光纖通信概述

光纖通信概述第一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五第二章光纖傳輸理論2第四章光源與光發(fā)射機(jī)4第三章光/光纖器件3第五章光探測器與光接收機(jī)5第一章光纖通信概述1第六章光放大技術(shù)6第七章數(shù)字光纖通信系統(tǒng)7第八章模擬光纖通信系統(tǒng)8本課程的主要內(nèi)容第二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*2第一章光纖通信概述第三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*3§1-0光纖通信是光電子學(xué)重要分支；§1-1光纖技術(shù)的發(fā)展簡史；§1-2光纖通信的發(fā)展；§1-3光纖通信系統(tǒng)的基本組成與應(yīng)用；§1-4光纖通信的新發(fā)展；

光學(xué)軟件介紹；本章思考題。第一章的主要內(nèi)容第四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*4

21世紀(jì)是光電子的世紀(jì)，光電子產(chǎn)業(yè)是21世紀(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。光纖通信正在以超摩爾定律的速度發(fā)展，其容量及光電器件的性能每9個(gè)月就會(huì)翻一番。光電子學(xué)，是研究以光子作為信息載體和能量載體的科學(xué)，研究光子是如何產(chǎn)生及其運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)化的規(guī)律，研究光子的產(chǎn)生、傳輸、控制和探測的科學(xué)技術(shù)。光纖技術(shù)是光電子學(xué)的一個(gè)重要分支，于20世紀(jì)60年代中期開始發(fā)展，并且在光纖通信和光纖傳感等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，五十年來得到了迅速的發(fā)展，已經(jīng)改變了人類生活的許多方面，成為人類生活不可缺少的部分。§1-0光纖通信是光電子學(xué)重要分支第五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*5光通信：高速大容量光纖通信、計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)、自由空間光通信光信息處理：光存儲(chǔ)、光顯示、復(fù)印、打印光傳感：各種物理量、化學(xué)量等檢測光電檢測/測量：精密時(shí)間、幾何量測量，比如激光雷達(dá)、光遙感、光遙控、制導(dǎo)等（未完，轉(zhuǎn)接下頁）光電子學(xué)的應(yīng)用范疇§1-0光纖通信是光電子學(xué)重要分支第六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*6（下接上頁）光能量方面：太陽能、激光加工、激光生物醫(yī)療、激光武器等照明：傳統(tǒng)照明光路的設(shè)計(jì)、LED節(jié)能低碳照明。光學(xué)設(shè)計(jì)：光學(xué)系統(tǒng)（光學(xué)鏡頭以及實(shí)現(xiàn)各種功能的光路設(shè)計(jì)）、光電系統(tǒng)、光機(jī)電設(shè)備光電子學(xué)的應(yīng)用范疇§1-0光纖通信是光電子學(xué)重要分支第七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*7§1-1光纖技術(shù)的發(fā)展簡史一、起源1956年，英國人Kapany首創(chuàng)光導(dǎo)纖維（光纖）一詞，并把柔性纖維鏡應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域（1951年），60年代，光導(dǎo)纖維的損耗大于1000dB/km。二、發(fā)展史與里程碑

1621年，荷蘭的數(shù)學(xué)教授WillebrodvanRoijenSnellius發(fā)現(xiàn)了著名的Snell定律。1870年,英國皇家學(xué)會(huì)的JohnTyndall演示了光在一束細(xì)水流中進(jìn)行全內(nèi)反射傳輸?shù)默F(xiàn)象。第八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*8該實(shí)驗(yàn)也是證明全內(nèi)反射現(xiàn)象存在的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)?！?-1光纖技術(shù)的發(fā)展簡史第九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*91880年，貝爾發(fā)明了第一個(gè)光電話，貝爾光電話和烽火報(bào)警一樣，都是利用大氣作為光通道，光波傳播易受氣候條件的影響。§1-1光纖技術(shù)的發(fā)展簡史第十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*10§1-1光纖技術(shù)的發(fā)展簡史

從此，人們越來越多地用光導(dǎo)纖維傳遞光線和圖像。問題：光的衰減很厲害！1966年，英籍華人高錕(KaoC.)發(fā)表了具有著名歷史意義的論文“Dielectric-fibreSurfaceWaveguidesforOpticalFrequencies”（光頻介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)），理論上證明了玻璃光纖損耗可以降至20dB/km，為光纖通信和光纖的其他應(yīng)用開辟了道路。世界光纖之父：高錕(KaoC.)第十一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*11光纖技術(shù)在照明方面的具體應(yīng)用以及世界光纖之父高錕照明（一）照明（二）公園夜景裝飾室內(nèi)燈光裝飾世界光纖之父—高錕第十二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*12§1-1光纖技術(shù)的發(fā)展簡史

1970年，康寧玻璃公司(CorningGlassCo.）RobertMaurer率先研制成功損耗低于20dB/km的石英光纖，取得了重要的技術(shù)突破；同年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室又成功地研制出能在常溫下連續(xù)工作的半導(dǎo)體激光器（GaAlAs）。光纖元年：1970年。第十三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*13§1-2光纖通信的發(fā)展什么是光纖通信？指利用光導(dǎo)纖維做媒體，用光波來載送信息的通信方式。一、光纖通信的優(yōu)點(diǎn)1.頻帶寬，通信容量大；2.損耗小，傳輸距離長；3.抗電磁干擾：相互之間不會(huì)干擾，石英材料抗外界電磁干擾、抗雷電損壞；第十四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*14§1-2光纖通信的發(fā)展4.抗噪聲干擾：石英材料抗電機(jī)、熒光燈等其他電器的電磁干擾；5.體積小，重量輕，成本低，便于施工；6.保密性好，不向外輻射能量即使彎曲地段也無法竊聽；7.材料源豐富。第十五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*15§1-2光纖通信的發(fā)展二、光纖通信的發(fā)展階段1.第一代光纖通信系統(tǒng)20世紀(jì)70年代末投入營運(yùn)，由0.85μm的光源和多模光纖構(gòu)成。0.85μm光纖損耗較大，傳輸帶寬有限，因而第一代只適用于低速率、短距離的傳輸。亞特蘭大第一條：44Mb/s，約10km。2.第二代光纖通信系統(tǒng)20世紀(jì)80年代初投入營運(yùn)，采用1.3μm的LED或LD作為光源，多模光纖作為傳輸介質(zhì)。第十六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*16§1-2光纖通信的發(fā)展多模光纖的色散限制了傳輸速率，也只能應(yīng)用于低速率場合。140Mb/s以下，距離20km。3.第三代光纖通信系統(tǒng)20世紀(jì)80年代中期開始投入營運(yùn)。（1）1.3μm的半導(dǎo)體激光器為光源，1.3μm的單模光纖作為傳輸介質(zhì)。典型的速率140Mb/s，中繼距離大于30km。（2）1.55μm激光器作為光源，1.55μm的單模光纖作為傳輸介質(zhì)。典型速率565Mb/s、622Mb/s、2.488Gb/s，中繼距離大于100km，上世紀(jì)80年代后期大量投入使用。第十七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*17§1-2光纖通信的發(fā)展4.第四代光纖通信系統(tǒng)特征：（1）WDM技術(shù)，在同一根光纖中同時(shí)傳輸多個(gè)光載波信號(hào)；（2）光纖放大器(EDFA)直接對光信號(hào)進(jìn)行放大。速率為10Gb/s以上（40Gb/s），已投入營運(yùn)。5.第五代光纖通信系統(tǒng)(+第六代,最后100米或1km)基于光孤子技術(shù)實(shí)現(xiàn)超長距離傳輸。光孤子：特殊的光波，光脈沖傳輸很長距離后依然不變形、保持原有形狀。光纖非線性壓縮抵消光纖色散引起的脈沖展寬，實(shí)現(xiàn)光脈沖信號(hào)在傳輸過程中保持其形狀不變，即非線性效應(yīng)補(bǔ)償光纖色散。第十八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*182.5Gb/s10Gb/s40Gb/s10Gb/s40Gb/s20Gb/s80Gb/s80Gb/s320Gb/s3216841WDM波長數(shù)40Gb/s每波長比特率三、光纖通信的容量演進(jìn)§1-2光纖通信的發(fā)展第十九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*19四、光纖通信技術(shù)發(fā)展的精髓--提高通信系統(tǒng)容量§1-2光纖通信的發(fā)展光纖通信知識(shí)、技術(shù)、招聘最新進(jìn)展的跟蹤網(wǎng)站：

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第二十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*20§1-3光纖通信系統(tǒng)的基本組成與應(yīng)用一、光纖通信系統(tǒng)的基本組成

光纖通信，就是利用光纖來傳輸攜帶信息的光波以達(dá)到通信的目的。其基本組成如下：光放大器第二十一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*211.信道（光纖線路）完成光信號(hào)（攜帶信息）的傳輸，由光纖/光纜、光纖接頭、光纖連接器組成，其中光纖具有兩個(gè)重要的特性參數(shù)：損耗和色散。0.85μm的約2dB/km，1.31μm的約0.5dB/km，1.55μm的約0.2dB/km。2.光發(fā)射機(jī)功能：完成電信號(hào)→光信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并把光信號(hào)流耦合進(jìn)光纖進(jìn)行傳輸；由光源、驅(qū)動(dòng)電路以及其他輔助電路組成。核心部件：LED或LD光源。通過電信號(hào)對光源的調(diào)制實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換?！?-3光纖通信系統(tǒng)的基本組成與應(yīng)用第二十二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*223.光接收機(jī)功能：完成光信號(hào)(畸變、衰減的微弱光信號(hào))→電信號(hào)的轉(zhuǎn)換；由光電探測器、放大器和相關(guān)處理電路組成。核心部件：PIN或APD光電探測器。通過光電探測器對微弱光信號(hào)的直接檢測實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。驅(qū)動(dòng)電路電信號(hào)光信號(hào)直接調(diào)制實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換：§1-3光纖通信系統(tǒng)的基本組成與應(yīng)用第二十三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*234.光放大器

直接檢測微弱光信號(hào)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換：電信號(hào)光信號(hào)放大器處理電路中繼器光信號(hào)光信號(hào)光纖放大器§1-3光纖通信系統(tǒng)的基本組成與應(yīng)用第二十四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*24二、光纖通信系統(tǒng)的分類根據(jù)光纖的傳導(dǎo)模數(shù)量，光纖通信系統(tǒng)可以分為多模光纖通信系統(tǒng)和單模光纖通信系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)的工作波長，光纖通信系統(tǒng)可分為短波長光纖通信系統(tǒng)、長波長光纖通信系統(tǒng)和超長波長光纖通信系統(tǒng)。根據(jù)調(diào)制信號(hào)的類型，光纖通信系統(tǒng)可以分為模擬光纖通信系統(tǒng)和數(shù)字光纖通信系統(tǒng)。根據(jù)光源的調(diào)制方式，光纖通信系統(tǒng)可以分為直接調(diào)制光纖通信系統(tǒng)和間接調(diào)制光纖通信系統(tǒng)?！?-3光纖通信系統(tǒng)的基本組成與應(yīng)用第二十五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*25三、光纖通信的應(yīng)用1.全球電信中的應(yīng)用。洲際光纜干線、各國公共電信網(wǎng)，計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)（局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)），有線電視網(wǎng)的干線和分配網(wǎng)；2.作為危險(xiǎn)環(huán)境下的通信線。諸如發(fā)電廠、化工廠、石油庫等場所；3.工業(yè)電視系統(tǒng)以及自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。工廠、銀行、商場、交通和公安部門的監(jiān)控?！?-3光纖通信系統(tǒng)的基本組成與應(yīng)用第二十六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*264.應(yīng)用于專用通信網(wǎng)。應(yīng)用于電力、公路、鐵路、礦山等通信專網(wǎng)；5.滿足不同網(wǎng)絡(luò)層面的應(yīng)用。骨干網(wǎng)層面、城域網(wǎng)層面、局域網(wǎng)層面等；6.光纖寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)及光纖用戶線。實(shí)現(xiàn)電話、數(shù)據(jù)、視頻會(huì)議/電話和多媒體業(yè)務(wù)綜合接入核心網(wǎng)，以及各種各樣的社區(qū)服務(wù)?！?-3光纖通信系統(tǒng)的基本組成與應(yīng)用第二十七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*27§1-4光纖通信的新發(fā)展光纖通信最具代表性技術(shù)—WDM和EDFA第二十八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*28

總的來說，B↑L↑→使光通信向理想化方向發(fā)展。發(fā)展趨勢中的技術(shù)更新1.向超高速系統(tǒng)發(fā)展；2.向超大容量DWDM系統(tǒng)演進(jìn)；3.向光傳送網(wǎng)方向發(fā)展；4.向G.655光纖發(fā)展（開發(fā)新型光纖）；5.光孤子通信；6.光纖放大器；7.全光通信（兩個(gè)含義）?！?-4光纖通信的新發(fā)展第二十九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*29光纖通信超高速大容量長距離網(wǎng)絡(luò)化一根光纖中可同時(shí)傳輸一百多路信號(hào)，采用特殊技術(shù)甚至可以同時(shí)傳輸1022路單路速率不斷提升，已達(dá)到10、20、40Gb/s采用OTDM技術(shù)甚至可達(dá)640Gb/s各種通信技術(shù)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(lǐng)域最熱門的話題之一§1-4光纖通信的新發(fā)展2011年，單根光纖每秒106或101兆兆位（美國和日本），每秒鐘傳輸時(shí)長三個(gè)月的高清電視視頻，165公里，380個(gè)激光器發(fā)送光脈沖。第三十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五*30一、光通訊軟件1.optisys/optisystem：光通訊系統(tǒng)、放大器仿真軟件包；2.Fiber-CAD；3.Attolight：光纖光柵設(shè)計(jì)軟件；4.Optigrating：光纖、波導(dǎo)光柵仿真設(shè)計(jì)軟件；5.Optifiber：光纖仿真軟件；6.optiBPM：波導(dǎo)光學(xué)仿真軟件；7.optiAmplifier：光通訊放大器系統(tǒng)仿真軟件；8.optiFDTD：光通訊、光子晶體仿真軟件；9.optiHS：半