光纖通信第一章詳解演示文稿

光纖通信第一章詳解演示文稿當前第1頁\共有50頁\編于星期四\19點優(yōu)選光纖通信第一章當前第2頁\共有50頁\編于星期四\19點第1章概論

1.1光纖通信發(fā)展的歷史和現狀探索時期的光通信原始形式的光通信中國古代-----“烽火臺”報警歐洲人---------旗語傳送信息

1880年，美國人貝爾(Bell)發(fā)明了用光波作載波傳送話音的“光電話”。這種光電話利用太陽光或弧光燈作光源，通過透鏡把光束聚焦在送話器前的振動鏡片上，使光強度隨話音的變化而變化，實現話音對光強度的調制。在接收端，用拋物面反射鏡把從大氣傳來的光束反射到硅光電池上，使光信號變換為電流，傳送到受話器。當前第3頁\共有50頁\編于星期四\19點因為缺乏理想的光源和傳輸介質，這種光電話的傳輸距離很短，并沒有實際應用價值，然而，光電話的發(fā)明證明了用光波作為載波傳送信息的可行性。因此，貝爾光電話是現代光通信的雛型。光源：（1）1960年美國人梅曼(Maiman)發(fā)明了第一臺紅寶石激光器。（2）氦—氖(He-Ne)激光器（3）二氧化碳(CO2)激光器激光具有波譜寬度窄，方向性極好，亮度極高，以及頻率和相位較一致的良好特性。是一種理想的光載波。激光器的發(fā)明和應用，使沉睡了80年的光通信進入一個嶄新的階段。當前第4頁\共有50頁\編于星期四\19點傳輸介質：美國麻省理工學院利用He-Ne激光器和CO2激光器進行了大氣激光通信試驗。實驗證明：通過大氣的傳播承載信息的光波，實現點對點的通信是可行的。但是通信的距離和穩(wěn)定性都受到極大的限制，體現在以下兩個方面：（1）通過大氣，光波能量衰減很大。例如，雨能造成30dB/km的衰減，濃霧衰減高達120dB/km。（2）大氣的密度和溫度不均勻，造成折射率的變化，使光束位置發(fā)生偏移。固體激光器(例如“銣玻璃激光器”和“砷化鎵激光器”)的發(fā)明大大提高了發(fā)射光功率，延長了傳輸距離，使大氣激光通信可以在江河兩岸、海島之間和衛(wèi)星與地面之間使用。當前第5頁\共有50頁\編于星期四\19點為了克服氣候對激光通信的影響，人們自然想到把激光束限制在特定的空間內傳輸。因而提出了透鏡波導和反射鏡波導的光波傳輸系統(tǒng)。透鏡波導是在金屬管內每隔一定距離安裝一個透鏡，每個透鏡把經傳輸的光束會聚到下一個透鏡而實現的。反射鏡波導和透鏡波導相似，是用與光束傳輸方向成45°角的二個平行反射鏡代替透鏡而構成的。這兩種波導，從理論上講是可行的，但在實際應用中遇到了不可克服的困難。首先，現場施工中校準和安裝十分復雜；其次，為了防止地面活動對波導的影響，必須把波導深埋或選擇在人車稀少的地區(qū)使用。由于沒有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質，對光通信的研究曾一度走入了低潮。當前第6頁\共有50頁\編于星期四\19點

現代光纖通信

1966年，英籍華裔學者高錕(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)發(fā)表了關于傳輸介質新概念的論文，指出了利用光纖(OpticalFiber)進行信息傳輸的可能性和技術途徑，奠定了現代光通信——光纖通信的基礎。高錕等人指出：當時石英纖維的損耗高達1000dB/km以上而是由于材料中的雜質，例如過渡金屬(Fe、Cu等)離子的吸收產生的。如果把材料中金屬離子含量的比重降低到10-6以下，就可以使光纖損耗減小到10dB/km。再通過改進制造工藝的熱處理提高材料的均勻性，可以進一步把損耗減小到幾dB/km。當前第7頁\共有50頁\編于星期四\19點一、光纖研制的發(fā)展（1）1970年美國康寧(Corning)公司就研制成功損耗20dB/km的石英光纖。使光纖通信可以和同軸電纜通信競爭，從而展現了光纖通信美好的前景。（2）1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4dB/km。（3）1973年，美國貝爾(Bell)實驗室光纖損耗降低到2.5dB/km。（4）1974年降低到1.1dB/km。（5）1976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1.2μm)。（6）1979年0.20dB/km，1984年0.157dB/km。（7）1986年0.154dB/km，接近了光纖最低損耗的理論極限。當前第8頁\共有50頁\編于星期四\19點二、光源研制的發(fā)展（1）1970年，美國貝爾實驗室、日本電氣公司(NEC)和前蘇聯先后研制成功室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷(GaAlAs)雙異質結半導體激光器(短波長)。壽命只有幾個小時。（2）1973年，半導體激光器壽命達到7000小時。（3）1977年，貝爾實驗室研制的半導體激光器壽命達到10萬小時(約11.4年)，外推壽命達到100萬小時，完全滿足實用化的要求。（4）1976年日本電報電話公司研制成功發(fā)射波長為1.3μm的銦鎵砷磷(InGaAsP)激光器（5）1979年美國電報電話(AT&T)公司和日本電報電話公司研制成功發(fā)射波長為1.55μm的連續(xù)振蕩半導體激光器。當前第9頁\共有50頁\編于星期四\19點

由于光纖和半導體激光器的技術進步，使1970年成為光纖通信發(fā)展的一個重要里程碑。（1）1976年，美國在亞特蘭大(Atlanta)進行了世界上第一個實用光纖通信系統(tǒng)的現場試驗，系統(tǒng)采用GaAlAs激光器作光源，多模光纖作傳輸介質，速率為44.7Mb/s，傳輸距離約10km。（2）1983年敷設了縱貫日本南北的光纜長途干線，全長3400km，初期傳輸速率為400Mb/s，后來擴容到1.6Gb/s。（3）1989年建成第一條橫跨太平洋的TPC-3/HAW-4，全長13200km。當前第10頁\共有50頁\編于星期四\19點光纖通信從研究到應用，發(fā)展非常迅速：技術上不斷更新換代，通信能力(傳輸速率和中繼距離)不斷提高，應用范圍不斷擴大。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)，這是從基礎研究到商業(yè)應用的開發(fā)時期。在這個時期，實現了短波長(0.85μm)低速率(45或34Mb/s)多模光纖通信系統(tǒng)，無中繼傳輸距離約10km。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用的大發(fā)展時期。在這個時期，光纖從多模發(fā)展到單模，工作波長從短波長(0.85μm)發(fā)展到長波長(1.31μm和1.55μm)，實現了工作波長為1.31μm、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100~50km。當前第11頁\共有50頁\編于星期四\19點第三階段(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研究的時期。在這個時期，實現了1.55μm色散移位單模光纖通信系統(tǒng)。采用外調制技術，傳輸速率可達2.5~10Gb/s，無中繼傳輸距離可達150~100km。實驗室可以達到更高水平。目前，正在開展研究光纖通信新技術，例如，光纖放大器，全光通信，超大容量的波分復用(WDM)光纖通信系統(tǒng)和超長距離的光孤子(Soliton)通信系統(tǒng)。當前第12頁\共有50頁\編于星期四\19點

國內外光纖通信發(fā)展的現狀

1976年美國在亞特蘭大進行的現場試驗，標志著光纖通信從基礎研究發(fā)展到了商業(yè)應用的新階段?，F在發(fā)展的狀況為（1）光纖從多模發(fā)展到單模。（2）工作波長從0.85μm發(fā)展到1.31μm和1.55μm。（3）傳輸速率從幾十Mb/s發(fā)展到幾十Gb/s。（4）從初期的市話局間中繼到長途干線進一步延伸到用戶接入網。（5）從數字電話到有線電視(CATV)，（6）從單一類型信息的傳輸到多種業(yè)務的傳輸。當前第13頁\共有50頁\編于星期四\19點在許多發(fā)達國家，生產光纖通信產品的行業(yè)已在國民經濟中占重要地位。根據資料，僅光纜產品一項(約占整個光纖通信產品的一半)，1995年在世界市場銷售額達38億美元。表1.1世界成纜光纖市場銷售量

年份19941995199619971998199920002001光纖銷售總長度/104km18102300290034704070473055806570當前第14頁\共有50頁\編于星期四\19點表1.2世界市場單模光纖平均價格

年份19941995199619971998199920002001價格/($·km-1)6867726960524644表1.3世界成纜單模光纖市場銷售量年份199819992000200120022003光纖銷售總長度/104km411046005350623072008110當前第15頁\共有50頁\編于星期四\19點1.2光纖通信的優(yōu)點和應用光通信與電通信任何通信系統(tǒng)追求的最終技術目標：可靠地實現最大可能的信息傳輸容量和傳輸距離。載波頻率越高（光波）頻帶寬度越寬傳輸容量越大圖1.1部分電磁波頻譜當前第16頁\共有50頁\編于星期四\19點光通信和電通信的主要差別：（1）電通信的載波是電波，光纖通信的載波是光波。光纖通信用的近紅外光(波長約1μm)的頻率(約300THz)比微波(波長為0.1m~1mm)的頻率(3~300GHz)高3個數量級以上。光纖通信用的近紅外光(波長為0.7~1.7μm)頻帶寬度約為200THz，在常用的1.31μm和1.55μm兩個波長窗口頻帶寬度也在20THz以上。目前光纖通信用到的帶寬一般只有20GHz，因此還有3個數量級以上的帶寬潛力可以挖掘。當前第17頁\共有50頁\編于星期四\19點二、電通信用電纜傳輸信號，光通信用光纖傳輸信號光纜具有比電纜更小的高頻率傳輸損耗圖1.2各種傳輸線路的損耗特性當前第18頁\共有50頁\編于星期四\19點

光纖通信的優(yōu)點在光纖通信系統(tǒng)中，作為載波的光波頻率比電波頻率高得多，而作為傳輸介質的光纖又比同軸電纜或波導管的損耗低得多，因此相對于電纜通信或微波通信，光纖通信具有許多獨特的優(yōu)點。

1.容許頻帶很寬，傳輸容量很大光纖通信系統(tǒng)的容許頻帶(帶寬)取決于光源的調制特性、調制方式和光纖的色散特性。（1）在零色散波長窗口，單模光纖都具有幾十GHz·km的帶寬。（2）可以采用多種復用技術來增加傳輸容量。（3）采用波分復用(WDM)或光頻分復用(OFDM)是增加光纖通信系統(tǒng)傳輸容量最有效的方法。（4）減小光源譜線寬度和采用外調制方式。當前第19頁\共有50頁\編于星期四\19點表1.4列出早已實現的單一波長光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量和中繼距離。目前，單波長光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率一般為2.5Gb/s和10Gb/s。采用外調制技術，傳輸速率可以達到40Gb/s。波分復用(WDM)和光時分復用(TDM)更是極大地增加了傳輸容量，見表1.５。WDM最高水平為132個信道，傳輸容量為20Gb/s×132=2640Gb/s，相當于120km的距離傳輸了3.3×108條話路。當前第20頁\共有50頁\編于星期四\19點表1.4光纖通信與電纜或微波通信傳輸能力的比較

通信手段傳輸容量(話路)/條中繼距離/km1000km內中繼器個數微波無線電9605020小同軸9604250中同軸180061600光纜19203033光纜14000(1Gb/s)8411光纜6000(445MB/S)1347當前第21頁\共有50頁\編于星期四\19點表1.5WDM和TDM光纖通信試驗系統(tǒng)的傳輸能力復用技術傳輸容量/Gb·s-1傳輸距離/km跨距/km研制單位備注WDM20×1720T&TNECTDM1602020200103

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50140NTTNTT法Telcom單通道環(huán)測當前第22頁\共有50頁\編于星期四\19點2.損耗很小，中繼距離很長且誤碼率很小石英光纖在1.31μm和1.55μm波長，傳輸損耗分別為0.50dB/km和0.20dB/km，甚至更低。因此，用光纖比用同軸電纜或波導管的中繼距離長得多，見表1.4。目前，采用外調制技術，波長為1.55μm的色散移位單模光纖通信系統(tǒng)，若其傳輸速率為2.5Gb/s，則中繼距離可達150km；若其傳輸速率為10Gb/s，則中繼距離可達100km。當前第23頁\共有50頁\編于星期四\19點3.重量輕、體積小表1.6給出了鋁/聚乙烯粘結護套(LAP)單元結構光纜和標準同軸電纜的重量和截面積的比較。項目

8芯

18芯光纜電纜光纜電纜重量/(kg·m-1)重量比0.4216.3150.4211126直徑/mm截面積比211475211659.6表1.6光纜和電纜的重量和截面積比較

當前第24頁\共有50頁\編于星期四\19點例:

在美國A-7飛機上，用光纖通信代替電纜通信，使飛機重量減輕27磅(約12.247kg)，相當于飛機制造成本減少27萬美元。從北京到上海的相同容量的同軸電纜跟光纖相比。用電纜需銅866966kg，鋁2916290kg。若改用光纖，則只需純石英10kg。當前第25頁\共有50頁\編于星期四\19點

4.抗電磁干擾性能好光纖由電絕緣的石英材料制成，光纖通信線路不受各種電磁場的干擾和閃電雷擊的損壞。無金屬光纜非常適合于存在強電磁場干擾的高壓電力線路周圍和油田、煤礦等易燃易爆環(huán)境中使用。光纖(復合)架空地線(OpticalFiberOverheadGroundWire,OPGW)是光纖與電力輸送系統(tǒng)的地線組合而成的通信光纜，已在電力系統(tǒng)的通信中發(fā)揮重要作用。

當前第26頁\共有50頁\編于星期四\19點

5.泄漏小，保密性能好在光纖中傳輸的光泄漏非常微弱，即使在彎曲地段也無法竊聽。沒有專用的特殊工具，光纖不能分接，因此信息在光纖中傳輸非常安全。當前第27頁\共有50頁\編于星期四\19點

6.節(jié)約金屬材料，有利于資源合理使用制造同軸電纜和波導管的銅、鋁、鉛等金屬材料，在地球上的儲存量是有限的；而制造光纖的石英(SiO2)在地球上基本上是取之不盡的材料。制造8km管中同軸電纜，1km需要120kg銅和500kg鋁；而制造8km光纖只需320g石英。所以，推廣光纖通信，有利于地球資源的合理使用。當前第28頁\共有50頁\編于星期四\19點圖1.3各種通信系統(tǒng)相對造價與傳輸容量的比較隨著傳輸容量的增加，由于采用了新的傳輸媒質，使得相對造價直線下降。當前第29頁\共有50頁\編于星期四\19點

光纖通信的應用光纖可以傳輸數字信號，也可以傳輸模擬信號。光纖應用廣泛如：通信網、廣播電視網、與計算機網以及在其它數據傳輸系統(tǒng)中。光纖寬帶干線傳送網和接入網發(fā)展迅速，是當前研究開發(fā)應用的主要目標。光纖通信的各種應用可概括如下：①通信網，包括全球通信網(如橫跨大西洋和太平洋的海底光纜和跨越歐亞大陸的洲際光纜干線)、各國的公共電信網(如我國的國家一級干線、各省二級干線和縣以下的支線)、各種專用通信網(如電力、鐵道、國防等部門通信、指揮、調度、監(jiān)控的光纜系統(tǒng))、特殊通信手段(如石油、化工、煤礦等部門易燃易爆環(huán)境下使用的光纜，以及飛機、軍艦、潛艇、導彈和宇宙飛船內部的光纜系統(tǒng))。當前第30頁\共有50頁\編于星期四\19點②構成因特網的計算機局域網和廣域網，如光纖以太網、路由器之間的光纖高速傳輸鏈路。③有線電視網的干線和分配網；工業(yè)電視系統(tǒng)，如工廠、銀行、商場、交通和公安部門的監(jiān)控；自動控制系統(tǒng)的數據傳輸。④綜合業(yè)務光纖接入網，分為有源接入網和無源接入網，可實現電話、數據、視頻(會議電視、可視電話等)及多媒體業(yè)務綜合接入核心網，提供各種各樣的社區(qū)服務。當前第31頁\共有50頁\編于星期四\19點1.3光纖通信系統(tǒng)的基本組成

光纖通信系統(tǒng)可以傳輸數字信號，也可以傳輸模擬信號?？梢詡鬏斣捯簟D像、數據或多媒體信息。圖1.4光纖通信系統(tǒng)的基本組成(單向傳輸)當前第32頁\共有50頁\編于星期四\19點Point-to-PointCommunicationLink

當前第33頁\共有50頁\編于星期四\19點

發(fā)射和接收一、發(fā)射數字信號：電發(fā)射機：把基帶信號轉換為適合信道傳輸的電信號(脈沖編碼調制)光發(fā)射機：把電信號轉換成適合在光纖中傳輸的光信號（編碼、調制）對于模擬電視傳輸，則用攝像機把圖像轉換為6MHz的模擬基帶信號，直接輸入光發(fā)射機。二、接收與發(fā)射過程相反當前第34頁\共有50頁\編于星期四\19點模擬信號傳輸的復用：為提高傳輸質量，通常把這種模擬基帶信號轉換為頻率調制(FM)、脈沖頻率調制(PFM)或脈沖寬度調制(PWM)信號，最后把這種已調信號輸入光發(fā)射機。還可以采用頻分復用(FDM)技術，用來自不同信息源的視頻模擬基帶信號(或數字基帶信號)分別調制指定的不同頻率的射頻(RF)電波，然后把多個這種帶有信息的RF信號組合成多路寬帶信號，最后輸入光發(fā)射機，由光載波進行傳輸。在這個過程中，受調制的RF電波稱為副載波，這種采用頻分復用的多路電視傳輸技術，稱為副載波復用(SCM)。

當前第35頁\共有50頁\編于星期四\19點

基本光纖傳輸系統(tǒng)基本光纖傳輸系統(tǒng)作為獨立的“光信道”單元，可以和其它設備相結合，構成結構更復雜，功能更強大的通信系統(tǒng)?；竟饫w傳輸系統(tǒng)由光發(fā)射機、光纖線路和光接收機三個部分組成。當前第36頁\共有50頁\編于星期四\19點

1.光發(fā)射機功能：是把輸入電信號轉換為光信號，并用耦合技術把光信號最大限度地注入光纖線路。核心：光源。要求光源輸出光功率足夠大，調制頻率足夠高，譜線寬度和光束發(fā)散角盡可能小，輸出功率和波長穩(wěn)定，器件壽命長。目前廣泛使用的光源有半導體發(fā)光二極管(LED)和半導體激光二極管(或稱激光器)(LD)當前第37頁\共有50頁\編于星期四\19點LED(Lightemittingdiode)LD(laserdiode)當前第38頁\共有50頁\編于星期四\19點

圖1.5兩種調制方案

(a)直接調制；(b)間接調制(外調制)當前第39頁\共有50頁\編于星期四\19點

2.光纖線路功能：把來自光發(fā)射機的光信號，以盡可能小的畸變(失真)和衰減傳輸到光接收機。光纖線路由光纖、光纖接頭和光纖連接器組成。光纖線路的性能主要由纜內光纖的傳輸特性決定。對光纖的基本要求是損耗和色散這兩個傳輸特性參數都盡可能地小，而且有足夠好的機械特性和環(huán)境特性，當前第40頁\共有50頁\編于星期四\19點Connectors當前第41頁\共有50頁\編于星期四\19點石英光纖在在0.85μm、1.31μm和1.55μm有三個損耗很小的波長“窗口”。在這三個波長窗口損耗分別小于2dB/km、0.4dB/km和0.2dB/km。石英光纖在波長1.31μm色散為零。作為光源的激光器的發(fā)射波長和作為光檢測器的光電二極管的波長響應，都要和光纖這三個波長窗口相一致。當前第42頁\共有50頁\編于星期四\19點3.光接收機功能：把從光纖線路輸出、產生畸變和衰減的微弱光信號轉換為電信號，并經放大和處理后恢復成發(fā)射前的電信號。核心：光檢測器。對光檢測器的要求是響應度高、噪聲低和響應速度快。當前第43頁\共有50頁\編于星期四\19點PIN(PositiveIntrinsicNegative)APD(Avalanchephotodiodes)目前廣泛使用的光檢測器有兩種類型：在半導體PN結中加入本征層的PIN光電二極管(PIN-PD)和雪崩光電二極管(APD)。當前第44頁\共有50頁\編于星期四\19點光接收機把光信號轉換為電信號的過程(常簡稱為光/電或O/E轉換)，是通過光檢測器的檢測實現的。檢測方式有直接檢測和外差檢測兩種。直接檢測是用檢測器直接把光信號轉換為電信號。這種檢測方式設備簡單、經濟實用，是當前光纖通信系統(tǒng)普遍采用的方式。外差檢測要設置一個本地振蕩器和一個光混頻器，使本地振蕩光和光纖輸出的信號光在混頻器中產生差拍而輸出中頻光信號，再由光檢測器把中頻光信號轉換為電信號。外差檢測方式的難點是需要頻率非常穩(wěn)定，相位和偏振方向可控制，譜線寬度很窄的單模激光源；優(yōu)點是有很高的接收靈敏度。當前第45頁\共有50頁\編于星期四\19點目前，實用光纖通信系統(tǒng)普遍采用直接調制—直接檢測方式。外調制—外差檢測方式雖然技術復雜，但是傳輸速率和接收靈敏度很高，是很有發(fā)展前途的通信方式。

光接收機最重要的特性參數是靈敏度。靈敏度是衡量光接收機質量的綜合指標，它反映接收機調整到最佳狀態(tài)時，接收微弱光信號的能力。靈敏度主要取決于組成光接收機的光電二極管和放大器的噪聲，并受傳輸速率、光發(fā)射機的參數和光纖線路的色散的影響，還與系統(tǒng)要求的誤碼率或信噪比有密切關系。所以靈敏度也是反映光纖通信系統(tǒng)質量的重要指標。當前第46頁\共有50頁\編于星期四\19點

數字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)數字光纖通信系統(tǒng)比模擬光纖通信系統(tǒng)具有更多的優(yōu)點，也更能適應社會對通信能力和通信質量越來越高的要求。