光纤通信概述

1光纤通信简明教程总学时数40周学时4光纤通信原理)(m85.03.155.1197519761980损耗kmdB/2.020全面表达光纤损耗特性197020dB/km现0.2dB/km袁国良李元元编著主要参考书方强《光纤通信》西安电子科技大学出版社孙学康《光纤通信技术》北京邮电大学出版社2目录第1章光纤通信概述第2章光纤的物理学基础第3章光纤第4章光源和光发射机第5章光检测器和光接收机第6章光纤通信系统与工程第7章SDH技术第8章光放大和色散补偿技术第9章波分复用技术第10章光纤通信的高新技术3第1章光纤通信概述1.1光纤通信及系统组成1.2光纤通信的发展历史1.3光纤通信的特点和应用1.4光纤通信的发展趋势1.5光纤通信认知(光缆、光器件）小结4第1章光纤通信概述1.光纤通信基本概念光纤通信的基本特征使用发光器件产生的光作为信息载体使用光导纤维（SiO2）作为传输光波信号的通信介质1.1光纤通信及其系统组成5第一章光纤通信概述•人们思考使用光通信的出发点：光波的频率范围较广，可以解决电通信频谱资源不足的问题，扩展通信的带宽。光源：近红外区波长：0.8—1.8μm频率：167—375THz6第1章光纤通信概述光纤、电话双绞线实物光纤：纤芯直径：50—100μm材质：SiO27第1章光纤通信概述2.光纤通信系统的组成下图所示的是简化的光纤通信系统模型，由图中可以看出一个光纤通信系统通常由电发射机、光发射机、光接收机、电接收机和由光纤构成的光缆等组成。81.2光纤通信的发展历史1.早期的光通信古代：烽火通信传输介质：大气近代和现代：旗语和手势传输介质：大气1880年，美国贝尔发明了光学电话传输介质：大气1960年，美国梅曼发明了红宝石激光器传输介质：大气由于缺乏合适的光源和传输介质，光通信发展极为缓慢。反而模拟电通信技术发展的非常快。第1章光纤通信概述9第1章光纤通信概述1.2光纤通信的发展历史•20世纪50年代对通信技术提出了新要求,于是人们提出光纤通信的构想•通信容量近一步扩大（当时通信系统容量100Mb/s.km）•通信中继距离进一步延长（当时中继距离1km）•可靠性进一步提高（电通信易受电磁干扰）2.现代光纤通信发展历程10第1章光纤通信概述光纤通信初创阶段(1960-1977)•实现光纤通信的两大关键技术•合适的光源：必须是相干光，频率和方向的单一性较好，适合信息的调制•合适的传输介质：对光信号的传输损耗小1.2光纤通信的发展历史2.现代光纤通信发展历程11第1章光纤通信概述光源的突破：1960年,美国人梅曼发明第一台红宝石激光器。1970年，美国贝尔实验室研制出第一只在室温下连续工作几小时的砷化镓（GaAs）半导体激光器。1.2光纤通信的发展历史2.现代光纤通信发展历程12第1章光纤通信概述光纤的突破：1966年，英籍华人高锟指出：如果能够减少玻璃中的杂质含量，就可以制造出损耗低于20dB/km的光纤。1970年是光纤通信发展出现跨越的一年，美国康宁公司研制出了损耗系数为20dB/km的光纤。光纤通信从此进入飞速发展。1.2光纤通信的发展历史2.现代光纤通信发展历程13第1章光纤通信概述困扰光纤通信发展的因素或者影响光纤通信系统性能的主要参数：•损耗：光信号在光纤中传输时的能量损耗。•色散：由于光波长（频率）在时间上的展宽而引起的传输过程中的波形失真，造成误码。1.2光纤通信的发展历史2.现代光纤通信发展历程14第1章光纤通信概述第一代(0.85m，多模，单纤，1978年)传输速率20—140Mb/s，中继距离10Km，损耗1dB/Km第二代(1.31m，单模，单纤，1987年)传输速率在1700Mb/s，中继距离50Km，0.5dB/Km1.2光纤通信的发展历史2.现代光纤通信发展历程（商用）损耗受限15第1章光纤通信概述第三代(1.55m，单模，单纤，1990年)传输速率2.5—10Gb/s，中继距离100Km,0.2dB/Km第四代(1.55m，波分复用，单模，多纤，1995-目前)传输速率320-1600Gb/s，中继距离4600Km,0.2dB/Km1.2光纤通信的发展历史2.现代光纤通信发展历程（商用）色散受限16第1章光纤通信概述第五代(1.55m，光孤子，单模，单纤，2008年)传输速率20-160Gb/s，中继距离大于12000Km,0.2dB/Km1.2光纤通信的发展历史2.现代光纤通信发展历程（商用）受制于光孤子源17第1章光纤通信概述1.3光纤通信的特点和应用1.光纤通信的特点•传输频带宽，通信容量大。•传输衰减小，传输距离长。•抗电磁干扰，传输质量好。•体积小、重量轻、便于施工。•原材料丰富，节约有色金属，有利于环保。18第1章光纤通信概述2.光纤通信的应用光纤通信的应用非常广泛,其应用领域遍及通信、交通、工业、医疗、教育、航空航天和计算机等行业，并正在向更广更深的层次发展。1）在公网电信网间做传输线。2）满足不同网络层面的应用3）光纤宽带综合业务数字网及光纤用户线4）作为危险环境下的通信线5）应用于专网19第一章光纤通信概述3.我国光纤通信的发展我国以28%的普及率建成世界第二大固定电话网，以42%的普及率建成世界第一大移动通信网，信息产业以年均27%的增长率递增。将来不论那一类通信网，中国都将是全球最大的。1、网络规模——居世界第二，年需求900万公里生产能力超过1300万公里“八纵八横”长途骨干网已于１９９８年提前完成，使我国光纤网络规模跃居世界前列。光缆总长超过80万公里,芯线长度达到2000多万芯公里，在业务量大的城市和重点城市间已具备两个以上的物理路由。20国家干线网八纵八横70％50％200芯以上20%21第一章光纤通信概述长途干线电信：50万公里联通：12万公里有线电视骨干网：10万公里电力、铁路等：8万公里３２０ＧＤＷＤＭ系统－－－用于长途干线中国电信、中国联通：高速环中国网、全国骨干智能网。中国有线电视、网通：全国骨干传输网互联网四大骨干网：中国科技网（CSTNET）、中国教育和科研计算机网（CERNET）、中国公用计算机互联网（CHINANET）、国家公用经济信息通信网（CHINAGBN）22第一章光纤通信概述10G系统（包括电10G和WDM）－－用于长途干线和大容量市话、全国各大城市的城域网络。中国电信、中国联通、有线广播电视、铁通、电力通信和军网。2.5G系统-－－用于市话网、数据网和有线电视网全国各大城市的市话网、数据网和有线电视网预计到2010年，全国光缆干线再增加20万公里左右，并有61个大城市部署直达大容量10G以上的通信网络。23第一章光纤通信概述2、研发实力我国成为世界少数几个掌握了光纤通信核心技术、能够提供光网络全面解决方案的国家之一。在光纤研制方面，长飞公司和武汉邮科院已研制出了色散位移单模光纤(G．653光纤)、非零色散位移单模光纤(G．655光纤)、大有效面积非零色散位移单模光纤、色散补偿光纤(DCF)、掺铒光纤、保偏光纤、数据光纤等，其中长飞公司是我国惟一能提供光纤预制棒生产的厂家。24第一章光纤通信概述2、研发实力在光电器件的研制方面，从事这方面研究开发的单位有中科院半导体所、清华大学、武汉邮电科学研究院、信息产业部电子13所、中科院长春光机所、吉林大学、天津大学、东南大学、北京大学、南开大学、华中科技大学、信息产业部电子44所等，主要从事高速激光器、增益开关半导体激光器、量子阱双稳态激光器、掺铒光纤激光器、光纤光栅激光器、光收发模块、EDFA等25第一章光纤通信概述2、研发实力在设备方面，主要有巨、大、中、华、武汉烽火等。已能提供1600G及1600G以下的全套的SDH设备，其中华为2.5G及2.5G以下速率SDH光传输设备在世界处于领先水平。北京邮电大学、清华大学、上海交通大学等已研制出小型的光交叉设备OXC。26第一章光纤通信概述3、产业光缆：现有长飞、中天、亨通、深通、西古、华新、成电等光纤光缆厂超过300家，年产能力1300万公里。可生产光缆的芯数从4芯般芯数到960芯。除G.652光纤大量生产外。已能生产G.655光纤、ADSS和OPGW等。光电器件：深圳飞通、武汉电信器件公司、北京福创、海特、深科技、上海奥普、长春新产业等一批企业，可批量生产十几种量子阱激光器、半导体泵浦激光器和掺铒光纤放大器27第一章光纤通信概述3、产业在光无源器件方面的研制，如福州的华科公司、康顺公司，已成为国际上的主要供应商，在世界上打响了品牌。上海和平公司、厦门安特公司占领了国内耦合器、波分复用器的主要市场。系统：主要有巨、大、中、华、武汉烽火等100多家，其中华为、烽火在光通信设备方面，已具有世界先进水平。烽火、华为已推出世界水平的10GX32DWDM系统。中兴、大唐、烽火、北邮电信、北京迅风、花环、奥普泰、上海贝尔等都是较具实力的光通信设备供应商。28第一章光纤通信概述3、产业武汉邮电科学院提出的IP标准提案“IPOVERSDH”，即因特网与光纤网适配标准及“以太网”和“千兆以太网”在光缆上运行接口标准提案获国际电联批准。29第1章光纤通信概述1.4光纤通信的发展趋势•1.时分复用(TDM)方式向超高速系统发展•2.波分复用(WDM)方式向密集化方向发展•3.新型光纤不断发展•4．向宽带光纤接入网方向发展•5．新型器件和高新技术在光纤通信系统的应用•6．全光通信网络30第1章光纤通信概述1.5光纤通信认知1.光纤和光缆光纤：从材料上分为石英光纤、多组份玻璃光纤、氟化物光纤、塑料光纤等桶装光纤及其局部放大图31光纤的制造工艺(1)材料选择要求：纯度高、高度透明、折射率、径向分布控制精确、易于调整，且材料自身有高的机械强度和良好的化学稳定性。玻璃是理想的光纤材料优点：在可见光和红外区具有高的透光性，容易制成纤维，通过改变这些玻璃的组成比例很容易控制它们的折射率分布，机械强度高，化学性能稳定。材料制备与提纯材料纯度分析制棒质量检测拉丝与涂覆套塑筛选成缆成品检测光纤制作工艺流程第1章光纤通信概述32(2)材料制备与提纯原材料（液态）主料：SiCL4辅料：GeCL4、POCL3、BBr3等提纯方法：精馏－吸附－精馏混合原理，纯度达到（99.9999％）(3)制棒（熔炼）外部化学气相沉积法（OVD）轴向化学气相沉积法（VAD）改进的化学气相沉积法（MCVD）等离子化学气相沉积法（PCVD）2224222422ClGeOOGeClClOSOClSii第1章光纤通信概述33①改进的化学气相沉积法（MCVD）SiCL4+O2→SiO2+2CL2↑GeCL4+O2→GeO2+2CL2↑4BBr3+3O2→2B2O3+2Br2↑优点：适合于制造低损耗光纤，容易控制折射率分布。缺点：预制棒的体积小。H2O2火焰移动旋转排气石英坯管MCVD熔炼工艺示意图掺加剂第1章光纤通信概述34②等离子化学气相沉积法（PCVD）空腔谐振腔真空泵石英管PCVD熔炼工艺示意图SiCL4+O2GeCL4+O2空腔谐振腔移动a：将氢氧喷灯改用微波腔体加热，使管内低压气体受激产生等离子气体。b：用真空泵将废气排除优点：沉积温度低，极易控制折射率分布，制棒速度快，适宜批量生产。缺点：预制棒的体积小。第1章光纤通信概述35(4)拉丝与涂覆拉丝过程是将已做好的光纤预制棒在高温下拉成符合外径要求的光纤。（5)套塑：目的是保护光纤增强光纤的机械强度。要求热稳定性、化学稳定性和机械性能好。第1章光纤通信概述36第1章光纤通信概述37第1章光纤通信概述光纤的连接光纤与光纤的永久性连接通常采用光纤熔接机高频电弧放电熔接.（1）光纤的接续方法：固定连接和活动连接固定连接：熔接法、机械法、胶粘法和阵列法（2）光纤端面的处理：要求端面光滑平整步骤：a剥除光纤的二次涂覆层b用酒精擦去缓冲层和一次涂覆层c用切割器划出很细的伤痕后轻弯纤芯（3）光纤接续部位的保护：热塑管保护制备光纤端面光纤对准熔接质检接头保护电极固定架光纤38第1章光纤通信概述光纤的连接会带来附加损耗芯径失配