35光纤通信技术

光纤通信技术1光纤通信的发展史及现状光纤通信系统概述光纤通信关键技术2什么是通信？“通”：传送，“信”：信息；信息的传送基本组成：发送、传输、接收什么是光纤通信？利用激光作为信息的载波信号，并通过光纤来传送信息的通信系统。光纤通信是人类历史上的重大突破，现今的光纤通信已成为信息社会的神经系统3光纤通信的发展史及现状•现代通信方式示意图用户环路交换设备电复接设备卫星通信微波通信光纤通信移动通信发送机接收机传输系统用户终端用户终端信息信息用户终端用户终端用户环路交换设备电复接设备信息信息4•现代通信方式示意图用户环路交换设备电复接设备卫星通信微波通信光纤通信移动通信发送机接收机传输系统用户终端用户终端信息信息用户终端用户终端用户环路交换设备电复接设备信息信息信息指用户要求传送的语音、图像、数据以及它们的各种组合5用户环路交换设备电复接设备卫星通信微波通信光纤通信移动通信发送机接收机传输系统用户终端用户终端信息信息用户终端用户终端用户环路交换设备电复接设备信息信息•现代通信方式示意图用户终端交换设备接入网电复接设备传输系统6•现代通信方式示意图用户环路交换设备电复接设备卫星通信微波通信光纤通信移动通信发送机接收机传输系统用户终端用户终端信息信息用户终端用户终端用户环路交换设备电复接设备信息信息光纤通信经过30年的技术发展目前正在淘汰着其他的有线通信方式7现代通信网的三大支柱是光纤通信、卫星通信和无线电通信，而其中光纤通信是主体，这是因为光纤通信本身具有许多突出的优点：频带宽，通信容量大损耗低，中继距离长抗电磁干扰无串音干扰，保密性好光纤线径细、重量轻、柔软光纤的原材料资源丰富，用光纤可节约金属材料8光纤通信技术优缺点光纤通信时也具有如下缺点：光纤弯曲半径不宜过小；光纤的切断和连接操作相对复杂；分路、耦合相对麻烦。9光纤通信器件的发展过程•雏形：古代烽火、手旗、灯光1880年贝尔的光电话激光器(发送源）光纤(传输介质)1960Maiman发明红宝石激光器1962半导体激光器诞生(GaAs870nm)70年代室温工作LD(GaAsAI850nm)1300、1550nm多模LD单模LD1951医用玻璃纤维(损耗1000dB/km)1966高锟理论预言1970康宁制出低损耗光纤(20dB/km)1300(0.5dB/km),1550nm(0.2dB/km)低损耗窗口光纤开发单模光纤10现代光通信的起源1880年，贝尔发明了第一个光电话，其原理是：将弧光灯的恒定光束投射在话筒的音膜上，随声音的振动而得到强弱变化的反射光束。这一大胆的尝试，可以说是现代光通信的开端。贝尔光电话和烽火报警一样，都是利用大气作为光通道，光波传播易受气候的影响，在大雾天气，它的可见度距离很短，遇到下雨下雪天也有影响。11(1)光纤通信是以光作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信方式。光纤通信技术是30年来迅猛发展起来的高新技术，给世界通信技术乃至国民经济、国防事业和人民生活带来了巨大变革。1966年，英籍华人高锟（C.K.Kao)预见利用玻璃可以制成衰减为20dB/Km的通信光导纤维（即光纤）。当时世界上最优秀的光学玻璃衰减高达1000dB/Km。1970年，美国康宁（Corning）公司首先研制成衰减为20dB/Km的光纤。从此，光纤就进入了实用化的发展阶段，世界各国纷纷开展光纤通信的研究。12光纤通信的发展史13高锟（1933年出生），拥有英国和美国双重国籍的物理学家、北京邮电大学名誉教授、2009年诺贝尔物理学奖得主。香港中文大学校长（1987年-1996年）、中科院外籍院士（1996年）。1957年毕业于英国伍尔维奇理工学院电子工程专业1965年获得伦敦帝国学院获得电机工程博士学位1960年，进入ITT设于英国的欧洲中央研究机构—标准电信实验有限公司工作，成为光纤通讯领域的先驱。指出降低玻璃内的过渡金属杂质离子是降低光纤衰耗的主要因素，后来研究发现OH离子对衰耗也有重要影响，通过限制上面两方面的杂质离子，1980年，光纤衰减就降低到了0.2dB/Km，接近理论值。这就使得长距离的光纤通信成为可能，这在光纤通信史上具有里程碑的意义。(2)光纤通信系统中使用的光源经历了从发光二极管到半导体激光器的进步。光探测器也达到了GHz的响应灵敏度。目前，半导体激光器不仅可以在室温下工作，而且其直接调制速率可以达到10Gbit/s乃至更高，逐渐满足了高效率、高速率、低啁啾、大功率、长寿命等要求。光纤与光源的逐年进步解决了衰减和色散问题，其结果是增加了光纤系统的通信容量。光探测器发展异常迅速。14(3)90年代初，光放大器的问世引起了光纤通信技术的重大变革，这在光通信史上具有里程碑的意义。它节省了光电变换的中继过程，而且实现了波长透明、速率透明和调制方式透明的光信号放大，从而诞生了采用波分复用（WDM）技术的新一代光纤系统商用化。光放大器都是由增益介质、能源、输入输出耦合结构组成。根据增益介质的不同，目前主要有两类光放大器：用活性介质，如半导体材料和掺稀土元素（如Nd，Sm，Ho，Er，Pr，Tm和Yb）的光纤，利用受激辐射机制实现光的直接放大，如半导体激光放大器和掺杂光纤放大器；基于光纤的非线性效应，利用受激散射机制实现光的直接放大，如光纤喇曼放大器和光纤布里渊放大器。15在光纤放大器被新一代波分复用系统广泛使用的同时，光纤放大器的研究和开发也在不断进步。最近五年，技术上已经成熟的多种类型的光放大器（EDFA、GS-EDFA、TDFA、GS-TDFA和RFA）已经覆盖了1365-1650nm波长范围，使得在上述范围内实施波分复用成为可能。拉曼放大器（RA）利用了光纤中的拉曼散射效应实现光信号的放大。由于受激拉曼散射效应的阈值很高，随作近年来大功率半导体激光器的研制成功，这项光放大技术已经开始走向实用。光通信窗口新的划分：1570-1604nm称为L波段，短于1525nm的波长范围称为S波段，这个波段因为全波光纤的研制成功可以扩展到1365nm。这两个波段又可以分别称为光通信的第4窗口和第5窗口。16光纤通信系统的新波段145014901530157016101650S+SCLL+波长(nm)波段波长范围(nm)带宽(THz)光放大器应用C1530-15705.0有长途干线C+L1530-16109.7有长途干线S+C+L1490-161015.0无城/局域网S++S+C+L+L+1450-165025.1无城/局域网全波1300-165048.9无城/局域网17•光纤通信系统的发展历程光纤通信追求目标:大容量、长距离技术发展：短波长-长波长、多模光纤-单模光纤、多模激光器-单模激光器通信系统容量：比特率-距离积BL，B比特率，L中继距离每秒钟传输的比特数目。18光纤通信技术的发展大体上可分为：工作波长光纤激光器比特率B中继距离L第一代70年代850nm多模多模10～100Mb/s10Km第二代80年代初1300nm多模单模多模100Mb/s1.7Gb/s20Km50Km第三代80年代中～90年代初1550nm单模单模2.5Gb/s～10Gb/s100Km19光纤通信技术的发展大体上可分为:（续）工作波长光纤激光器比特率B中继距离L第四代90年代1550nm单模单模2.5Gb/s10Gb/s21000Km（环路）1500Km光放大系统第五代1550nm单模单模波分复用WDM单路速率:40,160,640Gb/s信道数:8,16,64,128,1022超长传输距离:27000Km(Loop)6380(Line)目前研究内容WDM光网络；全光分组交换；光时分复用；光孤子通信；新型的光器件20光纤通信超高速大容量长距离网络化一根光纤中可同时传输一百多路信号，采用特殊技术甚至可以同时传输1022路单路速率不断提升，已达到10、20、40Gb/s采用OTDM技术甚至可达640Gb/s各种通信技术的快速发展使上千甚至上万公里的长距离传输成为可能全光网成为目前光通信领域最热门的话题之一21从1980年以来的20年间，随着光器件的发展和光系统的演进，光传输系统的容量已从Mbit/s发展到Tbit/s，提高了近10万倍。从理论上讲，全光网络是指光信息流在网络中的传输及交换始终以光的形式实现，而不需要经过光/电、电/光变换。也就是说，信息从源节点到目的节点的传输过程中始终在光域内。在波分复用技术提出以后，波长本身成为组网（分插、交换、路由）的资源。伴随着光分插复用（OADM）和光交叉联接（OXC）技术的逐步成熟，原来被认为只是提供带宽传输的光层开始有了组网能力，因此成为最近几年光通信研发的热点。WDM全光网络是基于WDM技术，以波长作为组网资源，灵活可靠、性能稳定的光网络，它可以划分为长途骨干网、区域网和城域网三个等级。WDM全光网络通过波长路由机制实现路由选择，具有良好的可扩展性、可重构性和可操作性。全光网络：22EducationTelephoneTravelEntertainmentHealth……AllservicesNetworktrafficisgrowing!!Thewholeworldisinmymind!!DemandforBroadbandwidthOpticalnetworkingShoppingBanking•21世纪的通信业务23•全球通信业务需求估计用户增加；每个用户的业务量增加；服务质量的提高；通信容量需求急增24关键原材料光纤预制棒网络管理系统测试设备光纤光缆光传输/交换设备光无源器件光有源器件运营商网络集成商光纤通信的产业链25产品领域领导厂商光纤Corning,Lucent,Alcatel,Sumitomo,Fujikura,Furukara光缆Siemens,Lucent,Pirelli,Alcatel,Sumitomo,Corning光纤放大器Lucent,Pirelli,Ciena,Corning,Nortel,Alcatel,Fujitsu光发/光收Lucent,Nortel,Alcatel,Fujitsu,AMP,Agilent,Hitachi,NEC,Siemens光纤连接器Lucent,AMP,3M,Siecor,Molex,Seiko,AlcoaFujikura,DiamondDWDM器件Corning,JDSU,DiCon,Lucent,Hitachi,Pirelli,3M光无源器件DiCon,Corning,Lucent,JDSU,ADC,Gould光通信设备Nortel,Lucent,Alcatel,NEC,CIENA,Fujitsu,CISCO全球光纤通信主要供应商26光纤网络的分类27三种网络的不同要求三种网络设备有着不同的性质决定了这三种网络中设备开发的不同考虑：Long-haul:CapacityMetro:SmartAccess:Cost28国内现状1963年开始光通信的研究1974年研究光纤通信“六五”、“七五”、“八五”铺设“八纵八横”光纤线路总长约七万公里传输码率：从140Mb/s~2.5Gb/s，10Gb/s，40Gb/s已开始研究。DFB（量子阱）激光器和EDFA研制成功，可供应用高速电子器件、波导器件尚有差距2930基金委北航北邮中科院北大Internet2清华Working/protectionWorking/protectionOADMOADMOADMNSFCnet网络的拓扑结构说明：NSFCnet（中国高速互连研究试验网络）由六个节点组成，以清华为汇接点构成两个环行拓扑结构，清华、北大和中科院三点构成二纤双向自愈环采用WDM传输技术，在清华和北大之间通过在实验室中加光纤进行400公里广域网模拟试验；在其它节点构成的环中采用单路SDH/SONET传输技术。31光纤通信系统的组成光纤通信系统是以光波为载体，光导纤维为传输介质的通信系统。32光纤通信系统的组成发送器：发送器的核心是一个光源，其主要功