光纖通信第二講課文檔

光纖通信課件第二第一頁，共40頁。優(yōu)選光纖通信課件第二版第二頁，共40頁。1.1探索時期的光纖通信1.1880年，美國人貝爾發(fā)明了光電話。實現(xiàn)了用光載波傳送話音。證明了用光載波傳送信息的可行性。2.激光器的發(fā)明激光是高度相干光，具有波譜寬度窄、方向性極好、亮度極高頻率和相位較一致的良好特性。是一種理想的載波。第三頁，共40頁。－1960年，美國人梅曼發(fā)明了第一臺紅寶石激光器。－氦－氖激光器、二氧化碳激光器相繼出現(xiàn)，并投入應(yīng)用－麻省理工學(xué)院進(jìn)行了大氣激光通信實驗證明了：?用激光作為載波實現(xiàn)點對點的通信是可行的。?通信能力和質(zhì)量受氣候的影響十分嚴(yán)重。大氣的吸收、散射使光波的能量損耗很大大氣密度、溫度的變化，造成折射率的變化，使光束發(fā)生偏移。大氣激光通信的距離和穩(wěn)定性受到了極大的限制。第四頁，共40頁。1.1.2現(xiàn)代光纖通信

?1966年，高錕和霍克哈姆提出了利用光纖進(jìn)行通信的可能性和技術(shù)途徑。奠定了現(xiàn)代光通信－光纖通信的基礎(chǔ)。－當(dāng)時石英纖維損耗高達(dá)1000dB/km是雜質(zhì)吸收產(chǎn)生的－材料的本征損耗由瑞利散射決定，與波長的4次方成反比，實際很小。－通過材料的提純可制造低損耗光纖。第五頁，共40頁。光纖的研制進(jìn)程1970年，美國康寧(Corning)公司就研制成功損耗20dB/km的石英光纖。它的意義在于：使光纖通信可以和同軸電纜通信競爭，從而展現(xiàn)了光纖通信美好的前景，促進(jìn)了世界各國相繼投入大量人力物力，把光纖通信的研究開發(fā)推向一個新階段。1972年，康寧公司高純石英多模光纖將損耗降低到4dB/km。1973年，美國貝爾(Bell)實驗室將光纖損耗降低到2.5dB/km。1974年降低到1.1dB/km。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)。1986年是0.154dB/km，接近了光纖最低損耗的理論極限。第六頁，共40頁。光纖通信用激光器的發(fā)展進(jìn)程1970年，美國、日本和前蘇聯(lián)先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。雖然壽命只有幾個小時，但其意義是重大的，它為半導(dǎo)體激光器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1973年，半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到7000小時。1977年，貝爾實驗室研制的半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到10萬小時(約11.4年)，外推壽命達(dá)到100萬小時，完全滿足實用化的要求。第七頁，共40頁。在這個期間：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。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(dǎo)體激光器。由于光纖和半導(dǎo)體激光器的技術(shù)進(jìn)步，使1970年成為光纖通信發(fā)展的一個重要里程碑。第八頁，共40頁。光纖通信發(fā)展的三個階段第一階段(1966－1976年)，這是從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開發(fā)時期。在這個時期，實現(xiàn)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(biāo)并大力推廣應(yīng)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(xiàn)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。第九頁，共40頁。第三階段(1986－1996年)，這是以超大容量、超長距離為目標(biāo)，全面深入開展新技術(shù)研究的時期。在這個時期，實現(xiàn)了1.55μm色散移位單模光纖通信系統(tǒng)。采用外調(diào)制技術(shù)，傳輸速率可達(dá)2.5－10Gb/s，無中繼傳輸距離可達(dá)150－100km。實驗室可以達(dá)到更高水平。目前，正在開展研究的光纖通信新技術(shù)，例如，超大容量的波分復(fù)用(WavelengthDivisionMultiplexing,WDM)光纖通信系統(tǒng)（實現(xiàn)）和超長距離的光孤子(Soliton)通信系統(tǒng)，將在第7章作介紹。第十頁，共40頁。1.1.3國內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀

光纖通信技術(shù)發(fā)展歷程：光纖從多模發(fā)展到單模，工作波長從0.85μm發(fā)展到1.31μm和1.55μm，傳輸速率從幾十Mb/s發(fā)展到幾十Gb/s。另一方面，隨著技術(shù)的進(jìn)步和大規(guī)模產(chǎn)業(yè)的形成，光纖價格不斷下降，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大：從初期的市話局間中繼到長途干線進(jìn)一步延伸到用戶接入網(wǎng)，從數(shù)字電話到有線電視(CATV)，從單一類型信息的傳輸?shù)蕉喾N業(yè)務(wù)的傳輸。目前光纖已成為信息寬帶傳輸?shù)闹饕劫|(zhì)，光纖通信系統(tǒng)成為國家信息基礎(chǔ)設(shè)施的支柱第十一頁，共40頁。1.2光纖通信的優(yōu)點和應(yīng)用任何通信系統(tǒng)追求的最終技術(shù)目標(biāo)都是要可靠地實現(xiàn)最大可能的信息傳輸容量和無中繼傳輸距離。通信系統(tǒng)的傳輸容量取決于對載波調(diào)制的頻帶寬度，載波頻率越高，通信系統(tǒng)的傳輸容量越大。通信技術(shù)發(fā)展的歷史，實際上是一個不斷提高載波頻率和增加傳輸容量的歷史。第十二頁，共40頁。1.2.1光通信與電通信電纜通信和微波通信的載波是電波，光纖通信的載波是光波。雖然光波和電波都是電磁波，但是頻率差別很大。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(shù)量級以上第十三頁，共40頁。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。由于光源和光纖特性的限制，目前，光強(qiáng)度調(diào)制的帶寬一般只有20GHz因此還有3個數(shù)量級以上的帶寬潛力可以挖掘。第十四頁，共40頁。圖1.2各種傳輸線路的損耗特性第十五頁，共40頁。1.2.2光纖通信的優(yōu)點一、頻帶寬，傳輸容量大二、損耗低，傳輸距離遠(yuǎn)三、重量輕、體積小，便于施工四、抗干擾能力強(qiáng)，保密性能好五、耐腐蝕、耐高溫，可在惡劣環(huán)境中工作六、節(jié)約金屬材料，有利于資源的合理利用第十六頁，共40頁。圖1.3各種通信系統(tǒng)相對造價與傳輸容量的比較第十七頁，共40頁。1.2.3光纖通信的應(yīng)用光纖可以傳輸數(shù)字信號，也可以傳輸模擬信號。光纖在通信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)與計算機(jī)網(wǎng)，以及在其它數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，都得到了廣泛應(yīng)用。光纖寬帶干線傳送網(wǎng)、接入網(wǎng)發(fā)展迅速，是當(dāng)前研究開發(fā)應(yīng)用的主要目標(biāo)。

第十八頁，共40頁。1.3光纖通信系統(tǒng)的基本組成電信網(wǎng)由硬件和軟件兩部分組成。－電信網(wǎng)的軟件指通信網(wǎng)的一整套規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)，及其管理規(guī)范，以使通信網(wǎng)處于正常工作狀態(tài)。－電信網(wǎng)的硬件可劃分為接入網(wǎng)、交換網(wǎng)和傳輸網(wǎng)。－電信傳輸網(wǎng)是電信通信網(wǎng)中除交換、終端設(shè)備以外的傳遞消息、信號的運(yùn)載網(wǎng)路。用戶終端交換系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)交換系統(tǒng)用戶終端第十九頁，共40頁。傳輸網(wǎng)和傳輸系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)簡單的說就是傳送用戶信息的通道和系統(tǒng)。傳輸系統(tǒng)和傳輸媒介構(gòu)成傳輸網(wǎng)。電信傳輸網(wǎng)是電信通信網(wǎng)中除交換、終端設(shè)備以外的傳遞消息、信號的運(yùn)載網(wǎng)路。光纖通信系統(tǒng)實際上是一種有線系統(tǒng)，其媒介是光纜。對于數(shù)字光通信系統(tǒng)來說，傳輸?shù)氖菙?shù)字信號。第二十頁，共40頁。傳輸系統(tǒng)分類第二十一頁，共40頁。光纖通信系統(tǒng)?光纖通信系統(tǒng)一般由傳輸媒介光纖、發(fā)射和接收幾個部分組成。?光纖通信系統(tǒng)一般是雙向的－就如電話總是兩端同時發(fā)送和接受一樣，作為信息傳送的承載者-光纖通信系統(tǒng)一般安裝雙向傳送結(jié)構(gòu)設(shè)計－兩個方向的結(jié)構(gòu)完全一樣－可以用單向傳輸?shù)墓饫w通信系統(tǒng)來說明光纖通信系統(tǒng)的基本組成第二十二頁，共40頁。發(fā)送端電信號處理接受端電信號處理光纖通信系統(tǒng)信息源電發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光接收機(jī)電接收機(jī)信息宿光纖線路電信號輸入電信號輸出光信號輸出光信號輸入第二十三頁，共40頁。光纖通信系統(tǒng)主要由兩個部分組成，其一為電信號處理部分，其二為光信號處理部分電信號處理包括發(fā)送端電信號處理和接入端電信號處理光信號處理包括光發(fā)射機(jī)、光接收機(jī)和光纖線路部分。第二十四頁，共40頁。發(fā)送端電信號處理主要是信號的轉(zhuǎn)換和調(diào)制，使經(jīng)過處理的電信號適合在光纖通信系統(tǒng)上傳輸以數(shù)字電話傳送為例說明發(fā)送端電信號處理機(jī)理－信息源，即話音通過電話機(jī)轉(zhuǎn)換為模擬基帶信號送至電發(fā)射機(jī)－電發(fā)射機(jī)采用8KHz的抽樣頻率對模擬信號進(jìn)行抽樣，然后量化（即將信號量化為1或0），最后進(jìn)行編碼成為適合傳送的數(shù)字信號。這個過程稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換第二十五頁，共40頁。發(fā)送端電信號處理（續(xù)）－目前普遍采用的模/數(shù)轉(zhuǎn)換是脈沖編碼調(diào)制方式（PCM），經(jīng)過上述抽樣、量化和編碼后，一路電話信號轉(zhuǎn)換為速率為64kb/s的數(shù)字信號，然后通過數(shù)字復(fù)接設(shè)備把30路電話信號組合成2.048Mb/s的數(shù)字信號輸入至光發(fā)射機(jī)進(jìn)行傳送－對于光通信系統(tǒng)來說，2.048Mb/s（一般稱為2M）的電信號是最基本的傳送速率，一般情況下將2.048Mb/s的電信號按照一定的通信標(biāo)準(zhǔn)復(fù)接成速率更高的信號進(jìn)行傳送。如2M、8M、16M等PDH制式的信號，以及155M、622M、2.5G等更高速的SDH制式的信號第二十六頁，共40頁。接受端電信號處理與發(fā)送端處理功能和過程相反，它把接受到的電信號解調(diào)制，轉(zhuǎn)換為基帶信號，最后由信息宿恢復(fù)用戶信號第二十七頁，共40頁。光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)把輸入電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并用耦合技術(shù)把光信號最大限度地注入光纖線路。由光源、驅(qū)動器和調(diào)制器組成一般稱為電/光轉(zhuǎn)換或E/O轉(zhuǎn)換光波作為載波，利用調(diào)制器將電信號調(diào)制到光的參數(shù)如光強(qiáng)、相位等廣泛使用的光源有半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）、半導(dǎo)體激光二極管（LD）以及動態(tài)單縱模分布反饋激光器（DFB）目前有直接光強(qiáng)調(diào)制和外調(diào)制兩種方式直接調(diào)制通過電信號控制驅(qū)動電流外調(diào)制通過獨立的調(diào)制器調(diào)制光的參數(shù)第二十八頁，共40頁。兩種調(diào)制方式－直接調(diào)制簡單易實現(xiàn)，但速率和傳送距離受限－外調(diào)制成本較高，在高速和長距離系統(tǒng)中使用激光源驅(qū)動器電信號輸入光信號輸出光纖激光源驅(qū)動和控制電信號輸入光信號輸出光纖調(diào)制器第二十九頁，共40頁。光接收機(jī)光接收機(jī)是把經(jīng)過光纖線路傳送、產(chǎn)生了畸變和衰減的微弱光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并經(jīng)過放大和處理后恢復(fù)成發(fā)射前的電信號－一般稱為光/電轉(zhuǎn)換或O/E轉(zhuǎn)換－由光檢測器、放大器和相關(guān)電路組成－光檢測器是核心，要求噪聲低、響應(yīng)速度快、頻帶寬、響應(yīng)度高－兩種常用的光檢測器PIN光電二極管和雪崩光電二極管（APD）－檢測方式有：直接檢測和外差檢測一般使用直接檢測第三十頁，共40頁。光纖線路光纖線路把來自光發(fā)射機(jī)的光信號，通過光纖傳輸?shù)焦饨邮諜C(jī)由光纖、光纖接頭和光纖連接器組成光纖是光通信的主體和介質(zhì)-光纖由纖芯、包層、覆層組成。-許多根光纖在一起成纜為光纜，在工程中普遍使用光纖的最主要的兩個參數(shù)：損耗和色散決定了光纖的性能和光通信系統(tǒng)的設(shè)計石英光纖是目前普遍使用的光纖第三十一頁，共40頁。信號在光纖中傳輸損耗的產(chǎn)生a)b)d)c)損耗來源a)吸收

b)散射c)宏彎(externalbendings)d)微彎(internal)第三十二頁，共40頁。彎曲下光纖損耗attenuationcoefficient/dB/km-->100011001200130014001500160017000,03,02,01,0wavelength/nm-->未彎曲光纖宏彎光纖微彎光纖第三十三頁，共40頁。典型光纖損耗曲線（1）單模光纖8001000120014001600wavelength/nm-->1.window2.window3.window瑞利散射1/

1010.1紅外吸收attenuationcoefficient/dB/km-->多模光纖第三十四頁，共40頁。典型光纖損耗曲線（2）多模光纖的損耗高于單模光纖。紫外吸收在短波發(fā)現(xiàn)限制傳輸，紅外吸收在長波方向限制傳輸。OH吸收峰在1400nm附近。瑞利散射對光纖傳輸產(chǎn)生極大的限制：瑞利散射是不可避免的損耗機(jī)制，在各個方向上散射，并且依賴波長。在短波方向限制大，逐步向長波方向減小。造成三個傳輸窗口：850,

1310nm和1550nm。第三十五頁，共40頁。色散概念白光源孔徑光譜光信號通過介質(zhì)時折射率與光的頻率或波長密切相關(guān)。