光纤通信技术2009版PPT

1提纲光纤通信的发展历程光纤通信关键技术220世纪90年代，当通过电信网络传输的数据业务量超过了这些网络中的语音业务量时（在很大程度上归功于互联网使用的迅速普及），人们对光纤网络的需求增长之迅猛令人惊讶。这是因为与传统的铜线网络相比，光纤网络在成本、容量和效率方面都具有明显的优势。前言31.光纤通信的发展历程(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。1.1光通信技术的进步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。4高锟博士早就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。我国目前也有相当多的公司可以拉制性能很好的通信光纤，比如长飞、大唐电信等等。不同种类的光纤也相继研发出来，比如色散位移光纤、保偏光纤、掺杂光纤、塑料光纤、光子晶体光纤等等。5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。(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。6光放大器，根据增益介质的不同，目前主要有两类光放大器：(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。一类是用活性介质，如半导体材料和掺稀土元素（如Er，Sm，Ho，Nd，Pr，Tm和Yb）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；一类是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。7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。最近几年，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。8①工作波长为0.85μm多模光纤光通信系统；②工作波长为1.3μm多模光纤光通信系统和单模光纤光通信系统；③工作波长为1.55μm单模光纤光通信系统。而色散位移光纤（DSF，G.653）是应用于第三代光纤通信系统的一项重要成就。普通单模光纤的零色散点在1.31μm附近，色散位移光纤将零色散点从1.31μm移到1.55μm，有效地解决了1.55μm光通信系统的色散问题。（1）在数十年的发展过程中，光纤通信系统经历了三代：1.2光通信系统的发展910从1980年以来的20多年间，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。（2）全光网络：11频带宽，通信容量大。光纤可利用的带宽约为50000GHz，1987年投入使用的1.7Gb/s光纤通信系统，一对光纤能同时传输24192路电话，2.4Gb/s系统，能同时传输30000多路电话。频带宽，对于传输各种宽频带信息具有十分重要的意义，否则，无法满足未来宽带综合业务数字网(B-ISDN)发展的需要。损耗低，中继距离长。目前实用石英光纤的损耗可低于0.2dB/km，比其它任何传输介质的损耗都低，若将来采用非石英系极低损耗光纤，其理论分析损耗可下降至10-9dB/km。由于光纤的损耗低，所以能实现中继距离长，由石英光纤组成的光纤通信系统最大中继距离可达200多千米，由非石英系极低损耗光纤组成的通信系统，其最大中继距离则可达数千甚至数万千米，这对于降低海底通信的成本、提高可靠性和稳定性具有特别的意义。现代通信网的三大支柱是光纤通信、卫星通信和无线通信，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：1.3光通信技术优缺点12抗电磁干扰。光纤是绝缘体材料，它不受自然界的雷电干扰、电离层的变化和太阳黑子活动的干扰，也不受电气化铁路馈电线和高压设备等工业电器的干扰，还可用它与高压输电线平行架设或与电力导体复合构成复合光缆。无串音干扰，保密性好。光波在光缆中传输，很难从光纤中泄漏出来，即使在转弯处，弯曲半径很小时，漏出的光波也十分微弱，若在光纤或光缆的表面涂上一层消光剂效果更好，这样，即使光缆内光纤总数很多，也可实现无串音干扰，在光缆外面，也无法窃听到光纤中传输的信息。光纤线径细、重量轻、柔软。光纤的芯径很细，约为0.1mm，它只有单管同轴电缆的百分之一；光缆的直径也很小，8芯光缆的横截面直径约为10mm，而标准同轴电缆为47mm。利用光纤这一特点，使传输系统所占空间小，解决地下管道拥挤的问题，节约地下管道建设投资。此外，光纤的重量轻，光缆的重要比电缆轻得多，例如18管同轴电缆1m的重量为11kg，而同等容量的光缆1m重只有90g，这对于在飞机、宇宙飞船和人造卫星上使用光纤通信更具有重要意义。13光纤的原材料资源丰富，用光纤可节约金属材料。光纤的材料主要是石英(二气化硅)，地球上有取之不尽用之不竭的原材料，而电缆的主要材料是铜，世界上铜的储藏量并不多，用光纤取代电缆，则可节约大量的金属材料，具有合理使用地球资源的重大意义。光纤除具有以上突出的优点外，还具有耐腐蚀力强、抗核幅射、能源消耗小等优点，其缺点是质地脆、机械强度低，连接比较困难，分路、耦合不方便，弯曲半径不宜太小等。这些缺点在技术上都是可以克服的，它不影响光纤通信的实用。近年来，光纤通信发展很快，它已深刻地改变了电信网的面貌，成为现代信息社会最坚实的基础，并向我们展现了无限美好的未来。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、耦合麻烦。142.光纤通信系统及关键技术2.1光纤通信基本系统光发射机：光发射机的核心是一个光源，其主要功能就是将一个信息信号从电子格式转换为光格式。光纤：光纤通信系统中的传输介质是光纤。光接收机：光接收机的关键设备是光检测器，其主要功能就是把光信息信号转换回电信号(光电流)。15发射机•光源：·发光二极管（LED）：自发辐射，输出光功率小，谱宽，稳定，长寿命（107），价低，适用于小容量、短距离传输系统。·激光二极管（LD）：受激辐射，输出光功率大，谱窄，波长稳定，长寿命（105至106），价高，适用于大容量、长距离传输系统。•光调制器：目前采用强度调制（由于光源频谱不纯，尚未实现相干光通信）；分内调制和外调制，对于数字调制，用光脉冲的有无代表数字信息（0和1）。16光接收机•光检测器的功能：光信号的解调（O/E）•光检测器的类型：PIN光电二极管、雪崩光电二极管（APD）•光接收机的灵敏度取决于噪声特性（包括光检测器的噪声和电放大器的噪声）和误码率指标•APD是有增益的光电二极管适用于灵敏度要求较高的场合，但需采用复杂的温度补偿电路，故成本高；在灵敏度要求不高的场合，宜采用PIN管。•光接收机中还有光的放大器、自动增益控制电路、均衡再生电路等。17光纤的结构•纤芯：折射率较高，用来传送光；•包层：折射率较低，与纤芯一起形成全反射；•保护套：强度大，能承受较大冲击，保护光纤。纤芯包层保护套18光纤中光波的传输原理-全反射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n1n2θ119光纤基本类型•突变折射率型多模光纤（SIF）：纤芯直径＝50～60μm，光线以折射形状沿纤芯轴线方向传播，存在多条路径，并有较大的时延差，因而信号畸变大。•渐变折射率型多模光纤（GIF）：纤芯直径＝50μm，光线以曲线形状沿纤芯轴线方向传播，各条路径时延差较小，因而信号畸变较小。•单模光纤（SMF）：纤芯很细，直径约10μm，光线以直线形状沿纤芯轴线方向传播，只有一种传播模式，信号畸变很小。20光纤的类型21光纤的性质•光纤的损耗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•光纤的色散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光纤中的成缆干线缆(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22单模光纤种类•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。232.2光纤通信复用技术目前光纤通信单信道实用化系统的传输速率发展到了10Gbit/s，线路的利用率有了很大提高，但与光纤巨大的带宽潜力相比还微不足道。电复用技术目前在实验室虽可以达到40Gbit/s的水平，但受电子迁移速率的限制，进一步提高速率已经十分困难。要克服电复用的这一“瓶颈”，进一步提高光纤频带的利用率，只有采用光复用技术。波分复用光密集波分复用时分复用光码分复用光副载波复用24波分复用光波分复用(WDM)技术是在一芯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，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端将组合波长的光信号分开，