光纤通信原理与技术绪论

光通信原理与技术PRINCIPLEANDTECHNOLOGYOFOPTICALCOMMUNICATION主讲人：宋新祥Tel：15006886712Email:[e-mail]•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。•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1.《光纤通信(第三版)》GerdKeiser著参考书2.《光纤通信系统》邱昆等著3.《光纤通信系统》杨祥林等著4.《光通信器件与系统》J.H.Franz一、光纤通信概述21光纤通信技术的发展史及现状2光纤通信系统概述二、光信号的传输特性122.1电磁场理论基础2.2几何光学理论2.3光纤中光信号的传输2.4阶跃光纤中的矢量模2.5阶跃光纤中的LP模2.6传播模式的一般特性2.7单模光纤三、光纤的传输特性123.1光纤的损耗3.2光纤的色散3.3单模光纤的色散及光纤分类3.4色散对通信的影响及对策3.5单模光纤的非线性特性四、光通信器件124.1物质与光之间的相互作用4.2半导体发光二极管4.3半导体激光器4.4光放大器4.5光检测器4.6光纤连接器及定向耦合器4.7波分复用、解复用器4.8光调制器4.9光开关和光隔离器讲授内容(1)五、光检测器及光接收机125.1光发送机5.2光接收机5.3系统设计5.4PDH光通信系统5.5SDH光通信系统5.6波分复用系统六、光网络46.1SDH传送网6.2WDM光传送七、大气激光通信47.1概述7.2激光在大气信道中的传播问题7.3用于大气激光通信的关键器件和技术讲授内容(2)7.4调制方式7.5大气激光通信系统7.6大气激光通信的应用八、星间激光通信48.1概述8.2星间激光链路的种类8.3光学天线8.4PAT子系统8.5通信子系统九、水下激光通信2共计64学时考试课第一章绪论Charper1Introduction传输媒介无线通信：微波、卫星、激光有线通信：铜线电缆、光纤光缆通信系统：将信息从一处传到另一处的全部技术设备和信道(传输媒介)的总和。光纤通信系统：利用光纤光缆传输光波信号的通信方式。最早的光通信公元前11世纪，西周王朝，烽火台白天点狼粪，晚上燃柴火——“狼烟四起”1.1光通信发展的技术背景用光传递信息并不是什么新鲜的事。早在公元两千多年以前，我们的祖先就在都城和边境堆起一些高高的土丘，遇到敌人入侵，就在这些土丘上燃起烟火传递受到入侵的信息，各地诸侯看见烟火就立刻领兵来救援。其中还有著名的“周幽王烽火戏诸侯”的故事。这种土丘就叫烽火台，它就是一种古老的光通信设备。古希腊的火炬墙由于人们无法解决光向四面八方散射时，光强减弱和不能通过障碍物的问题，（也就是没有找到合适的载体和光源）因此，直到上世纪六十年代初，光通信都没有什么重大的进展。它仅仅作为一种信号灯使用，如:马路上的红绿灯、机场上的跑道标志灯和航标灯等等。而此时电通信却迅速发展起来，人类进入了电通信时代。1880年贝尔发明了第一个光电话系统，通话距离213米弧光灯的恒定光束投射在话筒的音膜上，随声音的振动而得到强弱变化的反射光束，这个过程就是调制。但是，普通光源强度和纯度都成为制约光通信发展的因素。第一个光电话系统：现代光通信的开端激光器的发明和应用，光通信进入一个崭新的阶段，它具有亮度高、谱线窄、方向性好但由于大气通信受气象条件的影响，通信不稳定频率为100太赫兹的红宝石激光器[美国梅曼(Maiman)，1960]大气光通信大气光通信受阻，人们将研究的重点转入到地下光波通信的实验，先后出现过反射波导和透镜波导等地下通信的实验。但反射波导和透镜波导造价昂贵，调整、维护困难。地下光通信没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质对光通信的研究走入了低潮1870年，英国物理学家丁达尔太阳光随着水流发生弯曲n水n空气，光发生全反射光纤的雏形1953年，英国伦敦学院卡帕尼博士首次将丁达尔的观察用于实际，发明了用极细的玻璃制作的光导纤维：芯层+包层。芯层的折射率大于包层，光在其中做全反射。1960年左右，最好的光纤损耗也在1000分贝/公里(dB/km)。由于，损耗很大，它最初被用于医疗，如内窥镜。工作地点：英国标准电信研究所研究对象：光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题损耗原因：1)玻璃纤维中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属离子和其他杂质；2)拉制光纤工艺造成芯、包层分界面不均匀及其所引起的折射率不均匀新的发现：一些玻璃纤维在红外光区的损耗较小现代光纤通信1966年，高锟和霍克哈姆发表的《用于光频的光纤表面波导》奠定了现代光通信的基础。高锟被尊为光纤之父。1970年，美国康宁公司研制成功损耗20dB/km的石英光纤。1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4dB/km。1973年，美国贝尔实验室的光纤损耗降低到2.5dB/km。1974年，贝尔实验室将损耗进一步降低到1.1dB/km。1976年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到0.47dB/km(工作波长1.2mm)。目前，波长为1.55m的标准光纤损耗为0.2dB/km。低损耗光纤的研制1970年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联先后，研制成功室温下连续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器(短波长)。虽然寿命只有几个小时，但它为半导体激光器的发展奠定了基础。1973年，半导体激光器寿命达到7000小时。1976年，日本NTT研制出波长为1.3µm的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器。1977年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时。1979年，美国电报电话(AT&T)公司和日本NTT研制成功波长为1.55µm的半导体激光器。光纤和半导体激光器的技术进步，使1970年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。半导体通信光源的出现1976年，美国在亚特兰大进行世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验；1976年和1978年，日本先后进行了速率为34Mb/s的阶跃多模光纤通信系统和速率为100Mb/s的渐变型多模光纤通信系统的试验；1980年，美国标准化FT-3光纤通信系统投入商业应用；1983年，铺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；1989年，第一条横跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光缆通信系统建成；光纤通信系统的发展•现代通信方式示意图用户环路交换设备电复接设备卫星通信微波通信光纤通信移动通信发送机接收机传输系统用户终端用户终端信息信息用户终端用户终端用户环路交换设备电复接设备信息信息•现代通信方式示意图用户环路交换设备电复接设备卫星通信微波通信光纤通信移动通信发送机接收机传输系统用户终端用户终端信息信息用户终端用户终端用户环路交换设备电复接设备信息信息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用户环路交换设备电复接设备卫星通信微波通信光纤通信移动通信发送机接收机传输系统用户终端用户终端信息信息用户终端用户终端用户环路交换设备电复接设备信息信息•现代通信方式示意图用户终端交换设备接入网电复接设备传输系统•现代通信方式示意图用户环路交换设备电复接设备卫星通信微波通信光纤通信移动通信发送机接收机传输系统用户终端用户终端信息信息用户终端用户终端用户环路交换设备电复接设备信息信息光纤通信经过30年的技术发展目前正在淘汰着其他的有线通信方式当今世界范围的光纤通信系统第一代：1966~1979(从基础研究到商业应用的开发时期)激光器(GaAs)波长0.8µm，多模光纤，最大中继距离10km(当时的同轴电缆系统中继距离为1km)，比特率在10~100Mb/s。多模色散和损耗是限制中继距离的关键。光纤通信的四个发展阶段第二代：上世纪80年代早期(通过减小光纤色散)激光器(InGaAs)波长1.3µm，单模光纤，最大中继距离50km，比特率2.0Gb/s。光纤的损耗限制了中继距离，当时的损耗为~0.5dB/km。光纤通信的四个发展阶段第三代：上世纪80年代后期初90年代初(通过降低光纤损耗)激光器(InGaAsP)波长1.55µm，单模(色散位移)光纤，比特率2.5~10Gb/s，最大中继距离100km。这个阶段的缺点是采用电的方式中继。光纤通信的四个发展阶段第四代：上世纪90年代之后(通过引入WDM和全光放大技术)激光器(InGaAsP)波长1.55µm，单模光纤，采用波分复用技术和光放大技术，单个波长信道比特率2.5~10Gb/s，传输距离14000km，并提出光通信智能化的概念光纤通信的四个发展阶段WDM技术出现光纤通信的主要特性大容量：马路越宽，容许通过的车辆越多，交通运输能力也越大。如果把通信线路比作马路，那么应该说是通信线路的频带越宽，容许传输的信息越多，通信容量就越大。目前的光纤容量已经达到十多个Tbits/s损耗低、中继距离长中继站多：传输线路的成本高、维护不方便、运行不可靠石英光纤在1.55µm波长区的损耗可低到0.18dB/km，比已知的其他通信线路的损耗都低得多。例：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。中中中中中中中中中中中抗干扰能力强对于通信系统而言，最主要的干扰是电磁干扰。现有的电通信系统无法令人满意地解决这个问题。例：电话线和电缆一般是不能跟高压电线平行架设的，也不能在电气铁化路附近铺设。光纤为什么具有强抗干扰能力？1.光纤属绝缘体，不怕雷电和高压2.电磁干扰源不了频率比它们高得多的光3.杰出的抗核辐射能力据专家测算，如果在美国本土中心上空463千米处爆炸一颗原子弹，1秒钟内即可使全美国所有的电缆通信系统失效。但光纤通信线路却照样畅通无阻，基本不受影响。保密性强电通信方式很容易被人窃听1.电缆通信：只要在电缆附近(甚至几公里以外)设置一个特别的接收装置，就可以获取明线或电缆中传送的信息。2.无线通信方式：无线电波在大气中传播，甚至充斥全球，很容易被人窃听。3.密码学的发展使加密往往也无济于事光纤通信是保密性能最好的通信方式之一，光在光纤中传输时不会跑出光纤和向外辐射电磁波。即使在拐弯非常厉害的地方，漏出包层的光也微乎其微。体积小、重量轻1千克高纯度石英玻璃成千上万千米光纤120吨铜和500吨铅1000千米的8管同轴电缆18管同轴电缆每米重11千克，而同等容量的光缆每米重90克光纤体积小、重量轻、柔软易弯曲、铺设非常方便。可广泛应用于航天航空、汽车电子等领域。光纤的原材料取之不竭电线主材：铜、铅等有色金属，预计只够使用50年左右光纤主材：普通的石英砂(SiO2)，它在地壳的化学成分中占了一半以上，可以说是取之不尽、用之不竭其它优点光纤材料不怕腐蚀，可以架在空中，也可埋入地下；它有较强的耐高低温能力(-65~200度)，在一般的飞机、舰艇和车辆上都可使用；它可实现多功能传输，同时传递话音、数据、传真、图像等各种信息。缺点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。1.容易折断(比如经常被挖断)2.光纤连接困难(断面是否垂直、焊接点是否有气泡等)3.光纤通信过程中怕水、怕冰(OH-根吸收增大损耗)4.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光纤通信系统的构成和分类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。分类根据调制信号的类型：模拟光纤通信系统数字光纤通信系统根据光源的调制方式：直接调制系统间接调制系统根据光纤的传导模数量：多模光纤通信系统单模光纤通信系统根据系统的工作波长：短波长光纤通信系统长波长光纤通信系