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1光通信原理与技术计算机科学学院通信教研室主讲人：蒋少华2应用需求三重播放业务的驱动(3Play:数据＋IP视频＋宽带语音):带宽需求大量增长支持单播业务和组播业务的高效率传送支持接入技术的不断演进(例如：ATM转向Ethernet)对语音和视频业务提供高可靠性的传送保障商业用户业务的演进：IP-VPN,以太网VPNs,存储区域网络SAN高带宽的业务需求提供网络高可用性和高安全性业务的快速提供和端到端管理及故障定位固定/移动网络的融合:公共的网络汇聚层(在网络L2/L1/L0提供业务疏导)支持接入技术的不断演进(e.g.,TDMtoEthernetforWiMAX)减少独立的骨干网络数量，优化网络结构，降低网络建设维护成本卓越的多层业务OAM，提供高可用性和可恢复的网络支持3网络业务流量增长6xGrowthinTrafficTriplePlay成为推动光网络业务高速增长的主要动力20042008Source:AlcatelStudy20056x50%10%3%7%24%6%25%4%27%11%31%2%专线业务(EnterpriseDIA,Retail,Wholesale)语音业务(固定+移动）视频业务中小企业的宽带Internet接入普通住宅用户的宽带Internet接入数据业务(ATM/FR,L2-VPN,L3-VPN)4目前的叠加的城域传送网汇聚Aggregate接入/Access边缘Edge/核心Core城域传送MetroTransmission核心传送CoreNetworkTransmissionFEWirelessIP/MPLS业务路由器ServiceRouter3G核心网3GCoreNetwork传送节点Node-BWiMAXE1语音/VoiceSTM/OCIP-DSLAMNxGEFTTxGEDSL视频/Video数据/DataGEE1RNCSGSNGGSN传送节点TransmissionNodeSDH环SDH以太网交换机EthernetSwitch端局COSDH/环SDHRingSDH/MSTPSDHBRASSDHRing5教学目的理解和掌握光纤通信系统的基本原理与基础知识；概括地了解光纤通信的最新发展、成果及前沿研究；为进一步深造及从事相关领域的研究奠定基础。6教材：李玉权等编著“光通信原理与技术”，科学出版社，2006年6月参考书：《光纤通信技术》，孙学康编著，人民邮电出版社，2008年5月《光纤通信》，原荣编著，电子工业出版社，2006年9月《光纤通信原理》，袁国良，清华大学出版社，2004年8月教材及参考书7课程内容及安排概论(2)光纤传输原理(12)光纤传输特性(6)光通信器件-光源(2)无源器件、光放大器(10)光纤通信系统(6)——光发射机、光接收机、光检测器光纤通信系统(4)——数字传输系统、模拟传输系统光纤通信网络（8）——SDH、WDM、ASON期末复习答疑（4）8第一章概述1.1光纤通信的发展与现状1.2光纤通信的主要特性1.3光纤通信系统的组成和分类91.1光纤通信的发展与现状1.1.1什么是光纤通信？传输媒介光纤通信：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。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。10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1.1.2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11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。12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）＝10−10m131.1.3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”14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。15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]16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17——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。181.1.4现代光纤通信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。1953年，英国伦敦学院卡帕尼博士首次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。19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201966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）1998年在英国接受IEE授予的奖章211970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。221970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。23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。24当今世界范围的光纤通信系统海底光缆及洲际通信网25第一代：从基础研究到商业应用的开发时期(1966~1979)激光器(GaAs)波长0.8µm，多模光纤，最大中继距离10km(当时的同轴电缆系统中继距离为1km)，比特率在10~100Mb/s。多模色散和损耗是限制中继距离的关键。1.1.5光纤通信的四个发展阶段26第二代：提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期(上世纪80年代早期)激光器(InGaAs)波长1.3µm，单模光纤，最大中继距离50km，比特率2.0Gb/s。光纤的损耗限制了中继距离，当时的损耗为~0.5dB/km。27第三代：进一步提高传输速率和增加传输距离的时期(上世纪80年代后期初90年代初)激光器(InGaAsP)波长1.55µm，单模(色散位移)光纤，比特率2.5~10Gb/s，最大中继距离100km。这个阶段的缺点是采用电的方式中继。28第四代：以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力发展下一代光通信系统时期(上世纪90年代之后)激光器(InGaAsP)波长1.55µm，单模光纤，采用波分复用技术和光放大技术，单个波长信道比特率2.5~10Gb/s，传输距离14000kmWDM技术出现OBS技术ASON技术OTN技术……目前，工作波长已扩展为1350～1650nm，单路速率40Gb/s,160Gb/s,640Gb/s信道数8，16，64，128，1022，传输距离27,000km(Loop)，6,380km(Line)291.2光纤通信的主要特性1.2.11.光纤的容量大——“超高速公路”马路越宽，容许通过的车辆越多，交通运输能力也越大。如果把通信线路比作马路，那么应该说是通信线路的频带越宽，容许传输的信息越多，通信容量就越大。30光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统，其载波—光波具有很高的频率(约1014Hz)，因此光纤具有很大的通信容量。目前的光纤容量已经达到十多个Tbit/s312.损耗低、中继距离长——“长跑健将”信号在传输线上传输，由于传输线本身的原因，强度将逐渐变弱，而且随着传输距离的增加，这种衰减会越来越严重。因此，长距离传输信息必须设立中继站，把衰减了的信号放大以后再转输。中继站越多，传输线路的成本越高，维护越不方便，运行越不可靠。中继站的多少取决于中继距离的长短，中继距离的长度又受传输线路损耗的限制。32目前，实用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光纤，此类光纤在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，因此，由其组成的光纤通信系统的中继距离也较其它介质构成的系统长得多。例如，同轴电缆通信的中继距离只有几千米，最长的微波通信是50千米左右，而光纤通信系统的最长中继距离已达300千米。33如果今后采用非石英光纤，并工作在超长波长(＞2μm)，光纤的理论损耗系数可以下降到10-3～10-5dB/km，此时光纤通信的中继距离可达数千，甚至数万公里。那在许多情况下，通信线路中就可以不设中继站了。这对越洋通信意义尤其重大，因为在海底设立中继站，不仅使线路成本大为提高，也大大增加了维修工作的困难。343.抗电磁干扰能力强我们知