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1、光纤通信概述 第一页，讲稿共三十七页哦第二页，讲稿共三十七页哦第一章第一章 光纤通信概述光纤通信概述1.1 光纤通信的发展历程光纤通信的发展历程1.2 光纤通信的主要特性光纤通信的主要特性1.3 光纤通信系统的组成与分类光纤通信系统的组成与分类1.4 全光网全光网第三页，讲稿共三十七页哦早期的光通信早期的光通信n3000多年前，中国古代的重要军事防御设施，建造“烽火台”，防止敌人入侵，遇敌情则白天点燃掺有狼粪的柴草，使浓烟直上云霄；夜里则燃烧加有硫磺和硝石的干柴，使火光通明，台台相连，以传递紧急军情。第四页，讲稿共三十七页哦早期光通信早期光通信n旗语（世界各国海军通用的语言）不同的旗子，不同的
2、旗组表达着不同的意思。郑和下西洋n交通信号灯、机场上的跑道标志灯第五页，讲稿共三十七页哦n1880年，美国人贝尔发明了“光电话”第六页，讲稿共三十七页哦Bells Photophone1880-Photophone Transmitter 1880-Photophone Receiver 第七页，讲稿共三十七页哦之后的几十年，光通信进展不大原因之后的几十年，光通信进展不大原因n光不纯n作为接收机的硅光电池内部噪声很大n没有一个适当的光传输媒质第八页，讲稿共三十七页哦n1960年年，美国加利福尼亚州休斯航空公司实验室的研究员梅曼梅曼发明了第一台红宝石激光器第一台红宝石激光器。第九页，讲稿共三十七
3、页哦n在这个时期，美国麻省理工学院利用在这个时期，美国麻省理工学院利用He-Ne激光器和激光器和CO2激光器进行了大气激光通信实验。激光器进行了大气激光通信实验。实验证明：用承载信息的光波，通过大气的传播，实现点对点的通信是可行的，但是通信能力和质量受气候影响十分严重。n固体激光器和气体激光器的体积大、功耗大、不适宜做通信设备中的光源。第十页，讲稿共三十七页哦1970 年年，光纤通信用，光纤通信用光源光源取得了实质性的进展取得了实质性的进展n1970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室温下连续振荡温下连续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器。虽然寿命只
4、有几个小时，但它为半导体激光器的发展奠定了基础。n1973 年，半导体激光器寿命达到7000小时。n1976年，日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3 m的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器。n1977 年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时（实用中10年左右）。n1979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的连续振荡半导体激光器。第十一页，讲稿共三十七页哦n把激光束限定在特定的空间内传输。解决方法解决方法第十二页，讲稿共三十七页哦n1966年，英籍华人高锟深入研究了光在石英玻璃纤年，英籍华人高锟深入研究了光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题（
5、维中的严重损耗问题（1000dB/km)n发现引起光纤损耗的主要原因发现引起光纤损耗的主要原因n如果把材料中金属离子含量的比重降低到如果把材料中金属离子含量的比重降低到10 6以以下，光纤损耗就可以减小到下，光纤损耗就可以减小到 10 dB/km。n再通过改进制造工艺，提高材料的均匀性，可进再通过改进制造工艺，提高材料的均匀性，可进一步把光纤的损耗减少到几一步把光纤的损耗减少到几dB/km。这种想法很。这种想法很快就变成了现实。快就变成了现实。现代光纤通信的发展历程现代光纤通信的发展历程第十三页，讲稿共三十七页哦高高 锟锟-光纤通信发明家（左）光纤通信发明家（左）2009年获年获得诺得诺贝尔贝
6、尔物理物理学奖学奖1998年在英国接受IEE授予的奖章第十四页，讲稿共三十七页哦1970年年，光纤光纤研制研制取得了重大突破取得了重大突破n1970年，在高锟理论的指导下，美国康宁(Corning)公司研制成功损耗20dB/km的石英光纤。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。n1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/km。n1973 年，美国贝尔(Bell)实验室用改进的化学气相沉积法制造的光纤损耗降低到2.5dB/km。1974 年降低到1.1dB/km。n1976 年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到0.47 dB/km(波长1
7、.2m)。n 在以后的 10 年中，波长为1.55 m的光纤损耗：1979 年是0.20 dB/km，1984年是0.157 dB/km，1986 年是0.154 dB/km。n目前G.654光纤在1.55 m波长附近仅为0.151dB/km，接近了光纤最低光纤最低损耗的理论极限损耗的理论极限。n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。第十五页，讲稿共三十七页哦 实用光纤通信系统的发展实用光纤通信系统的发展n1976 年，美国在亚特兰大进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验场试验。n1980 年，美国标准化FT-3光纤通
8、信系统投入商业应用。n1976 年和 1978 年，日本先后进行了速率为34 Mb/s的突变型多模光纤通信系统，以及速率为100 Mb/s的渐变型多模光纤通信系统的试验。n1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。n随后，由美、日、英、法发起的第一条横跨大西洋 TAT-8海底光缆通信系统于1988年建成。n第一条横跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系统于1989年建成。第十六页，讲稿共三十七页哦国外光纤技术发展情况国外光纤技术发展情况光纤技术发展概况光纤技术发展概况20世纪世纪60年代中期，所研制的最好的光纤损耗在年代中期，所研制的最好的光纤损耗在400dB以上以上1966年英国
9、标准电信研究所高锟及年英国标准电信研究所高锟及Hockham从理论上预言光纤损耗可从理论上预言光纤损耗可降至降至20dB/km以下以下日本于日本于1969年研制出第一根通信用光纤损耗为年研制出第一根通信用光纤损耗为100dB/km1970年康宁公司（年康宁公司（Corning）采用）采用“粉末法粉末法”先后获得了损耗低于先后获得了损耗低于20dB/km和和4dB/km的低损耗石英光纤的低损耗石英光纤1974年贝尔实验室（年贝尔实验室（Bell）采用改进的化学汽相沉积法制出性能优于康宁）采用改进的化学汽相沉积法制出性能优于康宁公司的光纤产品。公司的光纤产品。到到1979年，掺锗石英光纤在年，掺锗
10、石英光纤在1.55m处的损耗已经降到处的损耗已经降到0.2dB/km，这一数，这一数值已经十分接近由值已经十分接近由Rayleigh散射所决定的石英光纤理论损耗极限散射所决定的石英光纤理论损耗极限第十七页，讲稿共三十七页哦n世界光纤产值从世界光纤产值从96年年92亿美元到亿美元到2002年预计年预计 198 亿美元亿美元，每，每 6 年翻一番年翻一番n现在世界上光纤生产速度为现在世界上光纤生产速度为 3200 km/小时，即每天生小时，即每天生产的光纤可绕地球两周产的光纤可绕地球两周n目前光纤产量每年递增目前光纤产量每年递增 2025%n目前光缆产值按应用分类为：本地通信目前光缆产值按应用分类
11、为：本地通信 51.25%，LAN等等 20.82%，干线，干线 15.81%，CATV 8.6%，其它，其它 3.5%第十八页，讲稿共三十七页哦光纤技术发展概况光纤技术发展概况1977年，第一根短波长年，第一根短波长(0.85mm)阶跃型石英光纤问世，损耗阶跃型石英光纤问世，损耗 为为300dB/km1978年，阶跃光纤的衰减降至年，阶跃光纤的衰减降至5dB/km。研制出短波长多模梯。研制出短波长多模梯 度光纤，即度光纤，即G.651光纤光纤1979年，研制出多模长波长光纤，衰减为年，研制出多模长波长光纤，衰减为1dB/km。建成。建成5.7 km、8Mb/s光通信系统试验段光通信系统试验段
12、1980年年 1300nm窗口衰减降至窗口衰减降至0.48dB/km，1550nm窗口衰减窗口衰减 为为0.29dB/km。1981年多模光纤活动连接器进入实用年多模光纤活动连接器进入实用1984年年 武汉、天津武汉、天津34Mb/s市话中继光传输系统工程建成市话中继光传输系统工程建成(多多 模模)1990年，研制出年，研制出G.652标准单模光纤，最小衰减达标准单模光纤，最小衰减达0.35dB/km 1992年降至年降至0.26dB/km国内现状国内现状第十九页，讲稿共三十七页哦1991年，研制出年，研制出G.653色散位移光纤。最小衰减达色散位移光纤。最小衰减达0.22dB/km 1997
13、年，研制出年，研制出G.655非零色散位移光纤非零色散位移光纤 光纤技术发展概况光纤技术发展概况 虽然光纤光缆的研制仅短短的虽然光纤光缆的研制仅短短的30多年，其应用却已相当多年，其应用却已相当普遍。迄今，已敷设光缆长度超过普遍。迄今，已敷设光缆长度超过100万万km，光缆已敷设到，光缆已敷设到世界屋脊西藏。生产光缆的厂家有世界屋脊西藏。生产光缆的厂家有200多家，每年所用光纤多家，每年所用光纤的数量超过的数量超过400万万km。在实际网络中，无论是核心网还是接入。在实际网络中，无论是核心网还是接入网，目前主要应用的还是网，目前主要应用的还是G.652光纤。在核心网中新建线路光纤。在核心网中新
14、建线路已开始采用已开始采用G.655光纤，在接入网中已开始应用光纤带光缆。光纤，在接入网中已开始应用光纤带光缆。我国光通信领域已掌握了光纤、器件、系统等各方面的关键我国光通信领域已掌握了光纤、器件、系统等各方面的关键技术，逐渐走进了国际光通信的先进行列。尤其在主要技术技术，逐渐走进了国际光通信的先进行列。尤其在主要技术上，都有了自己的特色和创新。上，都有了自己的特色和创新。第二十页，讲稿共三十七页哦n第一阶段（1966-1976年）从基础研究到商业应用的开发时期。n第二阶段（1976-1986年）这是以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。n第三阶段（1986-199
15、6年）这是以超大容量超长距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期。n第四阶段（1996年-至今）开展研究光纤通信新技术。光纤通信发展的四阶段光纤通信发展的四阶段第二十一页，讲稿共三十七页哦通信波段划分及相应传输媒介通信波段划分及相应传输媒介频率频率 Hz10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015自由空间波长（自由空间波长（m）电力、电话电力、电话无线电、电视无线电、电视微波微波红外红外可见光可见光双铰线双铰线同轴电缆同轴电缆光纤光纤卫星卫星
16、/微波微波AM无线电无线电FM无线电无线电频段频段划分划分传传输输介介质质第二十二页，讲稿共三十七页哦各种传输线路的损耗特性各种传输线路的损耗特性10001001010.110 M标准同轴38 mm海底同轴光纤100 M1 G10 G100 G1 T10 T100 T 1000 T频率/HzM：(注)G：T：1061091012传输损耗/(dBkm1)51 mm波导器第二十三页，讲稿共三十七页哦光纤通信的光纤通信的优点优点1.通信速率高（通信速率高（Tb/s）、传输容量大）、传输容量大 “T”是什么概念呢？T数量级为10的12次方，1T bit/s的速率意味着我们可以用一对只有头发丝1/10粗
17、细的光纤在1秒钟之内将300年的泰晤士报传送到世界上的任何一个角落，或者同时传送10万路 电视节目，或同时通1200万路电话。光纤通信系统的传输容量传输容量取决于光纤特性、光源特性和调制特性。适用光纤共有约200nm宽的低损耗区，理论上可提供相当于300THz的频带宽度。第二十四页，讲稿共三十七页哦表表.1.1.1.1 电缆和光纤的损耗和频带比较电缆和光纤的损耗和频带比较类型类型频带频带(或频率或频率)损耗损耗(dB/km)传输容量传输容量（话路（话路/线）线）粗同轴电缆粗同轴电缆2 49 4./.1MHz60MHz2.4218.771800渐变折射率渐变折射率多模光纤多模光纤0.85 m1.
18、31 m2001 000MHz km1 000MHz km31.0200单模单模光纤光纤1.31 m1.55 m100GHz10100GHz0.360.232000(2.5Gb/s)第二十五页，讲稿共三十七页哦2.损耗低损耗低（单模在1550nm窗口已低达0.2dB/km)、传输距离远传输距离远（中继距离可达50-100Km）3.抗干扰能力强，泄漏小，保密性好抗干扰能力强，泄漏小，保密性好第二十六页，讲稿共三十七页哦目前人类所受到的最大的电磁干扰太阳风暴 n太阳风暴是由美国“水手2号”探测器于1962年发现的，它是太阳黑子（看上去是太阳表面产生的黑点，其实是高大的火焰，它能释放出相当于4000
19、 万个广岛原子弹的能量，引起高电荷的粒子喷发到宇宙空间。）活动达到高潮时，太阳因能量的增加而使得自身活动加强，从而向广袤的空间释放出大量带电粒子所形成的高速粒子流，所以科学家把这一现象比喻为太阳打“喷嚏”。由于太阳风中的气团主要内容是带电等离子体，这些带电粒子经过 9300万英里的旅程后以每小时150万到300万公里的速度向地球扑来，并与地球磁场发生撞击产生地磁冲击波，可引发地球的磁暴，使人们看见极光。在太阳活动高峰期，会有一两次地球磁暴，可以看到天空飞舞光芒时的壮丽景色。但是太阳风暴的到来，会影响太空站，破坏臭氧层，对人体的健康和地面设施也会造成 一定影响。在70年代，曾经发生过一次太阳风暴
20、，它导致大气活动加剧，使得当时苏联的“礼炮”号空间站飞行阻力加大，结果脱离了原来的轨道。1989年 加拿大魁北克省和美国新泽西州的供电系统遭受太阳风暴的袭击，让600万人9个小时没用上电，造成了超过10亿美元的损失。n但是，受太阳风暴影响最大的要算卫星通信和地面通信了。科学家认为太阳风暴给通信卫星造成的影响有两方面：一个是静电引起计算机故障，另一个是摩擦改变卫星的轨道。由于卫星中使用的大量的集成芯片，而芯片对于静电是很敏感的，稍有不慎就会被烧毁，所以太阳风暴无疑成了卫星的天敌。而且人造地球卫星是围绕着地球轨道飞行的，地球磁场被扰乱后，它们可能失去方向控制，甚至闯入星际太空变成太空“孤儿”。20
21、00年6月 8日的太阳风暴，差点使俄罗斯的一颗导航卫星失去方向。太阳风暴还会造成人造卫星的短路，许多靠卫星传播的通信业务可能因此停顿。1998年5月，美国银河4号卫星因受太阳风暴影响而失灵，造成北美地区80%的寻呼机无法使用，金融服务陷入脱机状态，信用卡交易也中断了。2000年的6月8日当天，加拿大的部分地区出现无线电通信联络异常现象，一些移动电话用户的通话数次被打断，有的则听不清楚对方讲话。n但是，在太阳风暴到来的时候，光纤通信却不会受到分毫的影响。第二十七页，讲稿共三十七页哦4.质量轻质量轻（是传输相同信息量电缆重量的1/10-1/30），体积小体积小（是相同容量电缆外径的1/3-1/4）
22、，敷设敷设方便方便 表表 1.1.3 1.1.3 光缆和标准同轴电缆的重量和截面积数据比较光缆和标准同轴电缆的重量和截面积数据比较8 芯芯18 芯芯项目项目光缆光缆电缆电缆光缆光缆电缆电缆重量比重量比（kg/m）115126截面积比截面积比(直径直径,mm)1519.6第二十八页，讲稿共三十七页哦5.耐腐蚀，耐高温耐腐蚀，耐高温（石英玻璃熔点在2000?C以上），可在恶劣环境中工作，寿命长寿命长6.节约金属材料，有利于资源合理使用节约金属材料，有利于资源合理使用 用1公斤的高纯度的石英玻璃可以拉制上万公里的光纤，相比之下，制造1公里18管同轴电缆需要耗120公斤的铜，或500公斤的铅。第二十九
23、页，讲稿共三十七页哦光纤通信的光纤通信的缺点缺点1.抗拉强度低抗拉强度低（由于光纤在生产过程中表面存在或产生微裂痕，光纤受拉时应力全加于此，使光纤的实际抗拉强度非常低，这就是裸光纤易折断的原因）2.光纤连接困难光纤连接困难（要使连接损耗小，两根光纤的纤芯必须严格对准）3.光纤怕水光纤怕水（水进入光纤后，会增加光纤的OH-吸收损耗，使信道总损耗增大；会造成光缆中的金属构件氧化，使金属构件腐蚀，导致光缆强度降低；水遇冷后，水结冰体积增大有可能压坏光纤）第三十页，讲稿共三十七页哦光纤通信的光纤通信的应用应用 通信网通信网 构成因特网的计算机局域网和广域网构成因特网的计算机局域网和广域网 有线电视网的
24、干线和分配网有线电视网的干线和分配网 综合业务光纤接入网综合业务光纤接入网第三十一页，讲稿共三十七页哦光纤通信系统基本组成光纤通信系统基本组成单信道全光中继数字通信单信道全光中继数字通信光光-电电-光中继的数字通信光中继的数字通信第三十二页，讲稿共三十七页哦光纤通信系统的光纤通信系统的分类分类n根据传输信号的类型，分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统。n根据光源的调制方式，分为直接强度调制光纤通信系统和外调制光纤通信系统。n根据光波长和光纤类型，可分为短波长（850nm）多模光纤通信系统、长波长（1310nm）多模光纤通信系统、长波长（1310nm）单模光纤通信系统、长波长（1550nm）单
25、模光纤通信系统。第三十三页，讲稿共三十七页哦光纤通信系统按结构分类光纤通信系统按结构分类 1213N2(b b)一一点点对对多多点点(a a)点点对对点点75123(c c)网网络络6489第三十四页，讲稿共三十七页哦全光网络全光网络 第一代网络第一代网络全电网络全电网络第二代网络第二代网络电光网络电光网络第三代网络第三代网络全光网络全光网络网络举例网络举例低速以太网低速以太网低速信令环低速信令环低速信令总线低速信令总线SDH网网ATM 网网MONET（美）（美）MWTN、OPEN、PHOTON（欧洲）（欧洲）WP/VWP、FRONTIER（日本）（日本）物理媒质物理媒质电电 缆缆光光 缆缆节
26、点处理节点处理的信号的信号电电 信信 号号光电变换后，对电信号进行光电变换后，对电信号进行处理处理光光 信信 号号节点特性节点特性 节点是转发站节点是转发站 存在电子瓶颈存在电子瓶颈 本节点为其它节点传输本节点为其它节点传输 和处理信号服务和处理信号服务 电分插复用电分插复用（ADMADM）、电交叉连接、电信号存储）、电交叉连接、电信号存储 不是转发站不是转发站 不存在电子瓶颈不存在电子瓶颈 本节点只处理与本节点有关的信息本节点只处理与本节点有关的信息 不为其它节点传输和处理信号服务不为其它节点传输和处理信号服务 光分插复用光分插复用（ADMADM）、光交叉连接、）、光交叉连接、光信号存储、光
27、波长转换光信号存储、光波长转换 节点具有最少量的节点具有最少量的 O/EO/E、E/OE/O 变换变换结构特性结构特性 不灵活不灵活 电子瓶颈的限制，不能随时增加一些新节点电子瓶颈的限制，不能随时增加一些新节点 非常灵活非常灵活 随时可以增加一些新节点随时可以增加一些新节点透明度透明度不不 透透 明明完全透明完全透明同时兼容不同速率、协议、调制制式的信同时兼容不同速率、协议、调制制式的信号号第三十五页，讲稿共三十七页哦光传送网的关键技术光传送网的关键技术1.光节点技术2.全光放大中继技术3.光多路传输技术4.波长选择技术5.光交换技术6.网络控制和管理技术7.集成光学和光纤光栅技术第三十六页，讲稿共三十七页哦本章目的本章目的n了解光纤通信的发展历程n掌握光纤通信的特点、应用与分类n掌握光纤通信系统的基本组成n了解光传送网的关键技术第三十七页，讲稿共三十七页哦