《普天光纤通信概论》PPT课件.ppt

光纤通信原理,刘显文 重庆普天普科通信技术有限公司,通信是人的基本需求之一。人类的发展经历了农业文明和工业文明，现在已进入信息文明时代。,通信-信息传递与交流。（按照达成的协议，信息在人、地点、进程和机器之间进行的传送。）,电通信（electrical communication）广义的电通信指的是一切运用电波作为载体而传送信息的所有通信方式的总称，而不管传输所使用的介质是什么。电通信又可分为有线电通信和无线电通信。光通信（optical communication）广义的光通信指的是一切运用光波作为载体而传送信息的所有通信方式的总称，而不管传输所使用的介质是什么。光通信也可以分为利用大气进行通信的无线光通信和利用石英光纤或塑料光纤进行通信的有线光通信。,通 信,光 通 信,光 纤 通 信,第一章：光纤通信概论,光通信-以光作为信息载体的通信方式。光纤通信-以光作为信息载体，以光纤作 为传输媒质的通信方式。光通信网络-由光传输、光交换以及光终 端设备组成的智能网络。,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。,光纤通信是人类历史上的重大突破，现今的光纤通信已成为信息社会的神经系统,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,光纤通信经过40年的技术发展目前正在淘汰着其他的有线通信方式,电磁频谱：电磁波的波长范围,光波是电磁波，光波范围包括红外线、可见光、紫外线，其波长范围为：300m6103m。,光是一种电磁波可见光350nm750nm光纤通信所用的波长(石英光纤)8001600nm光的反射、折射全反射,通信波段划分及相应传输媒介,频率 Hz,光纤损耗谱特性及单模光纤的带宽资源,第三传输窗口,第二传输窗口,第一传输窗口,1300,1550,850,紫外吸收,红外吸收,瑞利散射,0.2,2.5,损 耗(dB/km),波 长(nm),OH离子吸收峰,光纤带宽：1300nm窗口约100nm，1550nm窗口约100nm，共200nm，约30THz,1、发展2、特点3、构成4、分类5、新技术,光 纤 通 信 的 发 展,光(纤)通信的发展简史:1880年，贝尔发明了利用太阳光作为光源的通话装置，光波在大气中传输，通话距离达213米。后来改用孤光灯作为光源，延长通信距离。但光源在大气中传输受到雨、雾、烟和尘土的阻抗或减弱，通信很不稳定，应用上受到很大的限制。,贝尔光电话,1966年,高锟等人提示了实现低衰耗光导纤维的可能性。1970年，美国研制出衰耗为20分贝/公里的石英光纤和体积很小的半导体激光器。此后，光纤及激光器等部件的质量逐年迅速提高，因而以半导体激光器作为光源，以石英光纤作为光的传输媒介，以半导体光电二极管作为接收器件的光源通信系统迅速发展起来。(光纤通信元年）1976年，美国贝尔实验室在亚特兰大到华盛顿间建立了世界第一条实用化的光纤通信线路，速率为45Mb/s，采用的是多模光纤，光源用的是发光管LED，波长是0.85微米的红外光。,1966年，高锟()和霍克哈姆()发表了关于传输介质新概念的论文用于光频的光纤表面波导,指明通过“原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤”这一发展方向,奠定了现代光通信光纤通信的基础。,高锟(左)从瑞典国王手中接过2009诺贝尔物理学奖,1981年实现了两电话局间使用1.3微米多模光纤的通信系统，80年代，以短波长光源和多模光纤为标志的第一代光通信技术已很成熟，无中断通信距离约为10公里，通信容量约为1000路，已用作市话局之间的中继线，也用于城市间的通信系统，但中继站较多，站距较短。以长波长光源和单模光纤为标志的第二代光纤通信技术也已成熟，无中继通信距离约为30公里，通信容量约为5000路，适用于长途干线通信。,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。使得光纤通信的数字传输速率迅速提高，促成了波分复用技术的实用化。,1996年WDM技术取得突破，贝尔实验室发展了WDM技术，美国MCI公司在1997年开通了商用的WDM线路。光纤通信系统的速率从单波长的2.5Gb/s和10Gb/s爆炸性地发展到多波长的Tb/s(1Tb/s=1000Gb/s)传输。当今实验室光系统速率已达10Tb/s，几乎是用之不尽的，所以它的前景辉煌。,实用光纤通信系统的发展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。1980年，美国标准化FT-3光纤通信系统投入商业应用。1976年和1978年，日本先后进行了速率为34Mb/s的突变型多模光纤通信系统，以及速率为100Mb/s的渐变型多模光纤通信系统的试验。1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。1988年由美、日、英、法发起的第一条横跨大西洋 TAT-8海底光缆通信系统建成。1989年第一条横跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系统建成。从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全球通信网的发展。,当今世界范围的光纤通信系统,海底光缆及洲际通信网,我国的光纤通信发展,七十年代初武汉邮电科学研究院赵梓森院士就提出了开展光纤通信技术研究的建议。当时国际上也刚刚开始相关研究。在七十年代末一些实用的光纤通信系统已经在我国电话网中应用。如，北京大学研制的系统（比特率8 Mbit/s，传输距离3 km）于1979年安装于北京市电话网中使用多年，获国家科技进步二等奖。由于当时客观条件的限制，我国研制的系统比特率不高，直到九十年代初我国光纤传输系统的比特率仍维持在140Mbit/s。由于发达国家的禁运，进口系统也限制在140Mbit/s以下。这一速率已经不能适应我国国民经济和社会发展的需要。为了增加通信容量，当时只能增加光缆中的光纤芯数。,1978年改革开放后，光纤通信的研发工作大大加快。上海、北京、武汉和桂林都研制出光纤通信试验系统。1982年邮电部重点科研工程“八二工程”在武汉开通。该工程被称为实用化工程，要求一切是商用产品而不是试验品，要符合国际CCITT标准，要由设计院设计、工人施工，而不是科技人员施工。从此中国的光纤通信进入实用阶段。,我国波分复用技术的研究和国际上同步进行。1992年北京大学提出了采用波分复用+光纤放大器技术实现我国通信干线扩容的建议，受到相关部委的重视，并开始立项研究。在当时该项技术在国际上还没有得到共识，国内外都有反对意见。直到1996年波分复用技术被公认为当前光纤通信系统扩容的最佳方案，并在国内外得到迅速发展。1997年由北京大学和有关公司合作研制的42.5 Gbit/s波分复用系统安装于国家光缆干线上，成为我国第一条实际使用的波分复用系统，获得国家科技进步三等奖。随后又完成了82.5Gb/s、1610Gbl/s、3210Gb/s、16010Gb/s WDM系统，10Gb/s、40Gb/s0TDM试验系统，宽带接入系统和全光通信试验网、自动交换光网络试验平台等一系列项目。,自行研制成功的WDM光传输系统已在多省市提供运行和服务，各种光纤局域网/城域网/广域网已得到了广泛应用，我国已成为世界上为数不多的几个掌握了全套SDH和WDM光通信系统系列产品技术的国家之一，在世界光通信系统和光网络领域已经占据了一席之地。而且我国的通信网已经成为全球通信网的一部分。陆地上已有光缆通到欧洲和东南亚。海上也有了中日、中韩和中美之间海底光缆系统。,进入九十年代我国光纤通信研究和产业都得到巨大的发展。商用系统的比特率从140Mbit/s为主，跳过了565Mbit/s和622mbit/s（这两个比特率在我国使用较少）进入比特率为2.5Gbit/s的系统的研究和实用化。当前我国已有10Gbit/s和40Gbit/s的实用化系统，已经开始研究速率100Gbit/s以上的系统，与国际上基本同步。在全国通信网的建设方面也进展迅速。“八五”和“九五”计划期间（1991-2000），我国建设了两个“八纵八横”通信光缆，通信干线网基本覆盖全国。,20世纪80年代中期，数字光纤通信的速率已达到144Mb/s，可传送1980路电话，超过同轴电缆载波。于是，光纤通信作为主流被大量采用，在传输干线上全面取代电缆。经过国家“六五”、“七五”、“八五”和“九五”计划，中国已建成“八纵八横”干线网，连通全国各省区市。,1979年,北京大学研制的系统（比特率8 Mbit/s，传输距离3 km）安装于北京市电话网中，获国家科技进步二等奖1982年,邮电部重点科研工程“八二工程”在武汉开通1997年,由北京大学和有关公司合作研制的42.5 Gbit/s波分复用系统安装于国家光缆干线上，成为我国第一条实际使用的波分复用系统，获得国家科技进步三等奖。1999年,中国生产的82.5Gb/sWDM系统首次在青岛至大连开通，随之沈阳至大连的322.5Gb/sWDM光纤通信系统开通。2005年,3.2Tbps超大容量的光纤通信系统在上海至杭州开通，是至今世界容量最大的实用线路,回顾光纤通信系统的发展历史，迄今为 止大致经历了5个发展阶段：第一阶段：19731976年的第1代光纤通信系统。其特征是：采用0.85m短波长多模光纤，光纤损耗为2.53 dB/km，传输速率为50100Mb/s，中继距离为810 km，于1978年进入现场试用，80年代初陆续在世界先进国家推广应用，多用做市话局间中继线路。,第二阶段：19761982年的第2代光纤通信系统。其特征是：采用1.3m长波长多模或单模光纤，光纤损耗为o.55l dB/km，传输速率为140 Mb/s，中继距离为2050 km，于1982年开始陆继投入使用，一般用于中、短距离的长途通信线路，也用做大城市市话局间中继线，以实现无中继传输。,第三阶段：19821988年的第3代光纤通信系统，采用1.31m长波长单模光纤，光纤损耗降至0.30.5 dB/km，实用化、大规模应用是其主要特征，传输信号为准同步数字系列(PDH)的各次群路信号，中继距离为50100 km，于1983年以后陆续投入使用，主要用于长途干线和海底通信，是光纤通信重点推广应用阶段。,第四阶段：19881996年的第4代光纤通信系统。其主要特征是：开始采用1.55m波长窗口的光纤，光纤损耗进一步降至O.2 dB/km，主要用于建设同步数字系列(SDH)同步传送网络，传输速率达2.5 Gb/s，中继距离为80120 km，并开始采用掺铒光纤放大器(EDFA)和波分复用(WDM)器等新型器件。色散位移光纤(I)SF7.G.653)是应用于第4代光纤通信系统的一项重要成就。普通单模光纤的零色散点在1.31um附近，色散位移光纤将零色散点从1.31m移到1.55m，有效地解决了1.55m光通信系统的色散问题。,第五阶段：1996年以来的第5代光纤通信系统。其主要特征是：采用密集波分复用(DWDM)技术的全光网络开发与应用，充分利用光纤低损耗波段潜在容量实现传输系统的急剧扩容。由于WDM具有大容量、透明性、可重构性、易扩容性等优异性能，近年来得到了极大的重视和飞速的发展，其相关的光器件、光系统、光网络等方面的发展代表了光通信技术的发展方向，已成为国际和国内在光纤通信领域内的研究重点和应用热点。国际上，在高速光传输方面，目前已实现10.96 Tb/s(274波40(Gb/s)的实验系统;在超长距离传输方面，已达到了4000 km无电中继的技术水平;在光网络方面，“光网技术合作计划(ONTC)”、“多波长网络(MONET)”、“国家透明光网络(NTON)”、“泛欧光子传送重叠网(PHOTON)”、“泛欧光网络(OPEN)”、“光通信网管理(MOON)”、“光城域通信网(MTON)”、“波长捷变传送接入网(WOTAN)”和“社团光纤骨干网(COBNET)”等一系列光网络研究项目的相继启动、实施与完成，为下一代宽带信息网络，尤其是为承载未来IP业务的下一代光通信网络奠定了良好基础。,四大里程碑1960年，世界上第一台相干振荡光源红宝石激光器问世。1970年，美国康宁玻璃公司的卡普隆（Kapron）博士等 拉制出损耗仅为20 dB/km的光纤(元年说）1985年，南安普敦大学的Mears等人制成了掺铒光纤放大器（erbium-doped fiber amplifier,EDFA）90年代，光纤光栅、全光纤光子器件、平面波导器件及其集成的出现,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。使得光纤通信的数字传输速率迅速提高，促成了波分复用技术的实用化。,2.5Gb/s 10Gb/s 40Gb/s,10Gb/s 40Gb/s,20Gb/s 80Gb/s,80Gb/s 320Gb/s,32168,4,1,WDM 波长数,每波长比特率,40Gb/s,网络容量演进战略,有人认为，我国光纤通信主要干线已经建成，光纤通信容量达到Tb/s，几乎用不完，光纤的价格低到每公里100元，几乎无利可图。因此不要发展光纤通信技术了。实际上，特别是中国，省内农村有许多空白需要建设；3G移动通信网的建设也需要光纤网来支持；随着宽带业务的发展、网络需要扩容等，光纤通信仍有巨大的市场。现在每年光纤通信设备和光缆的销售量是上升的。,FTTH（光纤到家庭）是光纤通信进一步发展的方向，它被公认为理想的宽带接入网目前，发达国家FTTH建设普遍开展，日本、韩国和美国领先发展，采用各种无源光网PON和以太网技术。中国的运营商和房地产开发商已对FTTH进行了试点。,光纤通信是目前世界上发展最快的领域，平均每9个月性能翻一番、价格降低一半，其速度已超过了计算机芯片性能每18个月翻一番的摩尔定律的一倍。在短短的30多年时间里已经经历了五代通信系统的使用。,爆炸性发展,21世纪是光子的世纪，是光网络的世纪，通信走向全光网络必然要涉及开发一系列不同于以往传统光纤通信要求的新技术、新器件。,未来技术角色 超大容量光纤通信系统 光集成器件和光电集成器件的研究 新类型光纤的研究 解决全网瓶颈的手段光接入网,光纤通信技术特点,光纤通信技术特点 传输容量大。传输损耗小，中继距离长 抗干扰性好，保密性强，使用安全材料资源丰富，可节约金属材料重量轻，可挠性好，敷设方便,1、频带宽 频带的宽窄代表传输容量的大小。载波的频率越高，可以传输信号的频带宽度就越大。可见光的频率达100000GHz，目前单个光源的带宽只占了其中很小的一部分(多模光纤的频带约几百兆赫，好的单模光纤可达10GHz以上)，,光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统，其载波光波具有很高的频率(约1014Hz)，因此光纤具有很大的通信容量。,目前的光纤容量已经达到十多个Tbit/s(理论可达100 Tbit/s）,理论上讲一根单模光纤可利用的带宽达20THz(1THz=1012Hz)以上，可通上亿路电话。现在最先进的光纤通信系统达400GHz,而一路电话带宽约占4KHz频带,一路彩色电视约占6MHz频带,光纤通信的容量有多大?,光波中心波长1.5m，中心频率1014Hz目前商用水平：312万路电话/纤速率：2.510Gb/s提高数据率的途径电复用光复用密集波分复用(DWDM)：光时分复用(OTDM),2损耗低在同轴电缆组成的系统中，最好的电缆在传输800MHz信号时，每公里的损耗都在40dB以上。相比之下，光导纤维的损耗则要小得多，传输1.31um的光，每公里损耗在035dB以下若传输1.55um的光，每公里损耗更小，可达02dB以下。这就比同轴电缆的功率损耗要小一亿倍，使其能传输的距离要远得多。此外，光纤传输损耗还有两个特点，一是在全部有线电视频道内具有相同的损耗，不需要像电缆干线那样必须引入均衡器进行均衡；二是其损耗几乎不随温度而变，不用担心因环境温度变化而造成干线电平的波动。,七O年：20dB/km七二年：4 dB/km七四年：1.1dB/km七六年：0.5dB/km七九年：0.2dB/km九O年：0.14dB/km,同轴电缆通信的中继距离只有几千米，最长的微波通信是 50 千米左右，而光纤通信系统的最长中继距离已达 300千米。,例如，对于400Mb/s速率的信号，光纤通信系统可达到100km以上的无中继传输距离，然而，同样速率的同轴电缆通信系统，无中继传输距离仅为1.6km左右。如将来采用非石英系的超长波长光纤，传输损耗会更小，有可能实现1000km以上的无中继传输，这一点对于海底光缆通信等长途干线业务具有重大意义。,如果今后采用非石英光纤，并工作在超长波长(2m)，光纤的理论损耗系数可以下降到10-310-5dB/km，此时光纤通信的中继距离可达数千，甚至数万公里。那在许多情况下，通信线路中就可以不设中继站了。这对越洋通信意义尤其重大，因为在海底设立中继站，不仅使线路成本大为提高，也大大增加了维修工作的困难。,3重量轻 因为光纤非常细，单模光纤芯线直径一般为4um10um，外径也只有125um，加上防水层、加强筋、护套等，用448根光纤组成的光缆直径还不到13mm，比标准同轴电缆的直径47mm要小得多，加上光纤是玻璃纤维，比重小，使它具有直径小、重量轻的特点，安装十分方便。,制造 1000 千米的 8 管同轴电缆却需要消耗120吨铜和 500 吨铅。拉制成千上万千米光纤1 千克高纯度石英玻璃可以了。18 管同轴电缆每米重 11 千克；100 芯铅皮对称电缆每米重 2.9 千克，而同等容量的光缆每米只有90克重。,4抗干扰能力强 因为光纤的基本成分是石英，只传光，不导电，不受电磁场的作用，在其中传输的光信号不受电磁场的影响，故光纤传输对电磁干扰、工业干扰有很强的抵御能力。也正因为如此，在光纤中传输的信号不易被窃听，因而利于保密。,5保真度高 因为光纤传输一般不需要中继放大，不会因为放大引人新的非线性失真。可高保真地传输电视信号。,6工作性能可靠 我们知道，一个系统的可靠性与组成该系统的设备数量有关。设备越多，发生故障的机会越大。因为光纤系统包含的设备数量少(不像电缆系统那样需要几十个放大器)，可靠性自然也就高，加上光纤设备的寿命都很长，无故障工作时间达50万75万小时，其中寿命最短的是光发射机中的激光器，最低寿命也在10万小时以上。光纤系统的工作性能是非常可靠的。,7成本不断下降目前，有人提出了新摩尔定律，也叫做光学定律（Optical Law）。该定律指出，光纤传输信息的带宽，每6个月增加1倍，而价格降低1倍。光通信技术的发展，为Internet宽带技术的发展奠定了非常好的基础。这就为大型有线电视系统采用光纤传输方式扫清了最后一个障碍。由于制作光纤的材料(石英)来源十分丰富，随着技术的进步，成本还会进一步降低；而电缆所需的铜原料有限，价格会越来越高。显然，今后光纤传输将占绝对优势，成为建立全省、以至全国有线电视网的最主要传输手段。,光纤通信的缺点 事物都是一分为二的，光纤通信有许多优点，因而发展很快，但光纤通信也有以下缺点。抗拉强度低，容易折断(比如经常被挖断)光纤连接困难(断面是否垂直、焊接点是否有气泡等)光纤通信过程中怕水、怕冰(OH-根吸收增大损耗)光纤怕弯曲(导致损耗增加),案例：新疆某地区大雪导致光纤故障(2006年10月报道)原因：光缆没有防护好被冰雪包裹，并由于冰雪压力和热胀冷缩导致光纤弯曲,缺点,质地脆,机械强度低光纤切断和接续需要一定的工具,设备和技术分路,耦合不灵活光纤,光缆弯曲半径不能过小(20CM)在偏僻地区存在有供电困难问题,光纤通信是不是完美无缺？,光纤通信除了上述优点外，也存在一些缺点。例如组件昂贵，光纤质地脆、机械强度低，连接比较困难，分路、耦合不方便，弯曲半径不宜太小，不能远端供电等。这些缺点在技术上都是可以克服的，它不影响光纤通信的实用。,光纤通信系统的结构,光纤通信系统的组成,光纤通信系统的结构,1.3.1 光纤通信系统的组成光纤通信系统是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统。主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。,系统中光发送机的作用是将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注入光纤。光发送机一般由驱动电路、光源和调制器构成，如果是直接强度调制可以省去调制器。,光接收机的作用是将光纤送来的光信号还原成原始的电信号。它一般由光电检测器和解调器组成，对于直接强度调制解调器可以省略。光纤的作用是为光信号的传送提供传送媒介(信道)，将光信号由一处送到另一处。中继器分为电中继器和光中继器(光放大器)两种，其主要作用就是延长光信号的传输距离。,光纤通信系统的分类,根据光纤通信系统所使用的光波长、传输光纤、传输信号形式、光电检测方式、复用方式等不同，可分为各种光纤通信系统。这些系统各有不同的特点，其分类如表7.1所示。,光纤通信系统分类表,光纤通信系统分类表,根据调制信号的类型，光纤通信系统可以分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统。根据光源的调制方式，光纤通信系统可以分为直接调制光纤通信系统和间接调制光纤通信系统。,根据光纤的传导模数量，光纤通信系统可以分为多模光纤通信系统和单模光纤通信系统。根据系统的工作波长，光纤通信系统可分为短波长光纤通信系统、长波长光纤通信系统和超长波长光纤通信系统。,光纤通信网光纤局域网光纤宽带网光纤接入网海底光缆及洲际通信网,光纤通信的发展方向和新技术,1.相干光通信 目前，大多数光纤通信系统采用的都是直接检测方式，在相干光通信中将采用相干检测方式。相干检测方式的最大优点是能提高光纤通信系统接收机的检测灵敏度。相干检测可分为自差法和外差法两种。为了实现相干光通信，要求光源是相干性很好、谱线很纯、频率很稳定的单频激光器；光纤应是单模单偏振的保偏光纤；还需要性能很好的光隔离器、偏振控制器等等。（相干光：频率相同，偏振方向相同，相位相同或相位差恒定）,2.光孤子通信 在增大传输中继距离方面，光纤的传光损耗和光接收机灵敏度不是惟一的障碍，而光纤的色散使脉冲展宽也是一个重要的限制因素。光纤孤子脉冲传输，其原理是利用光纤在大功率注入时的非线性作用与光纤中的色散作用达到平衡，使光脉冲在传输中无展宽。具体来说，就是在大功率光源注入光纤的非线性作用下，产生一种“自相位调制”，使脉冲波前沿速度变慢，而后沿速度变快，从而使脉冲不发生展宽。类似于流水中一个不变形的旋涡孤子，故称孤子传输。自从光纤放大器在补偿光纤损耗延长通信距离方面起了巨大作用以后，有人认为孤子传输的研究更应加速赶上。,3.全光网络技术 全光网络是指用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术完成的先进网络，它包括光传输、光放大、光再生、光交换、光存储、光信息处理、光信号多路复用/分插、进网/出网等许多先进的全光技术。全光网络中的光交叉连接设备(OXC)主要由光交叉连接矩阵、输入/输出接口和管理控制单元等模块组成，具有光信号交叉连接、分插复用、波长变换、波长再用、可重构无阻塞连接、透明性连接、广播分配、信号监视与节点控制、光接口和信号中继等功能。其中，OXC结构透明性是指比特率透明、调制格式透明或码格式透明。,作业：,你眼中的光通信系统 XXXXXX提示：光通信技术存在的问题？研究进展？光通信在XXX行业中的应用？存在问题？研究进展？,谢 谢,资 料,光纤通信的优点,1.巨大的传输容量 前已说到光波载波频率比微波高得多，光纤通信使用的波段载频约为1014 Hz量级,而微波大约1010 Hz量级，两者差四个量级，带宽资源比微波大得多。具体说现有普通单模光纤在1.3m和1.55m波段可用于光纤通信的低损耗窗口的带宽各有25,000 GHz，如图1.1所示（参考图3.1）。若把1.39m附近的氢氧根离子吸收峰清除掉，将两个低损耗区连接起来则可有50,000 GHz(波长范围400 nm，即波长在12601660 nm之间)以上的低损耗带宽，当前技术还不能完全利用，也还没有如此大的带宽需求，因此光纤通信技术在将来还有巨大的发展潜力。,2.优越的传输性能,在1.55m波段最低传输损耗约0.2 dB/km，即传输100 km光信号才衰减20 dB。完全可以用光放大器来补偿损耗，即放大器间距100 km 是可能的。而同轴电缆中继放大器间距在500 m几km。此外光纤不存在外来的信道噪声的干扰，这一点是其它通信体系所不具备的。以后我们会讲到，以发射机的功率和接收机的灵敏度作比较，电通信系统比光通信系统好，但光通信中继距离反而长，这都是得益于光纤优良的传输特性。其它优点还有制作光纤的材料易于得到、价格便宜（光纤材料的基质是石英玻璃，即二氧化硅(SiO2)，可以从石英砂中提炼，而石英砂在世界上的储量非常丰富）；光纤质量轻、直径细，只占据很小空间，易于铺设。由于外界信号不能干扰光纤中传输的信号，光纤中传输的信号几乎不能辐射出光纤，因此光纤的电磁兼容性非常好。,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,光纤通信最具代表性技术 波分复用WDM和光纤放大器EDFA,光集成器件,光纤通信系统的新波段,1450 1490 1530 1570 1610 1650,S+S C L L+,波 长(nm),寻找合适的光纤，实用化的光损耗为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,电磁频谱：电磁波的波长范围,光波是电磁波，光波范围包括红外线、可见光、紫外线，其波长范围为：300m6103m。,频率（Hz）,102,104,106,108,1012,1014,1016,1018,1020,1022,106,104,102,1,1010,10-2,10-4,10-6,10-8,10-10,10-12,10-14,波长,名称,长波,中波,短波,超短波,微波,毫米波,红外线,可见光,紫外线,X射线,红外线,可见光,紫外线,光是一种电磁波可见光350nm750nm光纤通信所用的波长(石英光纤)8001600nm光的反射、折射全反射,七六年，美国在亚特兰大开通了世界上第一个实用化光纤通信系统。码率为45Mb/s，中继距离为10 km。八年，多模光纤通信系统商用化（140Mb/s），并着手单模光纤通信系统的现场试验工作。九年，单模光纤通信系统进入商用化阶段（565Mb/s），并着手进行零色散移位光纤和波分复用及相干通信的现场试验，而且陆续制定数字同步体系（SDH）的技术标准。九三年，SDH产品开始商用化（622Mb/s 以下）。九五年，2.5Gb/s 的SDH产品进入商用化阶段。九六年，10Gb/s 的SDH产品进入商用化阶段。九七年，采用波分复用技术（WDM）的20Gb/s 和40Gb/s 的SDH产品试验取得重大突破。,七O年：20dB/km七二年：4 dB/km七四年：1.1dB/km七六年：0.5dB/km七九年：0.2dB/km九O年：0.14dB/km,思考题与习题,1.1试讨论当代通信技术发展的特点（主要讨论除通信容量迅速增加外的其它特点）。1.2试讨论为什么光纤通信技术发展如此迅速（从需要和可能两方面讨论）。1.3下面要提到的全波光纤具有可能的低损耗带宽约为12601660 nm，试估算这一带宽占图1.1中所画的1020 Hz带宽的多大分数？当前光纤通信系统中使用的单信道最高比特率为40 Gbit/s，如果系统的带宽利用率为0.5(bit/s)/Hz，试估算该系统占据光纤可用的低损耗带宽的分数是多大？1.4试举例说明图1.1所示的无线电波的各个波段可能在哪些领域应用。,未来的信息高速公路将首先在现有光纤通道基础上，增设“大道”，先将光缆铺到公路旁、住宅前，最终目标是实现光纤进入千家万户。目前，光缆线路铺设的最大问题不在于干线，而在于入户，即连结每一户居民。如果要把全美国9600万个住户入户铜芯同轴电缆都改成光缆，估计需要2000亿美元，要花费20年甚至更多的时间，这是信息高速公路最大的瓶颈之一。目前，信息高速公路尚在起步阶段。光纤通信是现代化通信网络的基础平台。光导纤维的巨大潜力，将使信息高速公路不仅成为数据传输媒介，还将输送电视、电话、教育、金融等多种服务，成为继本世纪50年代开始美国大规模普及电话之后最重大的通信手段革命。展望国际光纤通信技术的发展，其趋势将是日益网络化，智能化，在信息时代，光纤网将日益发挥它的巨大作用，成为信息高速公路的强大的后盾。,1976年，美国贝尔实验室在亚特兰大到华盛顿间建立了世界第一条实用化的光纤通信线路，速率为45Mb/s，采用的是多模光纤，光源用的是发光管LED，波长是0.85微米的红外光。,1977年美国在芝加哥相距7000米的两电话局之间，首次用多模光纤成功地进行了光纤通信试验。85微米波段的多模光纤为第一代光纤通信系统。1981年又实现了两电话局间使用1.3微米多模光纤的通信系统，为第二代光纤通信系统。1984年实现了1.3微米单模光纤的通信系统，即第三代光纤通信系统。80年代中后期又实现了1.55微米单模光纤通信系统，即第四代光纤通信系统。用光波分复用提高速率，用光波放大增长传输距离的系统，为第五代光纤通信系统。,表7.3 OXC与DXC功能的比较,1870年的一天，英国物理学家丁达尔到皇家学会的演讲厅讲光的全反射原理，他做了一个简单的实验：在装满水的木桶上钻个孔，然后用灯从桶上边把水照亮。结果使观众们大吃一惊。人们看到，放光的水从水桶的小孔里流了出来，水流弯曲，光线也跟着弯曲，光居然被弯弯曲曲的水俘获了。人们曾经发现，光能沿着从酒桶中喷出的细酒流传输；人们还发现，光能顺着弯曲的玻璃棒前进。这是为什么呢？难道光线不再直进了吗？这些现象引起了丁达尔的注意，经过他的研究，发现这是全反射的作用，即光从水中射向空气，当入射角大于某一角度时，折射光线消失，全部光线都反射回水中。表面上看，光好像在水流中弯曲前进。实际上，在弯曲的水流里，光仍沿直线传播，只不过在内表面上发生了多次全反射，光线经过多次全反射向前传播。,编年大事记1880-AlexandraGrahamBell发明光束通话传输 1960-电射及光纤之发明 1960-玻璃纤维的传输损耗大于1000dB/km，其他材料包括光圈波导、气体透镜波导、空心金属波导管等 1966-七月，英藉、华裔学者高锟博士（）在PIEE 杂志上发表论文光频率的介质纤维表面波导，从理论上分析证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性，并预言了制造通信用的超低耗光纤的可能性 1970-美国康宁公司三名科研人员马瑞尔、卡普隆、凯克用改进型化学相沉积法（MCVD 法）成功研制成传输损耗只有20dB/km的低损耗石英光纤。1970-美国贝尔实验室研制出世界上第一只在室温下连续波工作的砷化镓铝半导体激光器 1972-传输损耗降低至4dB/km 1973-我国邮电部武汉邮电学院开始研究光纤通信 1974-美国贝尔研究所发明了低损耗光纤制作法CVD法（汽相沉积法），使光纤传输损耗降低到1.1dB/km。,1976-美国在亚特兰大的贝尔实验室地下管道开通了世界上第一条光纤通信系统的试验线路。采用一条拥有144个光纤的光缆以44.736Mbps的速率传输信号，中继距离为10 km。采用的是多模光纤，光源用的是发光管LED，波长是0.85微米的红外光。1976-传输损耗降低至0.5dB/km 1977-贝尔研究所和日本电报电话公司几乎同时研制成功寿命达100万小时（实用中10年左右）的半导体激光器 1977-世界上第一条光纤通信系统在美国芝加哥市投入商用，速率为45Mb/s 1977-首次实际安装电话光纤网路 1978-FORT在法国首次安装其生产之光纤电 1979-赵梓森拉制出我国自主研发的第一根实用光纤，被誉为“中国光纤之父”1979-传输损耗降低至0.2dB/km 1980-多模光纤通信系统商用化（140Mb/s），并着手单模光纤通信系统的现场试验工作 1982-我国邮电部重点科研工程“八二工程”在武汉开通,1990-单模光纤通信系统进入商用化阶段（565Mb/s），并着手进行零色散移位光纤和波分复用及相干通信的现场试验，而且陆续制定数字同步体系（SDH）的技术标准 1990-传输损耗降低至0.14dB/km，已经接近石英光纤的理论衰耗极限值0.1dB/km 1990-区域网络及其他短距离传输应用之光纤 1992-贝尔实验室与日本合作伙伴成功地试验了可以无错误传输9000公里的光放大器，其最初速率为5Gbps，随后增加到10Gbps 1993-SDH产品开始商用化（622Mb/s 以下）1995-2.5Gb/s 的SDH产品进入商用化阶段 1996-10Gb/s 的SDH产品进入商用化阶段 1997-采用波分复用技术（WDM）的20Gb/s 和40Gb/s 的SDH产品试验取得重大突破 1999-中国生产的82.5Gb/sWDM系统首次在青岛至大连开通，沈阳至大连的322.5Gb/sWDM光纤通信系统开通,2000-到屋边光纤=到桌边光纤 2005-3.2Tbps超大容量的光纤通信系统在上海至杭州开通 2005 FTTH(Fiber To The Home)光纤直接到家庭,1.光是一种电磁波 可见光部分波长范围是：390760nm(毫微米)。大于760nm部分是红外光，小于390nm部分是紫外光。光纤中应用的是：850，1310，1550三种。,1.2 国内外光纤通信技术发展概况,由于光纤通信技术无可比拟的优点，在大容量、长距离传输系统中已经普遍采用光纤通信系统和网络，现在的所谓三大网（电话网、电视网和计算机网）也都采用了光纤网。表1.1给出了各个时期光纤通信系统研究的最高水平。其中用了比特率和无电中继传输距离的乘积（BL）来表示光纤通信系统的水平。以后本书也常用这一参量表示系统水平。从服务范围看，光纤通信网可以分为用于长途干线系统组成的广域网以及城域网、局域网和接入网。,长途干线系统又有陆上系统和海底光缆系统的分别。陆上光纤通信干线系统主要指各个国家的光纤通信干线网，包括各发达国家和许多发展中国家的干线网和部分跨国和跨州的光缆通信干线。海底光缆系统包括跨海和跨洋的光缆系统、以及沿海岸海底光缆系统和岛屿间光缆系统。其中以TAT（Trans-Atlantic Transmission）和TPC（Trans-Pacific Communication)为代号的跨大西洋和跨太平洋光缆通信系统从八十年代后半期开始建设，现在已有多条跨这两个大洋的光缆通信系统。其它著名的系统还有FLAG系统（连接欧洲和东南亚，全长26,000km），和 AFRICA ONE系统（环非洲海岸海底光缆系统，全长40,000km）。全球海底光缆系统分布如图1.2所示。,光纤通信最主要的优点是：(1)容量大。光纤工作频率比目前电缆使用的工作频率高出8-9个数量级，故所开发的容量很大。(2)衰减小。光纤每公里衰减比目前容量最大的通信同轴电缆的每公里衰减要低一个数量级以上。(3)体积小，重量轻。同时有利于施工和运输。(4)防干扰性能好。光纤不受强电干扰、电气化铁道干扰 和雷电干扰，抗电磁脉冲能力也很强，保密性好。(5)节约有色金属。一般通信电 缆要耗用大量的铜、铝或铅等有色金属。光纤本身是非金属，光纤通信的发展将为国家 节约大量有色金属。(6)成本低。目前市场上各种电缆金属材料价格不断上涨，而 光纤价格却有所下降。这为光纤通信得到迅速发展创造了重要的前提条件。,1988年，在美国与英国、法国之间敷设了越洋的海底光缆（TAT-8）系统，全长6700公里。这条光缆含有3对光纤，每对的传输速率为2