tp-4871光纖通信原理與技術(shù)第一章ppt

1、第一章　緒論,1.1 光通信發(fā)展史1.2 國(guó)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(lèi)社會(huì)出現(xiàn)后，人與人之間就需要信息交流。原始社會(huì)人們可以靠聲音（語(yǔ)言）、肢體動(dòng)作（肢體語(yǔ)言）或面部表情等交流信息，這就是原始的通信，是人們面對(duì)面的交流。 在人類(lèi)學(xué)會(huì)使用工具以后，人們開(kāi)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(yǔ)等。圖1是

2、一種利用繩子定向傳輸聲音振動(dòng)的例子。與此類(lèi)似，在過(guò)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(dòng),電的使用開(kāi)創(chuàng)了人類(lèi)社會(huì)的一個(gè)新紀(jì)元，引起了一場(chǎng)新的工業(yè)革命，也迎來(lái)了現(xiàn)代通信的時(shí)代以電報(bào)和電話為標(biāo)志的電通信時(shí)代。最近三十多年來(lái)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(hù)/家庭擴(kuò)展，即光纖到戶(hù)（Fiber to the Home）

3、。 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(duì)應(yīng)則是載波頻率的增加。電通信的載波由長(zhǎng)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?cè)噲D開(kāi)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

4、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(shí)毫米波和亞毫米波半導(dǎo)體器件價(jià)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(chǔ)量有限，屬于稀缺的資源。因而毫米波和亞毫米波通信沒(méi)有得到很大的發(fā)展（毫米波通信在無(wú)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(wú)限的。因此人們勢(shì)必要開(kāi)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

5、輸媒質(zhì)問(wèn)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(shí)，半導(dǎo)體激光器的發(fā)明也解決了光源問(wèn)題，可以制作出價(jià)格適中甚至廉價(jià)的光發(fā)射機(jī)。因此通信的載波頻率由微波跳過(guò)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(wú)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(wú)線電波波段的一個(gè)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(shí)間內(nèi)，這一資源也不會(huì)枯竭。,圖1.1 電磁波譜及電通信

6、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(guó)古代用“烽火臺(tái)”報(bào)警，手電筒，海港信號(hào)燈通信與此類(lèi)似 。 上世紀(jì)60年代初激光器被發(fā)明，人們開(kāi)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(méi)有制造出可以實(shí)用的光纖，當(dāng)時(shí)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)、

7、雨雪和沙塵的影響，使光信號(hào)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(hào)僅能傳播百米量級(jí)，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(lái)的1/10100≈0，因而這種光纖不可能用作通信媒質(zhì)。當(dāng)時(shí)沒(méi)有人相信光纖可以用于通信，也沒(méi)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

8、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(huì)發(fā)展的需求，推動(dòng)了信息社會(huì)更快地到來(lái)。由于這一貢獻(xiàn)，高錕博士獲得了2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,1970年美國(guó)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(lái)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/

9、km，后來(lái)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(duì)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(shuō)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(kāi)大門(mén)。這也是稱(chēng)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(gè)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(shí)需要在低溫(液氮)下脈沖工作。后來(lái)采用異質(zhì)結(jié)技術(shù)使激光器可在常

10、溫下連續(xù)工作，但開(kāi)始只有數(shù)小時(shí)甚至數(shù)分鐘的壽命，由于壽命極短不能實(shí)用化。經(jīng)過(guò)一段時(shí)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(shí)，甚至達(dá)108小時(shí)，功率可達(dá)10 毫瓦量級(jí)(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(jià)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(jí)

11、；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(gè)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(guó)亞特蘭大，其工作波長(zhǎng)為0.85µm，比特率為45Mbit/s。經(jīng)過(guò)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(shuō)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

12、 Hz量級(jí),而微波大約1010 Hz量級(jí)，兩者差四個(gè)量級(jí)，帶寬資源比微波大得多。具體說(shuō)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(gè)低損耗區(qū)連接起來(lái)則可有50,000 GHz(波長(zhǎng)范圍400 nm，即波長(zhǎng)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(méi)有如此大的

13、帶寬需求，因此光纖通信技術(shù)在將來(lái)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(hào)才衰減20 dB。完全可以用光放大器來(lái)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(lái)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(huì)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

14、距離反而長(zhǎng)，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(jià)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(chǔ)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(hào)不能干擾光纖中傳輸?shù)男盘?hào)，光纖中傳輸?shù)男盘?hào)幾乎不能輻射出光纖，因此光纖的電磁兼容性非常好。,1.2 國(guó)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(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，在大容量、長(zhǎng)

15、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(gè)時(shí)期光纖通信系統(tǒng)研究的最高水平。其中用了比特率和無(wú)電中繼傳輸距離的乘積（BL）來(lái)表示光纖通信系統(tǒng)的水平。以后本書(shū)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(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)國(guó)家的

16、光纖通信干線網(wǎng)，包括各發(fā)達(dá)國(guó)家和許多發(fā)展中國(guó)家的干線網(wǎng)和部分跨國(guó)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(hào)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(kāi)始建設(shè)，現(xiàn)在已有多條跨這兩個(gè)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

17、歐洲和東南亞，全長(zhǎng)26,000km），和 AFRICA ONE系統(tǒng)（環(huán)非洲海岸海底光纜系統(tǒng)，全長(zhǎng)40,000km ）。全球海底光纜系統(tǒng)分布如圖1.2所示。,我國(guó)光纖通信研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展幾乎和國(guó)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(kāi)展光纖通信技術(shù)研究的建議。當(dāng)時(shí)國(guó)際上也剛剛開(kāi)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(guó)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19

18、79年安裝于北京市電話網(wǎng)中使用多年，獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。由于當(dāng)時(shí)客觀條件的限制，我國(guó)研制的系統(tǒng)比特率不高，直到九十年代初我國(guó)光纖傳輸系統(tǒng)的比特率仍維持在140Mbit/s。由于發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的需要。為了增加通信容量，當(dāng)時(shí)只能增加光纜中的光纖芯數(shù)。,進(jìn)入九十年代我國(guó)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(guò)了565

19、Mbit/s和622mbit/s（這兩個(gè)比特率在我國(guó)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(guó)已有10Gbit/s和40Gbit/s的實(shí)用化系統(tǒng)，已經(jīng)開(kāi)始研究速率100Gbit/s以上的系統(tǒng)，與國(guó)際上基本同步。在全國(guó)通信網(wǎng)的建設(shè)方面也進(jìn)展迅速。“八五”和“九五”計(jì)劃期間（1991-2000），我國(guó)建設(shè)了兩個(gè)“八縱八橫”通信光纜，通信干線網(wǎng)基本覆蓋全國(guó)。,此外，我國(guó)波分復(fù)用技術(shù)的研究也是和國(guó)際上同步進(jìn)行。19

20、92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(guó)通信干線擴(kuò)容的建議，受到相關(guān)部委的重視，并開(kāi)始立項(xiàng)研究。在當(dāng)時(shí)該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)際上還沒(méi)有得到共識(shí)，國(guó)內(nèi)外都有反對(duì)意見(jiàn)。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(guó)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(guó)家光纜干線上，成為我國(guó)第一條實(shí)際使用的波分復(fù)用系統(tǒng)，獲得國(guó)家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。而且我國(guó)

21、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)?？梢钥吹剑饫w通信技術(shù)已經(jīng)為我國(guó)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