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光纤通信概论

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第1章光纤通信概论
第一节电磁波谱的开发利用
第二节光纤通信发展史
第三节光纤通信系统
第一章光纤通信概论返回
电通信:1837年-摩尔斯电磁式有线电报1876年-贝尔发明有线电话1895年-俄罗斯夫发出第一份无线电报1895年-意大利马可尼在英国取得无线电专利权、成为无线电的创始人.
电磁波谱图话音长波中波短波微波频率(低)
(高)带宽(小)
(大)容量物理光学量子力学材料科学电通信光通信
理论上光纤通信可容纳:
电视:30万路通信系统框图发送机接收机信道
载波:射频波毫米波光波
信道:金属导线同轴电缆金属波导大气、光纤
光通信自古就有:烽火、手旗,信号弹、红绿灯
光通信的定义:以光波作为载波进行信息的传输方式.
近代光通信:1880年Bell发明光电话、传输距离213m,但是并不实用,因为存在两个方面的制约:
一)信道:Bell的光电话利用大气作为传输介质,损耗非常大,同时自然界气象条件变化万千、对光信号的干扰很大.
二)光源: Bell的光电话利用自然光作为载波,这种光的频率和相位杂乱无章,不能用于大容量的通信.
近代光通信的发展就是上述两个方面的制约因素的解决过程:
1960年,美国人梅曼发明红宝石激光器,获得高强的,频率和相位都稳定(即相干的)光-激光.引起了新一轮的光通信研究热潮-激光大气通信.
但是,仍然由于自然气象条件的影响而没有进展.1966年7月,英籍华人高琨发表论文,认为只要设法降低玻璃纤维中的杂质,可使光纤损耗降为20dbkm,这是一篇划时代的论文.
其实,人们早就利用玻璃纤维(光纤)进行光通信了.利用光波导的原理,人们制造了内窥镜(胃镜),可以观测1m左右的距离.
但是,在60年代,最好的玻璃纤维的损耗在1000dBkm以上.
每公里10dBkm损耗就是输入的信号传送1公里后只剩下十分之一; 20dBkmdBkmdBkm由1000dBkm 20dBkm,高琨的论文非同寻常!1970年美国康宁玻璃公司制诚20dBkm的光纤.1970年贝尔实验室制成了可以在室温下连续工作的半导体激光器,只有米粒大小.
1970年由于在光源(激光器)和信道(光纤)都有重大突破,称为光纤传输元年.
光纤的谱线特性中有3个低损耗的传输窗口,即850nm短波长窗口和1300nm,1500nm的长波长窗口.
目前、单摸光纤在1550nm波长的损耗已小于0.2dBkm,接近极限.
光纤损耗谱特性
光纤通信的优点:
1,容量大激光的频率约为100THz,微波的频率为10GHz.从理论上讲,用光传输信息,通信容量比微波通信容量大一万倍!
dBkm提纯工艺的发展几百公里无中继传输电缆的损耗随频率按f 的规律增加,光纤通信的带内损耗不随频率变化.
如:数字接收机的灵敏度很高,可达-30dBkm.那么发送1mw的光功率,光纤损耗为0.2dBkm时,光从损耗方面考虑,传输距离可达100km以上(150km).
5,资源丰富光纤的主要成分是SiO2资源十分丰富.电缆的主要成分是Cu,Al等有色金属, 资源有限.
6,防干扰性能好光纤不受强电干扰,电气化铁道干扰和雷电干扰,抗电磁脉冲能力也很强、保密性好.
光纤通信的发展nm多模光纤通信系统nm单模光纤通信系统nm单模光纤单频激光器光纤通信系统1995- 采用光放大器的第四代光纤通信系统到90年代,光线的传输速率已达到每秒10000兆比特、相当于在一对头发丝110粗细的光纤可以通125万路电话.
光纤的发展历程光纤通信系统发展我国光纤通信的开发里程1977年,第一根短波长(0.85mm)阶跃型石英光纤问世,长度为17m,衰减系数为300dBkm.
1978年,研制出短波长多模梯度光纤,即G.651光纤.1979年,研制出多模长波长光纤,衰减为1dBkm.建成5.7km,8Mbs光通信系统试验段.
1980年,1300nm窗口衰减降至窗口衰减为0.29dBkm.
1984年,武汉、天津34Mbs市话中继光传输系统工程建成(多模).
1988年,全长245km的武汉-长沙市34Mbs多模光缆通信系统工程通过邮电部鉴定验收.
1989年,汉阳汉南40Mbs单模光传输系统工程通过邮电部鉴定验收.
1991年,研制出G.653色散位移光纤.最小衰减达0.22dBkm.合肥芜湖40Mbs单模光传输系统工程通过国家鉴定验收.
1993年,在掺铒光纤放大器的研究上取得突破性进展,小信号增益达25dB.上海无锡65Mbs单模光传输系统工程通过邮电部鉴定验收.
1997年,研制出G.655非零色散位移光纤.成都攀枝花22Mbs SDH光传输工程通过邮电部鉴定验收.
1998年,海口三亚5Gbs光传输系统工程通过邮电部鉴定验收,该工程全长322km,仅在万宁设一个中继站,海口万宁的中继距离为172km .
1999年,8×2.5Gbs DWDM系统通过国家验收.我们目前实际只用了光纤巨大潜力的11000.为了充分发挥光纤的带宽潜力、克服光纤损耗及色散的影响、延长中级距离,扩大传输容量及降低成本,人们不断地开发新技术.主要有:
1,光器件的集成化及模块化提高速率与性能,简化结构,降低成本
2,波分复用什么叫波分复用所谓波分复用就是让不同波长的光信号同在一根光纤上传输而互不干扰.
光纤通信种的新技术因为目前光通信的光源在光通信的窗口上只占用了很窄的一部分,还有很大的范围没有利用.如果利用多个波长适当错开的光源同时在一根光纤上传送各自携带的信息,就可以大大增加所传输的信息容量.由于是用不同的波长传送各自的信息,因此即使在同一根光纤上也不会相互干扰.在接收端转换成电信号时,可以独立地保持每一个不同波长的光源所传送的信息.这种方式就叫做波分复用.
如果在光纤的工作窗口上安排100个波长不同的光源,同时在一根光纤上传送各自携带的信息,就能使现在的光纤通信系统的容量提高100倍.
光纤上各路光载波的波长间隔大部分减至0.8nm,少数已达到0.4nm光纤的频带资源
3,光放大技术由于光信号在光纤中传输时要受到损耗,因此每隔几十千米,就要设置一个再生中继器.
光电光随着光纤通信系统传输容量的增大,需要速率极高的电子器件.能否去掉这种复杂的光电转换过程直接在光纤线路上对光信号进行放大,也就是用一个全光方式的放大器来代替现在的这种光电光型的再生中继器,即光纤放大器掺饵光纤放大器是利用在光纤中掺杂了稀土元素饵来实现光放大的.当用高能量的泵浦激光器激励掺饵光纤时,饵离子会发出频谱很宽的荧光带,这时光信号通过掺饵光纤时,荧光带的能量会转移到信号光上,使信号光得到增强和放大.
掺饵光纤放大器的研制成功,使进入90年代的光纤通信容量又提高了一个数量级.随着技术的发展和改进、掺饵光纤放大器必将渗透到光纤通信的各个领域,从而使光纤通信从发送端到接收端可以实现全光传输.这是光纤通信发展史的一个新的里程碑.
掺饵光纤放大器光放大原理
4,光孤子技术_ 什么叫光孤子光孤子是一种能在光纤中传播的长时间保持形态、幅度和速度不变的光脉冲.
光纤通信中、限制传输距离和传输容量的主要原因是损耗和色散.损耗使光信号在传输时能量不断减弱.色散则是使光信号的脉冲在传输中逐渐展宽,从而使信号畸变失真.现在随着光纤制造技术的发展,光纤的损耗已经降低到接近理论极限值的程度,色散问题就成为实现超长距离和超大容量光纤通信的主要问题.
光纤的色散是使光信号的脉冲展宽,而光纤中还有一种非线性的特性,这种特性会使光信号的脉冲产生压缩效应.
光纤的非线性特性在光的强度变化时使频率发生变化,从而使传播速度变化.在光纤中这种变化使光脉冲后沿的频率变高,传播速度变快;而前沿的频率变低,传播速度变慢.这就造成脉冲后沿比前沿运动快、从而使脉冲受到压缩变窄.
如果有办法使光脉冲变宽和变窄这两种效应正好互相抵消,光脉冲就会像一个一个孤立的粒子那样形成光孤子,能在光纤传输中保持不变,实现超长距离,超大容量的通信.
孤子源调制信号源EDFA探测器隔离器光孤子源掺铒光纤孤子源锁模半导体激光器光孤子通信系统
关键技术:
5,全光网全光网络是光通信网络技术发展的最高阶段,它是一个应用灵活,可靠,性能稳定的网络,分为核心传输网,区域网和接入网3部分.其基本结构相似,都是由光传输系统,光放大器(OA),光插分复用器(OADM)和光交叉连接设备(OXC)组成.
光传输系统由光源,传输介质(光纤),光检测器组成.它具有对信号的透明性,通过波长选择器件,实现路由选择.还具有可扩展性,可重构性和可操作性.
网络的上述性能要求信息流在网络中的传输始终以光的形式存在,而不需要经过光电,电光转换,也就是说信息从源结点到目的结点的传输过程始终在光域进行.
现阶段的光通信网络只不过是数据网和光传输网的结合.为了和现在应用中的光通信网络相区别、我们把具有上述性能的光通信网络称为全光网.
光纤通信市场器件制造商系统制造商光纤制造商服务提供商设计制造集成电路和光电子器件设计生产路由器,交换机、复用设备等生产光纤利用下面三层的设备和器件来设计和建造光网络信源电发射机光发光中继光接收机电接宿光纤通信系统的组成点-点光纤通信系统
由上图可知,光纤通信系统可分为三部分:收,发信电端机光发送、接收机传输光纤
具体有:1)PCM电端机是常规电通信的载波机、图像设备及计算机等终端设备.对数字通信来说,信号在电端机内要进行AD及DA转换,变成数字信号.
2)光发送机电端机来的电信号经编码后调制光源,产生载有信息的光信号,完成电-光(EO)转换.
3)传输光纤或光缆4)光接收机接收的光信号由光检测器检测转换成电信号,然后放大解调、判决再生,送入电端机恢复出原信号.
在长途光纤通信系统中还须中继器.光-电-光中继器光放大器EDFA
光纤通信系统的拓扑结构:光纤通信系统的拓扑结构(a)点对点系统(b)一点对多点系统(c)光纤网
1,与传统的电通信相比较、谈谈光纤通信的主要特点.
2, 借助网络和书籍、写一篇小文章从各自的角度谈谈你对光纤通信的认识.
思考题:本章结束激光大气通信60~70年代激光器的发明导致大气激光通信和地下光波导通信的热潮.
地下光波导通信将激光束限制在地下空间通信克服气候的影响
★透镜波导型
★反射波导型受气候的影响很大激光大气通信的发展60年代,麻省理工学院利用He-Ne激光器和CO2激光器进行点对点大气激光通信实验、取得了成功.
近年来激光大气通信再度兴起-自由空间光通信(FSO技术)FSO技术的应用
1,军事通信
2,外层空间通信
3,接入网
FOS技术在接入网中的优势:工作频率不在管制区、安装拆除方便,成本低,带宽大,组网灵活.
FSO技术存在的问题:对准与捕获,天气的影响、空中障碍、安全问题FSO的前景俄罗斯在莫斯科,瓦诺涅什、图拉等多个城市安装了实用化的激光大气通信系统,运行情况一直良好.
OrAccess公司的FSO设备可以支持155M~10G的带宽,距离达1~2公里、而LMDS 最高速率是622M.
2000年悉尼上首次使用FSO宽带接入技术.1998年巴西研制成便携式半导体激光大气通信系统,通信距离1km.装上固定光天线通信距离可达15km.
1990年美国研制成适用于特种战争和低强度战争需要的紫外光波通信系统,通信距离5-10km.可安装在直升机上进行通信.
话机原理图弧光灯ABMNL送话器
光电器件的发展:分立元件组件模块光集成和光电集成
光电器件的发展趋势:光子集成(PIC)光电集成(OEIC)
集成化的优点:
1,使用方便
2,降低成本
3,提高可靠性
集成化的划分:
1,小规模集成105
目前的光学集成:中小规模水平
全球主要光器件制造商:朗讯安杰尔北电网络康宁光网络的价格受制于光器件商
系统制造商主要生产:DWDM设备SDH设备太比特交换机线速交换机
著名厂家:思科全球路由器的霸主,占据路由器市场的80%北电阿尔卡特50%以上的市场份额
主要的光纤制造商:苍藤长飞

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