概论04光纤通信技术

1光纤通信技术2光纤通信内容一、光纤通信概述二、光纤通信原理三、光纤通信系统四、光纤通信特点五、光纤传输技术六、光纤通信新技术3一、光纤通信概述1、光纤通信—基本概念2、光纤通信—诞生历史3、光纤通信—光纤制造4、光纤通信—敷设方式5、光纤通信—发展里程6、光纤通信—战略地位7、光纤通信—我国现状41.1、光纤通信－基本概念光纤通信：利用光波为载波、以光导纤维作为传输媒质的通信方式载波：位于电磁波谱的近红外区，范围为1014～1015Hz特点潜在通信容量极大,带宽近1015Hz51.2、光纤通信—诞生历史最早的光通信：用于传递信息的烽火台光通信的基本要素：光源——烽火发送——点火或燃烟接收——人的眼睛传播媒介——大气传送信息——有无敌情协议——有信号则救援6贝尔的光电话原理示意图：弧光灯送话器抛物面镜光探测器受话器贝尔7由于19世纪先后发明了电报、电话等电信设备，使光通信方法受到冷落。虽然人们意识到如果采用光波作为载波，通信容量可望提高几个数量级，但直到20世纪50年代末仍然找不到通信所必须的相干光源和合适的传输介质。1.2、光纤通信—诞生历史8更好的光源稳定激光器，使光源更加可靠、稳定更好的传输媒介低损耗的传输介质（光缆），让光波在闭合的光缆中传输。1.2光纤通信——诞生历史9激光器的发明第一阶段—理论基础：1916年，爱因斯坦提出的受激辐射概念是激光器的理论基础。受激辐射可以对光进行放大且产生的光是相干光，即多个光子的发射方向、频率、相位偏振完全相同。10第二阶段—微波受激放大器：量子力学的建立和发展使人们对微观结构及运动规律有了更深入的认识。1951年美国物理学家查尔斯.汤司经过3年的研究，把处于激发态的氨分子装入一个金属小盒，当微波射入小盒时，就发出了一束纯而强的微波射束。11第三阶段—红宝石激光器：发明者：西奥多.梅曼（美国）时间：1960年梅曼在佛罗里达州迈阿密的实验室里研制成功世界上第一台激光器。他用一个高强闪光灯管来刺激红宝石水晶里的铬原子，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，当它射向某一点时，发出的激光强度为太阳光的1000倍。12LASER：受激发射的光放大受激辐射式光频放大器知识产权：古尔德(激光一词的始创者)汤司（书面工作早于前者）梅曼（激光发明权无可争议）激光器的发明是20世纪科学技术的一项重大成就，它使人们终于有能力驾驭尺度极小、数量极大、运动极混乱的分子和原子的发光过程13通信光纤一个意外发现希腊的一位制玻璃工人意外地发现，光能毫无散射地从玻璃棒的一端传到另一端。这已经初步揭示了光在玻璃上的传播规律。14通信光纤光传导现象英国科学家丁麦尔发现了一个有趣的现象：光和水流一起呈弧线状落到地面。光出现弯曲现象吗？15通信光纤早期的应用（医用胃镜、喉镜）1958年，光的传播规律在医学领域得到应用。由2500根细玻璃纤维制成的“内窥镜”，将光引到人体胃内，使医生不用开刀，就可以看到胃里的情况。这些已有的发现、发明无疑给科学家增添了信心。他们在这基础上，进行更深入的探讨。主要问题-衰减1960年1000dB/km10dB10-120dB10-21000dB10-10016通信光纤基本设想高锟在1966年7月提出，只要能设法降低玻璃纤维的杂质，就有可能使光纤的损耗从1000dB/km降低到20dB/km，从而有可能用于通信。光纤诞生世界上第一根低损耗(20dB/km)的石英光纤诞生于1970年。美国康宁玻璃公司的马瑞尔、卡普隆、凯克研制成功。172009年12月10日瑞典首都斯德哥尔摩瑞典国王卡尔十六世古斯塔夫为高锟博士颁奖181.3、光纤通信－光纤的制造材料：二氧化硅（SiO2）又称硅石，自然界分布很广，如：石英砂。制作方法：1、直接熔化法高温将熔融状态的石英，去除杂质直接制成光纤。2、汽相氧化法氧化反应生成SiO2微粒，而后将其制成预制棒，拉丝成纤。3、最后进行涂覆、套塑，成为光缆。191.3、光纤通信－光纤的制造要求：①光纤原材料的纯度必须很高②必须防止杂质、气泡混入③要正确控制折射率的分布④正确控制光纤的结构尺寸⑤尽量减小光纤表面的伤痕损害，提高光纤机械强度。同样衰减3dB普通玻璃：几厘米高级光学玻璃：几米20dB/km光纤：150米201.4、光纤通信－敷设方式架空光缆：架挂在电杆上使用的光缆(吊线、自承)直埋光缆：外部有保护的铠装，直接埋设在地下管道光缆：装入水泥、钢管、塑料管内埋设地下水底光缆：敷设于水底穿越河流、湖泊、海洋211.5、光纤通信的发展里程•1970年，美国康宁(Corning)公司研制成功损耗20dB/km的石英光纤。把光纤通信推向一个新阶段，被定为光通信的元年。•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(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)。•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。22•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。•1980年，美国标准化FT-3光纤通信系统投入商业应用。•1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。•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。•现在，光纤通信承载了全世界80%以上的电信业务23光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：•第一阶段(1966~1976年)，这是从基础研究到商业应用的开发时期。•第二阶段(1976~1986年)，这是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。•第三阶段(1986~)，这是以超大容量超长距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期。241.6、光纤通信－战略地位重要性各种通信网的主要传输方式；跨国通信已广泛铺设到了大西洋、太平洋海底，使全球通信变得非常简单快捷。广泛性目前发达国家又把光缆铺设到住宅，实现了光纤到办公室、光纤到家庭。251.7、光纤通信－我国的现状1974年研究低损耗光纤和光通信70年代中期研制出低损耗光纤和激光器1979年建成了市话光缆通信试验系统80年代末光纤通信关键技术达到国际先进水平1991年起不再发展长途电缆通信系统“八五”期间建成了22条光缆干线1999年1月建成高传输速率的一级干线26二、光纤通信基本原理1、通信光纤—基本结构2、光学原理—反射折射3、通信光纤—光的分类4、通信光纤—传输原理5、通信光纤—光纤分类6、通信光纤—衰减因素272.1、通信光纤－基本结构光纤由直径大约为0.1mm的细玻璃丝构成。它透明、纤细，具有把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构，它由折射较高的纤芯和折射率较低的包层组成，通常为了保护光纤，包层外还往往覆盖一层塑料加以保护,其中纤芯的芯径一般为50或62.5μm，包层直径一般为125μm。纤芯1.462~1.467包层1.45~1.4628通信光纤—实际结构292.2、光学原理－反射折射θinθrθinθzn1n2全反射定理：光从波疏媒质进入波密媒质，当入射角增大到一定的角度时，折射光就会全部消失。302.3、通信光纤—光的分类微波31最佳传输窗口(红外区域)光以850nm、1310nm和1550nm三种波长通过光纤时，所受的衰减要比以其它波长通过时小得多。光纤中传输的光是什么颜色的？322.4、通信光纤－传输原理满足全反射定律，光全部返回。只要弯曲不十分厉害，光也不会折射到包层中去332.5、光纤分类—塑料光纤制造材料高度透明的有机玻璃主要优点成本低廉，芯径较大，与光源的耦合效率高，耦合进光纤的光功率大，使用方便。主要缺点由于损耗较大，带宽较小，只适用于短距离低速率通信，如短距离计算机网链路、船舶内、汽车内通信等。342.5、光纤分类—多模光纤制造材料：石英主要特点：中心玻璃芯较粗（50或62.5μm），可传多种模式的光。模间色散较大，限制了传输数字信号的频率，随距离的增加会更加严重。352.5、光纤分类—单模光纤主要特点中心玻璃芯很细（为9μm），只能传一种模式的光。模间色散很小，适用于远程通讯，但还存在着材料和波导色散，对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。低损耗窗口在1310nm波长处，单模光纤的材料色散和波导色散一正、一负，大小相等。362.6、通信光纤—衰减因素本征（固有损耗）固有吸收（粒子吸光振动发热）瑞利散射（空间微粒光的散射）弯曲：部分光纤内的光会损失。挤压：受到挤压时产生微小的弯曲。杂质：杂质吸收和散射。不均匀：材料的折射率不均匀。对接：光纤对接时产生的损耗37光纤传输的“窗口”：光传输中损耗最小的波长点被称做“窗口”光纤的三个“窗口”0850nm、1310nm和1550nm3dB/km0.35dB/km0.15dB/km38光纤传感技术光纤温度传感器光纤位移传感器光纤振动传感器光纤电压传感器光纤液位传感器“探索一代”光谱雷达39三、基本光纤通信系统1、光纤通信—系统组成2、子系统—电发射端机3、子系统—光发射端机4、子系统—光中继器5、子系统—光接收机403.1、光纤通信－系统组成数据源电、光发射机和调制器光学信道光接收机光纤，中继放大器、EDFA等接收光信号，并从中提取信息，然后转变成电信号，最后得到对应的话音、图象、数据等信息。包括所有的信号源，它们是话音、图象、数据等业务经过信源编码所得到的信号将信号转变成光信号，先后用过的光波窗口有850、1310和1550nm。413.2、子系统－电发射端机主要功能：PCM(脉冲编码调制）对模拟信号抽样、量化和编码。多路复用（采用频分FDM、时分TDM）多路复用：是指将多路信号组合在一条物理信道上进行传输，到接收端再用专门的设备将各路信号分离出来。可以提高通信线路的利用率。423.3、子系统—光发射端机基本组成：光源、驱动器、调制器主要功能：将电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输；433.4、子系统—光中继器必要性：由于受发送光功率、接收机灵敏度、光纤线路损耗、甚至色散等因素的影响及限制，光端机之间的最大传输距离是有限的。举例说明：在1310nm工作区光端机的最大传输距离一般在50～70km。主要作用：补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减对波形失真的脉冲进行整形443.4、光中继器—传统方法光－电－光（O-E-O）光电检测器先将光纤送来的非常微弱的并失真了的光信号转换成电信号，再通过放大整形、再生、定时恢复，还原成电脉冲信号（称“3R”中继器）。然后用这一电脉冲信号驱动激光器发光，又将电信号变换成光信号，向下一段光纤发送出光脉冲信号。453.4、光中继器—现代方法掺铒光纤放大器（EDFA）实现了光中继。463.5、子系统—光接收机基本组成光检测器和光放大器等组成主要功能将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号。再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端机去。47四、光纤通信的特点1、传输频带宽，通信容量大2、线路损耗低，传输距离远3、抗干扰能力强，应用范围广4、线径细，重量轻5、抗化学腐蚀能力强6、光纤制造资源丰富7、光纤的缺点——脆弱484.1、传输频带宽，容量大通信容量贝尔实验室1999年展示了全球首个传输速度达3Tb/s的远距离数据传输系统。在3