光纤通信原理与技术绪论.ppt

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1、光通信原理与技术光通信原理与技术 PRINCIPLE AND TECHNOLOGY OF OPTICAL COMMUNICATION 主讲人：宋新祥宋新祥 Tel：15006886712 Email:什么是通信？什么是通信？“通通”传送传送，“信信”信息信息；信息的传送；信息的传送基本组成：发送、传输、接收基本组成：发送、传输、接收n n什么是光纤通信？什么是光纤通信？n n利用激光作为利用激光作为信息信息的载波信号，并通过的载波信号，并通过 光纤来光纤来传送信息传送信息的通信系统。的通信系统。什么是通信？什么是通信？“通通”传送传送，“信信”信息信息；信息的传送；信息的传送基本组成：发送、传

2、输、接收基本组成：发送、传输、接收n n什么是光纤通信？什么是光纤通信？n n利用激光作为利用激光作为信息信息的载波信号，并通过的载波信号，并通过 光纤来光纤来传送信息传送信息的通信系统。的通信系统。光纤通信是人类历史上光纤通信是人类历史上的重大突破，现今的光纤通信的重大突破，现今的光纤通信已成为信息社会的神经系统已成为信息社会的神经系统1.光纤通信光纤通信(第三版第三版)Gerd Keiser著著参考书参考书2.光纤通信系统光纤通信系统 邱昆等著邱昆等著3.光纤通信系统光纤通信系统 杨祥林等著杨祥林等著4.光通信器件与系统光通信器件与系统J.H.Franz 一一、光纤通信概述光纤通信概述21

3、光纤通信技术的发展史及现状光纤通信技术的发展史及现状2光纤通信系统概述光纤通信系统概述二、光信号的传输特性二、光信号的传输特性122.1电磁场理论基础电磁场理论基础2.2几何光学理论几何光学理论2.3光纤中光信号的传输光纤中光信号的传输2.4阶跃光纤中的矢量模阶跃光纤中的矢量模2.5阶跃光纤中的阶跃光纤中的LP模模2.6传播模式的一般特性传播模式的一般特性2.7单模光纤单模光纤三、光纤的传输特性三、光纤的传输特性 123.1 光纤的损耗光纤的损耗 3.2 光纤的色散光纤的色散3.3 单模光纤的色散及光纤分类单模光纤的色散及光纤分类3.4 色散对通信的影响及对策色散对通信的影响及对策3.5 单模

4、光纤的非线性特性单模光纤的非线性特性四、光通信器件四、光通信器件124.1 物质与光之间的相互作用物质与光之间的相互作用4.2 半导体发光二极管半导体发光二极管4.3 半导体激光器半导体激光器4.4 光放大器光放大器4.5 光检测器光检测器4.6 光纤连接器及定向耦合器光纤连接器及定向耦合器4.7 波分复用、解复用器波分复用、解复用器4.8 光调制器光调制器4.9 光开关和光隔离器光开关和光隔离器讲授内容讲授内容(1)五、光检测器及光接收机五、光检测器及光接收机125.1光发送机光发送机5.2光接收机光接收机5.3系统设计系统设计5.4 PDH光通信系统光通信系统 5.5SDH光通信系统光通信

5、系统 5.6波分复用系统波分复用系统六、光网络六、光网络 46.1SDH传送网传送网6.2WDM光传送光传送七、大气激光通信七、大气激光通信4 7.1概述概述 7.2激光在大气信道中的传播问题激光在大气信道中的传播问题 7.3用于大气激光通信的关键器件和技术用于大气激光通信的关键器件和技术讲授内容讲授内容(2)7.4调制方式调制方式7.5大气激光通信系统大气激光通信系统7.6大气激光通信的应用大气激光通信的应用八、星间激光通信八、星间激光通信 4 8.1概述概述 8.2 星间激光链路的种类星间激光链路的种类 8.3光学天线光学天线 8.4 PAT子系统子系统 8.5 通信子系统通信子系统 九、

6、水下激光通信九、水下激光通信 2 共计共计6464学时学时考试课考试课第一章第一章 绪论绪论 Charper1 Introduction传输媒介传输媒介无线通信：微波、卫星、激光无线通信：微波、卫星、激光有线通信：铜线电缆、光纤光缆有线通信：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将信息从一处传到另一处的全部技术 设备和信道设备和信道 (传输媒介传输媒介)的总和。的总和。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利用光纤光缆传输光波信号的 通信方式。通信方式。最早的光通信最早的光通信公元前公元前11世纪，西周王朝，烽火台世纪，西周王朝，烽火台白天点狼粪，

7、晚上燃柴火白天点狼粪，晚上燃柴火“狼烟四起狼烟四起”1.1光通信发展的技术背景光通信发展的技术背景 用光传递信息并不是什么新鲜的事。早在公元两千用光传递信息并不是什么新鲜的事。早在公元两千多年以前，我们的祖先就在都城和边境堆起一些高多年以前，我们的祖先就在都城和边境堆起一些高高的土丘，遇到敌人入侵，就在这些土丘上燃起烟高的土丘，遇到敌人入侵，就在这些土丘上燃起烟火传递受到入侵的信息，各地诸侯看见烟火就立刻火传递受到入侵的信息，各地诸侯看见烟火就立刻领兵来救援。其中还有著名的领兵来救援。其中还有著名的“周幽王烽火戏诸侯周幽王烽火戏诸侯”的故事。这种土丘就叫的故事。这种土丘就叫烽火台烽火台烽火台烽

8、火台，它就是一种古老，它就是一种古老的光通信设备。的光通信设备。古古希腊的火炬墙希腊的火炬墙 由于人们无法解决光向四面八方散射时，光强由于人们无法解决光向四面八方散射时，光强减弱和不能通过障碍物的问题，（也就是没有找到减弱和不能通过障碍物的问题，（也就是没有找到合适的载体和光源）因此，直到上世纪六十年代初，合适的载体和光源）因此，直到上世纪六十年代初，光通信都没有什么重大的进展。它仅仅作为一种信光通信都没有什么重大的进展。它仅仅作为一种信号灯使用，如号灯使用，如:马路上的红绿灯、机场上的跑道标志马路上的红绿灯、机场上的跑道标志灯和航标灯等等。灯和航标灯等等。而此时电通信却迅速发展起来，人类进入

9、了而此时电通信却迅速发展起来，人类进入了电通信时代。电通信时代。18801880年贝尔发明了第一个光电话系统，通话距离年贝尔发明了第一个光电话系统，通话距离213213米米 弧弧光光灯灯的的恒恒定定光光束束投投射射在在话话筒筒的的音音膜膜上上，随随声声音音的的振振动动而而得得到到强强弱弱变变化化的的反反射射光光束束，这这个个过过程程就就是是调调制制。但但是是，普普通通光光源源强强度度和和纯纯度度都都成成为为制制约约光光通信发展的因素。通信发展的因素。第一个光电话系统：现代光通信的开端第一个光电话系统：现代光通信的开端 激光器的发明和应用，激光器的发明和应用，光通信进入一个崭新光通信进入一个崭新

10、的阶段，它具有的阶段，它具有亮度高、谱线窄、方向性好亮度高、谱线窄、方向性好但由于大气通信受气象条件的影响，通信不稳定但由于大气通信受气象条件的影响，通信不稳定频率为频率为100100太赫兹的红宝石激光器太赫兹的红宝石激光器 美国美国梅曼梅曼(Maiman)(Maiman)，19601960大气光通信大气光通信 大气光通信受阻，人们将研究的重点转入到地大气光通信受阻，人们将研究的重点转入到地下光波通信的实验，先后出现过反射波导和透镜下光波通信的实验，先后出现过反射波导和透镜波导等地下通信的实验。但波导等地下通信的实验。但反射波导和透镜波导反射波导和透镜波导造价昂贵，调整、维护困难。造价昂贵，调

11、整、维护困难。地下光通信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对光通信的研究走入了低潮对光通信的研究走入了低潮 1870年年，英英国国物物理理学学家家丁丁达达尔尔 太太阳阳光光随着水流发生弯曲随着水流发生弯曲 n水水 n空空气气，光光发发生生全反射全反射光纤的雏形光纤的雏形 1953年年，英英国国伦伦敦敦学学院院卡卡帕帕尼尼博博士士首首次次将将丁丁达达尔尔的的观观察察用用于于实实际际，发发明明了了用用极极细细的的玻玻璃璃制制作作的的光光导导纤纤维维：芯芯层层+包包层层。芯芯层层的的折折射射率率大大于于包包层层，光在其中做全反射。光在其中做全反射。1960

12、年年左左右右，最最好好的的光光纤纤损损耗耗也也在在1000 分分贝贝/公公里里(dB/km)。由由于于，损损耗耗很很大大，它它最最初初被被用用于于医疗，如内窥镜。医疗，如内窥镜。工作地点：英国标准电信研究所工作地点：英国标准电信研究所研究对象：光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题研究对象：光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题损损耗耗原原因因：1)玻玻璃璃纤纤维维中中含含有有过过量量的的铬铬、铜铜、铁铁与与锰锰等等金金属属 离离子子和和其其他他杂杂质质；2)拉拉制制光光纤纤工工艺艺造造成成芯芯、包包层层 分界面不均匀及其所引起的折射率不均匀分界面不均匀及其所引起的折射率不均匀新的发新的发现：一些玻璃纤维

13、在红外光区的损耗较小现：一些玻璃纤维在红外光区的损耗较小现代光纤通信现代光纤通信1966年，高锟和霍克哈姆发年，高锟和霍克哈姆发表的表的用于光频的光纤表面用于光频的光纤表面波导波导奠定了现代光通信的奠定了现代光通信的基础。高锟被尊为光纤之父。基础。高锟被尊为光纤之父。1970年年，美美国国康康宁宁公公司司研研制制成成功功损损耗耗20 dB/km的石英光纤。的石英光纤。1972年年，康康宁宁公公司司高高纯纯石石英英多多模模光光纤纤损损耗耗降低到降低到4 dB/km。1973年年，美美国国贝贝尔尔实实验验室室的的光光纤纤损损耗耗降降低低到到2.5 dB/km。1974年年，贝贝尔尔实实验验室室将将

14、损损耗耗进进一一步步降降低低到到1.1 dB/km。1976年年，日日本本电电报报电电话话(NTT)公公司司将将光光纤纤损损耗降低到耗降低到0.47dB/km(工作波长工作波长1.2 mm)。目前，波长为目前，波长为1.55 m的标准光纤损耗为的标准光纤损耗为 0.2 dB/km。低损耗光纤的研制低损耗光纤的研制1970年年，美美国国贝贝尔尔实实验验室室、日日本本电电气气公公司司(NEC)和和前前苏苏联联先先后后，研研制制成成功功室室温温下下连连续续振振荡荡的的镓镓铝铝砷砷(GaAlAs)双双异异质质结结半半导导体体激激光光器器(短短波波长长)。虽虽然然寿寿命命只只有有几几个个小小时时，但它为

15、半导体激光器的发展奠定了基础。但它为半导体激光器的发展奠定了基础。1973 年，半导体激光器寿命达到年，半导体激光器寿命达到7000小时。小时。1976年年，日日本本NTT研研制制出出波波长长为为1.3 m的的铟铟镓镓砷砷磷磷(InGaAsP)激光器。激光器。1977 年年，贝贝尔尔实实验验室室研研制制的的半半导导体体激激光光器器寿寿命命达达到到10万万小时。小时。1979年年，美美国国电电报报电电话话(AT&T)公公司司和和日日本本NTT研研制制成成功功波长为波长为1.55 m的半导体激光器。的半导体激光器。光纤和半导体激光器的技术进步，使光纤和半导体激光器的技术进步，使1970年成为光纤通

16、信发展的一个重要里程碑。年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。半导体通信光源的出现半导体通信光源的出现 1976年年，美美国国在在亚亚特特兰兰大大进进行行世世界界上上第第一一个个实用光纤通信系统实用光纤通信系统 的现场试验；的现场试验；1976年年和和1978年年，日日本本先先后后进进行行了了速速率率为为 34 Mb/s 的的阶阶跃跃多多模模光光纤纤通通信信系系统统和和速速率率为为100 Mb/s的渐变型多模光纤通信系统的试验；的渐变型多模光纤通信系统的试验；1980年年，美美国国标标准准化化FT-3光光纤纤通通信信系系统统投投入入商业应用；商业应用；1983年年，铺铺设设了了纵纵贯贯日日本本南

17、南北北的的光光缆缆长长途途干干线；线；1988年年，由由美美、日日、英英、法法发发起起的的第第一一条条横横跨大西洋跨大西洋TAT-8 海底光缆通信系统；海底光缆通信系统；1989年年，第第一一条条横横跨跨太太平平洋洋 TPC-3/HAW-4 海海底光缆通信系统建成；底光缆通信系统建成；光纤通信系统的发展光纤通信系统的发展 现代通信方式示意图现代通信方式示意图用户用户环路环路交换交换设备设备电复接电复接设备设备卫星通信卫星通信微波通信微波通信光纤通信光纤通信移动通信移动通信发发送送机机接接收收机机传输系统传输系统用户用户终端终端用户用户终端终端信息信息信息信息用户用户终端终端用户用户终端终端用户

18、用户环路环路交换交换设备设备电复接电复接设备设备信息信息信息信息 现代通信方式示意图现代通信方式示意图用户环路交换设备电复接设备卫星通信微波通信光纤通信移动通信发送机接收机传输系统用户终端用户终端信息信息用户终端用户终端用户环路交换设备电复接设备信息信息信息指用户要求传送信息指用户要求传送的语音、图像、数据的语音、图像、数据以及它们的各种组合以及它们的各种组合用户环路交换设备电复接设备卫星通信微波通信光纤通信移动通信发送机接收机传输系统用户终端用户终端信息信息用户终端用户终端用户环路交换设备电复接设备信息信息 现代通信方式示意图用户终端用户终端交换设备交换设备接入网接入网电电复接设备复接设备传

19、输系统传输系统 现代通信方式示意图现代通信方式示意图用户环路交换设备电复接设备卫星通信微波通信光纤通信移动通信发送机接收机传输系统用户终端用户终端信息信息用户终端用户终端用户环路交换设备电复接设备信息信息光纤通信经过光纤通信经过30年的技年的技术发展目前正在淘汰着术发展目前正在淘汰着其他的有线通信方式其他的有线通信方式当今世界范围的光纤通信系统当今世界范围的光纤通信系统第一代：第一代：19661979(从基础研究到商业应用的开发时期从基础研究到商业应用的开发时期)激激光光器器(GaAs)波波长长0.8 m，多多模模光光纤纤，最最大大中中继继距距离离10 km(当当时时的的同同轴轴电电缆缆系系统

20、统中中继继距距离离为为1 km)，比比特特率率在在10100 Mb/s。多模色散和损耗是限制中继距离的关键。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光纤通信的四个发展阶段第二代：第二代：上世纪上世纪80年代早期年代早期(通过减小光纤色散通过减小光纤色散)激激光光器器(InGaAs)波波长长1.3 m，单单模模光光纤纤，最最大大中中继继距距离离50 km，比比特特率率2.0Gb/s。光光纤纤的的损损耗耗限限制制了了中中继继距离，当时的损耗为距离，当时的损耗为 0.5 dB/km。光纤通信的四个发展阶段光纤通信的四个发展阶段第第三三代代：上上世世纪纪80年年代代后后期期初初90年

21、年代代初初(通通过过降降低光纤损耗低光纤损耗)激激光光器器(InGaAsP)波波长长1.55m，单单模模(色色散散位位移移)光光纤纤，比比特特率率2.510 Gb/s，最最大大中中继继距距离离100 km。这个阶段的缺点是采用电的方式中继。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光纤通信的四个发展阶段第第四四代代：上上世世纪纪90年年代代之之后后(通通过过引引入入WDM和和全全光放大技术光放大技术)激激光光器器(InGaAsP)波波长长1.55 m，单单模模光光纤纤，采采用用波波分分复复用用技技术术和和光光放放大大技技术术，单单个个波波长长信信道道比比特特率率2.510 Gb/

22、s，传传输输距距离离14000 km，并并提提出出光光通通信智能化的概念信智能化的概念光纤通信的四个发展阶段光纤通信的四个发展阶段WDMWDM技术出现技术出现 光纤通信的主要特性光纤通信的主要特性大容量：大容量：马路越宽，容许通过的车辆越多，交通运马路越宽，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，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。通信容量就越大。目前的光纤容量已经达到十多个目前的光纤容量已经达到十多个Tbits/s损耗低、中继距离长损耗低、中继距离

23、长中继站多：传输线路的成本高、维护不方便、运行不可靠中继站多：传输线路的成本高、维护不方便、运行不可靠石英光纤在石英光纤在1.55 m波长区的损耗可低到波长区的损耗可低到0.18 dB/km，比已知比已知的其他通信线路的损耗都低得多。的其他通信线路的损耗都低得多。例：同轴电缆通信的中继距离只有几千米，最长的微波通信例：同轴电缆通信的中继距离只有几千米，最长的微波通信是是 50 千米左右，而光纤通信系统的最长中继距离已达千米左右，而光纤通信系统的最长中继距离已达 300千千米。米。抗干扰能力强抗干扰能力强对于通信系统而言，最主要的干扰是对于通信系统而言，最主要的干扰是电磁干扰电磁干扰。现。现有的

24、电通信系统无法令人满意地解决这个问题。有的电通信系统无法令人满意地解决这个问题。例：电话线和电缆一般是不能跟高压电线平行架设例：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。的，也不能在电气铁化路附近铺设。光纤为什么具有强抗干扰能力？光纤为什么具有强抗干扰能力？1.1.光纤属绝缘体，不怕雷电和高压光纤属绝缘体，不怕雷电和高压2.2.电磁干扰源不了频率比它们高得多的光电磁干扰源不了频率比它们高得多的光3.3.杰出的抗核辐射能力杰出的抗核辐射能力据专家测算，如果在美国本土中心上空据专家测算，如果在美国本土中心上空 463463千米处千米处爆炸一颗原子弹，爆炸一颗原子弹，1

25、 1 秒钟内即可使全美国所有的电秒钟内即可使全美国所有的电缆通信系统失效。但光纤通信线路却照样畅通无阻，缆通信系统失效。但光纤通信线路却照样畅通无阻，基本不受影响。基本不受影响。保密性强保密性强电通信方式很容易被人窃听电通信方式很容易被人窃听1.1.电缆通信：只要在电缆附近电缆通信：只要在电缆附近 (甚至几公里以外甚至几公里以外)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。缆中传送的信息。2.2.无线通信方式：无线电波在大气中传播，甚至无线通信方式：无线电波在大气中传播，甚至充斥全球，很容易被人窃听。充斥全球，很容易被人窃听。3.3.密码

26、学的发展使加密往往也无济于事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，光纤通信是保密性能最好的通信方式之一，光在光在光纤中传输时不会跑出光纤和向外辐射电磁波。光纤中传输时不会跑出光纤和向外辐射电磁波。即使在即使在 拐弯非常厉害的地方，漏出包层的光也拐弯非常厉害的地方，漏出包层的光也微乎其微。微乎其微。体积小、重量轻体积小、重量轻 1千克高纯度石英玻璃千克高纯度石英玻璃 成千上万千米光纤成千上万千米光纤 120吨铜和吨铜和 500 吨铅吨铅 1000千米的千米的 8 管同轴管同轴电缆电缆 18管同轴电缆每米重管同轴电缆每米重11千克，而同等容量的光千克，而同等容量的光

27、缆每米重缆每米重90克克 光纤体积小、重量轻、柔软易弯曲、铺设非常光纤体积小、重量轻、柔软易弯曲、铺设非常方便。可广泛应用于航天航空、汽车电子等领域。方便。可广泛应用于航天航空、汽车电子等领域。光纤的原材料取之不竭光纤的原材料取之不竭 电线主材：铜、铅等有色金属，预计只够使电线主材：铜、铅等有色金属，预计只够使用用50年左右年左右 光纤主材：普通的石英砂光纤主材：普通的石英砂(SiO2)，它在地壳的，它在地壳的化学成分中占了一半以上，可以说是取之不尽、化学成分中占了一半以上，可以说是取之不尽、用之不竭用之不竭其它优点其它优点光纤材料光纤材料不怕腐蚀不怕腐蚀，可以架在空中，也可可以架在空中，也可

28、埋入地下；它有较强埋入地下；它有较强的的耐高低温耐高低温能力能力(-65200度度)，在一般的，在一般的飞机、舰艇和车辆上飞机、舰艇和车辆上都可使用；它可实现都可使用；它可实现多功能传输，同时传多功能传输，同时传递话音、数据、传真、递话音、数据、传真、图像等各种信息。图像等各种信息。缺点缺点 光纤通信有许多优点，因而发展很快，但光纤光纤通信有许多优点，因而发展很快，但光纤通信也有以下缺点。通信也有以下缺点。1.容易折断容易折断(比如经常被挖断比如经常被挖断)2.光纤连接困难光纤连接困难(断面是否垂直、焊接点是否有断面是否垂直、焊接点是否有气泡等气泡等)3.光纤通信过程中怕水、怕冰光纤通信过程中

29、怕水、怕冰(OH-根吸收增大根吸收增大损耗损耗)4.光纤怕弯曲光纤怕弯曲(导致损耗增加导致损耗增加)案例：新疆某地区大雪导致光纤故障案例：新疆某地区大雪导致光纤故障(2006年年10月月报道报道)原因：光缆没有防护好被冰雪包裹，并由于冰雪压原因：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力和热胀冷缩导致光纤弯曲光纤通信系统的构成和分类光纤通信系统的构成和分类 光纤通信系统是以光纤为传输媒介，光波为载光纤通信系统是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统。主要由光发送机、光纤光缆、中波的通信系统。主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。继器和光接收机组成。分类分类根据调

30、制信号的类型：根据调制信号的类型：模拟光纤通信系统模拟光纤通信系统 数字光纤通信系统数字光纤通信系统根据光源的调制方式：根据光源的调制方式：直接调制系统直接调制系统 间接调制系统间接调制系统根据光纤的传导模数量：多模光纤通信系统根据光纤的传导模数量：多模光纤通信系统 单模光纤通信系统单模光纤通信系统 根据系统的工作波长：根据系统的工作波长：短波长光纤通信系统短波长光纤通信系统 长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超长波长光纤通信系统 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：公用电信网：核心网、城域网核心网、城域网光纤接入网光纤接入网海底光缆及洲际通

31、信网海底光缆及洲际通信网无线通信网无线通信网电力、煤炭系统的监视、控制和管理电力、煤炭系统的监视、控制和管理电力系统：光纤可以放在输电线、地线的中心，不电力系统：光纤可以放在输电线、地线的中心，不 受干扰。受干扰。尤其在观测雷击的时候能起到电设备不可替代的作尤其在观测雷击的时候能起到电设备不可替代的作用。用。煤炭系统：电监控系统信号均为电信号，在含瓦斯煤炭系统：电监控系统信号均为电信号，在含瓦斯高的矿井中容易引起爆炸。因此，如果考虑安全高的矿井中容易引起爆炸。因此，如果考虑安全因素，电信号功率不能太大，这又导致传输距离因素，电信号功率不能太大，这又导致传输距离受限。而如果采用光纤系统，很多设备

32、可以无源受限。而如果采用光纤系统，很多设备可以无源化，即保证了安全，又能实现远距离监控。化，即保证了安全，又能实现远距离监控。能源系统能源系统铁路、地铁和高速公路通信及监控网络系统铁路、地铁和高速公路通信及监控网络系统铁路通信网特点：铁路通信网特点：1.1.节点多，分支、插入话路频繁节点多，分支、插入话路频繁2.2.通信量大小不一，需求不同通信量大小不一，需求不同(传输电话、数传输电话、数据、图像据、图像)3.3.要求有要求有强抗电磁干扰能力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除了光纤通信，没有哪一种通信方式能满足这些要求这些要求交通系统交通系统 光纤制导武器光纤制导武器：光

33、纤制导导弹、光纤制导鱼光纤制导导弹、光纤制导鱼雷需要获得实时的目标图像同时要求控制线雷需要获得实时的目标图像同时要求控制线轻巧轻巧 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是扫雷舰与浮游载体之间的数据传输线路。据传输线路。1.1.浮游载体需要传回声纳信号和遥测信号浮游载体需要传回声纳信号和遥测信号(都是视频信号都是视频信号)2.2.舰体对浮游载体进行控制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：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作战情报中心的安全(长途控制长途控制)军

34、事军事 利用传像束的内利用传像束的内窥镜激光手术刀窥镜激光手术刀医疗器械医疗器械激光手术中，有时需要手激光手术中，有时需要手术的部位在人体腔道内，术的部位在人体腔道内，这就要求激光能拐弯。目这就要求激光能拐弯。目前大多数医疗激光可以通前大多数医疗激光可以通过石英光纤来实现拐弯，过石英光纤来实现拐弯，因此激光手术刀又叫光纤因此激光手术刀又叫光纤手术刀。手术刀。机载电子机载电子光网络与结构光网络与结构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2001-2002SHAO

35、NET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100 GbETWIN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光纤通信技术的三次飞跃光纤通信技术的三次飞跃(1)20世纪世纪60年代年代。1962年第一只年第一只半导体激光器半导体激光器诞生，随后半导体诞生，随后半导体光检测器光检测器也研究成功。特也研究成功。特别是别是1966年英籍华人科学家高锟与年英籍华人科学家高锟与Hockham提出用玻璃可以制成衰减为提出用玻璃可以制成衰减为20dB/

36、km的通信的通信光导纤维光导纤维，1970年美国康宁公司首先制出了年美国康宁公司首先制出了20dB/km的的光纤，光纤，这标志着光纤通信系统的这标志着光纤通信系统的实际研究条件得以具备实际研究条件得以具备。20世纪世纪70年代年代。1970年发明了年发明了LD的双异质的双异质结构，使得光源与光检测器的寿命都达到结构，使得光源与光检测器的寿命都达到了了10万小时万小时的实用化水平。的实用化水平。1979年发现了年发现了光纤光纤1310nm和和1550nm新的低损耗窗口，紧新的低损耗窗口，紧接着接着单模光纤单模光纤问世。光纤的衰减系数一下问世。光纤的衰减系数一下降到降到0.5dB/km。这使得光纤

37、通信迈进了这使得光纤通信迈进了实实用化阶段用化阶段，从，从80年代初开始光纤通信便大年代初开始光纤通信便大步地迈向了市场。步地迈向了市场。光纤通信技术的三次飞跃光纤通信技术的三次飞跃(2)20世纪世纪90年代初年代初。1989年年掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器EDFA的研制成功是光纤通信新一轮突破的的研制成功是光纤通信新一轮突破的开始。开始。EDFA的应用不仅解决了光纤传输衰的应用不仅解决了光纤传输衰减的补偿问题，而且为一批光网络器件的应减的补偿问题，而且为一批光网络器件的应用创造了条件。使得光纤通信的用创造了条件。使得光纤通信的数字传输速数字传输速率迅速提高率迅速提高，促成了波分复用技术的，促

38、成了波分复用技术的实用化实用化。光纤通信技术的三次飞跃光纤通信技术的三次飞跃(3)光纤通信光纤通信超高速超高速大大容量容量长距离长距离网络化网络化一根光纤中可同时传输一百一根光纤中可同时传输一百多路信号，采用特殊技术多路信号，采用特殊技术甚至可以同时传输甚至可以同时传输1022路路单路速率不断提升，单路速率不断提升，已达到已达到10、20、40Gb/s采用采用OTDM技术甚至技术甚至可达可达640Gb/s各种通信技术的快速各种通信技术的快速发展使上千甚至上万公发展使上千甚至上万公里的长距离传输成为可能里的长距离传输成为可能全光网成为目前光通信全光网成为目前光通信领域最热门的话题之一领域最热门的

39、话题之一EducationEducationTelephoneTelephoneTravelTravelEntertainmentEntertainmentHealthHealthAll All servicesservices Network Network traffic is traffic is growing!growing!The whole worldThe whole world is in my mind!is in my mind!Demand for Broad Demand for Broad bandwidthbandwidthOptical networkingSh

40、oppingShoppingBankingBanking21世纪的通信业务世纪的通信业务全球通信业务需求估计全球通信业务需求估计用户增加；用户增加；用户增加；用户增加；每个用户的业务每个用户的业务每个用户的业务每个用户的业务量增加；量增加；量增加；量增加；服务质量的提高；服务质量的提高；服务质量的提高；服务质量的提高；通信容量通信容量通信容量通信容量需求急增需求急增需求急增需求急增光纤通信最具代表性技术光纤通信最具代表性技术 波分复用波分复用WDM和光纤放大器和光纤放大器EDFA光纤传输技术进一步发展新的传输技术层出不穷新的传输技术层出不穷色散管理技术色散管理技术色散管理技术色散管理技术L L

41、波波波波EDFAEDFA，RARAFECFEC技术技术技术技术色散与色散斜率的补偿色散与色散斜率的补偿色散与色散斜率的补偿色散与色散斜率的补偿PMDPMD补偿技术补偿技术补偿技术补偿技术OTDMOTDM技术与光孤子技术技术与光孤子技术技术与光孤子技术技术与光孤子技术 2.5Gb/s 10Gb/s 40Gb/s10Gb/s 40Gb/s20Gb/s 80Gb/s80Gb/s 320Gb/s3216841WDM WDM 波长数波长数波长数波长数每波长比特率每波长比特率每波长比特率每波长比特率(TDM)(TDM)40Gb/s 网络容量演进战略网络容量演进战略 40G 器件器件关键原材料关键原材料关键

42、原材料关键原材料光纤预制棒光纤预制棒光纤预制棒光纤预制棒网络管理系统网络管理系统网络管理系统网络管理系统测试设备测试设备测试设备测试设备光纤光纤光纤光纤光缆光缆光缆光缆光传输光传输光传输光传输/交换交换交换交换设备设备设备设备光无源器件光无源器件光无源器件光无源器件光有源器件光有源器件光有源器件光有源器件运营商运营商运营商运营商网络集成商网络集成商网络集成商网络集成商光纤通信的产业链光纤通信的产业链国内现状国内现状19631963年年年年 开始光通信的研究开始光通信的研究开始光通信的研究开始光通信的研究19741974年年年年 研究光纤通信研究光纤通信研究光纤通信研究光纤通信“六五六五六五六五

43、”、“七五七五七五七五”、“八五八五八五八五”铺设铺设铺设铺设“八纵八纵八纵八纵八横八横八横八横”光纤线路总长约七万公里光纤线路总长约七万公里光纤线路总长约七万公里光纤线路总长约七万公里传输码率：从传输码率：从传输码率：从传输码率：从140Mb/s2.5Gb/s140Mb/s2.5Gb/s，10Gb/s10Gb/s，40Gb/s40Gb/s已开始研究。已开始研究。已开始研究。已开始研究。DFBDFB（量子阱）激光器和量子阱）激光器和量子阱）激光器和量子阱）激光器和EDFAEDFA研制成功，研制成功，研制成功，研制成功，可供应用可供应用可供应用可供应用高速电子器件、波导器件尚有差距高速电子器件、

44、波导器件尚有差距高速电子器件、波导器件尚有差距高速电子器件、波导器件尚有差距NSFCnetNSFCnet 网络的拓扑结构网络的拓扑结构网络的拓扑结构网络的拓扑结构说明：说明：NSFCnet由六个节点组成由六个节点组成，以清华为汇接点构成两个，以清华为汇接点构成两个环行拓扑结构，清华、北大和中科院三点构成二纤双向自愈环行拓扑结构，清华、北大和中科院三点构成二纤双向自愈环采用环采用WDM传输技术，在清华和北大之间通过在实验室中加传输技术，在清华和北大之间通过在实验室中加光纤进行光纤进行400公里广域网模拟试验；在其它节点构成的环中采公里广域网模拟试验；在其它节点构成的环中采用单路用单路SDH/SO

45、NET传输技术。传输技术。带来的科学问题带来的科学问题光纤性能是有限制的，随着信道数光纤性能是有限制的，随着信道数据率和传输距离的增加，系统容量据率和传输距离的增加，系统容量日益趋近极限，日益趋近极限，光纤不再是一个透光纤不再是一个透明管道。明管道。2.5Gb/s per channel:forget the fiber;160Gb/s per channel:forget WDM!为克服这些限制，除为克服这些限制，除新型光纤新型光纤(相对稳定相对稳定)外，外，综合采用了综合采用了色散管理、宽带色散管理、宽带EDFA、Raman 放大、前向纠错（放大、前向纠错（FEC）等行之有效的新技等行之有

46、效的新技术；但新技术不一定都是好技术。术；但新技术不一定都是好技术。-系统总成本增加；系统总成本增加；-灵活性、扩展性、生存性降低，特别不利于网灵活性、扩展性、生存性降低，特别不利于网络设计络设计怎样才是好技术？怎样才是好技术？怎样才是好技术？怎样才是好技术？带来的科学问题带来的科学问题 持续发展面临的挑战持续发展面临的挑战功能多、适应能力强、功能多、适应能力强、成本低的光子学器件与技术；成本低的光子学器件与技术；革命性变革有待于基础研究革命性变革有待于基础研究如何使光子变如何使光子变得得聪明聪明？所有的智能都在电层所有的智能都在电层-只能是只能是“低能低能”；光层变为光层变为 big fat pipe 使运营商无利可图，限制使运营商无利可图，限制了光通信的发展；了光通信的发展；电子也曾经电子也曾经 stupid，有存储、信号处理等功能有存储、信号处理等功能后才变为后才变为 SMART；基本问题：由材料开始基本问题：由材料开始！1015年解决，将引发通信事业的另一次革命！年解决，将引发通信事业的另一次革命！