實質(zhì)性進展室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷（GaAlAs）雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器（短波長）重大意義在于為半導(dǎo)體激光器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)第十三頁，共五十三頁。二、光纖通信技術(shù)的發(fā)展1972年，康寧公司高純石英多模光纖（同時允許多個方向的光線在其中傳送的光纖）損耗降低到4dB/km1973年，美國貝爾（Bell）實驗室取得了更大成績，光纖損耗降低到2.5dB/km1974年降低到1.1dB/km1976年，日本電報電話（NTT）公司等單位將光纖損耗降低到0.47dB/km（波長1.2um）。第十四頁，共五十三頁。二、光纖通信技術(shù)的發(fā)展在以后的10年中，波長為1550nm的光纖損耗：1979年是0.20dB/km1984年是0.157dB/km1986年是0.154dB/km，接近了光纖最低損耗的理論極限第十五頁，共五十三頁。二、光纖通信技術(shù)的發(fā)展1973年，半導(dǎo)體激光器壽命達到7000小時1977年，貝爾實驗室研制的半導(dǎo)體激光器壽命達到10萬小時（約11.4年）1976年日本電報電話公司研制成功發(fā)射波長為1.3um的銦鎵砷磷（InGaAsP）激光器1979年美國電報電話（AT&T）公司和日本電報電話公司（NTT）研制成功發(fā)射波長為1.55um的連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器第十六頁，共五十三頁。二、光纖通信技術(shù)的發(fā)展1970年成為光纖通信發(fā)展的一個重要里程碑第十七頁，共五十三頁。二、光纖通信技術(shù)的發(fā)展光纖通信的發(fā)展可以粗略地分為三個階段第一階段（1966~1976年），這是從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開發(fā)時期第二階段（1976~1986年），這是以提高傳輸速率和增加傳輸距離為研究目標和大力推廣應(yīng)用的大發(fā)展時期第三階段（1986~1996年），這是以超大容量超長距離為目標、全面深入開展新技術(shù)研究的時期第十八頁，共五十三頁。二、光纖通信技術(shù)的發(fā)展第一階段（1966~1976年）以1976年美國在亞特蘭大（Atlanta）進行的世界上第一個實用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗為標志，光纖通信開始走向?qū)嵱没谝淮到y(tǒng)工作在850nm附近，多模光纖作傳輸介質(zhì)采用GaAs為基礎(chǔ)材料制成的激光器作光源，硅材料制成的光檢測器速率在45~140Mb/s之間，傳輸距離約10km第十九頁，共五十三頁。二、光纖通信技術(shù)的發(fā)展第二階段（1976~1986年）工作波長從850nm（短波長）移至1310nm（長波長）光纖也從多模發(fā)展到單模長途干線的傳輸速率為140~565Mb/s的單模光纖通信系統(tǒng)，無中繼傳輸距離為10~50km第二十頁，共五十三頁。二、光纖通信技術(shù)的發(fā)展第三階段（1986~1996年）實現(xiàn)了1550nm色散移位單模光纖通信系統(tǒng)色散位移光纖1988年，第一條橫跨大西洋TAT-8海底光纜通信系統(tǒng)1989年第一條橫跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光纜通信系統(tǒng)1989年，ITU-T制定了155Mb/s、622Mb/s、2.5Gb/s等SDH速率標第二十一頁，共五十三頁。二、光纖通信技術(shù)的發(fā)展第四代系統(tǒng)光放大器（OA，OpticalAmplifier）增加中繼距離波分復(fù)用（WDM，WavelengthDivisionMultiplexing）增加傳輸容量10Gb/s、40G系統(tǒng)也已商用化第二十二頁，共五十三頁。三、我國光纖通信的發(fā)展1987年前在市話中繼線路上應(yīng)用光纖通信1987年開始在長途干線上應(yīng)用光纖通信，鋪設(shè)了多條省內(nèi)二級光纜干線從1988年起，我國的光纖通信系統(tǒng)由多模向單模發(fā)展1998年12月，貫穿全國的“八縱八橫”光纖骨干網(wǎng)建成，網(wǎng)絡(luò)覆蓋全國省會以上城市和70%的地市，全國長途光纜達到20萬千米第二十三頁，共五十三頁。1.2光纖通信的特點與應(yīng)用光纖通信主要用于骨干網(wǎng)通信和城市環(huán)網(wǎng)通信等諸多方面，并且向接入網(wǎng)延伸，這是和其顯著的特點分不開的第二十四頁，共五十三頁。一、光纖通信的優(yōu)點速率高，傳輸容量大單模光纖的帶寬可以達到幾十G/s損耗低，傳輸距離遠石英光纖損耗為0.2dB/km（1550nm窗口）和0.35dB/km（1310nm窗口）抗干擾能力強，保密性好光纖是非金屬材料，它不會受到電磁干擾光纖的外泄光能很少，難以竊聽第二十五頁，共五十三頁。一、光纖通信的優(yōu)點重量輕，敷設(shè)方便在傳輸相同信息量時，光纜的質(zhì)量為電纜質(zhì)量的1/30~1/10施工時可以采用與電纜相同的敷設(shè)技術(shù)進行敷設(shè)耐腐蝕，壽命長石英玻璃耐腐蝕光纖接頭處不產(chǎn)生放電、沒有火花光纖具有更適應(yīng)環(huán)境變化的能力第二十六頁，共五十三頁。光纖通信的特點事物都是一分為二的，光纖通信有許多優(yōu)點，因而發(fā)展很快，但光纖通信也有以下缺點：抗拉強度低光纖連接困難光纖怕水第二十七頁，共五十三頁。二、光纖通信的應(yīng)用通信網(wǎng)主要用于電信網(wǎng)中的語音和數(shù)據(jù)傳輸計算機局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)如光纖以太網(wǎng)、路由器之間的高速傳輸鏈路等有線電視網(wǎng)如有線電視的干線和分配網(wǎng)、工業(yè)電視系統(tǒng)的監(jiān)控、自動控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)染C合業(yè)務(wù)的光纖接入網(wǎng)實現(xiàn)用戶的（大）寬帶接入，光纖是理想的選擇第二十八頁，共五十三頁。1.3光纖通信系統(tǒng)的分類與組成光纖通信系統(tǒng)可以傳送數(shù)字信號或模擬信號傳送的信息可以是語音、數(shù)據(jù)、圖像、視頻等多媒體業(yè)務(wù)第二十九頁，共五十三頁。一、光纖通信系統(tǒng)的分類光纖通信系統(tǒng)有多種不同的應(yīng)用形式，可以按照不同分類方法進行分類1．按照傳輸信號類型分2．按照光波長和光纖類型分3．按照調(diào)制方式分第三十頁，共五十三頁。1．按照傳輸信號類型分

光纖模擬通信系統(tǒng)用模擬電信號對光源強度調(diào)制，即傳輸?shù)氖悄M信號如廣播電視節(jié)目、工業(yè)和交通監(jiān)控信號等光纖數(shù)字通信系統(tǒng)采用PCM電信號對光源強度調(diào)制，即傳輸?shù)氖菙?shù)字信號如長途骨干網(wǎng)、城市環(huán)網(wǎng)等第三十一頁，共五十三頁。2．按照光波長和光纖類型分短波長（850nm）多模光纖通信系統(tǒng)通常速率低于34Mb/s，中繼距離在10km內(nèi)。長波長（1310nm）多模光纖通信系統(tǒng)速率可以達到140Mb/s，中繼距離20km。長波長（1310nm）單模光纖通信系統(tǒng)速率為140Mb/s，中繼距離為30~50km。長波長（1550nm）單模光纖通信系統(tǒng)速率可以達到565Mb/s以上，中繼距離可達70km第三十二頁，共五十三頁。3．按照調(diào)制方式分直接強度調(diào)制光纖通信系統(tǒng)采用電信號直接對光源強度調(diào)制，在接收端用光檢測器直接檢測目前實用的光纖通信系統(tǒng)主要采用這類調(diào)制方式，其速率已達10Gb/s外調(diào)制光纖通信系統(tǒng)在光源發(fā)出光后，在光的輸出通路上外加調(diào)制器（如電光晶體等）對光載波調(diào)制高速系統(tǒng)第三十三頁，共五十三頁。4．其它分類方式公用光纖通信系統(tǒng)和專用光纖通信系統(tǒng)PDH光纖通信系統(tǒng)和SDH光纖通信系統(tǒng)第三十四頁，共五十三頁。二、光纖通信系統(tǒng)的基本組成主要組成部分包括光纖光發(fā)送器光接收器光中繼器適當?shù)慕涌谠O(shè)備第三十五頁，共五十三頁。二、光纖通信系統(tǒng)的基本組成光發(fā)送機的作用是將電信號轉(zhuǎn)換為光信號（E/O變換），并將生成的光信號注入光纖光發(fā)送機一般由驅(qū)動電路、光源和調(diào)制器構(gòu)成，其核心是光源常用的光源有半導(dǎo)體激光器和半導(dǎo)體發(fā)光二極管第三十六頁，共五十三頁。二、光纖通信系統(tǒng)的基本組成光接收機的作用是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，通常有放大、再生等功能光接收機由光檢測器、放大器和相關(guān)電路組成光－電信號的轉(zhuǎn)換由光檢測器完成，廣泛使用的有PIN光電二極管和雪崩光電二極管（APD）第三十七頁，共五十三頁。二、光纖通信系統(tǒng)的基本組成光纖線路是光信號的傳輸媒介，包括光纖、光纖接頭和光纖連接器要求光纖的傳輸衰減和色散盡可能小目前使用的光纖均為石英光纖，其損耗－波長特性中有三個低損耗區(qū)（三個窗口）850nm 2dB/km1310nm 0.4dB/km1550nm 0.2dB/km第三十八頁，共五十三頁。二、光纖通信系統(tǒng)的基本組成遠距離的光纖通信系統(tǒng)還需要采用光中繼機，實現(xiàn)光信號的中繼傳輸目前使用的石英光纖有多模光纖和單模光纖單模光纖的傳輸性能較好，因此在大容量、長距離的光纖傳輸系統(tǒng)中都采用單模光纖第三十九頁，共五十三頁。二、光纖通信系統(tǒng)的基本組成比較常見的光纖有G.651光纖（漸變折射率多模光纖）G.652光纖（常規(guī)單模光纖）G.653光纖（色散位移光纖）G.654光纖（低損耗光纖）G.655光纖（非零色散位移光纖）第四十頁，共五十三頁。三、光纖通信的支撐技術(shù)從1976年光纖通信實用化以來，其通信容量發(fā)展迅速，這主要得益于下列支撐技術(shù)的發(fā)展光纖光源SDH傳輸體制光放大器WDM復(fù)用技術(shù)全光網(wǎng)絡(luò)第四十一頁，共五十三頁。1．光纖光纖是構(gòu)建光傳輸網(wǎng)的傳輸媒介，目前使用的通信光纖都是石英光纖光纖的主要傳輸特性是它的損耗、色散等，光信號在注入光纖后，由于損耗和色散，會導(dǎo)致信號隨距離的增加而產(chǎn)生連續(xù)的衰減和失真多模光纖只能用于短距離、低速率的傳輸系統(tǒng)1984年單模光纖取代多模光纖作為長距離的光纖通信系統(tǒng)的傳輸媒介第四十二頁，共五十三頁。2．光源和光檢測器光纖通信采用的光源是半導(dǎo)體光源，如半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）和半導(dǎo)體激光器（LD）半導(dǎo)體發(fā)光二極管是基于自發(fā)輻射發(fā)光機理的發(fā)光器件，是非相干光源如局域網(wǎng)中半導(dǎo)體激光器是基于光的受激輻射放大機理的發(fā)光器件，是相干光源，相干光源具有很好的單色性和方向性高速率、長距離的光纖通信第四十三頁，共五十三頁。2．光源和光檢測器光檢測器將收到的極其微弱并有所失真的光信號轉(zhuǎn)換為電信號最主要的指標參數(shù)是接收靈敏度即在設(shè)計速率上滿足給定的誤碼率（或信噪比）條件下的最小光功率接收機所能達到的性能指標取決于光檢測器的類型、噪聲的影響等第四十四頁，共五十三頁。3．SDH傳輸體制為了充分利用光纖信道的帶寬，需要將眾多數(shù)字信號復(fù)接成高速率信號準同步數(shù)字復(fù)接體制（PDH，PlesiochronousDigitalHierarchy）同步數(shù)字系列（SDH，SynchronousDigitalHierarchy）第四十五頁，共五十三頁。3．SDH傳輸體制PDH32個數(shù)字話路組成一個PCM基群（2M/s）4個2M信號組成一個8M的二次群（8M/s）4個8M信號復(fù)接成一個34M的三次群第四十六頁，共五十三頁。3．SDH傳輸體制SDH是針對PDH存在的問題而出現(xiàn)的一種傳輸體制，適合高速光纖線路傳輸SONETOC等級ITU－TSDH等級線路速率（M/s）簡稱OC－151.84OC－3STM－1155.520155MOC－12STM－4622.08622MOC－241244.16OC－48STM－162488.322.5GOC－192STM－649953.2810G第四十七頁，共五十三頁。3．SDH傳輸體制最基本的STM-1信號是承載在一個125μs的幀結(jié)構(gòu)中幀結(jié)構(gòu)包括了所有的傳送開銷和有效信息載荷較高速的STM-N信號是由N個STM-1按字節(jié)間插復(fù)用而成第四十八頁，共五十三頁。4．光放大器1989年，光纖放大器的使用是光纖通信發(fā)展過程中的一個突破性進展直接對光進行放大，簡化了原有的光－電－光中繼，使中繼成本下降光放大器以摻鉺光放大器（EDFA）應(yīng)用最為成功并廣泛使用，它工作于1550nm波長，與光纖的第三個低損耗窗口相一致EDFA促進了WDM技術(shù)的實用化第四十九頁，共五十三頁。5．WDM復(fù)用技術(shù)波分復(fù)用（WDM，WavelengthDivisionMultiplex）技術(shù)是光纖通信史上繼光放大器之后的又一次突破性進展WDM的基本思想是在一根光纖中耦合多個波長，從而提高每根光纖的總帶寬例如，在同一根光纖中每個波長