光纤通信绪论 课件.ppt

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1、光 纤 通 信Optical Fiber Communication,Education,Telephone,Travel,Entertainment,Health,Shopping,Banking,21世纪的通信业务,由光发射机、光纤光缆、中继器与光接收机等基本单元组成。此外还包括一些互连与光信号处理器件，如光纤连接器、隔离器、调制器、滤波器、光开关及路由器、分插复用器ADM等。,数字光纤通信系统的组成,关键原材料,光纤预制棒,光纤通信的产业链,1 概述1.1光纤通信的发展与现状1.2 光纤通信的主要特性1.3 光纤通信系统的组成和分类 2 光纤和光缆 2.1 光纤结构和类型 2.2 光纤的

2、射线理论分析 2.3 均匀光纤的波动理论分析 2.4 光缆 3 光纤的传输特性 3.1 损耗特性 3.2 色散特性 3.3 成缆对光纤特性的影响 3.4 典型光纤参数,常用光无源器件 4.1 光纤连接器 4.2 光纤耦合器 4.3 波分复用/解复用器 4.4 光开关光源与光发送机 5.1 半导体光源的物理基础 5.2 半导体光源的工作原理 5.3 光源的工作特性 5.4 光发送机 6 光电检测器与光接收机 6.1 光电检测器 6.2 光电检测器的特性指标 6.3 光接收机 6.4 光接收机的噪声 6.5 光接收机的灵敏度,讲授内容(1),讲授内容(2),9 SDH 传送网 10 光纤通信系统设

3、计 10.1 概述 10.3 数字光纤通信系统11 光纤通信新技术 11.2 光孤子通信技术 11.3 全光通信网,7 光放大器 7.1 概述 7.2 EDFA 7.3 光纤拉曼放大器 7.4 其他光放大器8 光复用技术 8.1 概述 8.2 时分复用技术 8.3 DWDM技术,光纤通信系统顾畹仪 编著 北京邮电大学出版社光纤通信G.Keiser著 李玉权等译 电子工业出版社光纤通信系统杨祥林 编著 国防工业出版社光纤通信工程赵梓森 编著 人民邮电出版社,参考书目,第一章 光纤通信概述,1.1 光纤通信技术的发展史及现状1.2 光纤通信的主要特性1.3 光纤通信系统的组成和分类,1.1光纤通信

4、技术的发展史及现状,什么是通信？“通”传送，“信”信息:信息的传送基本组成：发送、传输、接收,什么是光纤通信？利用激光作为信息的载波信号，并通过 光纤来传送信息的通信系统。,1.1光纤通信技术的发展史及现状,什么是通信？“通”传送，“信”信息；信息的传送基本组成：发送、传输、接收,什么是光纤通信？利用激光作为信息的载波信号，并通过 光纤来传送信息的通信系统。,光纤通信是人类科学技术的重大突破，光纤通信已成为现代信息社会的神经系统光纤-信息社会的标志,现代通信方式示意图,现代通信方式示意图,信息指用户要求传送的语音、图像、数据以及它们的各种组合,现代通信方式示意图,现代通信方式示意图,光纤通信经

5、过30年的技术发展目前正在淘汰着其他的有线通信方式,光纤通信器件的发展过程,20世纪60年代中期，所研制的最好的光纤损耗在400dB以上 1966年，英籍华人高锟（K.C.Kao）博士首次利用无线电波导通信的原理，提出了低损耗的光导纤维（简称光纤）的概念 1970 年 Corning“粉末法”石英光纤 20 dB/km 1972年 Corning 高纯石英多模光纤损耗 4 dB/km 1973年 贝尔(Bell)实验室 2.5dB/km 1974年贝尔(Bell)实验室 MCVD 1.1dB/km 1976年日本电报电话(NTT)公司 0.47 dB/km 1979年掺锗石英光纤在1.55m处

6、的损耗已经降到0.2dB/km，这一数值已经十分接近由Rayleigh散射所决定的石英光纤理论损耗极限1984年 0.157 dB/km 1986 年 0.154 dB/km，接近光纤损耗的理论极限,国外光纤技术发展概况,1970年 美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联先后突破了半导体激光器在低温(-200)或脉冲激励条件下工作的限制，研制成功室温下连续工作的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器(短波长)。1973年 半导体激光器 7000小时 1976年 日本电报电话公司研制成功1.3m的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器 1977年 贝尔实验室 半导体激光器 10万小时 19

7、79年 美国电报电话(AT&T)公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为1.55m的连续振荡半导体激光器,1966年 高锟提出光纤作为传输介质的概念。此后光纤通信从研究到应用，发展非常迅速：技术上不断更新换代，通信能力(传输速率和中继距离)不断提高，应用范围不断扩大。1976年 美国在亚特兰大(Atlanta)进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验，系统采用GaAlAs激光器作光源，多模光纤作传输介质，速率为44.7Mb/s，传输距离约10 km。1980年 美国标准化FT-3光纤通信系统投入商业应用，系统采用渐变型多模光纤，速率为44.7 Mb/s。1986年 光纤通信系统在全球广泛应

8、用,从提出光纤作为传输介质的概念,到广泛应用,20年时间高锟-光纤之父,光纤通信系统的发展历程,光纤通信追求目标:大容量、长距离技术发展：短波长-长波长、多模光纤-单模光纤、多模激光器-单模激光器,通信系统容量：比特率-距离积BL，B 比特率，L 中继距离,每秒钟传输的比特数目。,光纤通信技术的发展大体上可分为：,光纤通信技术的发展大体上可分为:（续）,光纤通信技术的三次飞跃(1),20世纪60年代。1962年第一只半导体激光器诞生，随后半导体光检测器也研究成功。特别是1966年英籍华人科学家高锟与Hockham提出用玻璃可以制成衰减为20dB/km的通信光导纤维，1970年美国康宁公司首先制

9、出了20dB/km的光纤，这标志着光纤通信系统的实际研究条件得以具备。,20世纪70年代。1970年发明了LD的双异质结构，使得光源与光检测器的寿命都达到了10万小时的实用化水平。1979年发现了光纤1310nm和1550nm新的低损耗窗口，紧接着单模光纤问世。光纤的衰减系数一下降到0.2dB/km。这使得光纤通信迈进了实用化阶段，从80年代初开始光纤通信便大步地迈向了市场。,光纤通信技术的三次飞跃(2),20世纪90年代初。1989年掺铒光纤放大器EDFA的研制成功是光纤通信新一轮突破的开始。EDFA的应用不仅解决了光纤传输衰减的补偿问题，而且为一批光网络器件的应用创造了条件。使得光纤通信的

10、数字传输速率迅速提高，促成了波分复用技术的实用化。,光纤通信技术的三次飞跃(3),光纤通信系统的新波段,1450 1490 1530 1570 1610 1650,S+S C L L+,波 长(nm),光纤网络的分类,三种网络的不同要求,三种网络设备有着不同的性质，决定了这三种网络中设备开发的不同考虑：Long-haul:Capacity Metro:Smart Access:Cost,国内发展概况,1963年 开始光通信的研究 1974年 研究光纤通信1977年，第一根短波长(0.85mm)阶跃型石英光纤问世，损耗为300dB/km1978年，阶跃光纤的衰减降至5dB/km。研制出短波长多模

11、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5.7 km、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。1981年多模光纤活动连接器进入实用1984年 武汉、天津34Mb/s市话中继光传输系统工程建成(多模)1990年，研制出G.652标准单模光纤，最小衰减达0.35dB/km1992年降至0.26dB/km,1991年，研制出G.653色散位移光纤。最小衰减达0.22dB/km 1997年，研制出G.655非零色散位移光纤“六五”、“七五”、“八五”铺设“八纵八横”光纤线路总

12、长约七万公里传输码率：从140Mb/s2.5Gb/s，10Gb/s，40Gb/s已开始研究。DFB（量子阱）激光器和EDFA研制成功，可供应用高速电子器件、波导器件尚有差距,国内现状,国内现状,虽然光纤光缆的研制仅短短的20多年，其应用却已相当普遍。迄今，已敷设光缆长度超过100万km，光缆已敷设到世界屋脊西藏。生产光缆的厂家有200多家，每年所用光纤的数量超过400万km。在实际网络中，无论是核心网还是接入网，目前主要应用的还是G.652光纤。在核心网中新建线路已开始采用G.655光纤，在接入网中已开始应用光纤带光缆。我国光通信领域已掌握了光纤、器件、系统等各方面的关键技术，逐渐走进了国际光

13、通信的先进行列。尤其在主要技术上，都有了自己的特色和创新。,美国1998年5月以亚利桑那大学为中心建立了“美国光谷”法国1999年以Alcatel为依托建立法国光谷许其贞委员于2000年3月在全国政协会议提案：建立“武汉中国光谷”广东省建立“广东光谷”长春建设“长春光谷”北京、重庆、上海、合肥都在建光谷。福州光电园区(华科,高意,康顺)、福建物构所,“光谷”：信息产业新的经济增长点,武汉中国光谷,国家科技部批准的两个“光谷”之一国家计委批准的唯一一个“光谷”规范名称：武汉光电子及生物技术产业基地光电子技术：信息光电子、能量光电子 消费光电子、软件产业生物技术：生物医药、生物材料 生物农药、生物

14、克隆,建 设 规 划,面积：50平方公里地域：东至外环线、南至汤逊湖北岸 西至珞狮路、北至东湖南岸特征：三湖（东湖、南湖、汤逊湖）六山（珞枷山、南望山、伏虎山 喻家山、马鞍山、九峰山）区划：科研区、商贸区、居住区、管理区人口：40-60万经济：750亿元（光电子600亿、生物150亿）,赵梓森，1953年8月毕业于上海交通大学，教授级高级工程师，中国工程院院士，国家级有突出贡献的专家，中国通信学会会士、湖北省科协副主席，第六、七、八届全国人大代表，国际电机电子工程师协会（IEEE）高级会员，“武汉中国光谷”首席科学家,兼任华中理工大学博士生导师，在通信行业内被称为“中国光纤之父”。作为我国光纤

15、通信技术的开拓者，学科带头人，赵院士为光纤通信在我国的科研及实用化做出了重大贡献。,消费光电子光存储光传感光显示数码相机新型光源,能量光电子工业激光设备激光材料处理激光医疗设备激光元器件激光测量仪器,信息光电子光纤光缆光通信器件与光集成光通信系统设备IP网络及设备移动通信系统及设备,光纤通信,一根光纤中可同时传输一百多路信号，采用特殊技术甚至可以同时传输1022路,单路速率不断提升，已达到10、20、40Gb/s采用OTDM技术甚至可达640Gb/s,各种通信技术的快速发展使上千甚至上万公里的长距离传输成为可能,全光网成为目前光通信领域最热门的话题之一,光纤通信的发展方向,光纤通信未来的发展方

16、向,光纤通信系统向相干光通信方向发展；光纤通信系统向全光通信方向发展；光纤通信系统向孤子光通信方向发展；光纤通信系统向网络通信方向发展；,第一章 光纤通信概述,1.1 光纤通信技术的发展史及现状1.2 光纤通信技术的主要特性1.3 光纤通信系统概述,光纤通信技术的主要优点,光波频率很高，光纤传输的频带很宽，故传输容量很大，理论上可通上亿门话路或上万套电视，可进行图像、数据、传真、控制等多种业务。采用时分复用、波分复用等技术可以进一步提高传输容量；低损耗，中继距离长，误码率小；重量轻，体积小，耐高温、高压、抗腐蚀，工作可靠；不受电磁干扰，保密性好；光纤材料来源丰富，可节约大量有色金属(如铜、铝)

17、。,表 1.1 各种传输线路的中继距离,相关通信基本概念和原理,模/数转换和抽样定理模拟信号：信号随时间连续变化；数字信号：信号仅取一些离散值。,模拟信号和数字信号都用它们的带宽表示它们的特性。信号带宽代表信号傅立叶变换所含的频谱范围。,why光纤传输容量大？,根据抽样定理，模拟信号可以等间隔地抽样转为数字形式。当抽样频率fs满足Nyguist准则（fs 2）时，一个带宽有限的模拟信号就可以不失真地由离散样本表示。模/数转换：抽样，量化，编码,信息带宽与载波频率的关系经过模/数转换后得到的数字信号（脉冲）序列仍然是一种低频信号，不宜直接传输，必须加在高频载波上才能有效发射调制调制方式：调幅（常

18、用），调频，调相E(t)=A(t)e-i 0 tA(t)的付氏变换为a(),带宽，调制要求：信息带宽 载波频率0取样频率及量化数B=1/T 单脉冲信息量大，单脉冲t小，单脉冲的大，需要更多带宽才能传输,假设数字通信系统能够在高达1%的载波频率的比特率下工作，试问在5GHz的微波载波和1.55m的光载波上能传输多少路64kb/s的音频信道？,解：微波载波：5G*1%/64k=781路 光载波：f=c/=3*108/(1.55*10-6)1.94*1014Hz 能传输的音频信道数=1.94*1014*1%/64k 3*107路,第一章 光纤通信概述,1.1 光纤通信技术的发展史及现状1.2 光纤通

19、信技术的主要优点1.3 光纤通信系统的组成和分类,光纤通信系统的分类,按照调制信号类型分：模拟/数字光纤通信系统按照光源调制方式分：直接/间接调制光纤通信系统按照光纤的传导模数量分：单模/多模光纤通信系统按照系统的工作波长分：短波长/长波长/超长波长光纤通信系统,由光发射机、光纤光缆、中继器与光接收机等基本单元组成。此外还包括一些互连与光信号处理器件，如光纤连接器、隔离器、调制器、滤波器、光开关及路由器、分插复用器ADM等。,数字光纤通信系统的组成,1、光发射机,光发射机由光源、调制器和信道耦合器组成。光信号是用电信号调制光载波产生的。直接调制：通过改变注入电流直接调制半导体光源的输出。带有啁

20、啾，影响通信系统性能。间接调制/外调制：增加一调制器，适于高速系统应用。,2、光纤,光纤：将光信号从光发射机无失真地传送到光接收机。基本特性参数：损耗（dB/km）：直接影响通信距离。色散（ps/nm.km）：将引起光脉冲信号展宽和码间串扰，影响通信距离和容量。为实现高速长距离传输，要求光纤具有低损耗和低色散特性。,四十年的努力寻找合适的光纤，实用化的光纤损耗为20dB/km(99.5%/m)；60年代研究，70年代突破，2000年0.2dB/km(99.995%/m);新的实用化光纤不断涌现,3、光接收机,光接收机：将光信号变换为电信号，再进行放大、再生。常用光检测器有两种类型：PIN-PD

21、,APD数字通信系统的性能用误码率BER来衡量。BER定义为错误识别比特的平均几率。接收机性能的重要参数是接收机灵敏度：在接收机BER10-9的条件下，所要求的最小平均接收光功率。接收灵敏度取决于信噪比，亦即取决于干扰接收信号的各种噪声源，是所有可能的噪声机制影响的累加，当然也与比特率有关。,4、中继器,随着传输线路的延长，会由于传输损耗而使脉冲衰减，同时加上传输线路的失真特性（光纤中的各种色散）产生脉冲波型的失真。因此，需要中继器来进行修复。,3R：re-amplifying 再放大（光放大器的功能）re-timing 再定时（消除时间抖动）re-shaping 再整形（消除波形畸变）通过这3个R，得到接近于发射端的光信号的 copy，从而延长传输距离，提高信号质量。,3R组合,3R再生功能,放大,消除波形畸变,消除时间抖动,光源,调制器,驱动电路,放大器,光电二极管,判决器,小结,光发射机,光接收机,光 纤,中 继 器,光 器 件,