光纤通信系统第一章概述ppt课件.ppt

光纤通信 Fiber-Optic Communication Technology,2019/2019学年第一学期 王烨,课程特点：涉及光学、半导体及通信等 学科内容，面广。要求：掌握光纤通信系统所涉及的各种器 件、技术的功能及作用；掌握重要 器件、技术的原理。,参考书目,光纤通信工程(修订版)，赵梓森著， 人民邮电出版社光纤通信（第三版）, 美Gerd Keiser著，李玉权、崔敏、蒲涛等译，电子工业出版社，2019年7月；高等教育出版社(影印版) ，2019年9月Fiber-Optic Communication Systems(3rd Edition), GOVIND P. AGRAWAL,清华大学出版社(影印版), 2019年7月,第一章 概述,？什么是光纤通信,（传输煤质、载波）,电磁波谱图,通信系统框图,载波：,射频波微波毫米波光波,信道：,金属导线同轴电缆金属波导大气、光纤,？ 光通信和光纤通信,近代光通信：1880年Bell发明光电话，传输距离213m，但是并不实用，因为存在两个方面的制约： 一)信道：Bell的光电话利用大气作为传输介质，损耗非常大，同时自然界气象条件变化万千，对光信号的干扰很大。 二)光源： Bell的光电话利用自然光作为载波，这种光的频率和相位杂乱无章，不能用于大容量的通信。 近代光通信的发展就是上述两个方面的制约因素的解决过程： 1960年，美国人梅曼发明红宝石激光器，获得高强的、频率和相位都稳定（即相干的）光-激光。引起了新一轮的光通信研究热潮-激光大气通信。 但是，仍然由于自然气象条件的影响而没有进展。,光话机 原 理 图,弧光灯,A,B,M,N,L,送话器,自由空间光通信(无线光通信),FSO: Free Space Optical Communication,用激光作为载体传输数据，提供无线高速点对点或点对多点通信的一种方式，其传播介质不是光纤而是空气，因此FSO也称之为“虚拟光纤”通信。FSO系统可传输数据、视频、语音等的信息，具有抗干扰能力强、极高的带宽、安装简便快捷、安全及成本低的特点。它同光纤通信一样可以构建高质量的通信系统，可广泛应用于军事保密通信、城域网路由保护和接入、基站连接等。,光纤简介光纤通信的发展概况光纤通信的主要特点光纤通信系统的基本组成（重点）光纤通信要解决的基本问题,一、光纤简介,光纤结构,光纤材料,玻璃光纤塑料光纤专用光纤（氟化物光纤，光敏光纤等）,光纤的制造,目前通信用光纤主要是以石英玻璃（SiO2）为主的石英光纤。制造光纤流程：,1.光纤预制棒的制造,预制棒（preform）:拉制光纤的原始棒体材料,具有与光纤相似结构和折射率分布。预制棒制造的关键： （1）如何制作出光纤材料 （2）如何控制光纤纤芯、包层的折射率,制作石英光纤材料的反应,以SiCl4、GeCl4、CF2Cl2等物质为原材料高温(1400-1600C)下与氧气反应： SiCl4+O2SiO2+2Cl2 GeCl4+O2GeO2+2Cl2 2CF2Cl2+4SiCl4+2O2SiF4+2Cl2+2CO2 ,光纤折射率的控制,通过掺杂实现光纤折射率增加或减小（纤芯掺杂折射率稍高的Ge、P等元素；包层掺杂折射率稍低的F、B元素等）通过载运气体（氧气、氩气）流速控制掺杂量的多少，从而控制折射率变化的大小,SiO2折射率随掺杂浓度的变化,光纤的组成,如：GeO2-SiO2纤芯 SiO2包层P2O5-SiO2纤芯 SiO2包层SiO2纤芯 B2O3-SiO2包层GeO2-B2O3-SiO2纤芯 B2O3-SiO2包层,光纤预制棒的制造工艺（1）,管内化学气相沉积法改进的化学气相沉积法(MCVD) Modified chemical-vapor deposition等离子体激活化学气相沉积法(PCVD) Plasma-activated chemical-vapor deposition,光纤预制棒的制造工艺（2）,管外化学气相沉积法气相轴向沉积法(VAD) Vapor-axial deposition (VAD)棒外气相沉积法 Outside vapor-phase oxidation (OVPO) Outside vapor-phase deposition (OVD),MCVD工艺流程,MCVD法制备光纤预制棒的工艺流程示意图,VAD,VAD法制备光纤预制棒的工艺流程示意图,PCVD MACHINE,PCVD MACHINE,2. 光纤的拉制工艺,拉丝塔,3. 光纤的涂覆和套塑,从预制棒拉出的光纤还不能直接使用，是脆性断裂材料，达不到实际使用的强度要求，抗拉和抗弯能力都较差。由于制造工艺的不完善，光纤强度将进一步下降。为保护光纤表面，提高抗拉强度和抗弯曲强度，还要对光纤进行涂覆和套塑处理。,制造中造成强度下降的原因,（1）预制棒在制造中可能存在杂质和气泡，会转移到光纤中。由于杂质的膨胀系数与周围玻璃不同，可能导致裂纹，造成强度的下降；气泡对强度的影响将更大。 （2）拉丝过程中，拉丝炉的温度稳定性、周围环境中的粉尘及拉丝卷绕等有可能使光纤表面出现划痕、裂纹等机械损伤，影响光纤的强度。环境中的水分等有害物质将对光纤造成腐蚀，使光纤表面的裂纹扩展，降低光纤强度。,涂覆和套塑流程,光纤预制棒生产企业有五家：长飞、法尔胜光子、烽火通信、杭州富通和特恩弛，5家企业的生产能力是2000万公里年。光纤拉丝生产企业有19家：长飞、上海光纤、南京华新藤仓、深圳特发、成都中住、杭州富通、法尔胜光子、西古、烽火通信、天大天财、特恩弛、亨通阿尔法、中天科技、华伦光纤、富春江、上海华源、山东太平洋、海南韩国三星、海南睿丰，这19家企业的生产能力是3500万公里年。,光纤类型,1. 按纤芯截面上折射率分布分类：,阶跃型 光纤,渐变型 光纤,2. 按传输模式的数量分类： 多模光纤和单模光纤。传输模式：当光在光纤中传播时，如果光纤纤芯的几何尺寸远大于光波波长时，光在光纤中会以几十种乃至几百种传播模式进行传播。这些不同的光束称为模式。,光在阶跃折射率光纤中的传播,3. 按传输波长分类: 短波长光纤和长波长光纤。 短波长光纤的波长为0.85m 长波长光纤的波长为1.3m 1.6m ， 主要有1.31m和1.55m两个窗口。,4按套塑结构分类： 紧套光纤和松套光纤 紧套光纤就是在一次涂覆的光纤上再紧紧地套上一层尼龙或聚乙烯等塑料套管，光纤在套管内不能自由活动。 松套光纤，就是在光纤涂覆层外面再套上一层塑料套管，光纤可以在套管中自由活动。,光纤的传输特性,从通信的角度，在研究信道问题时，人们最关注的是信道引起的信号衰减和信号畸变。信号衰减从能量的角度限制了信号的传递，而信号畸变则从信号检测精度的角度限制了信号的传递。 影响光纤传输特性的包括衰减、色散和非线性效应。,1. 光纤衰减（损耗）,概念：信号强度随距离增加而变弱。 主要来源： 吸收，散射，光泄漏。,吸收损耗：由制造材料本身及其中的过渡金属离子和氢氧根离子等杂质对光的吸收而产生。散射损耗：以光能的形式把能量辐射出光纤之外的一种损耗。弯曲损耗：由于光纤弯曲使光从纤芯逸散到包层中产生的光泄漏。,2. 色散,光纤对在其中传输的光脉冲的展宽特性。 总的脉冲展宽： t色散（ns/km）距离（km）,衰减、色散对脉冲的影响示意,3. 非线性效应,光波间或光波与其中传输的材料之间的相互作用，从而对光信号产生影响。能引起噪声和串扰。,光缆,1. 要求：避免受到破坏力防止光纤传输特性的劣化易于操作2. 构造: 缆芯，加强元件，护层,缆芯,缆芯由光纤的芯数决定，有单芯、多芯。多芯光缆要对光纤进行着色以便于识别。 为防止气体和水分子浸入， 光纤中应具有各种防潮层并填充油膏。,加强元件,吸收、抵消外界力（埋在地下的压力，施工拉线走的牵引力等）。位置：中间或外层（两种结构方式）要求：是具有高弹性范围、高比强度(强度和重量之比)， 低线膨胀系数、 优良的抗腐蚀性和一定的柔软性。 一般采用钢丝、钢绞线或钢管等；强电磁干扰环境和雷区中则应使用高强度的非金属材料,护层,护层主要是对已成缆的光纤芯线起保护作用，避免受外界机械力和环境损坏。护层可分为内护层（多用聚乙烯或聚氯乙烯等）和外护层（多用铝带和聚乙烯组成的LAP外护套加钢丝铠装等）。,3. 典型结构,（1）层绞式结构光缆 把经过套塑的光纤绕在加强芯周围绞合而构成。层绞式结构光缆类似传统的电缆结构，故又称之为古典光缆。,12芯松套层绞式直埋光缆,6芯紧套层绞式光缆,648芯松套层绞式水底光缆,（2）骨架式结构光缆 骨架式结构光缆是把紧套光纤或一次涂覆光纤放入加强芯周围的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成。,12芯骨架式光缆（我国）,骨架式自承式架空光缆,（3）束管式结构光缆 把一次涂覆光纤或光纤束放入大套管中，加强芯配置在套管周围而构成。,648芯束管式光缆,（4）带状结构光缆 把带状光纤单元放入大套管中，形成中心束管式结构；也可把带状光纤单元放入凹槽内或松套管内，形成骨架式或层绞式结构,图2-31 中心束管式带状光缆,图2-32 层绞式带状光缆,（5）单芯结构光缆 单芯结构光缆简称单芯软光缆。 这种结构的光缆主要用于局内（或站内）或用来制作仪表测试软线和特殊通信场所用特种光缆以及制作单芯软光缆的光纤。,图2-33 单芯软光缆,4. 光缆的种类,根据光缆的传输性能、距离和用途: 市话光缆、长途光缆、海底光缆和用户光缆； 根据光纤的种类: 多模光缆、单模光缆； 根据光纤芯数的多少: 单芯光缆和多芯光缆,根据加强构件的配置方式: 中心加强构件光缆(如层绞式光缆、骨架式光缆等)、分散加强构件光缆(如束管式光缆)和护层加强构件光缆(如带状式光缆) 根据敷设方式: 管道光缆、直埋光缆、架空光缆和水底光缆 根据护层材料性质: 普通光缆、阻燃光缆和防蚁、防鼠光缆等。,5. 光缆的型号,GYGZL03-12J50/125(20408)CGY G Z L 03 12 J 50/125 (2 04 08) C,光缆分类代号及其意义GY：通信用室(野)外光缆；GR：通信用软光缆；GJ：通信用室(局)内光缆； GS：通信用设备内光缆；GH：通信用海底光缆； GT：通信用特殊光缆；GW：通信用无金属光缆。,加强构件的代号及意义无符号：金属加强构件； F：非金属加强构件；G：金属重型加强构件；H：非金属重型加强构件。,派生特征的代号及其意义B：扁平式结构；Z：自承式结构；T：填充式结构； S：松套结构。注：当光缆型式兼有不同派生特征时，其代号字母顺序并列。,护套的代号及其意义Y：聚乙烯护套； V：聚氯乙烯护套；U：聚氨酯护套； A：铝、聚乙烯护套； L：铝护套； Q：铅护套；G：钢护套； S：钢、铝、聚乙烯综合护套。,外护层的代号及其意义外护层是指铠装层及铠装层外面的外被层，参照国标GB2952-82的规定，采用两位数字表示。,光纤的规格,光纤数目：用光缆中同类别光纤的实际有效数目的阿拉伯数字表示。光纤类别的代号及其意义 J：二氧化硅系多模渐变型光纤；T：二氧化硅系多模阶跃型(突变型)光纤；Z：二氧化硅系多模准突变型光纤；D：二氧化硅系单模光纤；X：二氧化硅纤芯塑料包层光纤；S：塑料光纤。光纤的尺寸参数代号：用阿拉伯数字(含小数点)以m为单位表示多模光纤的芯径/包层直径或单模光纤的模场直径/包层直径。,传输性能代号：是由使用波长、损耗系数、模式带宽的代号(分别为a、bb、cc)构成。a表示使用波长的代号，其数字代号规定如下：1：使用波长在0.85m区域；2：使用波长在1.31m区域；3：使用波长在1.55m区域。bb表示损耗系数的代号，其数字依次为光缆中光纤损耗系数值(dB/km)的个位和十分位。cc表示模式带宽的代号，其数字依次是光缆中光纤模式带宽数值(MHzkm)的千位和百位数字。单模光纤无此项。注意：同一光缆适用于两种以上的波长，并具有不同的传输特性时，应同时列出各波长上的规格代号，并用/划开。,适用温度代号及其意义A：适用于-40 +40； B：适用于-30 +50；C：适用于-20 +60；D：适用于-5 +60。,二、光纤通信的发展概况,1. 光纤的发展,光纤通信发展的里程碑 1966年高锟博士发表的论文用于光频的光纤表面波导。光纤通信发展的实质性突破 1970年美国康宁公司制造出当时世界上第一根超低损耗光纤。光纤通信爆炸性的发展 （1）光纤损耗 1970年：20dB/km； 1972年：4dB/km； 1974年：1.1dB/km； 1976年：0.5dB/km； 1979年：0.2dB/km； 1990年：0.14dB/km。,我心里觉得一个人有这样子的好运，能够做一件前所没有的事情，而且做出来的影响是非常非常大的，我感觉很满足，我有这个机会，来创一个新的领域，而且这光纤的生成，使得世界又有很大的变化，我很满足。2019年，凤凰卫视主持人许戈辉采访时问高锟，“是否认为自己该拿诺贝尔奖”时，高锟的回答,光纤的建议（标准）,G651光纤：多模梯度光纤G652光纤：单模光纤，标准光纤G653光纤：色散位移单模光纤G654光纤：截止波长位移单模光纤G655光纤：非零色散位移单模光纤G656光纤：? Characteristics of a fibre and cable with non-zero dispersion for wideband optical transport,2.光纤通信的发展,1980 850nm多模光纤通信系统1983 1300nm单模光纤通信系统1991 1550nm单模光纤单频激光器光纤通 信系统2019 采用光放大器和WDM系统的第四代光纤通信系统实验室研究成功: 第五代光纤通信系统孤子通信,到90年代，光线的传输速率已达到每秒10000兆比特，相当于在一对头发丝1/10粗细的光纤可以通125万路电话。,我国光纤通信的开发里程 1977年，第一根短波长(085mm)阶跃型石英光纤问世，长度为17m，衰减系数为300dB/km。 1978年，研制出短波长多模梯度光纤，即G.651光纤。 1979年，研制出多模长波长光纤，衰减为1dB/km。建成5.7km、8Mb/s光通信系统试验段。 1980年，1300nm窗口衰减降至0.48dB/km，1550nm窗口衰减为0.29dB/km。,1984年，武汉、天津34Mb/s市话中继光传输系统工程建成(多模)。 1988年，全长245km的武汉长沙市34Mb/s多模光缆通信系统工程通过邮电部鉴定验收。 1989年，汉阳汉南40Mb/s单模光传输系统工程通过邮电部鉴定验收。 1991年，研制出G.653色散位移光纤。最小衰减达0.22dB/km。合肥芜湖40Mb/s单模光传输系统工程通过国家鉴定验收。,1993年，在掺铒光纤放大器的研究上取得突破性进展，小信号增益达25dB。上海无锡65Mb/s单模光传输系统工程通过邮电部鉴定验收。 2019年，研制出G.655非零色散位移光纤。成都攀枝花22Mb/s SDH光传输工程通过邮电部鉴定验收。 2019年，海口三亚5Gb/s光传输系统工程通过邮电部鉴定验收，该工程全长322km，仅在万宁设一个中继站，海口万宁的中继距离为172km 。 2019年，82.5Gb/s DWDM系统通过国家验收。,三、光纤通信的特点,1. 传输容量大2. 传输距离长3. 抗电磁干扰性能好4. 泄漏小，保密性能好5. 重量轻、体积小6. 节约金属材料,优点,光纤通信与电缆或微波通信传输能力的比较,缺点,1. 抗拉强度低2. 光纤连接困难3. 光纤怕水,四、光纤通信系统的组成,点点光纤通信系统,五、光纤通信基本问题及研究热点,要解决的光纤线路问题,（1）光纤的设计与制造问题（2）光信号的放大问题（3）光信号码形的控制问题（4）光通道中噪声的抑制问题（5）光通道中反向噪声的隔离问题（6）光路控制问题（7）已铺设光缆的扩容问题（8）DWDM通信中的非线性光学问题 .,光发射及光检测问题,（1）光源问题（2）适合于光传输的编码问题（3）光检测问题（4）光通信技术体制问题（5）DWDM中光波长稳定技术及窄谱线光源技术（6）光信号的调制问题 ,光纤通信的研究热点,适用于DWDM技术的宽带光放大器技术的研究；色度色散和偏振模补偿技术的研究；全光网及全光器件的技术研究；光时分复用技术的研究；非线性光学问题的研究。,