第1章光纤通信概述

2019年8月15日5时54分[e-mail]2019年8月15日5时54分第一章光纤通信概论第二章光纤第三章光源与光发送机第四章光检测器与光接收机第五章光放大器第六章光纤通信系统目录2019年8月15日5时54分第一章光纤通信概论光纤通信的发展历程和光网络的概况1.通信发展历程2.为什么是光纤3.光纤通信的发展4.光纤通信的支撑技术5.光纤通信系统的应用2019年8月15日5时54分1.通信的发展历程1873年，美国人莫尔斯发明了电报，用电传输了文字信息；1876年，美国人贝尔发明了电话，用电传输了声音；1924年，英国人贝尔德发明了电视机，用电传输了图像；1946年，美国美国宾夕法尼亚大学，电子计算机。电报、电话和电视都是用无线电或有线电传输信息，电通信作为信息传输的有效通道，一直沿用了一个多世纪。20世纪----电子世纪21世纪----光子世纪,光子技术将带来一场超过电子技术的产业革命.光子技术的应用:（1）作为光子发生与控制的激光技术和产业。（2）运算速度更快的光子计算机。（3）存储量大的光存储技术。（4）代替现行通信方式的光通信。（5）全息光技术。2019年8月15日5时54分什么是光纤通信？光纤通信：利用光纤光缆传输光波信号的通信方式。优点：价格便宜，线路损耗低、频带宽。是现代通信网的骨干。传输媒介无线通信：微波、卫星……有线通信:铜线电缆、光纤光缆通信系统：将信息从一处传到另一处的全部技术设备和信道（传输媒介）的总和。2019年8月15日5时54分电磁波——交变的电场会产生交变的磁场，交变的磁场又会激起交变的电场，这种电场、磁场无限地交变产生，合称电磁场。这种交变的电磁场会在空间以波的形式由近及远地传播开去，这就是电磁波。——光也是电磁波电磁波麦克斯韦1865年发表电磁场理论赫兹1888年实验证实电磁波存在2019年8月15日5时54分通信传输媒介分类及相应波段划分10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015ELFVFVLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF自由空间波长，m频率，Hz电力、电话无线电、电视微波红外可见光双铰线同轴电缆光纤卫星/微波AM无线电FM无线电频段划分传输介质有线：光纤（频率很高1014，载波能力强）铜线（同轴线、屏蔽与非屏蔽双绞铜线）无线：微波、无线电2019年8月15日5时54分电磁频谱：电磁波的波长范围发送信号的频率越高（波长越短），可载送的信息量就越多光波是电磁波，光波范围包括红外线、可见光、紫外线，其波长范围为：300μm～6×10−3μm。2019年8月15日5时54分光纤通信的光波波谱光纤通信的波谱在1.67×1014Hz～3.75×1014Hz之间，即波长在0.8μm～1.8μm之间，属于红外波段，将0.8μm～0.9μm称为短波长，1.0μm～1.8μm称为长波长，2.0μm以上称为超长波长。表1-1各种单位的换算公式c＝3×108m/s1MHz（兆赫）＝106Hzλ＝c/f1GHz（吉赫）＝109Hz1μm（微米）＝10−6m1THz（太赫）＝1012Hz1nm（纳米）＝10−9m1PHz（拍赫）＝1015Hz1Å（埃）＝10−10m2019年8月15日5时54分2.Whyfiber？(光纤的优点)近乎无限的带宽（没有光纤就没有当今的信息高速公路)低损耗（0.2dB/km)，（传输距离远）无电磁干扰，信号传输质量高，保密性好耐化学腐蚀光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设；低价（光纤是石英玻璃拉制成形,原材料来源丰富，并节约了大量有色金属）2019年8月15日5时54分高速宽带DWDM光传输的容量潜力15301675nm1260(无水峰)单纤全部可用频段为400nm，约50THz〖频谱效率〗为0.4bit/s/Hz(说明…)则【可用容量上限】为50THz0.4bit/s/Hz＝20Tb/s若每波长信道速率40Gb/s,单根纤芯可传500个波长500路x40Gb/s=20Tb/s0.2dB0.3dB2019年8月15日5时54分10Gb/s能作什么？1.ASCIICharacter(8bit)109Char./s(1000books)2.VoiceChannel(64Kb/s)155,000Channels3.HDTV(60Mb/s)160ChannelsCompressed(20Mb/s)500Channels4.GigabitEthernet(1Gb/s)8Channels2019年8月15日5时54分电信号输入半导体激光器光探测器电信号输出fiberEE/OO/EE3.光通信的发展激光的发明主要是半导体激光器（60年代-）光导纤维技术的发展（70年代--）半导体探测器（60年代--）WDM技术的出现（90年代--）光放大技术（90年代---）几个里程碑：2019年8月15日5时54分3.1早期的光通信公元前11世纪，西周王朝，烽火台白天点狼粪，晚上燃柴火——“狼烟四起”2019年8月15日5时54分图1.1贝尔电话系统在这里，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，这个过程就是调制。到了1880年，贝尔发明了第一个光电话，这一大胆的尝试，可以说是现代光通信的开端。2019年8月15日5时54分激光器的发明和应用，使沉睡了80年的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，但通信不稳定。1960年，大气光波通信图1.2红宝石激光器[美国梅曼(Maiman)，1960]2019年8月15日5时54分光波地下传输在大气光通信受阻之后，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。图1.3反射波导和透镜波导2019年8月15日5时54分——红宝石激光器、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。——反射波导和透镜波导造价昂贵，调整、维护困难。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。2019年8月15日5时54分•1870年，英国物理学家廷德尔在实验中观察到，把光照射到盛水的容器内，从出水口向外倒水时，光线也沿着水流传播，出现弯曲现象，这好象不符合光只能直线传播的定律。•1955年光纤才得到实际应用。当时在英国伦敦学院工作的卡帕尼博士，发明了用极细的玻璃制做的光导纤维。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。3.2光纤的发展2019年8月15日5时54分•1966年高锟提出光纤波导的概念，当时最好光纤的损耗1000dB/km，但他推测出小于20dB/km的损耗是可以做到的并可进入商用。•1974年美国康宁公司的French采用MCVD方法制出损耗小于4dB/km的石英光纤，从此石英光纤正式登上光通信的宝座。2019年8月15日5时54分高锟(K.C.Kao)博士深入研究了光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题，发现这种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，其次是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，他还发现一些玻璃纤维在红外光区的损耗较小。光纤之父：英籍华人高锟(K.C.Kao)博士工作地点：英国标准电信研究所2019年8月15日5时54分1966年，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《用于光频的光纤表面波导》,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,奠定了现代光通信——光纤通信的基础。高锟(左)从瑞典国王手中接过2009诺贝尔物理学奖2019年8月15日5时54分1970年起，光纤研制取得了重大突破1970年，美国康宁(Corning)公司研制成功损耗20dB/km的石英光纤。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)。目前，波长为1.55μm的光纤损耗0.2dB/km，已接近了光纤最低损耗的理论极限。2019年8月15日5时54分3.3半导体激光器的发展•1960年美国休斯公司实验室的西奥多梅曼发明红宝石激光这就是在光频下发明了连续波的振荡器。1961年出现He—Ne激光器之后，便开始了光通信的研究(自由空间与透镜波导)。•半导体双异质结激光器1969年研究成功GaAlAs在室温下，连续工作的半导体激光器。由于半导体激光器体积小，发光谱线窄以及与光纤的耦合效率高、价格低廉等优点，已成为光通信不可缺少的光源器件。2019年8月15日5时54分1970年，光纤通信用光源取得了实质性的进展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。2019年8月15日5时54分•半导体光电探测器的进步1970年代半导体光电探测器的技术已很成熟当时的PIN二极管，入射一个光子可产生一个电子。雪崩光电二极管(APD)入射一个光子则可产生10~100个电子。3.4光电探测器的发展由于光源、光探测器及光纤均已成功。所以在70年代后期光纤通信便正式登上通信的舞台。2019年8月15日5时54分3.5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。1988年由美、日、英、法发起的第一条横跨大西洋TAT-8海底光缆通信系统建成。1989年第一条横跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光缆通信系统建成。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。2019年8月15日5时54分当今世界范围的光纤通信系统海底光缆及洲际通信网2019年8月15日5时54分3.6光通信容量发展的五个阶段：0.8微米短波长(多模,GaAs,0.85um)1.3微米长波长(单模,GaAlAs,1.3um)1.5微米(单模)1.5微米相干光通信(未实用)1.5微米EDFA+WDM。2019年8月15日5时54分光通信容量的发展1977年，世界上第一条光纤通信系统在美国芝加哥投入商用，速率为45Mb／s。1979年，我国在上海也率先进行了光纤通信的实验。120路的光纤电话并入从四川路局到海宁路局(1.8km)的市话网。2019年8月15日5时54分单纤传输容量:？74~94：一个数量级/4年95~：指数增长，数量级/6个月