光纤通信课件第二版.pptx

,第二级,第三级,第四级,第五级,第,1,章,概论,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,光纤通信课件第二版,1、1 探索时期得光纤通信,1、1880年,美国人贝尔发明了光电话。,实现了用光载波传送话音。证明了用光载波传送信息得可行性。,2、激光器得发明,激光就是高度相干光,具有波谱宽度窄、方向性极好、亮度极高频率和相位较一致得良好特性。就是一种理想得载波。,1960年,美国人梅曼发明了第一台红宝石激光器。,氦氖激光器、二氧化碳激光器相继出现,并投入应用,麻省理工学院进行了大气激光通信实验,证明了:,用激光作为载波实现点对点得通信就是可行得。,通信能力和质量受气候得影响十分严重。,大气得吸收、散射使光波得能量损耗很大,大气密度、温度得变化,造成折射率得变化,使光束发生偏移。,大气激光通信得距离和稳定性受到了极大得限制。,1、1、2 现代光纤通信,1966年,高锟和霍克哈姆提出了利用光纤进行通信得可能性和技术途径。奠定了现代光通信光纤通信得基础。,当时石英纤维损耗高达1000dB/km,就是杂质吸收产生得,材料得本征损耗由瑞利散射决定,与波长得4次方成反比,实际很小。,通过材料得提纯可制造低损耗光纤。,光纤得研制进程,1970 年,美国康宁(Corning)公司就研制成功损耗20 dB/km得石英光纤。她得意义在于:使光纤通信可以和同轴电缆通信竞争,从而展现了光纤通信美好得前景,促进了世界各国相继投入大量人力物力,把光纤通信得研究开发推向一个新阶段。,1972年,康宁公司高纯石英多模光纤将损耗降低到4 dB/km。,1973 年,美国贝尔(Bell)实验室将光纤损耗降低到2、5dB/km。1974 年降低到1、1dB/km。,1976 年,日本电报电话(NTT)公司等单位将光纤损耗降低到0、47 dB/km(波长1、2m)。,1986 年就是0、154 dB/km,接近了光纤最低损耗得理论极限。,光纤通信用激光器得发展进程,1970 年,美国、日本和前苏联先研制成功室温下连续振荡得镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器。,虽然寿命只有几个小时,但其意义就是重大得,她为半导体激光器得发展奠定了基础。,1973 年,半导体激光器寿命达到7000小时。,1977 年,贝尔实验室研制得半导体激光器寿命达到10万小时(约11、4年),外推寿命达到100万小时,完全满足实用化得要求。,在这个期间:,1976年日本电报电话公司研制成功发射波长为1、3 m得铟镓砷磷(InGaAsP)激光器。,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、55 m得连续振荡半导体激光器。,由于光纤和半导体激光器得技术进步,使 1970 年成为光纤通信发展得一个重要里程碑。,光纤通信发展得三个阶段,第一阶段(19661976年),这就是从基础研究到商业应用得开发时期。在这个时期,实现了短波长(0、85 m)低速率(45或34 Mb/s)多模光纤通信系统,无中继传输距离约10 km。,第二阶段(19761986年),这就是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标并大力推广应用得大发展时期。,在这个时期,光纤从多模发展到单模,工作波长从短波长(0、85 m)发展到长波长(1、31 m和1、55 m),实现了工作波长为1、31 m、传输速率为140565Mb/s 得单模光纤通信系统,无中继传输距离为10050 km。,第三阶段(19861996年),这就是以超大容量、超长距离为目标,全面深入开展新技术研究得时期。,在这个时期,实现了1、55 m色散移位单模光纤通信系统。采用外调制技术,传输速率可达2、510 Gb/s,无中继传输距离可达150100km。实验室可以达到更高水平。,目前,正在开展研究得光纤通信新技术,例如,超大容量得波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)光纤通信系统(实现)和超长距离得光孤子(Soliton)通信系统,将在第 7章作介绍。,大家有疑问的，可以询问和交流,可以互相讨论下，但要小声点,1、1、3 国内外光纤通信发展得现状,光纤通信技术发展历程:,光纤从多模发展到单模,工作波长从0、85 m发展到1、31 m和1、55 m,传输速率从几十Mb/s发展到几十Gb/s。,另一方面,随着技术得进步和大规模产业得形成,光纤价格不断下降,应用范围不断扩大:,从初期得市话局间中继到长途干线进一步延伸到用户接入网,从数字电话到有线电视(CATV),从单一类型信息得传输到多种业务得传输。目前光纤已成为信息宽带传输得主要媒质,光纤通信系统成为国家信息基础设施得支柱,1、2 光纤通信得优点和应用,任何通信系统追求得,最终技术目标,都就是要可靠地实现最大可能得信息传输容量和无中继传输距离。,通信系统得传输容量取决于对载波调制得频带宽度,载波频率越高,通信系统得传输容量越大。,通信技术发展得历史,实际上就是一个不断提高载波频率和增加传输容量得历史。,1、2、1 光通信与电通信,电缆通信和微波通信得载波就是电波,光纤通信得载波就是光波。虽然光波和电波都就是电磁波,但就是频率差别很大。,光纤通信用得近红外光(波长约1m)得频率(约300 THz)比微波(波长为0、1m1 mm)得频率(3300 GHz)高3个数量级以上,光纤通信用得近红外光(波长为0、71、7m)频带宽度约为200THz。,在常用得1、31 m和1、55 m两个波长窗口,频带宽度也在20 THz以上。,由于光源和光纤特性得限制,目前,光强度调制得带宽一般只有20 GHz,因此还有3个数量级以上得带宽潜力可以挖掘。,图 1、2 各种传输线路得损耗特性,1、2、2 光纤通信得优点,一、频带宽,传输容量大,二、损耗低,传输距离远,三、重量轻、体积小,便于施工,四、抗干扰能力强,保密性能好,五、耐腐蚀、耐高温,可在恶劣环境中工作,六、节约金属材料,有利于资源得合理利用,图 1、3 各种通信系统相对造价与传输容量得比较,1、2、3 光纤通信得应用,光纤可以传输数字信号,也可以传输模拟信号。,光纤在通信网、广播电视网与计算机网,以及在其她数据传输系统中,都得到了广泛应用。,光纤宽带干线传送网、接入网发展迅速,就是当前研究开发应用得主要目标。,1、3 光纤通信系统得基本组成,电信网由硬件和软件两部分组成。,电信网得软件指通信网得一整套规定和标准,及其管理规范,以使通信网处于正常工作状态。,电信网得硬件可划分为接入网、交换网和传输网。,电信传输网就是电信通信网中除交换、终端设备以外得传递消息、信号得运载网路。,用户终端,交换系统,传输系统,传输系统,交换系统,用户终端,传输网和传输系统,传输系统简单得说就就是传送用户信息得通道和系统。,传输系统和传输媒介构成传输网。,电信传输网就是电信通信网中除交换、终端设备以外得传递消息、信号得运载网路。,光纤通信系统实际上就是一种有线系统,其媒介就是光缆。对于数字光通信系统来说,传输得就是数字信号。,传输系统分类,光纤通信系统,光纤通信系统一般由传输媒介光纤、发射和接收几个部分组成。,光纤通信系统一般就是双向得,就如电话总就是两端同时发送和接受一样,作为信息传送得承载者-光纤通信系统一般安装双向传送结构设计,两个方向得结构完全一样,可以用单向传输得光纤通信系统来说明光纤通信系统得基本组成,发送端电信号处理,接受端电信号处理,光纤通信系统,信息源,电发射机,光发射机,光接收机,电接收机,信息宿,光纤线路,电信号输入,电信号输出,光信号,输出,光信号,输入,光纤通信系统主要由两个部分组成,其一为电信号处理部分,其二为光信号处理部分,电信号处理包括发送端电信号处理和接入端电信号处理,光信号处理包括光发射机、光接收机和光纤线路部分。,发送端电信号处理,主要就是信号得转换和调制,使经过处理得电信号适合在光纤通信系统上传输,以数字电话传送为例说明发送端电信号处理机理,信息源,即话音通过电话机转换为模拟基带信号送至电发射机,电发射机采用8KHz得抽样频率对模拟信号进行抽样,然后量化(即将信号量化为1或0),最后进行编码成为适合传送得数字信号。这个过程称为模/数转换,发送端电信号处理(续),目前普遍采用得模/数转换就是脉冲编码调制方式(PCM),经过上述抽样、量化和编码后,一路电话信号转换为速率为64kb/s得数字信号,然后通过数字复接设备把30路电话信号组合成2、048Mb/s得数字信号输入至光发射机进行传送,对于光通信系统来说,2、048Mb/s(一般称为2M)得电信号就是最基本得传送速率,一般情况下将2、048Mb/s得电信号按照一定得通信标准复接成速率更高得信号进行传送。如2M、8M、16M等PDH制式得信号,以及155M、622M、2、5G等更高速得SDH制式得信号,接受端电信号处理,与发送端处理功能和过程相反,她把接受到得电信号解调制,转换为基带信号,最后由信息宿恢复用户信号,光发射机,光发射机把输入电信号转换为光信号,并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。由光源、驱动器和调制器组成,一般称为电/光转换或E/O转换,光波作为载波,利用调制器将电信号调制到光得参数如光强、相位等,广泛使用得光源有半导体发光二极管(LED)、半导体激光二极管(LD)以及动态单纵模分布反馈激光器(DFB),目前有直接光强调制和外调制两种方式,直接调制通过电信号控制驱动电流,外调制通过独立得调制器调制光得参数,两种调制方式,直接调制简单易实现,但速率和传送距离受限,外调制成本较高,在高速和长距离系统中使用,激光源,驱动器,电信号,输入,光信号,输出,光纤,激光源,驱动和控制,电信号,输入,光信号,输出,光纤,调制器,光接收机,光接收机就是把经过光纤线路传送、产生了畸变和衰减得微弱光信号转换为电信号,并经过放大和处理后恢复成发射前得电信号,一般称为光/电转换或O/E转换,由光检测器、放大器和相关电路组成,光检测器就是核心,要求噪声低、响应速度快、频带宽、响应度高,两种常用得光检测器,PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD),检测方式有:直接检测和外差检测,一般使用直接检测,光纤线路,光纤线路把来自光发射机得光信号,通过光纤传输到光接收机,由光纤、光纤接头和光纤连接器组成,光纤就是光通信得主体和介质,-光纤由纤芯、包层、覆层组成。,-许多根光纤在一起成缆为光缆,在工程中普遍使用,光纤得最主要得两个参数:损耗和色散决定了光纤得性能和光通信系统得设计,石英光纤就是目前普遍使用得光纤,信号在光纤中传输损耗得产生,a),b),d),c),损耗来源,a)吸收,b)散射,c)宏弯 (external bendings),d)微弯(internal),弯曲下光纤损耗,attenuation coefficient/dB/km-,1000,1100,1200,1300,1400,1500,1600,1700,0,0,3,0,2,0,1,0,wavelength/nm-,未弯曲光纤,宏弯光纤,微弯光纤,典型光纤损耗曲线(1),单模光纤,800,1000,1200,1400,1600,wavelength/nm-,1.window,2.,window,3.window,瑞利散射,1/,10,1,0.1,红外吸收,attenuation coefficient/dB/km-,多模光纤,典型光纤损耗曲线(2),多模光纤得损耗高于单模光纤。,紫外吸收在短波发现限制传输,红外吸收在长波方向限制传输。OH吸收峰在1400nm附近。,瑞利散射对光纤传输产生极大得限制:,瑞利散射就是不可避免得损耗机制,在各个方向上散射,并且依赖波长。在短波方向限制大,逐步向长波方向减小。,造成三个传输窗口:850,1310nm和1550nm。,色散概念,白光源,孔径,光谱,光信号通过介质时折射率与光得 频率或波长密切相关。,非单一波长得光信号在介质中传输产生色散。,色散体系结构,总色散(,ps/nm-km),多模色散,波导色散,单模色散,材料色散,多模色散,不同得传输模式引起传输路径得不同,从而引起即就是在光速恒定条件下得时延差异。,时延得差异造成信号脉冲展宽。,材料色散,1,2,不同波长得光在介质中以不同得速度传输,即就是在相同传输路径下也会引起不同得时延,造成信号脉冲展宽。,实际信号总就是非绝对单色,含有多个波长成分,即总有谱线宽度。,