光通信技术与网络

光与现代科技2020/2/121光与现代科技讲座第八章光通信技术与网络光与现代科技2020/2/123光与现代科技讲座第一章绪论2第二章光源与激光器2第三章光纤与光学传感技术4第四章激光在现代医学中的应用4第五章激光在军事技术中的应用4第六章激光在现代工业和加工中的应用4第七章光与信息技术4第八章光通信技术与网络6第九章光学成像、全息与显示技术2第十章光电集成与纳米技术2光与现代科技2020/2/124第八章光通信技术与网络§8.1光通信原理8.1.1光通信的发展与现状8.1.2光通信的特点8.1.3光通信系统的组成与分类§8.2光通信的器件8.2.1光源8.2.2光检测器8.2.3光无源器件8.2.4光放大器§8.3光纤通信系统与网络8.3.1数字光通信系统8.3.2光纤辅助系统8.3.3光超长波长光通信系统8.3.4多信道光波通信系统8.3.5光纤孤子系统8.3.6光纤通信网络§8.4无线激光通信8.4.1微波通信与无线激光通信8.4.2无线激光通信的基本原理8.4.3空间无线激光通信进展8.4.4激光水下通信光与现代科技2020/2/125§8.1.1光纤通信的发展与现状一、光通信的发展史二、先进国家光纤通信的发展三、我国光纤通信事业的发展四、云南省光纤通信事业发展五、光纤通信的发展趋势§8.1光纤通信的原理光与现代科技2020/2/126一、光通信的发展史光通信：利用光进行信息传输的一种通信方式。光通信的发展主要经历了三个发展阶段可视通信激光大气通信光纤通信光与现代科技2020/2/1271、可视通信古代的烽火台、烟火传递单个信息18世纪末信号灯、船舰使用的灯塔、旗语等近代战争中的信号弹，抗战时期的消息树等1792年用中继器使机械代码信息传送100km，有效速率小于1b/s之后很长一段时间电取代了光光与现代科技2020/2/128电通信19世纪30年代：电报、莫尔斯代码，传输速率3～10b/s，中继可达1000km1866年，第一条越洋电报电缆系统投入运营1876年，发明了电话，电信号通过连续变化电流的模拟形式传输1940年，第一代同轴电缆系统投入使用，3MHz系统，可传300路音频信号或1路视频信号，但当频率超过100MHz时，电缆损耗迅速增加1948年，4GHz的微波系统投入运营，利用1～10GHz的电磁载波及相关调制技术传递信号，可工作于100Mb/s1975年最先进同轴系统投入运营,速率可达274Mb/s，中继约1km到70年代，电通信获得的最大BL不超过100(Mb/s)·km光与现代科技2020/2/1292、激光大气通信60年代初，人们利用二氧化碳激光器进行激光大气通信实验由于其传输介质是地球周围的大气层，而大气层又存在着对光的严重吸收，散射作用和天气变化影响等缺点，使得激光大气通信在通信距离、稳定性、可靠性方面受到严重影响60年代中期一度振兴的激光大气通信研究处于停滞状态光与现代科技2020/2/12103、光纤通信光纤(Fibre)——光导纤维的简称光纤通信——以光波为载波，以光导纤维为传输媒质的一种通信方式。容量频率f光波光波是人们最熟悉的电磁波，其波长在微米级，频率为1014Hz，紫外光、可见光、红外光属于光波的范畴光与现代科技2020/2/1211电磁波波段划分和常用传输媒质-1频段和波段名称频率范围和波长范围传输媒质主要用途极低频(ELF)极长波30～3000Hz10000~100km有线线对，极长波无线电潜艇通信、矿井通信甚低频(TLF)超长波3～30kHz100~10km有线线对，超长波无线电潜艇通信、远程导航、远程无线电通信低频(LF)长波30kHz～300kHz10~1km有线线对，长波无线电中远距离通信、地下通信、无线电导航等中频(MF)中波0.3～3MHz1000~100m同轴电缆，中波无线电调幅广播、导航、业余无线电高频(HF)短波3～30MHz100~10m同轴电缆，短波无线电调幅广播、移动通信、军用通信等光与现代科技2020/2/1212电磁波波段划分和常用传输媒质-2频段和波段名称频率范围和波长范围传输媒质主要用途甚高频(VHF)超短波30~300MHz10~1m同轴电缆，超短波无线电调幅广播、电视、移动通信、电离层散射通信微波特高频(UHF)分米波0.3~3GHz10~1dm波导，分米波无线电微波接力、移动通信、空间遥测雷达、电视超高频(SHF)厘米波3~30GHz10~1cm波导，厘米波无线电雷达、微波接力、卫星和空间通信极高频(EHF)毫米波30~300GHz10~1mm波导，毫米波无线电雷达、微波接力、射电天文紫外、可见光、红外103~5×107GHz300μm~60Å光纤，激光空间传播光通信光与现代科技2020/2/1213红外光：波长λ0.75μm紫外光：波长λ0.4μm可见光：0.4μmλ0.75μm,其波长范围能被人眼感觉到目前光纤通信使用的波长范围是在近红外区内，即波长λ为:0.8~1.8μm频率f为:(3.75~1.67)×1014Hz可分为短波长段：0.85μm，长波长段：1.31μm和1.55μm这是目前所采用的三个通信窗口光与现代科技2020/2/1214光纤通信的问世，有两大难题：1、光源2、传光媒质第一个难题：光源很多，需相干光源，且工作稳定到1960年美国人Maiman发明了第一台红宝石激光器，但工作时间不长光与现代科技2020/2/1215激光特点1、能量高度集中2、频率单一3、方向性好4、相干性好（频率、相位、偏振方向、传播方向一致）光与现代科技2020/2/1216第二个难题：传输媒质－11950年，光在光纤中传输问题开始了理论研究1951年，发明了医用光导纤维，但损耗太大60年代，提出许多方法，用气体透镜系列进行光限制传输1966年，英籍华人高琨(K.C.Kao)博士提出：电沿着导线传输，光也能沿着线传，可利用SiO2石英玻璃制成低损耗光纤的设想。他揭示了低损耗光纤的可能性，使光通信的研究工作又获得了生机，此时期光纤杂质太高，其损耗超过了1000dB/km光与现代科技2020/2/1217第二个难题：传输媒质－31970年，美国康宁公司研究出损耗为20dB/km的光纤，在1μm附近波长使光纤进行远距离传输成为可能同时，在1970年美国AT&T公司发明了半导体激光器（GaAlAs），体积小，可在室温下连续工作，正好适应了这一要求1970年被称为光纤通信的元年，高琨被称为光纤之父光与现代科技2020/2/1218光纤通信发展可粗略分三个阶段1966～1976年，从基础研究到商业应用的开发时期1976～1986年，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1986～1996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光与现代科技2020/2/1219三个阶段的系统比较阶段一阶段二阶段三阶段工作波长(μm)0.851.311.551.55传输速率34Mb/s45Mb/s140~565Mb/s2.5～10Gb/s无中继距离(km)1050~100100~150系统多模单模色散移位单模光与现代科技2020/2/1220二、先进国家光纤通信的发展世界上已形成北美、西欧和远东三个光纤通信发达地区，代表国家为：美国、英国和日本美国78年建成第一条市话光纤，82年建成第一条长途，到1993年止，已建成通信系统200多个，光纤总长达27万km以上美国有五大光纤工程：东部走廊，东部和西部干线，大西洋和太平洋洲际海底干线光与现代科技2020/2/1221先进国家光纤通信的发展－1全长达3400km横贯日本南北的大干线法国比亚里茨的“光纤城”等世界主要电信产品供应商，如：Lucent,Nortol,Alcatel,NEC,Siemens,Macosi,Fujitsu等都把光纤通信放在相当重要位置，投入大量人力、资金进行研究开发，并分别取得重大进展，创造了一个个新的世界记录，许多原以家电产品为主闻名的厂商如：Toshiba,Sony或计算机厂商Cisco,Canon,3M也纷纷加入光纤通信的行列，成果斐然光与现代科技2020/2/1222先进国家光纤通信的发展－2世界先进国家提出FTTx战略，即：光纤到路边(FTTC)、大楼(FTTB)、办公室(FTTO)、小区(FTTZ)、用户(FTTH)等世界上最大的三个长途电信公司——美国的AT&T、MCI、SPRINT公司，光纤化程度已分别高达100％、88％和100％光与现代科技2020/2/1223世界成缆市场销售量光纤、世界市场单模光纤平均价格年份19941995199619971998199920002001总长度/104km18102300290034704070473055806570价格/($/km)6867726960524644年份199819992000200120022003单模光纤总长度/104km411046005350623072008110光与现代科技2020/2/1224三、我国光纤通信事业的发展我国的光通信起步较早，70年代初就开始了大气传输光通信的研究，随之又进行光纤和光电器件的研究，自1977年初，研制出第一根石英光纤起，跨过一道道难关，取得一个又一个零的突破。如今回顾起来，所经历的“里程碑”依然历历在目。光缆—器件—系统—应用—自主研发技术等1977年，武汉邮电科学研究院研制出中国第一根阶跃折射率分布多模光纤，其在0.85μm的衰减系数为300dB/km，长度为17m；研制出Si-APD。1978年，阶跃光纤的衰减降至5dB/km。研制出短波长多模梯度光纤，即G.651光纤。研制出GaAs-LD。1979年，研制出多模长波长光纤，衰减为1dB/km。建成5.7km,8Mbit/s光通信系统试验段。光与现代科技2020/2/1225我国光纤通信事业的发展－11980年，1300nm窗口衰减降至0.48dB/km，1550nm窗口衰减为0.29dB/km。研制出短波长用的GaAlAs-LD。1981年，研制出长波长用的InGaAsP-LD和PIN探测器。多模光纤活动连接器进入实用。研制出34Mbit/s光传输设备。1982年，研制成功长波长用的激光器组件和探测器组件（PIN-FET）。研制出光合波分波器、光耦合器、光衰减器、滤光器等无源器件。研制出140Mbit/s光传输设备。1984年，武汉、天津34Mbit/s市话中继光传输系统工程建成（多模）。光与现代科技2020/2/1226我国光纤通信事业的发展－21985年，研制出1300nm单模光纤，衰减达0.40dB/km。1986年，研制出动态单纵模激光器。1987年底，建成了第一个国产的长途光通信系统，由武汉至荆州，全长约250km，传输34Mb/s信号1988年，全长245km的武汉－荆州－沙市34Mbit/s多模光缆通信系统工程通过邮电部鉴定验收。扬州－高邮34Mbit/s单模光缆通信系统工程通过邮电部鉴定验收。1989年，汉阳－汉南140Mbit/s单模光传输系统工程通过邮电部鉴定验收。光与现代科技2020/2/1227我国光纤通信事业的发展－31990年，研制出G.652标准单模光纤，最小衰减达0.35dB/km。到1992年降至0.26dB/km。成功地研制出1550nm分布反馈激光器（DFB-LD）。1991年，研制出G.653色散位移光纤。最小衰减达0.22dB/km。研制出565Mbit/s光传输设备。合肥－芜湖140Mbit/s单模光传输系统工程通过国家鉴定验收，这是第一条全国产化的长途直埋单模光纤光缆线路，全长150km左右，光缆首次从水下跨越长江。1992年，研制出掺铒光纤EDF。研制出可调谐DFB－LD和泵浦源LD；FC-PC陶瓷单模光纤活动连接