光信息科學與技術(shù)

光信息科學與技術(shù)第一頁，共七十五頁，2022年，8月28日一、光通信的發(fā)展與現(xiàn)狀二、光纖的結(jié)構(gòu)與模式三、光纖的分類四、光纖通信的四個發(fā)展階段五、光纖通信的關(guān)鍵技術(shù)六、光纖通信的主要特點七、光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成八、光纖通信系統(tǒng)的應用九、光網(wǎng)絡與結(jié)構(gòu)十、新技術(shù)簡介第二頁，共七十五頁，2022年，8月28日一、光通信的發(fā)展與現(xiàn)狀傳輸媒介無線通信：微波、衛(wèi)星、激光有線通信：銅線電纜、光纖光纜通信系統(tǒng)：將信息從一處傳到另一處的全部技術(shù)設備和信道(傳輸媒介)的總和第三頁，共七十五頁，2022年，8月28日公元前11世紀，西周王朝，烽火臺白天點狼糞，晚上燃柴火——“狼煙四起”最早的光通信但由于受到視距﹑大氣衰減﹑地形阻擋等諸多因素的限制，光通訊的發(fā)展緩慢。第四頁，共七十五頁，2022年，8月28日1880年貝爾發(fā)明了第一個光電話系統(tǒng)，通話距離213米光傳輸應解決的問題：1、傳輸介質(zhì)問題；

2、傳輸損耗問題；

3、光源問題?，F(xiàn)代光通信的開端：第一個光電話系統(tǒng)第五頁，共七十五頁，2022年，8月28日1870年，英國物理學家丁達爾太陽光隨著水流發(fā)生彎曲n水

>n空氣，光發(fā)生全反射光纖的雛形（傳輸介質(zhì)的問題）第六頁，共七十五頁，2022年，8月28日光纖的雛形（傳輸介質(zhì)的問題）這是全反射的作用，即光從水中射向空氣，當入射角大于某一角度時，折射光線消失，全部光線都反射回來。第七頁，共七十五頁，2022年，8月28日光纖的雛形（傳輸介質(zhì)的問題）在1966年，高錕在一篇論文中首次提出用玻璃纖維作為光波導線用于通訊的理論。簡單地說，就是提出以玻璃制造比頭發(fā)絲更細的光纖，取代銅導線作為長距離的通訊線路。這個理論引起了世界通信技術(shù)的一次革命。隨著第一個光纖系統(tǒng)于1981年成功問世，高錕“光纖之父”的美譽傳遍世界。第八頁，共七十五頁，2022年，8月28日研究對象：光在石英玻璃纖維中的嚴重損耗問題損耗原因：1)玻璃纖維中含有過量的鉻、銅、鐵、錳、OH-

2)光纖拉制工藝造成芯、包層分界面不均勻及其所引起的折射率不均勻新的發(fā)現(xiàn)：玻璃纖維在紅外光區(qū)的損耗較小現(xiàn)代光纖通信的大發(fā)展（光纖損耗的問題）光纖之父：高錕1966年英國標準電信研究所第九頁，共七十五頁，2022年，8月28日發(fā)送信號的頻率越高(波長越短)，可載送的信息量就越多在電磁波譜中，光波范圍包括紅外線、可見光、紫外線，其波長范圍為：300mm~6×10?3

mm。電磁波譜常用通信光載波頻率~190THz第十頁，共七十五頁，2022年，8月28日

高錕獲得2009年諾貝爾物理獎！

1966年，英籍華裔學者高錕(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文，指出了利用光纖(OpticalFiber)進行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，奠定了現(xiàn)代光通信——光纖通信的基礎。

指明通過“原材料的提純制造出適合于長距離通信使用的低損耗光纖”這一發(fā)展方向第十一頁，共七十五頁，2022年，8月28日光纖通信發(fā)明家高錕(左)

1998年在英國接受IEEE授予的獎章第十二頁，共七十五頁，2022年，8月28日什么是通信？“通”傳送，“信”信息；信息的傳送基本組成：發(fā)送、傳輸、接收什么是光纖通信？利用激光作為信息的載波信號，并通過光纖來傳送信息的通信系統(tǒng)。第十三頁，共七十五頁，2022年，8月28日光纖通信是人類歷史上的重大突破，現(xiàn)今的光纖通信已成為信息社會的神經(jīng)系統(tǒng)。第十四頁，共七十五頁，2022年，8月28日通信網(wǎng)絡公用電信網(wǎng)：核心網(wǎng)、城域網(wǎng)光纖接入網(wǎng)海底光纜及洲際通信網(wǎng)第十五頁，共七十五頁，2022年，8月28日第十六頁，共七十五頁，2022年，8月28日1970年，Bell

Lab、日本NEC和前蘇聯(lián)先后研制成功室溫下連

續(xù)振蕩的鎵鋁砷(GaAlAs)雙異質(zhì)結(jié)半導體激光器(短波

長)。雖然壽命只有幾個小時，但它為半導體激光器

的發(fā)展奠定了基礎，成為光纖通信史上的里程碑。1973年，半導體激光器壽命達到7000小時。1976年，日本NTT研制出波長為1.3mm的銦鎵砷磷(InGaAsP)激光器。1977年，Bell

Lab研制的半導體激光器壽命達到10萬小時。1979年，AT&T和NTT研制成功波長為1.55mm的半導體激光器。

半導體通信光源的出現(xiàn)（光源問題）第十七頁，共七十五頁，2022年，8月28日分布反饋式(DFB)激光器激光的獨特優(yōu)點：（1）亮度高（2）單色性好（3）方向性好（4）相干性好第十八頁，共七十五頁，2022年，8月28日激光的獨特優(yōu)點：（1）亮度高：其定義是單位面積，單位立體角內(nèi)所發(fā)射出的功率；利用激光的高亮度，可以在局部范圍產(chǎn)生10萬度以上的高溫，進行打孔、焊接、手術(shù)以及可控熱核反應等等。（2）單色性：即激光只有一個振蕩波長，適合制成高清晰度的彩色電視；譜線寬度越窄(即波長范圍越小)，光的單色性就越好。（3）方向性：激光的發(fā)射角很小，幾乎是嚴格的平行光。1962年人類第一次用高亮度激光束射到距離地球38萬公里的月球，光斑直徑不到2km。發(fā)散角越小，方向性越好。（4）相干性好：激光的頻率、振動方向、相位高度一致，使激光光波在空間重疊時，重疊區(qū)的光強分布會出現(xiàn)穩(wěn)定的強弱相間現(xiàn)象。這種現(xiàn)象叫做光的干涉，所以激光是相干光。而普通光源發(fā)出的光，其頻率、振動方向、相位不一致，稱為非相干光。

第十九頁，共七十五頁，2022年，8月28日二、光纖的結(jié)構(gòu)和模式第二十頁，共七十五頁，2022年，8月28日纖芯1)位置：光纖的中心部位2)尺寸：直徑d1=4~50mm3)材料：高純度SiO2，摻有極少量的摻雜劑(GeO2，P2O5)， 作用是提高纖芯折射率(n1)，以傳輸光信號第二十一頁，共七十五頁，2022年，8月28日包層位置：位于纖芯的周圍尺寸：直徑d2=125mm材料：高純度SiO2，極少量摻雜劑(如B2O3)的作用則是適當降低包層折射率(n2)，使之略低于纖芯折射

率，使得光信號能約束在纖芯中傳輸?shù)诙摚财呤屙摚?022年，8月28日涂覆層1)位置：位于光纖的最外層2)尺寸：涂覆后的光纖外徑約為1.5mm3)結(jié)構(gòu)和材料：包括一次涂覆層，緩沖層和二次涂覆層

a)一次涂覆層一般使用丙烯酸酯、有機硅或硅橡膠材料

b)緩沖層一般為性能良好的填充油膏(防水)

c)二次涂覆層一般多用聚丙烯或尼龍等高聚物作用：保護光纖不受水汽侵蝕和機械擦傷，同時又增加光纖的機械強度與可彎曲性，起著延長光纖壽命的作用第二十三頁，共七十五頁，2022年，8月28日按傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)目分類單模光纖多模光纖三、光纖的分類第二十四頁，共七十五頁，2022年，8月28日光纖的傳播模式單模光纖(SignalModeFiber)：僅允許一個模式傳播的光纖多模光纖(MultipleModeFiber)：同時允許多個模式傳播在光纖的數(shù)值孔徑角內(nèi)，以某一角度射入光纖端面，并能在光纖纖芯-包層交界面上產(chǎn)生全反射的傳播光線，就可以稱為入射光的一個傳播模式。第二十五頁，共七十五頁，2022年，8月28日單模光纖和多模光纖(續(xù))一根光纖是否單模傳輸與光纖中傳輸?shù)墓獠ㄩL有關(guān)：多模：纖芯半徑>>光波波長：光纖中會存在大量傳播模式單模：纖芯半徑~光波波長：光纖只允許一種模式在其中傳播因此，對于給定波長單模光纖的芯徑要比多模光纖小例如，對于常用通信波長(如1550nm)，單模光纖芯徑在8~12mm，而多模光纖芯徑>50mm。單模和多模的纖徑芯徑不一樣！

第二十六頁，共七十五頁，2022年，8月28日單模光纖優(yōu)點：芯徑小，不存在模間色散，帶寬大，用于長途傳輸缺點：芯徑小，需要使用半導體激光器LD激勵多模光纖優(yōu)點：芯徑大，容易注入光功率，可以使用發(fā)光二級管LED作為光源缺點：存在模間色散，只能用于短距離傳輸單模光纖和多模光纖的特點多模只能傳輸2KM；單模可以傳輸100KM,現(xiàn)在基本上都是用單模的!第二十七頁，共七十五頁，2022年，8月28日第二十八頁，共七十五頁，2022年，8月28日第二十九頁，共七十五頁，2022年，8月28日第三十頁，共七十五頁，2022年，8月28日第三十一頁，共七十五頁，2022年，8月28日第三十二頁，共七十五頁，2022年，8月28日時間第三十三頁，共七十五頁，2022年，8月28日第三十四頁，共七十五頁，2022年，8月28日第三十五頁，共七十五頁，2022年，8月28日第三十六頁，共七十五頁，2022年，8月28日第一代：1966~1979(從基礎研究到商業(yè)應用的開發(fā)時期)激光器(GaAs)，波長0.8μm，多模光纖，最大中繼距離10km(當時的同軸電纜系統(tǒng)中繼距離為1km)，比特率為10~100Mb/s。多模色散和損耗是限制中繼距離的關(guān)鍵。四、光纖通信的四個發(fā)展階段第三十七頁，共七十五頁，2022年，8月28日第二代：上世紀80年代早期(減小了光纖色散)激光器(InGaAs)，波長1.3μm，單模光纖，最大中繼距離50km，比特率為2.0Gb/s。光纖的損耗(~0.5dB/km)限制了中繼距離。光纖通信的四個發(fā)展階段第三十八頁，共七十五頁，2022年，8月28日第三代：上世紀80年代后期初90年代初(降低了光纖損耗)激光器(InGaAsP)波長1.55μm，單模(色散位移)光纖，比特率為2.5~10Gb/s，最大中繼距離100km。這個階段的缺點是采用電的方式中繼。光纖通信的四個發(fā)展階段第三十九頁，共七十五頁，2022年，8月28日第四代：上世紀90年代之后(引入了WDM和全光放大技術(shù))激光器(InGaAsP)波長1.55μm，單模光纖，采用波分復用技術(shù)和光放大技術(shù)，單波長信道比特率為2.5~10Gb/s，傳輸距離14000km，并提出光通信智能化的概念。光纖通信的四個發(fā)展階段WDM技術(shù)出現(xiàn)第四十頁，共七十五頁，2022年，8月28日光纖通信最具代表性技術(shù)

－波分復用WDM和光纖放大器EDFA五、光纖通信的關(guān)鍵技術(shù)20世紀用光纖通信提高通信容量得益于

兩個重大技術(shù)突破：波分復用和光放大。第四十一頁，共七十五頁，2022年，8月28日1、波分復用WDM的工作原理空分復用：即同一線路上敷設含多根光纖的光纜，現(xiàn)在一根光纜中包含成百上千條光纖，此方法宛如多修一些并行公路，雖簡單，但不經(jīng)濟。時分復用（TDM）：將不同信道的數(shù)字信號在時間上錯開或分割再匯合的方法。波分復用（WDM）：通過TDM達到一定的比特率，再將它們負載到不同波長的光波上，然后將多個載有信息的波長通過光波分復用器耦合進同一單模光纖傳輸出去。比如國際電聯(lián)（ITU）所定的密集波分復用（DWDM）的波長間隔0.8nm。美國朗訊將1022個不同波長復用至同一光纖。第四十二頁，共七十五頁，2022年，8月28日1、波分復用WDM的工作原理在1300~1600nm光譜范圍內(nèi)，以一定的間隔隔開的多個波長可以在同一根光纖中獨立傳播例：這兩個低損耗波長窗口可以容納290個40-Gb/sPSK信號第四十三頁，共七十五頁，2022年，8月28日點到點的波分復用系統(tǒng)波分復用器100GHz間隔的WDM信道頻譜第四十四頁，共七十五頁，2022年，8月28日WDM系統(tǒng)的優(yōu)點1.系統(tǒng)容量可以很容易升級

如果每個波長可以承載40Gb/s的信息，那么一根光纖若同時傳輸100個波長就能實現(xiàn)4Tb/s的傳輸2.可以保持數(shù)據(jù)的透明性

所有信道都能獨立地攜帶信息，它們之間可以不同步，數(shù)據(jù)速率可以不同，調(diào)制格式可以不同，可以是模擬或數(shù)字信號3.可以用于構(gòu)造波長路由光網(wǎng)絡

光網(wǎng)絡交換節(jié)點除了可以執(zhí)行時間和空間兩個維度的交換之外還可以利用波長進行交換，多維的交換讓光網(wǎng)絡具有更高

的靈活性第四十五頁，共七十五頁，2022年，8月28日光纖放大器

光纖放大器是光纖通信系統(tǒng)對光信號直接進行放大的光放大器件。在使用光纖的通信系統(tǒng)中，不需將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，直接對光信號進行放大的一種技術(shù)。

動機：解決電中繼器設備復雜、維護難、成本高的問題一個小的光放大器就能取代龐大的中繼站！第四十六頁，共七十五頁，2022年，8月28日摻鉺光纖放大器EDFA影響：光放大器最重要的意義在于促使波分復用技術(shù)(WDM)

走向?qū)嵱没?、促進了光接入網(wǎng)的實用化歷史：以1989年誕生的摻鉺光纖放大器

(ErbiumDopedFiberAmplifier,EDFA)

為代表的全光放大技術(shù)是光纖通信史上的一次革命摻鉺光纖放大器(EDFA即在信號通過的纖芯中摻入了鉺離子Er3+的光信號放大器。)是1985年英國南安普頓大學首先研制成功的光放大器，它是光纖通信中最偉大的發(fā)明之一。

第四十七頁，共七十五頁，2022年，8月28日1976年，美國在亞特蘭大進行世界上第一個實用光纖通信系統(tǒng) 的現(xiàn)場試驗1976年，日本進行了34Mb/s的階躍多模光纖通信系統(tǒng)試驗1978年，日本進行了100Mb/s的漸變型多模光纖通信系統(tǒng)試驗1980年，美國標準化FT-3光纖通信系統(tǒng)投入商業(yè)應用1983年，敷設了縱貫日本南北的光纜長途干線1988年，美日英法建成第一條橫跨大西洋海底光纜通信系統(tǒng)1989年，建成第一條橫跨太平洋海底光纜通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展第四十八頁，共七十五頁，2022年，8月28日當今世界范圍的光纖通信系統(tǒng)第四十九頁，共七十五頁，2022年，8月28日六、光纖通信的主要特性容量大：馬路越寬，容許通過的車輛越多，交通運輸能力也越大。如果把通信線路比作馬路，那么應該說是通信線路的頻帶越寬，容許傳輸?shù)男畔⒃蕉?，通信容量就越大。目前的光纖容量已經(jīng)達到十多個Tb/s第五十頁，共七十五頁，2022年，8月28日損耗低、中繼距離長石英光纖在1.55mm波長區(qū)的損耗可低到0.18dB/km例：

同軸電纜通信的中繼距離只有幾公里

最長的微波通信是50公里左右

光纖通信系統(tǒng)的最長中繼距離已達數(shù)千公里，數(shù)萬公里第五十一頁，共七十五頁，2022年，8月28日抗干擾能力強現(xiàn)有的電通信系統(tǒng)無法令人滿意地解決抗干擾問題。例1：電話線和電纜一般是不能跟高壓電線平行架設的，也不能在電氣鐵化路附近鋪設例2：據(jù)專家測算，如果在美國本土中心上空463公里處爆炸一顆原子彈，1秒鐘內(nèi)即可使全美所有的電纜通信系統(tǒng)失效。但光纖通信線路卻能基本不受影響光纖為什么具有強抗干擾能力？1.光纖屬絕緣體，不怕雷電和高壓2.電磁源干擾不了頻率比它們高得多的光3.杰出的抗核輻射能力第五十二頁，共七十五頁，2022年，8月28日保密性強電通信方式很容易被人竊聽1.電纜通信：只要在電纜附近(甚至幾公里以外)設置一個特別的接收裝置，就可以獲取明線或電纜中傳送的信息。2.無線通信方式：無線電波在大氣中傳播，甚至充斥全球，很容易被人竊聽。光纖通信是保密性能最好的通信方式之一-光在光纖中傳輸時不會跑出光纖和向外輻射電磁波。即使在拐彎非常厲害的地方，漏出包層的光微乎其微。第五十三頁，共七十五頁，2022年，8月28日體積小、重量輕1千克高純度石英玻璃成千上萬公里光纖120噸銅和500噸鉛1000公里的8管同軸電纜18管同軸電纜每米重11千克，而同等容量的光纖每米重90克光纖體積小、重量輕、柔軟易彎曲、鋪設非常方便。第五十四頁，共七十五頁，2022年，8月28日光纖的原材料取之不竭電線主材：銅、鉛等有色金屬，預計只夠使用50年左右光纖主材：普通的石英砂(SiO2)，它在地殼的化學成分中占了一半以上，可以說是取之不盡、用之不竭第五十五頁，共七十五頁，2022年，8月28日其它優(yōu)點不怕腐蝕耐高低溫能力較強(-65~200度)

第五十六頁，共七十五頁，2022年，8月28日缺點1.容易折斷(比如經(jīng)常被挖斷)2.光纖連接困難(斷面是否垂直、焊接點是否有氣泡等)3.光纖通信過程中怕水、怕冰(OH-根吸收增大損耗)4.光纖怕彎曲(導致?lián)p耗增加)案例：新疆某地區(qū)大雪導致光纖故障(2006年10月報道)原因：光纜沒有防護好，被冰雪包裹，并由于冰雪壓力和熱脹冷縮導致光纖彎曲第五十七頁，共七十五頁，2022年，8月28日由光發(fā)射機、光纖光纜、中繼器與光接收機等基本單元組成。此外還包括一些互連與光信號處理器件，如光纖連接器、隔離器、調(diào)制器、濾波器、光開關(guān)及路由器、分插復用器ADM等。光源調(diào)制器驅(qū)動電路光發(fā)射機放大器光電二極管判決器光接收機光纖光纖中繼器七、光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成光器件第五十八頁，共七十五頁，2022年，8月28日點到點鏈路模型光源-光纖的耦合光纖-光纖的耦合第五十九頁，共七十五頁，2022年，8月28日光源-光纖的耦合透鏡耦合一般用于光源發(fā)光面積小于纖芯面積的情況，其作用是：擴大光源的發(fā)射面積，使之與纖芯區(qū)域匹配

改變光線的入射角，使之容易耦合入纖第六十頁，共七十五頁，2022年，8月28日光纖-光纖的耦合接收光纖必須與發(fā)射光纖完全對準以減少損耗第六十一頁，共七十五頁，2022年，8月28日光纖-光纖的耦合（機械對準誤差）纖芯尺寸細微，很難實現(xiàn)完全精確的機械對準。由此導致的機械對準誤差將成為連接損耗的主要原因。機械損耗分為三種：

(1)橫向(軸向)誤差

(2)縱向誤差(3)角度誤差第六十二頁，共七十五頁，2022年，8月28日光纖-光纖的耦合（各種誤差帶來的損耗）結(jié)論：橫向?qū)收`差帶來的損耗最大第六十三頁，共七十五頁，2022年，8月28日連接器的設計要求：

-(多次連接、拆卸后)保持低耦合損耗 -(對使用技巧要求低)易于安裝 -(溫度、粉塵、濕氣)環(huán)境敏感性低 -低成本和高可靠性 -(無需特殊工具)易于連接光纖連接器：非永久連接第六十四頁，共七十五頁，2022年，8月28日八、光纖通信系統(tǒng)的應用通信網(wǎng)絡公用電信網(wǎng)：核心網(wǎng)、城域網(wǎng)光纖接入網(wǎng)海底光纜及洲際通信網(wǎng)第六十五頁，共七十五頁，2022年，8月28日電力、煤炭系統(tǒng)的監(jiān)視、控制和管理能源系統(tǒng)抗干擾能力強無源傳感、寬帶傳輸電力系統(tǒng)：光纖可以放在輸電線、地線的中心，不受干擾。尤其在觀測雷擊的時候能起到電設備不可替代的作用。煤炭系統(tǒng)：電監(jiān)控系統(tǒng)信號均為電信號，在含瓦斯高的礦井中容易引起爆炸。因此，如果考慮安全因素，電信號功率不能太大，這又導致傳輸距離受限。而如果采用光纖系統(tǒng)，很多設備可以無源化，即保證了安全，又能實現(xiàn)遠距離監(jiān)控。第六十六頁，共七十五頁，2022年，8月28日鐵路、地鐵和高速公路通信及監(jiān)控網(wǎng)絡系統(tǒng)鐵路通信網(wǎng)特點：1.節(jié)點多，分支、插入話路頻繁2.