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第1章光纤通信概论1第1章光纤通信概论1.1光纤通信发展历程1.2光纤通信的系统构成1.3光纤通信的特点1.4光纤通信新技术第1章光纤通信概论21.1光纤通信发展历程1.1.1光纤通信的产生与发展1.目视光通信人类社会发展中的远距离通信的主流是光通信，电气通信的历史不过一百多年。从古埃及、古中国、古希腊和古罗马时代至发明莫尔斯电报的数千年间，远距离通信主要为目视光通信。三千多年前我国周朝就利用烽火台的火光传送敌情消息，到了近现代，战争中用信号弹指挥作战、城市使用信号灯指挥交通等传递信息的方式均可称为目视光通信。我们现在经常提到的光纤通信与这些简单的视觉光通信完全不同，光纤通信是由光通信逐步发展、演变而来的，是指以光波作载波传送信息的通信方式。第1章光纤通信概论32.贝尔的光电话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”。第1章光纤通信概论4光话机原理图弧光灯ABMNL送话器缺点：没有理想的光源和传光媒质,传光距离短可靠性差。第1章光纤通信概论61960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器。激光(Laser)：激光是一种高度相干光①，是一种理想的光载波。波谱窄方向性好亮度高频率和相位一致第一台激光器，输出功率为10000瓦，发出的激光强度为阳光的1000万倍。3.激光器大气通信第1章光纤通信概论74.透镜波导光波通信为了不使光波受大气层中各种因素的干扰，人们进行了光波地下传输的各种试验，即透镜波导光波传输系统。透镜波导就是在金属管道内，每隔一定距离放置一个聚焦透镜，使光波在管道中不断地边聚焦边向前传输，实验是成功的，但由于现场施工十分复杂，对每个透镜或反射镜要进行严格的校准和牢固的安装，系统造价昂贵，调整、测试、维修都很困难，因此实用意义不大。但这项实验对光纤通信的发展还是有贡献的，因为光纤的导光原理与透镜波导光波的原理基本相似，只是光纤导光原理的构思更巧妙、使用更合理。第1章光纤通信概论8包括：光圈式波导，透镜列阵波导，反射镜列阵波导，气体透镜波导，介质薄模波导，空心金属圆波导及介质表面波导线路。He-Ne激光器进入实用阶段，从微波通信转向光通信研究。第1章光纤通信概论101966年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)指出利用光纤(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。石英的损耗1000dB/km玻璃纤维引起光损耗的主要原因是其中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属离子和其他杂质；拉制光纤时工艺技术造成了芯、包层分界面不均匀及其所引起的折射率不均匀；发现一些玻璃纤维在红外光区的损耗较小。5.光纤通信的诞生与迅速发展1）光纤的产生第1章光纤通信概论112）光纤通信迅速发展1974年贝尔实验室发明了制造低损耗光纤的方法，使光纤损耗下降到1dB/km；而日本电话电报公司研制出了更低损耗的光纤，损耗下降到0.5dB/km。美国于1976年在亚特兰大成功地进行了码速为44.7Mb/s的光纤通信系统试验；日本也于同年开始了64km、32Mb/s光纤通信系统的室内试验。第1章光纤通信概论121970年，美国康宁(Corning)公司首次研制成功损耗20dB/km的石英光纤。波长为1.55μm的光纤损耗：1979年,0.20dB/km1984年,0.157dB/km1986年,0.154dB/km1972年，4dB/km1973年，2.5dB/km1974年,1.1dB/km——贝尔实验室1976年，0.47dB/km(波长1.2μm)。2）光纤通信迅速发展第1章光纤通信概论131970年，光纤通信用的光源也取得了实质性的进展。美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联研制成功室温下连续工作的半导体激光器(短波长)。1973年，7000小时。1977年，10万小时(约11.4年)。（4）1976年，美国在ATLANTA进行世界第一个光纤通信的实验，速率44.7M，距离10KM。随后美国很快敷设了东西干线和南北干线，穿越22个州光缆总长达5×104km。第1章光纤通信概论151.1.2光纤通信发展趋势1.宽带通信业务需求激增、光纤通信向超高速系统发展光纤产品的大规模采用成为全球宽带通信网络飞速发展的有力基础。网络的扩张又带来全球性传送业务的大增长，这些业务需求包括Internet的蓬勃发展、大量的全球数据传送，以及其他一些不断增长的先进业务。第1章光纤通信概论16视频娱乐节目：采用速率高达几十兆比特的数字电视，提供同实物一样大的高分辨率、3D、真彩色视频娱乐节目。可视电话：全球将有一亿以上的家庭装有带大型3D彩色屏幕的可视电话。视频会议：通过Internet提供桌面或膝上机的一对一型或组对组型会议电视系统。大量的、即时的、连续的全球数据传送：允许几百万大小公司以及部门内部的各个相互连接的高瑞工作站之间进行数据通信。第1章光纤通信概论17全球网络：少数几个全球性的用户到用户通信公司将主宰全球通信市场。这种全球化的过程将通过收购、兼并、合股和新建的方式来完成，而大量地敷设陆地和海底公用（用以出租）光缆为完成这一过程奠定了基础。私营全球光网络将迅速发展。采用一个便携式收发信机，以低廉的成本，实现在任何地方、任意时间、对任何人的通信（话音、数据、图像和视频）将变得可行。全球业务：对共同感兴趣的商务运作的合并过程将继续下去。依赖于通信的主要业务有遍布全球的生产、研发、管理和客户服务。而高带宽的、即时的通信为此打下了基础。随着远程办公形式的大量采用，知识员工的物理位置将彻底发生变化。小型办公室和家庭办公室的光纤连接将非常普遍。第1章光纤通信概论18政府全球化：发达国家将更多地通过各种全球合作组织来协调世界经济、军事、人道主义和其他活动。这样的组织有世界贸易组织、国际货币基金会、北美自由贸易联盟、联合国以及北大西洋公约组织等。小用户的作用上升：进入21世纪，大型企业、政府和教育机构是光纤通信市场中处于支配地位的用户。数以亿计的全球居民用户现在正拥有自己的光纤连接。竞争将使商用光纤连接更加可靠，通过各种各样的接入方式接入到大楼中去（城区光纤系统、网状／环状网络和光交换将首先采用）。第1章光纤通信概论19网络容量的需求和传输速率的提高一直是一对主要矛盾。在过去几年中，光纤技术领域取得了大量突破性进展，其中包括10Gb/s网络的全面构建和单根光纤上每秒以太比特容量的成功演示。40Gb/s和80Gb/s网络成功演示进一步突出了速率更高、容量更大的网络优势，为各种各样的新业务，特别是宽带业务和多媒体提供了实现的可能。第1章光纤通信概论202.向超大容量WDM系统的演进光纤的200nm可用带宽资源仅利用了不到1％，99％的资源尚待发掘。如果将多个发送波长适当错开的光源信号同时在一根光纤上传送，则可大大增加光纤的信息传输容量，这就是波分复用（WDM）的基本思路。波分复用系统发展十分迅速。目前全球实际敷设的WDM系统已超过3000个，而实用化系统的最大容量已达320Gb。美国朗讯公司已宣布推出80个波长的WDM系统，其总容量可达200Gb或400Gb。实验室的最高水平已达到2.6Tb，预计不久商用化系统的容量即可达到1Tb的水平。近年来超大容量密集波分复用系统的发展是光纤通信发展史上的又一里程碑，不仅开发了无穷无尽的光传输链路的容量，而且也成为IP业务爆炸式发展的催化剂和下一代光传送网灵活光节点的基础。第1章光纤通信概论213.实现光联网波分复用系统技术尽管具有巨大的传输容量，但基本上是以点到点通信为基础的系统，其灵活性和可靠性还不够理想。如果在光路上也能实现类似SDH在电路上的分插功能和交叉连接功能的话，无疑将增加新的威力。根据这一基本思路，光的分插复用器（OADM）和光的交叉连接设备（OXC）均已在实验室研制成功，前者已投入商用。鉴于光联网具有潜在的巨大优势，发达国家投入了大量的人力、物力和财力进行研究，特别是美国国防部预研局（DARPA）资助了一系列光联网项目，如以Be11core为主开发的“光网技术合作计划（ONTC）”，以朗讯公司为主开发的“全光通信网”预研计划，“多波长光网络（MONET）”和“国家透明光网络（NTON）”等，在欧洲和日本，也分别有类似的光联网项目在进行。第1章光纤通信概论224.新一代的光纤传统的G.652单模光纤在适应上述超高速长距离传送网络的发展需要方面已暴露出力不从心的态势，开发新型光纤已成为开发下一代网络基础设施的重要组成部分。为了适应干线网和城域网的不同发展需要，已出现了三种不同的新型G.655光纤（G.656光纤）和无水吸收峰光纤（全波光纤）。目前影响可用波段的主要因素是1385nm附近的水吸收峰，因而若能设法消除这一水峰，则光纤的可用频谱可望大大扩展。全波光纤就是在这种形势下诞生的。第1章光纤通信概论235.解决全光网瓶颈的手段——光接入网过去几年间，网络的核心部分发生了翻天覆地的变化，无论是交换还是传输都已更新了好几代。不久以后，网络的这一部分将成为全数字化的、软件主宰和控制的、高度集成和智能化的网络。而另一方面，现存的接入网中双绞线铜线的模拟系统还有相当比例。两者在技术上的巨大反差说明接入网已确实成为制约全光网进一步发展的瓶颈。目前尽管出现了一系列解决这一瓶颈问题的技术手段，如双绞线上的XDSL系统，同轴电缆上的HFC系统，宽带无线接入系统，但这些都只能算是一些过渡性解决方案，唯一能够根本上彻底解决这一瓶颈问题的长远技术手段是光接入网的全面实现。第1章光纤通信概论246.IPoverOptical以IP业务为主的数据业务是当前世界信息业发展的主要推动力，因而，能否有效地支持IP业务已成为新技术能否有长远技术寿命的标志。目前，ATM和SDH均能支持IP，分别称为IPoverATM和IPoverSDH。虽然两者各有优势，但从长远看，当IP业务量逐渐增加，需要高于2.4Gb的链路容量时，则有可能最终会省掉中间的SDH层，IP直接在光路上跑，形成十分简单统一的IP网结构（IPoverOptical）。显然，这是一种最简单直接的体系结构，省掉了中间ATM层与SDH层，简化了层次，减少了网络设备；减少了功能重叠，减轻了网管复杂性，特别是网络配置的复杂性；额外的开销最低，传输效率最高；通过业务量工程设计，可以与IP的不对称业务量特性相匹配；还可利用光纤环路的保护光纤吸收突发业务，尽量避免缓存，减少延时；由于省掉了昂贵的ATM交换机和大量普通SDH复用设备，简化了网管，又采用了波分复用技术，其总成本可望比传统电路交换网降低一至二个量级。第1章光纤通信概论25三种IP传送技术都将在电信网发展的不同时期和网络的不同部分发挥自己应有的历史作用。但从面向未来的视角看，IPoverOptical将是最具长远生命力的技术。特别是随着IP业务逐渐成为网络的主导业务后，这种对IP业务最理想的传送技术将会成为未来网络特别是骨干网的主导传送技术。第1章光纤通信概论267.智能光网络新动向随着IP业务的快速增长，对网络带宽的需求变得越来越大。同时，由于IP业务量本身的不确定性和不可预见性，对网络带宽的动态分配需求也亟待解决。因此，能够自动完成网络连接的智能光网络应运而生。几年前，美国AT&T公司已经率先在美国全国范围内敷设了连接约100个城市的智能光网络，这个网络由约100台智能光交换机和800多台SONET多业务平台构成。它不仅减少了成本和指配出错机会，使运作流畅，还增加了容量，简化了网络结构层次，极大地缩短了企事业用户的高速电路指配时间，能有效对付网络大故障，快速恢复业务，恢复时间仅为数百毫秒。第1章光纤通信概论27新一代智能光网络由DWDM加光交换机组成，它的核心层设备是光交换机，一个设备便可以综合完成以前几个设备的功能，组网简单，维护方便。此外，智能光网络的特点是交换粒度小，并具有疏导功能，这两个特点为智能光网络实现任意级联、虚拟容量和网状恢复等奠定了基础。先进智能化光网络系统是建立全球新一代网