光纤通信讲座(2)：光纤通信发展概述：

1光纤通信发展概述2早期的光通信光纤通信主要部件的发展光纤通信系统的发展国内外光纤通信发展现状和趋势3早期的光通信•原始形式的光通信:中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传送信息。•到了1880年，贝尔发明了用光波作载波传送话音的“光电话”，这一大胆的尝试，可以说是现代光通信的开端。4早期的光通信－贝尔“光电话”•将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。•贝尔光电话和烽火报警一样，都是利用大气作为光通道，光波传播易受气候的影响。5早期的光通信•1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器，给光通信带来了新的希望。激光器的发明和应用，使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段。激光器的发明是现代光通信的标志。•在这个时期，美国麻省理工学院利用He-Ne激光器和CO2激光器进行了大气激光通信试验。6在大气光通信受阻之后，人们将研究的重点转入到地面光波通信的实验，先后出现过反射波导和透镜波导等地面通信的实验。早期的光通信7由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质，对光通信的研究曾一度走入了低潮。早期的光通信8早期的光通信光纤通信主要部件的发展光纤通信系统的发展国内外光纤通信发展现状和趋势9光纤的发明•1966年，英籍华裔学者高锟博士(K.C.Kao，当时工作于英国标准电信研究所)和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤(OpticalFiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信——光纤通信的基础。10•高锟博士深入研究了光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题。•发现这种玻璃纤维引起光损耗的主要原因是其中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属离子和其他杂质。•其次是拉制光纤时工艺技术造成了芯、包层分界面不均匀及其所引起的折射率不均匀。•他还发现一些玻璃纤维在红外光区的损耗较小。•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。光纤的发明11高锟荣获2009年度诺贝尔物理学奖光纤通信发明家高锟(左)1998年在英国接受IEE授予的奖章光纤的发明121970年代，光纤研制取得了重大突破•1970年，美国康宁(Corning)公司研制成功损耗20dB/km的石英光纤。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。•1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4dB/km。13•1973年，美国贝尔(Bell)实验室的光纤损耗降低到2.5dB/km。1974年降低到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(波长1.2μm)。•在以后的10年中，波长为1.55μm的光纤损耗：1979年是0.20dB/km，1984年是0.157dB/km，1986年是0.154dB/km，接近了光纤最低损耗的理论极限。1970年代，光纤研制取得了重大突破141970年代，光纤通信用光源也取得了实质性的进展•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。15•1973年，半导体激光器寿命达到7000小时。•1976年，日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3μm的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器。1970年代，光纤通信用光源也取得了实质性的进展16•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)公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为1.55μm的连续振荡半导体激光器。•80年代中期，研制成功动态单纵模激光器，如分布反馈激光器(DFB)。1970年代，光纤通信用光源也取得了实质性的进展17•由于光纤和半导体激光器的技术进步，使1970年代成为光纤通信发展的一个重要时期。18早期的光通信光纤通信主要部件的发展光纤通信系统的发展国内外光纤通信发展现状和趋势19光纤通信系统的组成20•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、中继器和光接收机等组成。光纤通信系统的组成21光发送机•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。22光接收机•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。23中继器•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，电中继器可对数字信号进行整形、再生。•1987年，英国南安普敦大学研制成功掺铒光纤放大器（EDFA），开启了光纤放大器应用的新纪元，实现了实用化的光－光中继，是延长光纤通信传输距离和增加传输容量的一个突破性进展。24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商用光纤通信系统的现场试验。码率为44.736Mbit/s，距离为10km。•1980年，美国标准化FT-3光纤通信系统投入商业应用。25•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。实用光纤通信系统的发展26•随后，由美、日、英、法发起的第一条横跨大西洋TAT-8海底光缆通信系统于1988年建成。•第一条横跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光缆通信系统于1989年建成。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。实用光纤通信系统的发展27•1996年，单波长系统的速率已达10G/S(OC-192)以上，继续提高速率很困难。•光孤子通信，孤子是一种不弥散的脉冲，是光纤非线性效应与色度色散相抵消的产物。采用光放大器，10Gb/s的孤子信号实验传输距离达到12200km。•相干光通信。80年代研究很多，但技术难度很高，无法实用。实用光纤通信系统的发展28波分复用（WDM）技术•80年代，已出现两波长(1310nm/1550nm)的WDM系统，但90年代中期以前发展缓慢。•原因：TDM技术发展迅速，155Mb/s~622Mb/s~2.5Gb/s。波分复用器件和光放大器未成熟。29密集波分复用系统(DWDM)的发展•美籍华人厉鼎毅博士为首的AT＆T贝尔实验室光通信研究小组在90年代初提出密集波分复用的概念，采用增加传输波长的方法提高单根光纤的传输容量。•DWDM技术对光纤通信具有划时代的意义。•厉鼎毅博士被称为DWDM之父。30密集波分复用系统的基本原理利用单模光纤的带宽以及低损耗的特性，采用多个波长作为载波，允许各载波信道在光纤内同时传输。31波段划分O-band:1260to1360E-band:1360to1460S-band:1460to1530C-band:1530to1565L-band:1565to16251200OESCL17001300140015001600nm32密集波分复用系统试验GroupYearCapacityTb/sDistancekmBitrateGb/sChannelNumberWaveBandNewTechniqueFujitsu19961.1150205519nmDWDMNEC19962.641202013235nmDWDMSiemens20007.045040176C,LDWDMAlcatel200110.210042.7256C,LDWDMNEC200110.9211740273S,C,LDWDMNEC20021.28605042.732Call-RFABell20022.56400042.76453nmEDFA/RFAOFS20036.40320042.7160C,LRFAAlcatel20036.28170040.0157C,Lall-EDFA33GroupYearCapacityTb/sDistancekmBitrateGb/sChannelNumberWaveBandNewTechniqueTyco20033.731100010.0373C,LRFA/EDFAAlcatel20046.36612042.7149C,LDPSK,RFATyco20040.961310010.096C,LRZ-DPSKSiemens20050.441029010.044CRZDQPSKGroupYearCapacityTb/sDistancekmBitrateGb/sChannelNumberSpectralEffi.b/s/HzNewTechniqueKDDI20070.02041602011.4OFDM/QPSKNTT200720.42401112042.0PDM/CSRZ-DQPSKAlcatel-Lucent200725.62401601603.2PDM/RZ-DQPSKNEC/AT&T200817.06621141614.2PDM/RZ-8PSK,CD34GroupYearCapacityTb/sDistancekmBitrateGb/sChannelNumberSpectralEffi.b/s/HzNewTechniqueNEC200932.05801143204.2PDM/RZ-8QAMKDDI20080.53464066.885.6PDM/OFDM16QAMNEC20090.90280112.888.0PM-RZ-64QAMKDDI20081.2191000121.9102.0PDM/OFDM8QAMNEC20082.241540112202.0PDM/RZ-QPSKAlcatel-Lucent200816.425501001642.0PDM/QPSKNTT200913.562481111352.0PDM/OFDM35352015TransmissionCapacity(bps)(CurrentWorldRecord)光纤传输能力的发展19751985199520051M10M100M1G10G100G1T10T100T1P128Ch10Ch3Ch273ChWDMR&DYear1000Ch14Tb/s（2bits/Hz）2Chx6.3M2Chx150M16Chx2.5GF-1.6GF-400MF-100MF-32MF-2.5G32Chx10GF-10G176Chx10G4Chx2.5GBusiness25.6Tb/s（3.2bits/Hz）SingleModeFiberDFBLaserOpticalAmplifierAWGTDMWDMPSKMulti-LevelCoherentOFDM36第一波,1996-2001年密集波分复用技术大发展。传输距离虽不长，一条光纤中的复用波长却越来越多，以2001年日本NEC公司的10.92Tbps系统，复用273个波长,波长间隔0.4ns,每波长40Gb/s，使用S,C,L三个波段为高峰。第二波，2002年-2005年超长距离光纤技术大发展。在波长不多的系统中试验各种延长中继段和系统总长度的技术。以美国Tyco公司的11,000~13,100km太平洋海底光缆系统为代表。使用掺铒光纤放大器（EDFA）、喇曼放大器（RFA）及其结合，利用光DPSK和光QPSK来提高带宽效率。干线光纤传输系统发展的几波潮流37第三波，2006年-现在频带高效的光调制解调技术大发展。包括DQPSK（差分四相键控、RZ-DQPSK（归零差分四相键控）、CZRZ-DQPSK（载波抑制归零差分四相键控）、RZ-8PSK（归零八相键控）、RZ-8QAM(归零八电平正交振幅键控),最后发展到OFDM-8QAM、OFDM-16QAM、OFDM-64QAM（正交频分子载波上的8QAM、16QAM、64QAM）。总之射频数字调制解调体制中的所有高效格式都已经或正在光波调制