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1、光纤通信与系统设计光纤通信与系统设计 课程助教严慈朔地址：电信楼群5-210Email：ycs_职责：批改作业、答疑、习题课、实验室参观讲解光纤通信(第三版)Gerd Keiser著电子工业出版社参考书参考书课程内容课程内容 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 第一章第一章 概概 述述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1.1 光纤通信的发展与现状光
2、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：利用光纤光缆传输光波信号的通信方式优点：优点：价格便宜，线路损耗低、频带宽，已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信道(传输媒介)的总和电磁波：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发送信号的频率越高(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
3、6103 mm。电磁波谱常用通信光载波频率190 THz光纤通信载波在167 375 THz之间(波段在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 各种单位的换算公式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通信用光波范围公元前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1880年贝尔
4、发明了第一个光电话系统，通话距离213米光源不行：普通光源强度和纯度都成为制约光通信发展的因素现代光通信的开端：第一个光电话系统激光器的发明和应用，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太赫兹的红宝石激光器美国梅曼(Maiman)，1960新阶段：大气激光通信人们将研究的重点转入到地下，先后出现过反射波导和透镜波导等地下通信的实验，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1870年，英国物理学家丁达尔
5、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，最好的光纤损耗也在1000 dB/km，故它仅能用于 医疗，如内窥镜研究对象：光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题损耗原因：1)玻璃纤维中含有过量的铬、铜、铁、锰、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1970年，美国康宁公司研制成功损耗20 dB/km的石英光纤。1972年
6、，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/km。1973年，美国贝尔实验室的光纤损耗降低到2.5 dB/km。1974年，贝尔实验室将损耗进一步降低到1.1 dB/km。1976年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到0.47 dB/km(工作波长1.2 mm)。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1970年，Bell Lab、日本NEC和前苏联先后研制成功室温下连 续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器(短波 长)。虽然寿命只有几个小时，但它为半导体激光器 的发展奠定了基础，成为光纤通信史上的里程碑。1973 年，半导体激光器
7、寿命达到7000小时。1976年，日本NTT研制出波长为1.3mm的铟镓砷磷(InGaAsP)激 光器。1977 年，Bell Lab研制的半导体激光器寿命达到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1976年，美国在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，日本进行了 34 Mb/s 的阶跃多模光纤通信系统试验1978年，日本进行了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，敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线1988年，美日英法建成第一条横跨大西
8、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当今世界范围的光纤通信系统第一代：19661979(从基础研究到商业应用的开发时期)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。光纤通信的四个发展阶段第二代：上世纪80年代早期(减小了光纤色散)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。光纤通信的四个发展阶段第三代：上世纪80年代后期初
9、90年代初(降低了光纤损耗)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。光纤通信的四个发展阶段第四代：上世纪90年代之后(引入了WDM和全光放大技术)激光器(InGaAsP)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光纤通信的四个发展阶段WDM技术出现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
10、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损耗低、中继距离长中继站多：传输线路的成本高、维护不方便、运行不可靠石英光纤在1.55 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抗干扰能力强现有的电通信系统无法令人满意地解决抗干扰问题。例1：电话线和电缆一般是不能跟高压电线平行架设的，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
11、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，就可以获取明线或电缆中传送的信息。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 拐弯非常厉害的地方，漏出包层的光微乎其微。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
12、 8 管同轴电缆18管同轴电缆每米重11千克，而同等容量的光缆每米重90克光纤体积小、重量轻、柔软易弯曲、铺设非常方便。光纤的原材料取之不竭电线主材：铜、铅等有色金属，预计只够使用50年左右光纤主材：普通的石英砂(SiO2)，它在地壳的化学成分中占了 一半以上，可以说是取之不尽、用之不竭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)缺点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、焊接点是否有气泡等)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)案例：新疆某地区大雪导致光纤
13、故障(2006年10月报道)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1.3 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。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
14、线通信网电力、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，没有哪一种通信方式能满足这些要求交通系统光纤制导武器光纤制导武器：光纤制导导弹、光纤制导鱼雷需要获得实时的目标图像同时要求控制线轻巧水下通信系统水下通信系统是扫雷舰与浮游载体之间的数据传输线路。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，
15、要能保证作战情报中心的安全(长途控制)军事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。激光手术刀机载电子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 光传输与信号处理 光器件与光传感光网络与结构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光传输与光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(教育部自然科学一等奖)网络子模块和子系统(硅基)光信号处理生物光电子100 GbE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