光波导理论与技术讲义.ppt

光波导理论与技术,信息学院 李德春 Tel：88361581E-mail：,光通信技术与应用,光通信的发展进程,*三千多年前，我国的周朝就有利用烽火台传递信息的通信；*1880年，贝尔发明光电话；*1960年，人类研制成功第一台激光器；*1970年，低损耗光纤由美国康宁公司研制成功；从此，进入了光纤通信迅猛发展的时代。,四个发展阶段,第一代：0.85m的多模光纤(1976年，亚特兰大 44.7 Mb/s);第二代：80年代早期,1.3 m、中继距离超过20Km;第三代：1990年,1.55 m、2.4Gb/s实现商业化（超过100Km）;第四代：使用WDM和光放大器,容量更大,距离更远;目前,已涉足第五代的研究与开发。,我国已建成覆盖全国、世界上规模最大的光纤通信网。,1999年初，济青工程82.5Gb/s。1999年4月，海口三亚（国产设备）。光纤的损耗已经降低到0.16dB/km。现在10Gb/s系统已经商业化，实验室Tb/s 级系统已经研制成功。,光纤通讯,目标：电输出=电输入,Electrical to Light,Light to Electrical,Input,Output,光纤内芯直径,多模,单模,人的头发,多模光纤,62.5/125 um 的光纤在保安行业中应用最普遍典型距离达5英里用于:CCTV门禁控制系统内部通讯,单模光纤,无限带宽8至10微米典型距离超过5英里用于:长途电信长途电视监控及多路切换共用天线电视系统,光损耗与波长,光损耗单位：dB/km与波长有关单模损耗小波长又称为窗口波谱的红外部分起作用,光量计,-19.0 dB,光量计,光源,启动光缆,连接,850 1300,受测试光纤,基本规则,850 nm多模距离在3公里以下1300nm多模距离在5-8公里1300或1550nm单模考虑5公里以上绝对超过8公里,无源器件,TX,dB 损耗,终端连接,允许 1.0(2),光缆,多模 850 3.5/km 1300 1.0/km单模 1300.5/km 1550.3/km,接合,溶化接合 0.1机械接合 0.2,PATCH PANELS,每对 1.0,RX,安全裕量,允许 3.0,频分多路复用器(WDM),一根光缆通过多个信号同向或双向的多路信号在同一根光缆上传输,WDM多模光纤,1300 nm,850 nm,双向,850 nm,1300 nm,单向,WDM单模光纤,1300nm,1550nm,单向,双向,1300nm,1550nm,两跟光缆通过4视频和PTZ,4视频单向，数据单向,Camera with PTZ,Control Receiver,FIBER,Control transmitter,Monitor,Camera with PTZ,FIBER,4 CH.VIDEO TX,4 CH.VIDEO RX,DATA RX,DATA TX,DIST.UNIT,1 OF 4,4 OF 4,1 OF 4,4 OF 4,有源器件,半导体激光器光电检测器光放大器(EDFA),光纤通信的优点,通信容量大；(数百万话音和数据信道)传输距离长；抗电磁干扰；适应环境；重量轻、安全、易敷设；保密性强；寿命长。,光纤通信的缺点,接口昂贵；强度差；不能传输电力；需要专用工具、设备以及培训；未经长时间检验。,研究热点,光分插复用技术、全光网络；高速通讯系统中的偏振模色散问题；光器件与集成；,空间光通信技术(FSO),*光纤通信与无线通信是当前的热门技术。*一种新型宽带接入技术自由空间光通信系统（FSO：Free Space Optical communication system），是二者结合的产物。*FSO不是用光纤作为传输媒介,是在空气中用激光或光脉冲在THz光谱范围内传送分组数据的通信系统。,优点,成本低、安装方便、建设快是FSO系统的主要优点。除此以外，FSO还有如下一些优点：无需频谱许可证。无线光通信因设备间无信号的相互干扰，故无需像无线电通信（如微波、LMDS）那样申请频率许可证。,带宽高。如果采取点到点的组网方式，FSO能支持155Mb/s-10Gb/s的传输速率，传输距离在2-4公里之间。在点到多点的组网方式中，FSO同样能支持155Mb/s-10Gb/s的传输速率，但传输距离为1-2公里。如果采用格形的组网方式则可支持622Mb/s的传输速率，传输距离为200-400米。安全保密性强。FSO的波束很窄，定向性非常好，并且用户到集线器之间的链路通常是加密的，安全保密性较强。,协议透明。FSO以光为传输媒介，任何传输协议均可容易地叠加上去，对语音、数据、图像等业务可以做到透明传送。,缺点,FSO是一种视距技术，传输距离与信号质量的矛盾非常突出，当传输超过一定距离时（一般为几公里）波束就会变宽以致难以被接收节点正确接收。所以FSO一般只限于城市内使用。目前，大部分测试表明，在1km以下才能获得最佳的效率和质量。,传输质量对天气非常敏感是FSO的另一主要问题。晴天对FSO传输质量的影响最小，而雨天、下雪和雾天对传输质量的影响则较大。据测试，FSO受天气影响的衰减经验值分别为：晴天，5-15db/km、雨，20-50db/km、雪，50-150db/km、雾，50-300db/km，目前针对这一问题有缩短传输距离、采用备份链路等解决办法。,建筑物晃动将影响两个点之间的激光对准。对FSO来说，为了保证光传输链路的性能，光链路两端的对准（捕获）和保持（跟踪）至关重要。但在对准以后，在风力和其它因素的作用下，建筑物会有些晃动，这就要求链路两端设备都必须具备自动跟踪的能力。,激光的安全问题也会影响其使用。超过一定功率电平的激光有可能对人眼产生影响，人体也可能被激光系统释放的能量伤害。目前有关激光的安全标准都建议其功率电平应允许让裸视和助视（如双筒望远镜）时，眼睛看到不会受到伤害。,与其他接入技术的比较,当前有很多种接入技术可供选择，比如FSO、光纤、DSL以及LMDS等。光纤传输无疑是最可靠的通信方式，但光纤敷设的较长周期及高额投资限制了其普及，并且一旦用户离开，业务提供商无法收回投资；微波技术日渐成熟，它比FSO的传输距离远，但这种接入方式需要高额的初始投资（频谱许可证），对业务提供商而言，这种接入技术不如FSO经济；尽管铜缆是一种易得的传输媒介，用铜缆相连的大楼也远多于光纤，但其带宽太低；FSO相对而言是一种比较好的方案，带宽可扩展，建设速度快，并且十分经济。,应用,到目前为止，FSO已被多家电信运营商应用于商业服务网络，比较典型的有Terabeam和Airfiber公司。在悉尼奥运会上，Terabeam公司成功地使用FSO设备进行图像传送，并在西雅图的四季饭店成功地实现了利用FSO设备向客户提供100Mb/s的数据连接。该公司还计划4年内在全美建设100个FSO城市网络。而Airfiber公司则在美国波士顿地区将FSO通信网与光纤网(SONET)通过光节点连接在一起，完成了该地区整个光网络的建设。,作为“最后一公里”解决方案之一的FSO技术主要有以下用途：,城域网的扩展：FSO可以用于扩展已有的城域网或者连到新的网络。这些链路通常不到达最终用户，而是为网络核心服务。企业应用：FSO的灵活性使它可以应用于许多企业和学校，例如企业LAN到LAN的连接及校园网的连接。,作为光纤的补充：目前大多数电信运营商都采用两条光纤连接来保证所构建的商业应用网的安全。现在，运营商无需部署两条光纤链路，可以选择FSO系统作为备份光纤的冗余链路，以节省投资。接入应用：FSO也可以用在接入网中，例如吉比特以太网接入。业务提供商可以使用FSO去旁路本地环路系统，或当作LMDS或蜂窝网的回程链路。DWDM业务：想要构建属于自己的光纤网络的独立运营商，可以结合使用WDM与FSO来完成部分链路的传输，以节省光纤租赁费用。,尽管存在一些问题，但在低成本、快速组网等方面具有较大优势的FSO的市场前景非常广阔。在未来几年里，它将作为一个主要的手段进入本地宽带接入市场，特别是没有光纤连接的中小企业。据预测，一两年内，FSO市场会形成一定规模，到2005年可达到20亿美元。,FSO有两种工作波长：850纳米和1550纳米。,1550纳米的设备价格要高一些，但在功率、传输距离和视觉安全方面有更好的表现。1550纳米的红外光波大部分都被角膜吸收，照射不到视网膜，因此，相关安全规定允许1550纳米波长设备的功率可以比850纳米的设备高2个等级。功率的增大，有利于增大传输距离和在一定程度上抵消恶劣气候给传输带来的影响。850纳米的设备相对便宜，一般应用在传输距离不太远的场合。,要解决的关键问题,光发射器件的制作光接收器件的开发激光束的准直以及光链路的对准和保持,