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光纤通信技术讲解人:王建萍联系电话:62781369(O)办公地点：东主楼11区416室E-mail:jpwang@tsinghua.edu.cn善教者，使人继其事。请关掉手机1光纤通信概述1.1光纤通信技术的发展史及现状1.2光纤通信系统概述2光信号的传输特性2.1光纤概述2.2光纤的损耗特性2.3光纤的色散特性及色散限制2.4光纤中的非线性光学效应3光器件3.1光器件概述3.2光连接器Connector3.3光衰减器Attenuator3.4光耦合器Coupler3.5复用器与滤波器MultiplexerandFilter3.6光隔离器与环行器3.7光调制器Modulators3.8光开关Switches3.9光波长转换器3.10光交叉互连器4激光器及光发射机4.1半导体激光二极管LD4.2半导体激光器的工作特性4.3光发射机讲授内容(1)5光检测器及光接收机5.1光检测器5.2光检测器的工作特性和参数5.3光接收机5.4光接收机的噪声特性5.5光接收机的灵敏度5.6光接收机的性能评估6光放大器6.1概述6.2光放大器的原理与一般特性6.3掺铒光纤放大器EDFA6.4半导体光放大器SOA6.5光纤拉曼放大器FRA讲授内容(2)7光纤通信系统的性能与设计7.1光纤通信系统结构7.2光纤损耗对系统的限制7.3光纤色散对系统的限制7.4光纤中的非线性光学效应对系统的影响7.5信道串扰7.6光纤通信系统设计中的功率预算8光网络及其它光纤通信技术复习共计32学时考试课1.《光纤通信系统》杨祥林编著国防工业出版社2.《光纤通信系统》顾畹仪编著北京邮电大学出版社3.《光纤通信导论》邱昆编著电子科技大学出版社4.《光纤通信系统》L.G.卡佐夫斯基等著张肇仪等译人民邮电出版社参考书目第一章光纤通信概述1.1光纤通信技术的发展史及现状1.2光纤通信系统概述1.1光纤通信技术的发展史及现状什么是通信？“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。1.1光纤通信技术的发展史及现状什么是通信？“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•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•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•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•光纤通信技术的主要优点光波频率很高，光纤传输的频带很宽，故传输容量很大，理论上可通上亿门话路或上万套电视，可进行图像、数据、传真、控制等多种业务；不受电磁干扰，保密性好；耐高温、高压、抗腐蚀，工作可靠；光纤材料来源丰富，可节约大量有色金属(如铜、铝)，且直径小、重量轻。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•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。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/s100Km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；新型的光器件光纤通信技术的三次飞跃(1)20世纪60年代。1962年第一只半导体激光器诞生，随后半导体光检测器也研究成功。特别是1966年英籍华人科学家高锟与Hockham提出用玻璃可以制成衰减为20dB/km的通信光导纤维，1970年美国康宁公司首先制出了20dB/km的光纤，这标志着光纤通信系统的实际研究条件得以具备。20世纪70年代。1970年发明了LD的双异质结构，使得光源与光检测器的寿命都达到了10万小时的实用化水平。1979年发现了光纤1310nm和1550nm新的低损耗窗口，紧接着单模光纤问世。光纤的衰减系数一下降到0.5dB/km。这使得光纤通信迈进了实用化阶段，从80年代初开始光纤通信便大步地迈向了市场。光纤通信技术的三次飞跃(2)20世纪90年代初。1989年掺铒光纤放大器EDFA的研制成功是光纤通信新一轮突破的开始。EDFA的应用不仅解决了光纤传输衰减的补偿问题，而且为一批光网络器件的应用创造了条件。使得光纤通信的数字传输速率迅速提高，促成了波分复用技术的实用化。光纤通信技术的三次飞跃(3)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EducationTelephoneTravelEntertainmentHealth……AllservicesNetworktrafficisgrowing!!Thewholeworldisinmymind!!DemandforBroadbandwidthOpticalnetworkingShoppingBanking•21世纪的通信业务•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；通信容量需求急增光纤通信最具代表性技术－波分复用WDM和光纤放大器EDFA光纤通信系统的新波段145014901530157016101650S+SCLL+波长(nm)范崇澄FS-08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/局域网光纤传输技术进一步发展新的传输技术层出不穷色散管理技术L波EDFA，RAFEC技术色散与色散斜率的补偿PMD补偿技术OTDM技术与光孤子技术2.5Gb/s10Gb/s40Gb/s10Gb/s40Gb/s20Gb/s80Gb/s80Gb/s320Gb/s3216841WDM波长数每波长比特率(TDM)40Gb/s网络容量演进战略•40G器件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ComponentsandModulesinDWDMNetworksDWDM•Thinfilmfilters•Fibergratings•Waveguides•Circulators•Interleavers•Mux/DemuxmodulesAmplifiers•Isolators•Tapcouplers•Pumplasers•Gainequalizers•Attenuators•Integratedamplifiers•SOAs•OpticalSwitches•Circulators•Couplers•Add/dropmodulesSwitchingTransmission•Sourcelasers•Modulators•Wavelockers•Receivers•Detectors•Tx/RxmodulesOver9000Products光纤网络的分类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:CapacityMetro:SmartAccess:Cost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。DWDMExperimentsystematTHU带来的科学问题光纤性能是有限制的，随着信道数据率和传输距离的增加，系统容量日益趋近极限，光纤不再是一个透明管道。2.5Gb/sperchannel:forgetthefiber;160Gb/sperchannel:forgetWDM!为克服这些限制，除新型光纤(相对稳定)外，综合采用了色散管理、宽带EDFA、Raman放大、