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1、第1章 光纤第1页，共49页，编辑于2022年，星期一课程助教吴艳志地址：电信楼群5-210Email：yzw_职责：批改作业、答疑、习题课第2页，共49页，编辑于2022年，星期一光纤通信(第三版)Gerd Keiser著电子工业出版社参考书参考书第3页，共49页，编辑于2022年，星期一课程内容课程内容 1.概论 2.光纤的结构和导波原理和制造3.光纤中的信号损伤4.光源5.光功率发射和耦合6.光检测器7.光接收机8.数字光纤通信系统9.模拟光纤通信系统10.WDM概念和器件11.光放大器12.光纤通信网络 13.光纤通信测量 第4页，共49页，编辑于2022年，星期一第一章第一章 概概
2、述述第5页，共49页，编辑于2022年，星期一l光纤通信的历史l光纤通信的主要特征：优缺点l光纤通信系统的组成和分类l应用主要内容主要内容第6页，共49页，编辑于2022年，星期一1.1 光纤通信的发展与现状光纤通信的发展与现状传输媒介光纤通信系统：光纤通信系统：利用光纤传输光波信号的通信方式优点：优点：价格便宜、损耗低、频带宽，成为通信网骨干无线通信：微波、卫星、激光有线通信：铜线电缆、光纤光缆通信系统：通信系统：将信息从一处传到另一处的全部技术设备和传输媒介的总和第7页，共49页，编辑于2022年，星期一电磁波：交变电场产生交变磁场，交变磁场激起交变电场，电场、磁场无限地交变产生形成电磁场
3、光通信的基础：电磁波理论麦克斯韦1865年发表电磁场理论赫兹1888年实验证实电磁波存在光也是一种电磁波第8页，共49页，编辑于2022年，星期一载波的频率越高(波长越短)，可载送的信息量就越多在电磁波谱中，光波范围包括红外线、可见光、紫外线，其波长范围为：300 mm 6 nm电磁波谱常用通信光载波频率190 THz第9页，共49页，编辑于2022年，星期一光纤通信载波在167 375 THz之间(0.8 mm1.8 mm)A.0.8 mm 0.9 mm称为短波段B.1.0 mm 1.8 mm称为长波段C.2.0 mm以上称为超长波段通信用光波范围(为什么?)常用通信光载波频率193 THz
4、(1.55 mm)大带宽的原因：高载频 可承载的信号频率高第10页，共49页，编辑于2022年，星期一c=3108 m/s1MHz(兆赫)=106 Hzl=c/f1GHz(吉赫)=109 Hz1 mm(微米)=106 m1THz(太赫)=1012 Hz1 nm(纳米)=109 m1PHz(拍赫)=1015 Hz1(埃)=1010 m各种单位的换算公式第11页，共49页，编辑于2022年，星期一公元前11世纪，西周王朝，烽火台白天点狼粪，晚上燃柴火“狼烟四起”最早的光通信第12页，共49页，编辑于2022年，星期一第一个光电话系统的通话距离213米(1880年贝尔)光源不行：普通光源强度和纯度制
5、约光通信的发展现代光通信的开端：第一个光电话系统调制调制传输传输解调解调第13页，共49页，编辑于2022年，星期一激光器的发明：光通信进入一个崭新的阶段，它具有亮度高、谱线窄、方向性好介质不行：大气通信受气象条件的影响，通信不稳定频率为100 THz的红宝石激光器1960年梅曼(Maiman)新阶段：大气激光通信第14页，共49页，编辑于2022年，星期一研究重点转入地下：出现反射波导和透镜波导等地下通信实验，但它们造价昂贵，调整、维护困难地下光通信没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质使光通信的研究走入了低谷使光通信的研究走入了低谷第15页，共49页，编辑于2
6、022年，星期一1870年英国物理学家丁达尔 太阳光随着水流发生弯曲 n水 n空气光发生全反射全反射光纤的雏形1953年英国伦敦学院卡帕尼博士将此用于实际，发明了玻璃光导纤维：芯层+包层(n芯层n包层)光纤1960年最好的光纤损耗为1000 dB/km，仅能用于医疗，如内窥镜第16页，共49页，编辑于2022年，星期一研究对象：光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题损耗原因：1)含有过量的金属离子(铬、铜、铁、锰)和OH-2)光纤拉制工艺造成芯、包层分界面不均匀及其所引起的折射率不均匀新的发现：玻璃纤维在红外光区的损耗较小现代光纤通信的大发展：光纤损耗的解决光纤之父：高锟1966年英国标准电信研究所
7、第17页，共49页，编辑于2022年，星期一2009年物理学诺贝尔奖第18页，共49页，编辑于2022年，星期一1970年美国康宁公司研制成损耗20 dB/km石英光纤1972年康宁公司高纯石英多模光纤损耗降为4 dB/km1973年美国贝尔实验室的光纤损耗降低到2.5 dB/km1974年贝尔实验室将损耗进一步降低到1.1 dB/km1976年日本NTT公司将损耗降低到0.47 dB/km目前，波长为1.55 mm的标准光纤损耗为 0.2 dB/km 低损耗光纤的研制第19页，共49页，编辑于2022年，星期一1970年Bell Lab、NEC和前苏联先后研制成功室温下 连续振荡的GaAlA
8、s双异质结半导体短波长激 光器(寿命只有几个小时)为半导体激光器发展 奠定了基础，成为光纤通信史上的里程碑1973年半导体激光器寿命达到7000小时1976年NTT研制出波长为1.3mm的InGaAsP激光器1977年Bell Lab研制的半导体激光器寿命达10万小时1979年AT&T和NTT研制成功波长为1.55mm的半导体 激光器 半导体通信光源的出现：光源小型化第20页，共49页，编辑于2022年，星期一目前商用的半导体激光器照片第21页，共49页，编辑于2022年，星期一1976年美国亚特兰大进行世界上第一个实用光纤通信 系统的现场试验1976年日本 34 Mb/s 的阶跃多模光纤通信
9、系统试验1978年日本100 Mb/s的渐变型多模光纤通信系统试验1980年美国标准化FT-3光纤通信系统投入商业应用1983年日本敷设了纵贯南北的光缆长途干线1988年美日英法建成第一条横跨大西洋海底光缆通信 系统1989年建成第一条横跨太平洋 海底光缆通信系统 光纤通信系统的发展第22页，共49页，编辑于2022年，星期一当今世界范围的光纤通信系统第23页，共49页，编辑于2022年，星期一第一代：19661979激光器(GaAs)，波长0.8m，多模光纤，最大中继距离10 km(当时的同轴电缆系统中继距离为1km)，比特率为10100Mb/s。多模色散和损耗是限制中继距离的关键。四个发展
10、阶段：从基础研究到商业应用第24页，共49页，编辑于2022年，星期一第二代：上世纪80年代早期 激光器(InGaAs)，波长1.3m，单模光纤，最大中继距离50km，比特率为2.0Gb/s。光纤的损耗(0.5 dB/km)限制了中继距离。四个发展阶段：减小光纤色散第25页，共49页，编辑于2022年，星期一第三代：上世纪80年代后期初90年代初激光器(InGaAsP)波长1.55m，单模(色散位移)光纤，比特率为2.510Gb/s，最大中继距离100km。这个阶段的缺点是采用电的方式中继。四个发展阶段：降低损耗第26页，共49页，编辑于2022年，星期一第四代：上世纪90年代之后激光器(In
11、GaAsP)波长1.55m，单模光纤，采用波分复用技术和光放大技术，单波长信道比特率为2.510Gb/s，传输距离14000 km，并提出光通信智能化的概念四个发展阶段：引入WDM和全光放大WDM技术出现第27页，共49页，编辑于2022年，星期一1.2 光纤通信的主要特性光纤通信的主要特性大容量：马路越宽，容许通过的车辆越多，交通运输能力也越大。如果把通信线路比作马路，那么应该说是通信线路的频带越宽，容许传输的信息越多，通信容量就越大。目前的光纤容量已经达到十多个Tb/s第28页，共49页，编辑于2022年，星期一损耗低、中继距离长中继站多：传输成本高、维护不方便、运行不可靠石英光纤在1.5
12、5 mm波长区的损耗可低到0.18 dB/km例：同轴电缆通信的中继距离只有几公里 最长的微波通信是50公里左右 光纤通信系统的最长中继距离已达数千公里第29页，共49页，编辑于2022年，星期一抗干扰能力强现有的电通信系统抗干扰能力不足：例1：电话线和电缆不能跟高压电线平行架设，也不能在电气铁化路附近铺设例2：据专家测算，如果在美国本土中心上空 463公里处爆炸一颗原子弹，1秒钟内即可使全美所有的电缆通信系统失效，但光纤通信线路却能基本不受影响光纤为什么具有强抗干扰能力?1.光纤属绝缘体，不怕雷电和高压2.电磁源干扰不了频率比它们高得多的光3.杰出的抗核辐射能力第30页，共49页，编辑于20
13、22年，星期一保密性强电通信方式很容易被人窃听1.电缆通信：只要在电缆附近(甚至几公里以外)设 置一个特别的接收装置，就可以获取传送的信息2.无线通信方式：无线电波在大气中传播，甚至充斥 全球，很容易被人窃听3.密码学的发展使加密往往也无济于事光纤通信是保密性能最好的通信方式之一-光在光纤中传输时不会跑出光纤和向外辐射电磁波-即使在拐弯很厉害的地方，漏出包层的光微乎其微第31页，共49页，编辑于2022年，星期一体积小、重量轻1千克高纯度石英玻璃 成千上万公里光纤120吨铜和 500 吨铅 1000公里的 8 管同轴电缆18管同轴电缆每米重11千克同等容量的光缆每米重90克柔软易弯曲、铺设非常
14、方便第32页，共49页，编辑于2022年，星期一光纤的原材料取之不竭电线主材：铜、铅等有色金属只够使用50年左右光纤主材：普通的石英砂(SiO2)在地壳的化学成分中 占了一半以上，取之不尽、用之不竭第33页，共49页，编辑于2022年，星期一其它优点不怕腐蚀不怕腐蚀耐高低温耐高低温能力较强(-65200度)可实现多功能传输(同时传递话音、数据、图像等信息)第34页，共49页，编辑于2022年，星期一缺点案例：新疆某地区大雪导致光纤故障(2006年10月)原因：光缆没有防护好被冰雪包裹，并由于冰雪压 力和热胀冷缩导致光纤弯曲1.容易折断(比如经常被挖断)2.光纤连接困难(断面是否垂直、焊接点是否
15、有气泡)3.光纤通信过程中怕水、怕冰(OH-根吸收增大损耗)4.光纤怕弯曲(导致损耗增加)第35页，共49页，编辑于2022年，星期一1.3 光纤通信系统的构成和分类光纤通信系统的构成和分类主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。第36页，共49页，编辑于2022年，星期一分类根据调制信号的类型调制信号的类型：模拟光纤通信系统 数字光纤通信系统根据光源的调制方式调制方式：直接调制系统 间接调制系统根据光纤的传导模数量传导模数量：多模光纤通信系统 单模光纤通信系统 根据系统的工作波长工作波长：短波长光纤通信系统 长波长光纤通信系统 超长波长光纤通信系统第37页，共49页，编辑于2022年
16、，星期一1.4 光纤通信系统的应用光纤通信系统的应用通信网络通信网络公用电信网：核心网、城域网光纤接入网海底光缆及洲际通信网无线通信网第38页，共49页，编辑于2022年，星期一电力、煤炭系统的监视、控制和管理能源系统抗干扰能力强无源传感、宽带传输第39页，共49页，编辑于2022年，星期一铁路、地铁和高速公路通信及监控网络系统铁路通信网特点：1.节点多，分支、插入话路频繁2.通信量大小不一，需求不同(传输电话、数据、图像)3.要求有强抗电磁干扰能力除了光纤通信，其它通信方式不能满足这些要求交通系统第40页，共49页，编辑于2022年，星期一光纤制导武器光纤制导武器：光纤制导导弹、光纤制导鱼雷
17、需要获得实时的目标图像同时要求控制线轻巧军事第41页，共49页，编辑于2022年，星期一水下通信系统水下通信系统是扫雷舰与浮游载体之间的传输线路1.浮游载体需要传回声纳信号和遥测信号(都是视频信号)2.舰体对浮游载体进行控制军事第42页，共49页，编辑于2022年，星期一雷达雷达：要求保证雷达室与作战情报中心之间信息传输的抗干扰能力和保密性，要能保证作战情报中心的安全(长途控制)光纤延迟线：调节每个微波单元的相位从而控制雷达的空间方位扫描军事第43页，共49页，编辑于2022年，星期一内窥镜医疗器械激光手术中，有时需要手术的部位在人体腔道内，这就要求激光能拐弯。目前大多数医疗激光可以通过石英光
18、纤来实现拐弯，因此激光手术刀又叫光纤手术刀。激光手术刀第44页，共49页，编辑于2022年，星期一机载电子第45页，共49页，编辑于2022年，星期一实验室概况实验室名称：区域光纤通信网与新型光通信系统依托单位：上海交通大学、北京大学主管部门：教育部1988年：开始筹建1995年9月：通过国家验收2002年3月：通过国家评估2007年3月：通过国家评估地点：电信楼群5号楼、物理系楼研究方向：光网络结构、光传输与光器件第46页，共49页，编辑于2022年，星期一光网络与结构1997-19991999-2001中国高速信息示范网ASON testbed&GMPLS 自动交换光网络（异构）2002-20063TNet 高性能宽带信息网长三角示范工程2001-2002SHAONET全光通信试验网STONETS上海科技网升级改造8040 Gb/s3 OADM1 OXC第47页，共49页，编辑于2022年，星期一光传输与光信号处理光发射模块可重构光分插复用器光接收模块TWIN光高速传输网络子模块和子系统(硅基)光信号处理生物光电子100 GbE第48页，共49页，编辑于2022年，星期一光器件与光传感调制器波分复用/解复用器波长交错器掺铒光纤放大器拉曼放大器光开关机械光开关第49页，共49页，编辑于2022年，星期一