光纤通信技术-第一章-绪论

1.1光纤通信概述1.2光纤通信系统主要特点1.3光纤通信系统的简介1.4光纤通信技术发展展望第1章绪论1.1光纤通信概述光纤通信的基本概念光纤通信是指利用相干性和方向性极好的激光作为载波（也称光载波）来携带信息，并利用光导纤维（光纤）来进行传输的通信方式。光纤通信使用的波段1019101710161015101410131012101010910810710610510410310210110-1010-910-810-710-610-510-410-310-210-11001011021031041051061071nm1m1mm1m1km1埃X光(伦琴射线)紫外线可见光近红外线远红外线米波电视发射用无线电广播发射用超声波音频光通信微波频率(Hz)波长(m)(1T)(1G)(1M)(1k)10111018f射频光纤通信常用的波长范围为近红外区,即从0.85-1.6，其频率范围约为hz数量级，其比常用的微波频率高倍，所以其通信容量也较常用的微波通信原则上高。1410451010451010光纤通信的故事烽火传信古希腊的火炬墙贝尔光电话系统大气光通信地下光通信光纤的雏形高锟和现代光纤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。烽火传信古希腊的火炬墙1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音的“光电话”他以日光为光源，大气为传输媒介，传输距离是200米。贝尔光电话是现代光通信的雏型。贝尔光电话系统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。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1870年，英国物理学家丁达尔发现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。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。1966年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)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。高昆与现代光纤通信高昆和他的同事在英国标准电信研究所对光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题进行了深入研究，指出光纤产生损耗的原因：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，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。光纤发明人高锟CharlesK.Kao论文：《光频介质纤维表面波导》1966（Dielectric-FiberSufaceWaveguideforOpticalFrequency)提出：制造石英光纤可实现光纤通信指出三点：•光纤的容量很大•高纯石英光纤的损失可低达20dB/km•单模光纤的原理构造高锟——光纤之父光纤通信发明家高锟(左)1998年在英国接受IEE授予的奖章2009年诺贝尔物理学奖获得者英国华裔科学家高锟，美国科学家威拉德·博伊尔和乔治·史密斯。瑞典皇家科学院说，高锟在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”取得了突破性成就，他将获得今年物理学奖一半的奖金，共500万瑞典克朗（约合70万美元）；博伊尔和史密斯发明了半导体成像器件——电荷耦合器件（CCD）图像传感器，将分享今年物理学奖另一半奖金n1n2n0全反射n2cAABmaxmaxc消逝波nn12损失Bn0900_c光在光纤中的传播芯包层树脂被覆层光纤的形状全波光纤120014001600衰减波长0.10.20.30.51700150013000.40.6窗口OSCLUE(dB/km)(nm)光纤研制的重大突破•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。•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年康宁研制出低损失光纤Corning的3位科学家Dr.DonalKeck,Dr.BobMaurer,Dr.PeterSchultz于1970年研制出低损失光纤.光纤长度(米)29,28.1损失(dB/km)17,18.2芯直径(微米)3.7(单模)(Dr.Keck的实验室记录)光纤通信用光源的实质性进展•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。•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。•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。由于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实用光纤通信系统的现场试验。•1980年，美国标准化FT-3光纤通信系统投入商业应用。•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。•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。光纤通信的发展历程自光纤问世以来,光纤通信的发展主要经历了四个发展时期:第一个时期是1970年代的初期发展阶段,主要解决了光纤的低损耗,光源和光接收器等光器件,小容量的光纤通信系统的商用化。到1976年,日本电话电报公司使光纤损耗下降到0.5dB/km。1979年,日本电报电话公司研制出损耗0.2dB/km的光纤。目前,通信光纤最低损耗0.17dB/km。第二个时期是1980年代的准同步数字系列(PDH)设备的突破和商用化。这个时期光纤开始代替电缆,数字传输制取代模拟传输制,由于PDH系统是点对点系统,没有国际统一的光接口规范、上下电路不方便、成本高、帧结构中没有足够的管理比特,无法进行网络的运行、管理与维护等缺点,中期出现了同步数字系列(SDH)。第三个时期是1990年代的通信标准的建立和同步数字系列(SDH)设备的研制成功及其大量商用化。1984年初,美国贝尔通信研究所首先开始了同步信号光传输体系的研究.1986年国际电报电话咨询委员会(CCITT)开始审议SONET标准,随后建议增加2Mbit/s和34Mbit/s支60在设备功能、光接口、组网方式和网络管理等方面逐步地予以规范,到目前为止已形成了一个完整的全球统一的光纤数字通信标准。第四个时期是21世纪以来,波分复用(WDM)通信系统设备的突破和大量商用化。-光波分复用是多个信源的电信号调制各自的光载波,经复用后在一根光纤上传输,使一根光纤起到多根光纤的作用,通信容量成数十倍、百倍地提高。-随着网络业务向动态的IP业务的继续汇聚,一个灵活、动态的光网络是不可或缺的,最新发展趋势是自动交换光网络(ASON),使光联网从静态光联网走向动态交换光网络。1.2光纤通信的优势和特点在光纤通信系统中，光波作为载波，光纤作为传送媒介。由于光波频率比电波频率高得多，光纤又比同轴电缆损耗低得多，因此相对于用电磁波作为载波的电通信系统，光纤通信具有许多独特的优点。1.频带宽、传输容量大电缆和光纤的损耗和频带比较类型频带(或频率)损耗(dB/km)传输容量（话路/线）粗同轴电缆2494./.1MHz60MHz2.4218.771800渐变折射率多模光纤0.85m1.31m200~1000MHzkm≥1000MHzkm≤3≤1.0200单模光纤1.31m1.55m100GHz10~100GHz0.360.232000(2.5Gb/s)2.损耗小、中继距离长电通信中继站多：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。中中中中中中中中中中中3.重量轻、体积小表1.1.3光缆和标准同轴电缆的重量和截面积数据比较8芯18芯项目光缆电缆光缆电缆重量比（kg/m）115126截面积比(直径,mm)1519.64.抗电磁干扰性能好光纤由电绝缘的石英材料制成，光纤通信线路不受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损坏。所以无金属加强筋光缆非常适合于存在强电磁场干扰的高压电力线路周围、油田、煤矿和化工等易燃易爆环境中使用。5.泄漏小、保密性好在光纤中传输的光泄漏非常微弱，即使在弯曲地段也无法窃听。没有专用的特殊工具，光纤不能分接，因此信息在光纤中传输非常安全，对军事、政治和经济都有重要的意义。6．节约金属材料，有利于资源合理使用制造同轴电缆和波导管的金属材料，在地球上的储量是有限的；而制造光纤的石英（SiO2）在地球上是取之不尽的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1.3光纤通信系统的简介信息源电端机光发送机光接收机电端机信息宿发射基本光路系统光纤线路电信号输入光信号输出光信号输入电信号输出接收目前实用的光纤通信系统，较多采用的是数字编码、强度调制－直接检测的通信系统（IM－DD系统），这种系统的框图如图所示。图1.2光纤通信系统的构成光发送机的作用是把输入的电信号转换成光信号，并将光信号最大限度地注入光纤线路。光发送机由光源、驱动器和调制器组成。光发送机的核心是光源，对光源的要求是输出功率足够大，调制速率高，光谱线宽度和光束发散角小，输出光功率和光波长要稳定，器件寿命长。目前，最广泛使用的光源有半