光纖通信原理和技術(shù)ppt課件

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第一章 緒論,1.1 光通信發(fā)展史 1.2 國內(nèi)外光纖通信技術(shù)發(fā)展概況 1.3 光纖通信系統(tǒng)的基本構(gòu)成,1.1 光通信發(fā)展史,1.1.1 現(xiàn)代通信的發(fā)展,,人類社會出現(xiàn)后，人與人之間就需要信息交流。原始社會人們可以靠聲音（語言）、肢體動作（肢體語言）或面部表情等交流信息，這就是原始的通信，是人們面對面的交流。 在人類學(xué)會使用工具以后，人們開始借助于工具進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的信息交流，如烽火、燈光（蠟燭）以及以后的旗語等。圖1是一種利用繩子定向傳輸聲音振動的例子。與此類似，在過去的大型船舶上用兩端帶喇叭的銅管定向傳導(dǎo)聲音。,圖1. 利用繩子定向傳輸聲音振動,電的使用開創(chuàng)了人類社會的一個新紀(jì)元，引起了一場新的工業(yè)革命，也迎來了現(xiàn)代通信的時代以電報和電話為標(biāo)志的電通信時代。最近三十多年來光通信異軍突起，迅速發(fā)展，并大大改變了通信業(yè)的面貌，也成為電信的主要成員。光纖通信網(wǎng)已經(jīng)成為現(xiàn)代通信網(wǎng)骨干，并正在向用戶/家庭擴(kuò)展，即光纖到戶（Fiber to the Home）。 現(xiàn)代通信發(fā)展的主要標(biāo)志是通信容量的增加，與通信容量的增加相對應(yīng)則是載波頻率的增加。電通信的載波由長波─中波─短波─超短波，最終發(fā)展到微波（米波─厘米波─毫米波）。,為了增加通信容量，必須增加可用帶寬，因此帶寬成為資源。在微波波段帶寬資源是有限的。在光通信發(fā)展以前，人們試圖開發(fā)毫米波和亞毫米波作為通信的載波，以增加帶寬資源。例如有人提出用銅制圓波導(dǎo)作為傳輸線（傳輸媒質(zhì)）傳輸毫米波和亞毫米波；用半導(dǎo)體器件制作發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。這一方案在技術(shù)上是可行的。但是這一波段的波導(dǎo)管制作要求非常高，而且要在野外鋪設(shè)數(shù)千千米，工程施工非常困難。同時毫米波和亞毫米波半導(dǎo)體器件價格也很高。因此，要實(shí)現(xiàn)這一要求，經(jīng)濟(jì)上非常不合算。更何況在世界上銅的儲量有限，屬于稀缺的資源。因而毫米波和亞毫米波通信沒有得到很大的發(fā)展（毫米波通信在無線和空間通信中有部分應(yīng)用）。,光波所占頻帶非常寬，相當(dāng)于當(dāng)前的應(yīng)用，帶寬資源幾乎是無限的。因此人們勢必要開發(fā)光波波段的帶寬資源。光纖的發(fā)明解決了光通信的傳輸媒質(zhì)問題。不像銅制圓波導(dǎo)管那樣，光纖具有許多非常優(yōu)秀的性能，是非常理想的傳輸媒質(zhì)；同時，半導(dǎo)體激光器的發(fā)明也解決了光源問題，可以制作出價格適中甚至廉價的光發(fā)射機(jī)。因此通信的載波頻率由微波跳過了毫米波和亞毫米波波段，直接進(jìn)入到光波波段。 圖1.1示出了無線電波段的分布情況，可以看出光通信使用的光波波段也只是無線電波波段的一個很小部分，但是這一部分的帶寬資源已經(jīng)足夠大，大概在數(shù)十年的時間內(nèi)，這一資源也不會枯竭。,圖1.1 電磁波譜及電通信和光通信所用頻帶在其中位置,1.1.2 光通信的發(fā)展,原始形式的光通信:中國古代用“烽火臺”報警，手電筒，海港信號燈通信與此類似 。 上世紀(jì)60年代初激光器被發(fā)明，人們開始了利用激光器作光源進(jìn)行光通信的研究，這是現(xiàn)代光通信與原始光通信的分界線。 60年代―70年代初，人們還沒有制造出可以實(shí)用的光纖，當(dāng)時主要研究大氣光通信。光源主要使用CO2氣體激光器（但由于空氣不是理想的光傳輸媒質(zhì)，空氣中的水汽(霧)、雨雪和沙塵的影響，使光信號被散射、吸收，以致傳輸距離很短，在惡劣氣候的條件下，光信號僅能傳播百米量級，甚至更短。,1.光纖傳輸衰減的降低 60年代最好的光纖傳輸衰減為1000dB/km，即傳輸1km，光功率降到原來的1/10100≈0，因而這種光纖不可能用作通信媒質(zhì)。當(dāng)時沒有人相信光纖可以用于通信，也沒有人從事光纖用于通信的研究。英藉華人學(xué)者高錕博士的貢獻(xiàn)在于理論上證明這樣大的傳輸衰減是由于光纖中雜質(zhì)吸收和散射引起的。如將光纖提純，則傳輸衰減可以降到可在通信中實(shí)用的程度（最初提出的指標(biāo)是20dB/km）[1].這一貢獻(xiàn)具有深遠(yuǎn)意義，完全改變了通信容量不適應(yīng)社會發(fā)展的需求，推動了信息社會更快地到來。由于這一貢獻(xiàn)，高錕博士獲得了2009年諾貝爾物理學(xué)獎。,1970年美國康寧公司首次制成了傳輸衰減為20dB/km的光纖，每傳輸1km,光功率降到原來的1/100，可以用作光通信的傳輸媒質(zhì)。此后，光纖傳輸衰減逐年下降，到79年已降到0.2dB/km，后來又降到0.16dB/km,幾乎達(dá)到純石英光纖損耗的理論極限。與此對照，同軸電纜傳輸線的傳輸衰減大約在30-100dB/km。 這一突破的意義在于說明光纖可以作為光通信的傳輸媒質(zhì)，從而為光纖通信打開大門。這也是稱高錕博士為光纖通信之父的原因。,2.半導(dǎo)體激光器性能的突破,1960年發(fā)明的第一個激光器是紅寶石(固體)激光器，不久（1961年）半導(dǎo)體激光器研制成功，但當(dāng)時需要在低溫(液氮)下脈沖工作。后來采用異質(zhì)結(jié)技術(shù)使激光器可在常溫下連續(xù)工作，但開始只有數(shù)小時甚至數(shù)分鐘的壽命，由于壽命極短不能實(shí)用化。經(jīng)過一段時間的努力，才研制成功可實(shí)用的半導(dǎo)體激光器?，F(xiàn)在的半導(dǎo)體激光器的性能有了極大的提高，其壽命可達(dá)106小時，甚至達(dá)108小時，功率可達(dá)10 毫瓦量級(泵浦激光器可達(dá)幾百毫瓦),可調(diào)諧范圍幾百GHz,線寬低到1―10MHz(外腔激光器能達(dá)幾十kHz)，適用于各種光通信系統(tǒng)，為光纖通信實(shí)用化打下了基礎(chǔ)。激光器價格也在不斷下降，干線通信系統(tǒng)所用激光器已降到千美元量級；幾十美元，甚至幾美元的半導(dǎo)體激光器可用于接入網(wǎng)系統(tǒng)。,有了這兩個技術(shù)突破，70年代中期就出現(xiàn)了第一代光纖通信系統(tǒng)。世界上第一套商用光纖通信系統(tǒng)于1975年敷設(shè)于美國亞特蘭大，其工作波長為0.85μm，比特率為45Mbit/s。經(jīng)過三十多年的努力，光纖通信系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)歷數(shù)代的發(fā)展，如表1.1所示。,1.1.3 光纖通信的優(yōu)點(diǎn),1.巨大的傳輸容量 前已說到光波載波頻率比微波高得多，光纖通信使用的波段載頻約為1014 Hz量級,而微波大約1010 Hz量級，兩者差四個量級，帶寬資源比微波大得多。具體說現(xiàn)有普通單模光纖在1.3μm和1.55μm波段可用于光纖通信的低損耗窗口的帶寬各有25,000 GHz，如圖1.1所示（參考圖3.1）。若把1.39μm附近的氫氧根離子吸收峰清除掉，將兩個低損耗區(qū)連接起來則可有50,000 GHz(波長范圍400 nm，即波長在1260－1660 nm之間 )以上的低損耗帶寬，當(dāng)前技術(shù)還不能完全利用，也還沒有如此大的帶寬需求，因此光纖通信技術(shù)在將來還有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?2.優(yōu)越的傳輸性能,在1.55μm波段最低傳輸損耗約0.2 dB/km，即傳輸100 km光信號才衰減20 dB。完全可以用光放大器來補(bǔ)償損耗，即放大器間距100 km 是可能的。而同軸電纜中繼放大器間距在500 m―幾km。此外光纖不存在外來的信道噪聲的干擾，這一點(diǎn)是其它通信體系所不具備的。以后我們會講到，以發(fā)射機(jī)的功率和接收機(jī)的靈敏度作比較，電通信系統(tǒng)比光通信系統(tǒng)好，但光通信中繼距離反而長，這都是得益于光纖優(yōu)良的傳輸特性。 其它優(yōu)點(diǎn)還有制作光纖的材料易于得到、價格便宜（光纖材料的基質(zhì)是石英玻璃，即二氧化硅(SiO2)，可以從石英砂中提煉，而石英砂在世界上的儲量非常豐富）；光纖質(zhì)量輕、直徑細(xì)，只占據(jù)很小空間，易于鋪設(shè)。由于外界信號不能干擾光纖中傳輸?shù)男盘?，光纖中傳輸?shù)男盘枎缀醪荒茌椛涑龉饫w，因此光纖的電磁兼容性非常好。,1.2 國內(nèi)外光纖通信技術(shù)發(fā)展概況,由于光纖通信技術(shù)無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，在大容量、長距離傳輸系統(tǒng)中已經(jīng)普遍采用光纖通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)在的所謂三大網(wǎng)（電話網(wǎng)、電視網(wǎng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)）也都采用了光纖網(wǎng)。表1.1給出了各個時期光纖通信系統(tǒng)研究的最高水平。其中用了比特率和無電中繼傳輸距離的乘積（BL）來表示光纖通信系統(tǒng)的水平。以后本書也常用這一參量表示系統(tǒng)水平。 從服務(wù)范圍看，光纖通信網(wǎng)可以分為用于長途干線系統(tǒng)組成的廣域網(wǎng)以及城域網(wǎng)、局域網(wǎng)和接入網(wǎng)。,長途干線系統(tǒng)又有陸上系統(tǒng)和海底光纜系統(tǒng)的分別。陸上光纖通信干線系統(tǒng)主要指各個國家的光纖通信干線網(wǎng)，包括各發(fā)達(dá)國家和許多發(fā)展中國家的干線網(wǎng)和部分跨國和跨州的光纜通信干線。海底光纜系統(tǒng)包括跨海和跨洋的光纜系統(tǒng)、以及沿海岸海底光纜系統(tǒng)和島嶼間光纜系統(tǒng)。其中以TAT（Trans-Atlantic Transmission）和TPC（Trans-Pacific Communication)為代號的跨大西洋和跨太平洋光纜通信系統(tǒng)從八十年代后半期開始建設(shè)，現(xiàn)在已有多條跨這兩個大洋的光纜通信系統(tǒng)。其它著名的系統(tǒng)還有FLAG系統(tǒng)（連接歐洲和東南亞，全長26,000km），和 AFRICA ONE系統(tǒng)（環(huán)非洲海岸海底光纜系統(tǒng)，全長40,000km ）。全球海底光纜系統(tǒng)分布如圖1.2所示。,我國光纖通信研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展幾乎和國際上同步進(jìn)行。在七十年代初武漢郵電科學(xué)研究院趙梓森院士就提出了開展光纖通信技術(shù)研究的建議。當(dāng)時國際上也剛剛開始相關(guān)研究。在七十年代末一些實(shí)用的光纖通信系統(tǒng)已經(jīng)在我國電話網(wǎng)中應(yīng)用。如，北京大學(xué)研制的系統(tǒng)（比特率8 Mbit/s，傳輸距離3 km）于1979年安裝于北京市電話網(wǎng)中使用多年，獲國家科技進(jìn)步二等獎。由于當(dāng)時客觀條件的限制，我國研制的系統(tǒng)比特率不高，直到九十年代初我國光纖傳輸系統(tǒng)的比特率仍維持在140Mbit/s。由于發(fā)達(dá)國家的禁運(yùn)，進(jìn)口系統(tǒng)也限制在140Mbit/s以下。這一速率已經(jīng)不能適應(yīng)我國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的需要。為了增加通信容量，當(dāng)時只能增加光纜中的光纖芯數(shù)。,進(jìn)入九十年代我國光纖通信研究和產(chǎn)業(yè)都得到巨大的發(fā)展。商用系統(tǒng)的比特率從140Mbit/s為主，跳過了565Mbit/s和622mbit/s（這兩個比特率在我國使用較少）進(jìn)入比特率為2.5Gbit/s的系統(tǒng)的研究和實(shí)用化。當(dāng)前我國已有10Gbit/s和40Gbit/s的實(shí)用化系統(tǒng)，已經(jīng)開始研究速率100Gbit/s以上的系統(tǒng)，與國際上基本同步。 在全國通信網(wǎng)的建設(shè)方面也進(jìn)展迅速?！鞍宋濉焙汀熬盼濉庇?jì)劃期間（1991-2000），我國建設(shè)了兩個“八縱八橫”通信光纜，通信干線網(wǎng)基本覆蓋全國。,此外，我國波分復(fù)用技術(shù)的研究也是和國際上同步進(jìn)行。1992年北京大學(xué)提出了采用波分復(fù)用+光纖放大器技術(shù)實(shí)現(xiàn)我國通信干線擴(kuò)容的建議，受到相關(guān)部委的重視，并開始立項(xiàng)研究。在當(dāng)時該項(xiàng)技術(shù)在國際上還沒有得到共識，國內(nèi)外都有反對意見。直到1996年波分復(fù)用技術(shù)被公認(rèn)為當(dāng)前光纖通信系統(tǒng)擴(kuò)容的最佳方案，并在國內(nèi)外得到迅速發(fā)展。1997年由北京大學(xué)和有關(guān)公司合作研制的4×2.5 Gbit/s波分復(fù)用系統(tǒng)安裝于國家光纜干線上，成為我國第一條實(shí)際使用的波分復(fù)用系統(tǒng)，獲得國家科技進(jìn)步三等獎。 而且我國的通信網(wǎng)已經(jīng)成為全球通信網(wǎng)的一部分。陸地上已有光纜通到歐洲和東南亞。海上也有了中日、中韓和中美之間海底光纜系統(tǒng)。 可以看到，光纖通信技術(shù)已經(jīng)為我國通信現(xiàn)代化作出了重要貢獻(xiàn) 。,光纖通信系統(tǒng)必須有電光轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換,1.3 光纖通信系統(tǒng)的基本構(gòu)成,思考題與習(xí)題,1.1試討論當(dāng)代通信技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)（主要討論除通信容量迅速增加外的其它特點(diǎn)）。 1.2試討論為什么光纖通信技術(shù)發(fā)展如此迅速（從需要和可能兩方面討論）。 1.3下面要提到的全波光纖具有可能的低損耗帶寬約為1260－1660 nm，試估算這一帶寬占圖1.1中所畫的1020 Hz帶寬的多大分?jǐn)?shù)？當(dāng)前光纖通信系統(tǒng)中使用的單信道最高比特率為40 Gbit/s，如果系統(tǒng)的帶寬利用率為0.5(bit/s)/Hz，試估算該系統(tǒng)占據(jù)光纖可用的低損耗帶寬的分?jǐn)?shù)是多大？ 1.4試舉例說明圖1.1所示的無線電波的各個波段可能在哪些領(lǐng)域應(yīng)用。,