光纤通信发展简史

80年代以来，光纤通信在电信网中获得了大规模应用。其应用场合已逐步从长途通信、市话局间中继通信转向接入网。光纤通信的廉价、优良的带宽特性正使之成为电信网的主要传输手段。目前美国、欧盟以及日本等国家都已开展了基于波分复用（WDM）的光网络技术的研究，WDM全光网是光传输网的发展方向。光纤通信传输网•有线传输网_光纤通信:波长：0.8μm-1.6μm,频率:1014-1015Hz_电缆通信：大同轴、中同轴、小同轴•无线传输网–数字微波–卫星通信传输网交换网DDN分组交换ISDN7号信令我国传输网分：•国家一级干线（连接国内各个省之间的电信线路）•国家二级干线（或称省级干线，连接省内地区或市的电信线路）•本地线路（或称本地网，地区内或市内连接各电信局的电信线路）光纤通信用途•传输网•接入网•有线电视系统CATV•大楼综合布线系统•校院网(局域网)频率（Hz）1021041061081012101410161018102010221061041021101010-210-410-610-810-1010-1210-14波长名称长波中波短波超短波微波毫米波红外线可见光紫外线X射线10mm1mm100μm10μm1μm100nm10nm1nm红外线可见光紫外线光电磁波谱一.光纤通信发展简史•1880年A.G.贝尔利用可见光做光电话机，证实光波可以携带信息•1960年发明了新光源激光器后，极大的促进了光波通信的研究–激光器特性：单色性、强方向性、高亮度–发展过程：•60年固体红宝石激光器•61年氦-氖气体激光器•70年半导体激光器（体积小、耗电少、调制速度高、使用方便）•1966年华裔科学家高锟博士等人提出从玻璃材料中去除杂质可以制成衰减为20dB/km的光导纤维。–1970年美国康宁玻璃公司根据高氏理论首先制造出衰减为20dB/km的光导纤维，使光导纤维的发展得到突破。–1973年美国贝尔研究所生产出衰减为1dB/km的低损耗光纤–1976年日本电报电话公司（NTT）制造出0.5dB/km的低损耗光纤•1976年在美国亚特兰大成功进行了码速率为44.7Mb/s的光通信系统性能试验,从此光通信技术进入实用化阶段二.光通信特点•频带宽,通信容量大–理论上讲一根单模光纤可利用的带宽达20THz(1THz=1012Hz)以上,现在最先进的光纤通信系统达400GHz,而一路电话带宽约占4KHz频带,一路彩色电视约占6MHz频带•损耗低,中继距离长–铜缆的损耗特性与缆的结构尺寸及所传输信号的频率有关,光缆的损耗特性仅与玻璃的纯度(或者说透明度)有关,高质量望远镜的镜头其损耗超过500dB/km,目前通信用光纤的最低损耗达0.2dB/km•具有抗电磁干扰能力–光导纤维是绝缘体材料,不受输电线,电气化铁路及高压设备等电器干扰,可以与高压电线平行架设,还可制成复合光缆•无串话,保密性好–通信质量高•线径细,重量轻,柔软–可制成大芯数高密度光缆–单芯光缆可安装在飞机,火箭,潜艇及航天飞机上•节约有色金属,原材料资源丰富–可节约大量铜金属缺点•质地脆,机械强度低•光纤切断和接续需要一定的工具,设备和技术•分路,耦合不灵活•光纤,光缆弯曲半径不能过小(20CM)•在偏僻地区存在有供电困难问题三.通信用光纤、光缆•光纤种类与尺寸多模单模纤芯直径65/50μm10μm左右包层直径125μm125μm包层纤芯包层与纤芯的主要材料均为玻璃，但它们掺杂不同的杂质，使包层与纤芯具有不同的折射率。包层的外面还有一层保护层保护光纤简单说模式就是指电磁场的“波形”•光纤中光波的传输原理-全反射之字线传输n2n1n2空气ABθMAX当n1n2θ1θc时发生全反射θc：临界角只要满足全内反射条件连续改变入射角的任何光射线都能在光纤纤芯内传输入射光反射光折射光折射率n1折射率n1n2θ1•光缆–干线缆(架空光缆,直埋光缆,海底光缆,复合光缆……)96芯以下–局内光缆芯数少，比光线缆柔软–用户缆根据需要几百芯或几千芯,纤芯为带状光纤四.光纤传输特性光纤特性有光学特性,传输特性,机械特性,温度特性等九项,其中传输特性有两个–损耗特性–色散特性1.损耗特性LA(P1)B(P0)α=log10LP1P0α为损耗系数损耗特性与光的工作波长有关,在三个工作窗口有相对小的损耗:第一窗口光工作波长0.85μm,损耗稍大第二窗口光工作波长1.31μm,损耗中等第三窗口光工作波长1.55μm,损耗最小2.色散特性由于光纤所传输信号中不同模式或不同频率成分因传输速度的不同而引起传输信号发生畸变的一种物理现象.色散与光的工作波长有关,1.31μm处是色散的最小点.1.01.21.41.6色散激光光源频谱图光纤种类•G.652光纤–即常规单模光纤，在1310nm波长工作时，理论色散值为零；在1550nm波长工作时，传输损耗最低，但色散系数较大。单通路速率达到STM-64时，需要采取色散调节手段。•G.653光纤–在1550nm波长工作时性能最佳，又称为色散移位光纤。零色散点从1310nm移至1550nm波长区。•G.654光纤–截止波长移位的单模光纤，它的设计重点是降低1550nm波长处的衷减。主要应用于需要很长再生段距离的海底光纤通信。•G.655光纤–又称之为非零色散移位单模光纤，零色散点移至1570nm或1510…1520nm附近，使1550nm处具有一定的色散值。色散受限距离达数百公里。可以有效的减少波分复用系统的四波混频的影响。五.光通信系统1数字通信制式国家、地区一次群（Mb/s）二次群（Mb/s）三次群（Mb/s）四次群（Mb/s）五次群（Mb/s）欧洲2．04830CH8．448120CH34．368480CH139．2641920CH564．9927680CH美国1．54424CH6．31296CH44．736672CH274．1764032CH日本1．54424CH6．31296CH32．064480CH97．7281440CH397．2005760CH2PDH数字复用体系PDH通信系统PlesiochronousDigitalHierarchyPDH通信系统称为准同步数字体系，英文全称如下其帧结构为链形:125μm125μm125μm交换机传输局A中继站传输局B交换机E/OO/EE/OO/E2Mb/s8Mb/s34Mb/s140Mb/s电端机光端机×4×4×4PDH系统组成图3SDH通信系统SDH是一种全新的传输体系,解决了许多PDH系统解决不了的难题4基于SDH的波分复用系统–一根光纤里传输多个波长的光信号,传输4个波长光信号的系统称4波复用,目前的最高级别是32波复用5IPoverSDH及IPoverWDM–IPoverX是随着INTERNET的发展提出的一个新课题，X选什么也是人们目前争论不修的问题3SDH技术1）PDH弱点与SDH的产生•PDH弱点–只有地区性的数字信号速率和帧结构标准，不存在世界性标准–没有世界性的标准光接口规范–准同步系统的复用结构除几个低速率等级的信号采用同步复用外，其他多数等级的信号采用异步复用，难于从高速信号中识别和提取低速支路信号–准同步系统的网络运行、管理和维护（OAM）比特不够丰富•SDH产生–贝尔研究所提出称之为同步光网络的（SONET）概念，目的是阻止互不兼容的光接口的的大量滋生，实现标准光接口。–1988年ITU-T接受了SONET概念，重新命名为同步数字体系-SDHSynchronousDigitalHierarchy2）SDH的线路码速率SDH信号线路速率STM-051.84Mb/sSTM-1155.52Mb/sSTM-4622.08Mb/sSTM-162.488Gb/sSTM-6410G2Mb/s1.5Mb/s34Mb/s140Mb/s45Mb/sSTM-1STM-4STM-16STM-643）SDH的STM-1帧结构F1F2F3F4F5F6再生段开销指针复用段开销净负荷270列9列9行每一帧的传输时间是125μm,即帧频是8000每一帧所传的比特数是9×270×8=19440STM-1信号的码速率是19440÷125μm=155.52Mb/sSTM-1155Mbit/s21.534140(单位Mbit/s)45POHC-4VC-4POHPOHPOHPOHC-3VC-334Mbit/s及140Mbit/s映射复用示意图1帧1帧开销开销C：容器VC：虚容器POH：通道开销VC-4：261*9个字节VC-3：86*9个字节4）STM-1信号复用成STM-4信号STM-4复用ttSTM-1STM-4七波分复用系统•光波分复用（WDM：WavelengthDivisionMultiplexing)技术是在一根光纤中同时传输多波长光信号的一项技术。其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用），并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开（解复用），并作进一步处理。光合波分波器光合波分波器1221nn波分复用示意图通路分配表(8通路）序号中心频率（THz)波长（nm)1192.101560.612192.301558.983192.501557.364192.701555.755192.901554.136193.101552.527193.301550.928193.501549.32波分复用系统采用的光器件•光分波合波器–光栅型光波分复用器–介质模滤波器型–阵列波导光栅型•光放大器–光功率放大器–光前置放大器–光线路放大器–有掺铒、掺镨、掺铝、喇曼光纤放大器等•光波长转换器–可用于发送端、接收端、中继器WDM系统在传送网中的位置WDM光路层SDH通道层电路层（如ATM、IP等）多波长复用频谱图波分复用系统的光工作波长选择1550nm波长窗口，现在常用的有4波复用、8波复用、16波复用、32波复用等。物理层（光纤）光传送段层光复用段层光通道层SDHPDHATMIP光波长业务OXCOXCOXCOA光通道光复用段光信道层：负责为来自电复用段层的客户信息选择路由和分配波长。光复用段层：保证相邻两个波长复用传输设备间多波长复用光信号的完整传输。光传输段层：为光信号在不同类型的光传输媒质上提供传输功能。全光网分层结构