第1章光纤通信概述教材课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,光纤通信原理与系统,Communication and Information School,Shanghai University,Zou,Xuemei,zxm,8/8/2024,第一章,光纤通信概论,第二章,光纤,第三章,光源与光发送机,第四章,光检测器与光接收机,第五章,光放大器,第六章,光纤通信系统,目 录,8/8/2024,第一章 光纤通信概论,光纤通信的发展历程和光网络的概况,通信发展历程,为什么是光纤,光纤通信的发展,光纤通信的支撑技术,光纤通信系统的应用,8/8/2024,1,.,通信的发展历程,1873,年，美国人莫尔斯发明了电报，用电传输了文字信息；,1876,年，美国人贝尔发明了电话，用电传输了声音；,1924,年，英国人贝尔德发明了电视机，用电传输了图像；,1946,年，美国,美国宾夕法尼亚大学，电子计算机,。,电报、电话和电视都是用,无线电,或,有线电,传输信息，电通信作为信息传输的有效通道，一直沿用了一个多世纪。,20,世纪,-,电子世纪,21,世纪,-,光子世纪,光子技术将带来一场超过电子技术的产业革命,.,光子技术的应用,:,（,1,）作为光子发生与控制的激光技术和产业。,（,2,）运算速度更快的光子计算机。,（,3,）存储量大的光存储技术。,（,4,）,代替现行通信方式的光通信,。,（,5,）全息光技术。,8/8/2024,什么是光纤通信？,光纤通信,：利用光纤光缆传输光波信号的通信方式。,优点,：价格便宜，线路损耗低、频带宽。是现代通信网的骨干。,传输媒介,无线通信：微波、卫星,有线通信,:,铜线电缆、光纤光缆,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。,8/8/2024,电磁波,交变的电场会产生交变的磁场，交变的磁场又会激起交变的电场，这种电场、磁场无限地交变产生，合称电磁场。这种,交变的电磁场,会,在空间以波的形式由近及远地传播开去，这就是电磁波,。,光也是电磁波,电磁波,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,8/8/2024,通信传输媒介,分类,及相应波段划分,10,1,10,7,10,2,10,6,10,3,10,5,10,4,10,4,10,5,10,3,10,6,10,2,10,7,10,1,10,8,10,0,10,9,10,-1,10,10,10,-2,10,11,10,-3,10,12,10,-4,10,13,10,-5,10,14,10,-6,10,15,ELF,VF,VLF,LF,MF,HF,VHF,UHF,SHF,EHF,自由空间波长，,m,频率，,Hz,电力,、电话,无线电、电视,微波,红外,可见光,双铰线,同轴电缆,光纤,卫星,/,微波,AM,无线电,FM,无线电,频段划分,传输介质,有线：,光纤 （频率很高,10,14,，载波能力强）,铜线 （同轴线、屏蔽与非屏蔽双绞铜线）,无线：微波、无线电,8/8/2024,电磁频谱,：电磁波的波长范围,发送信号的频率越高（波长越短），,可载送的信息量就越多,光波是电磁波，光波范围包括红外线、可见光、紫外线，其波长范围为：,300m,610,3,m,。,8/8/2024,光纤通信的光波波谱,光纤通信的,波谱在,1.6710,14,Hz,3.7510,14,Hz,之间,，即,波长在,0.8m,1.8m,之间,，属于红外波段，将,0.8m,0.9m,称为短波长,，,1.0m,1.8m,称为长波长,，,2.0m,以上称为超长波长,。,表,1-1,各种单位的换算公式,c,310,8,m/s,1MHz,（兆赫）,10,6,Hz,c/,f,1GHz,（吉赫）,10,9,Hz,1m,（微米）,10,6,m,1THz,（太赫）,10,12,Hz,1nm,（纳米）,10,9,m,1PHz,（拍赫）,10,15,Hz,1,（埃）,10,10,m,8/8/2024,2.W,h,y,f,i,b,e,r,？,(,光纤的优点,),近乎无限的带宽（,没有光纤就没有当今的信息高速公路,),低损耗（,0.2dB/km),，,（,传输距离远,）,无电磁干扰，,信号传输质量高，保密性好,耐化学腐蚀,光纤尺寸小，重量轻,，,便于传输和铺设；,低价 （,光纤是石英玻璃拉制成形,原材料来源丰富，并节约了大量有色金属）,8/8/2024,高速宽带,DWDM,光传输的容量潜力,1530 1675 nm,1260,(,无水峰,),单纤全部可用频段为,400nm,，约,5,0,THz,频谱效率,为,0.4 bit/s/Hz(,说明),则,【,可用容量上限,】,为,5,0,THz,0.4 bit/s/Hz,20Tb/s,若每波长 信道速率,40Gb/s,单根纤芯可传,500,个波长,500,路,x40Gb/s,=20Tb/s,0.2,dB,0.3,dB,8/8/2024,10,Gb/s,能作什么,？,1.,ASCII Character,(8 bit)10,9,Char./s,(1000 books),2.,Voice Channel,(64Kb/s)155,000 Channels,3.,HDTV,(60Mb/s)160 Channels,Compressed,(20Mb/s)500 Channels,4.,Gigabit Ethernet,(1Gb/s)8 Channels,8/8/2024,电信号,输入,半导体,激光器,光探测器,电信号,输出,fiber,E E/O O/E E,3.,光通信的发展,激光的发明,主要,是半导体激光器（,60,年代,-,）,光导纤维技术的发展（,70,年代,-,）,半导体探测器（,60,年代,-,）,WDM,技术的出现（90年代-）,光放大技术（,90,年代,-,）,几个里程碑：,8/8/2024,3.1,早期的光通信,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”,8/8/2024,图,1.1,贝尔电话系统,在这里，将弧光灯的恒定光束投射在话筒的音膜上，随声音的振动而得到强弱变化的反射光束，这个过程就是调制。,到了,1880,年，,贝尔发明了第一个光电话,，这一大,胆的尝试，可以说是现代光通信的开端。,8/8/2024,激光器的发明和应用，使沉睡了,80,年的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，但通信不稳定。,1960,年，大气光波通信,图,1.2,红宝石激光器,美国,梅曼,(Maiman),，,1960,8/8/2024,光波地下传输,在大气光通信受阻之后，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波导等地下通信的实验。,图,1.3,反射波导和透镜波导,8/8/2024,红宝石激光器、贝尔光电话和烽火报警一样，都是利用大气作为光通道，光波传播易受气候的影响，在大雾天气，它的可见度距离很短，遇到下雨下雪天也有影响。,反射波导和透镜波导造价昂贵，调整、维护困难。,由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质，对光通信的研究曾一度走入了低潮。,8/8/2024,1870,年，英国物理学家廷德尔在实验中观察到，把光照射到盛水的容器内，从出水口向外倒水时，,光线也沿着水流传播，出现弯曲现象,，这好象不符合光只能直线传播的定律。,1955,年光纤才得到实际应用。,当时在英国伦敦学院工作的,卡帕尼博士，发明了,用极细,的玻璃制做的光导纤维,。,芯层,+,包层。芯层的折射率大,于包层，光在其中做全反射,。,1960,年,左右，最好的,光纤损,耗也在,1000,分贝,/,公里,(dB/km),。,由于，损耗很大，它最初被用,于医疗，如内窥镜。,3.2,光,纤的发展,8/8/2024,1966,年,高锟提出光纤波导的概念,，当时最好光纤的损耗,1000 dB/km,，但,他推测出小于,20 dB/km,的损耗是可以做到的,并可进入商用。,1974,年,美国康宁公司,的,French,采用,MCVD,方法,制出损耗小于,4 dB/km,的石英光纤,，从此石英光纤正式登上光通信的宝座。,8/8/2024,高锟,(,K.C.Kao,),博士深入研究了光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题，发现这种,玻璃纤维引起光损耗的主要原因是其中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属离子和其他杂质，其次是拉制光纤时工艺技术造成了芯、包层分界面不均匀及其所引起的折射率不均匀,，他还发现一些玻璃纤维在红外光区的损耗较小。,光纤之父：,英籍华人高锟,(,K.C.Kao,),博士,工作地点：英国标准电信研究所,8/8/2024,1966,年，高锟,(,C.K.Kao,),和霍克哈姆,(,C.A.Hockham,),发表了关于传输介质新概念的,论文,用于光频的光纤表面波导,指明通过“原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤”这一发展方向,奠定了现代光通信,光纤通信的基础。,高锟,(,左,),从瑞典国王手中接过,2009,诺贝尔物理学奖,8/8/2024,1970,年起，光纤研制取得了重大突破,1970,年，美国康宁,(Corning),公司研制成功损耗,20dB/km,的石英光纤。,1972,年，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,(Bell),实验室的光纤损耗降低到,2.5dB/km,。,1974,年降低到,1.1dB/km,。,1976,年，日本电报电话,(NTT),公司将光纤损耗降低到,0.47 dB/km(,波长,1.2m),。,目前，波长为,1.55,m,的光纤损耗,摩尔定律（数量级,/18month.),8/8/2024,信,源,信,源,编,码,T,D,M,信,道,编,码,调,制,信,源,解,码,T,D,M,信,道,解,码,调,制,光纤,PCM,电端机,光,接收机,光,发射机,PCM,解调,信源,语音,图象,数据,信,源,数字光通信系统构成,8/8/2024,(1),传统的电传输系统,E,M,U,X,电端机,再生,中继,再生,中继,E,D,M,U,X,电复用 电解复用,电端机,同轴电缆、微波,O/E/O,光 缆,E,M,U,X,再生,中继,再生,中继,E,D,M,U,X,电复用 电解复用,光接收,(2),光电混合型光纤传输系统,光发送,4.,光纤通信的支撑技术,-OAMP+DWDM,8/8/2024,(3)DWDM,光纤传输系统,O,M,U,X,OA,OA,OA,光发送,光发送,光发送,，,光接收,光接收,光接收,O,D,M,U,X,8/8/2024,TX,TX,TX,TX,TX,TX,TX,TX,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,TX,TX,40km,40km,40km,40km,40km,40km,40km,40km,40km,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,TX,TX,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,TX,TX,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,TX,TX,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,TX,TX,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,TX,TX,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,TX,TX,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,TX,TX,TX,TX,TX,TX,TX,TX,TX,TX,M,U,X,120 km,120 km,120 km,WDM+EDFA,革新了光纤传输,D,E,M,WDM+EDFA,革新了光纤传输,EDFA,EDFA,8/8/2024,5.1,光纤通信网,光纤公用电信网：核心网、城域网,我国市内电话光缆传输试验从,1978,年开始。目前，公用电信网的传输线基本上均是采用光纤光缆连接。,光纤局域网,光纤宽带网,光纤接入网,无线通信网,海底光缆及洲际通信网,5.,光纤通信系统的应用,8/8/2024,5.2,能源、交通和其他,电力系统的监视、控制和管理,：,由于使用了光纤，不受强电磁干扰，不仅信息传输量增大，而且工作更加可靠。传输信息用的光纤，可以,放在输电线、地线的中心，不受干扰，施工方便,。用电设备观测雷击很困难，因为雷击对电设备也可能造成破坏。而用,光纤却可以直接观测雷击现象,。,煤炭系统的监视、控制和管理,：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，很多设备可以无源化,，即保证了安全，又能实现远距离监控。,8/8/2024,铁路通信网,铁路通信网是直接为铁路运输调度服务的独立通信网。它具有结点多，分支、插入话路频繁，通信容量有大有小，通信距离长短不一，组网方式多种多样，传输信号种类各异等特点。,电气化铁路对通信要求：,通信容量要大，不受电力机车强电磁干扰，传输电话、数据以外还要传输列车运行的长距离无人监控图像信号。除了光纤通信，没有哪一种通信方式能满足这些要求。,地铁控制系统,高速公路监控系统,8/8/2024,5.3,军事,战术通信,主要有两种系统：一种是本地分配系统，包括战地指挥所的布线，兵器之间的连接，野战计算机的互连，以及基地信息传输系统等；一种是长距离战术通信系统，一般通信距离超过 1千米。,水下通信系统,是扫雷舰与浮游载体之间的数据传输线路。,扫雷舰,的主要任务是清扫航道上的水雷，而利用浮游载体扫雷最为安全而可靠。扫雷舰与浮游载体之间连着,3,根光纤：一根光纤把水下浮游载体探测到的声纳信号和遥测信号（都是视频信号）传给舰船；另一根光纤用来传输舰船给水下浮游载体的控制信息；第三根光纤备用。,光纤反潜战网络,，也就是把光纤传输线路与水听器相连，把监测到的敌潜声音信号通过光纤传输到舰上或岸上信息处理中心，以便确定作战方案。光纤用于水下通信，探测的灵敏度高，传输的信息量大，抗各种干扰的能力强，而且重量轻、浮力大。,8/8/2024,航空母舰：,机载通信、舰载通信。,雷达：,在雷达室与作战情报中心之间传输信息，不仅改善了抗干扰能力和保密性能，而且还能更好保证作战情报中心的安全。,光纤制导武器,主要包括光纤制导导弹和光纤制导鱼雷。它用光纤传输目标图像，制导精度高，导弹射程远，而且更安全可靠，是一种由射击手控制的人工智能武器。,8/8/2024,5.4,医学应用,利用传光束的照明器和测氧计,利用传像束的内窥镜,激光手术刀。,8/8/2024,5.5,机车电子,8/8/2024,5.6,宽带应用,三网融合,三重播放业务的,驱动,(,3 Play:,数据,IP,视频宽带语音),:,带宽需求大量增长,支持单播业务和组播业务的高效率传送,支持接入技术的不断演进,(,例如：,ATM,转向,Ethernet),对语音和视频业务提供高可靠性的传送保障,商业用户业务的,演进,：,IP-VPN,以太网,VPNs,存储区域网络,SAN,高带宽的业务需求,提供网络高可用性和高安全性,业务的快速提供和端到端管理及故障定位,固定/移动网络的,融合,:,公共的网络汇聚层,(,在网络,L2/L1/L0,提供业务疏导),支持接入技术的不断演进,(e.g.,TDM,to,Ethernet for WiMAX),减少独立的骨干网络数量，优化网络结构，降低网络建设维护成本,卓越的多层业务,OAM，,提供高可用性和可恢复的网络支持,8/8/2024,目前叠加的城域传送网,汇聚,Aggregate,接入,/Access,边缘,Edge/,核心,Core,城域传送,Metro Transmission,核心传送,Core Network Transmission,FE,Wireless,IP/MPLS,业务路由器,Service Router,3G,核心网,3G Core Network,传送节点,Node-B,WiMAX,E1,语音,/Voice,STM/OC,IP-DSLAM,N x GE,FTTx,GE,DSL,视频,/Video,数据,/Data,GE,E1,RNC,SGSN,GGSN,传送节点,Transmission Node,SDH,环,SDH,以太网交换机,Ethernet Switch,端局,CO,SDH/,环,SDH Ring,SDH/MSTP,SDH,BRAS,SDH Ring,8/8/2024,长三角地区试验网（一期）,Each user can possess about 50 Mb/s bandwidth.,One user can enjoy 1 HDTV channel with 25 Mb/s,2 SDTV channels with 14 Mb/s,and 9 Mb/s high speed Internet simultaneously.,Users can enjoy 101 DTV/HDTV and 2000 interactive,VODs,e-health,e-learning,e-show,e-science,10GE,GE,FE,ACR,EMD,RIU,ASON,ACR,8/8/2024,从中国信息通信发展趋势,看光纤通信的未来,8/8/2024,我国光纤通信的现状,1979,年，我国在上海也率先进行了光纤通信的实验。,120,路的光纤电话并入从四川路局到海宁路局,(1.8 km),的市话网,1986,年建立了国内第一条光缆干线,宁汉光缆,八五,期间建成,8,纵,8,横光纤骨干网，,长达,33000,公里,覆盖了除台湾外所有省会城市和,75,地市。,1999,年,1,月，我国第一条最高传输速率的国家一级干线（济南,青岛）,82.5Gb,s,密集波分复用（,DWDM,）,系统建成，使一对光纤的通信容量又扩大了,8,倍。,目前，我国长途骨干网的光缆长度达到了,17,万公里,，并经中美、中日、中韩等海缆和欧亚大陆桥光缆与国际光缆网连接。,我国总的光缆线路总长度超过,150,万公里，,居世界前列。,8/8/2024,FLAGFiber Optic Link,around the Globe,架空光缆,直埋光缆,北京,上海,至欧洲,至日本,FLAG,至韩国,至朝鲜,至俄罗斯,我国光缆骨干网分布图,至东南亚,8/8/2024,光纤的损耗,(dB/km):,光源的输出功率为,1,mW,光电探测器的灵敏度为,1uW,dB,的概念,Question:,光发射机输出光功率10,mW,光纤损耗 0.2,dB/km,光纤长度100,km;,传输系统共有两个光纤接头，每个,接头损耗为0.1,dB,问：接收机接收的光功率为多少,mW,?,8/8/2024,End of Chap.1,Thank you !,8/8/2024,