第1章 緒論電子通信專業(yè)

光纖通信

(OpticalFiberCommunications)張樹東zhangsd2@126.com光信息科學(xué)與技術(shù)曲阜師范大學(xué)物理工程學(xué)院《光纖通信原理與應(yīng)用》方志豪電子工業(yè)出版社

《光纖通信》原榮編著電子工業(yè)出版社《OpticalFiberCommunications》GerdKeiser高等教育出版社《光纖通信導(dǎo)論》邱昆編著電子科技大學(xué)出版社《光纖通信系統(tǒng)》楊祥林編著國防工業(yè)出版社《光纖通信》劉曾基等編著電子科技大學(xué)出版社參考書目第一章光纖通信概述

第二章光纖與光纜

第三章光無源器件

第四章光源與光發(fā)射機(jī)

第五章光探測器和光接收機(jī)

第六章數(shù)字光纖通信系統(tǒng)

第七章模擬光纖通信系統(tǒng)

第八章光纖通信新技術(shù)

第九章光纖通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容第一章光纖通信概述

(OverviewofOpticalFiberCommunications)光纖通信第一章光纖通信概述

(OverviewofOpticalFiberCommunications)1.1光纖通信技術(shù)的發(fā)展史及現(xiàn)狀1.2光纖通信系統(tǒng)組成1.3光纖通信的分類1.4光纖通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)1.1光纖通信技術(shù)的發(fā)展史及現(xiàn)狀1.通信“通”傳送，“信”信息；信息的傳送基本組成：發(fā)送、傳輸、接收2.光纖通信以光波為載體(l=800~1600nm),以光纖為傳輸媒質(zhì),將信號從一處傳輸?shù)搅硪惶幍耐ㄐ攀侄?電通信:Electricalcommunications以電波為載波，如電纜通信和微波通信3.現(xiàn)代通信方式示意圖用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備衛(wèi)星通信微波通信光纖通信移動通信發(fā)送機(jī)接收機(jī)傳輸系統(tǒng)用戶終端用戶終端信息信息用戶終端用戶終端用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備信息信息1.1光纖通信技術(shù)的發(fā)展史及現(xiàn)狀用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備衛(wèi)星通信微波通信光纖通信移動通信發(fā)送機(jī)接收機(jī)傳輸系統(tǒng)用戶終端用戶終端信息信息用戶終端用戶終端用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備信息信息

現(xiàn)代通信方式示意圖用戶終端交換設(shè)備接入網(wǎng)電復(fù)接設(shè)備傳輸系統(tǒng)4.光纖通信技術(shù)的主要優(yōu)缺點(diǎn)1.1光纖通信技術(shù)的發(fā)展史及現(xiàn)狀通信系統(tǒng)的傳輸容量取決于對載波調(diào)制的頻帶寬度，載波頻率越高，頻帶寬度越寬。各種傳輸線路的損耗特性光纖通信優(yōu)點(diǎn):寬頻帶:光波頻率很高，光纖傳輸?shù)念l帶很寬，故傳輸容量很大，理論上可通上億門話路或上萬套電視，可進(jìn)行圖像、數(shù)據(jù)、傳真、控制等多種業(yè)務(wù)；低損耗:中繼距離長且誤碼率低;抗干擾:不受電磁干擾，保密性好；低成本:光纖材料來源豐富，可節(jié)約大量有色金屬(如銅、鋁)，且直徑小、重量輕。1.1光纖通信技術(shù)的發(fā)展史及現(xiàn)狀光纖通信缺點(diǎn):彎曲受限:敷設(shè)光纖/光纜的彎曲半徑不能太小，否則導(dǎo)致彎曲輻射損耗增加；連接困難:要求較好的切斷、連接技術(shù);分路困難:光纖的分路、耦合較麻煩；不能傳送電力:遠(yuǎn)處的再生設(shè)備需要電能；器件昂貴:如激光器、放大器等。1.1光纖通信技術(shù)的發(fā)展史及現(xiàn)狀5.光纖通信器件的發(fā)展過程1.1光纖通信技術(shù)的發(fā)展史及現(xiàn)狀雛形：古代烽火、手旗、燈光1880年貝爾的光電話激光器(發(fā)送源）光纖(傳輸介質(zhì))1960Maiman發(fā)明紅寶石激光器1962半導(dǎo)體激光器誕生(GaAs870nm)70年代室溫工作LD(GaAsAI850nm)1300、1550nm多模LD單模LD1951醫(yī)用玻璃纖維(損耗1000dB/km)1966高錕理論預(yù)言1970康寧制出低損耗光纖(20dB/km)1300(0.5dB/km),1550nm(0.2dB/km)低損耗窗口光纖開發(fā)單模光纖聚焦在話筒震動片的光束隨著話音震動而使反射光的強(qiáng)弱變化光纖通信發(fā)明家高錕(左)1998年在英國接受IEE授予的獎?wù)鹿饫w通信發(fā)明家高錕(左)2009年獲諾貝爾物理學(xué)獎6.光纖通信技術(shù)的發(fā)展階段1.1光纖通信技術(shù)的發(fā)展史及現(xiàn)狀光纖+光源+放大器+探測器發(fā)展圍繞光纖通信的四個關(guān)鍵因素展開:階段特征第一階段(1966-1976)開發(fā)時期(由基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用)：短波長(0.85um)低速率(45Mb/s)多模光纖系統(tǒng)(G.651)第二階段(1976-1986)發(fā)展時期(提高傳輸速率和距離)：長波長(1.31um,1.55um)中速率(140-565Mb/s)單模光纖系統(tǒng)(G.652)第三階段(1986-1996)新技術(shù)研究時期:色散位移光纖系統(tǒng)，外調(diào)制技術(shù)等第四階段(1996-至今)大容量和光網(wǎng)絡(luò)時期：波分復(fù)用(WDM)光纖系統(tǒng)及光網(wǎng)絡(luò)，超長距離的光孤子通信中國科技網(wǎng)訊2012年12月16日，武漢郵科院牽頭承擔(dān)的國家973項(xiàng)目“超高速超大容量超長距離光傳輸基礎(chǔ)研究”取得T比特級超長距離光傳輸新紀(jì)錄，通過采用高譜效率調(diào)制、高性能前向糾錯編碼和特有的非線性補(bǔ)償技術(shù)，完成了單通道1.031Tbit/s普通標(biāo)準(zhǔn)單模光纖12160公里的傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。目前國際上已報(bào)道的最高水平是單通道1Tbit/s傳輸1萬公里。7.光纖通信的應(yīng)用1.1光纖通信技術(shù)的發(fā)展史及現(xiàn)狀光纖寬帶干線傳輸網(wǎng)和接入網(wǎng)是目前應(yīng)用開發(fā)的主要目標(biāo)。各種應(yīng)用可概括如下：①通信網(wǎng)包括全球通信網(wǎng)、各國的公共電信網(wǎng)、各種專用通信網(wǎng)、特殊通信手段等1.1光纖通信技術(shù)的發(fā)展史及現(xiàn)狀②計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)如光纖以太網(wǎng)③有線電視網(wǎng)的干線和分配網(wǎng)如工業(yè)電視系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸④綜合業(yè)務(wù)光纖接入網(wǎng)實(shí)現(xiàn)電話、數(shù)據(jù)、視頻、多媒體業(yè)務(wù)綜合接入核心網(wǎng)，提高各種社區(qū)服務(wù)

ATMInternet骨干網(wǎng)DDN/FRPSTN/ISDNTV業(yè)務(wù)分配節(jié)點(diǎn)(COT)業(yè)務(wù)接入節(jié)點(diǎn)（RT）網(wǎng)管SNMP與電信網(wǎng)管中心相連Q3100/1000ME1/BRA/PRA155M622MSDH典型應(yīng)用之一：寬帶綜合業(yè)務(wù)光纖接入系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)PSTN(PublicSwitchedTelephoneNetwork)ISDN(IntegratedServiceDigitalNetwork)DDN(DigitalDataNetwork)FR(FrameRelay)ATM(AsynchronousTransferModel)SNMP(SimpleNetworkManagementProtocal)典型應(yīng)用之二：作為校園網(wǎng)的骨干傳輸網(wǎng)1.1-練習(xí)1、什么是光纖通信?2、光纖通信的優(yōu)點(diǎn)有哪些?3、光纖通信的各發(fā)展階段的特征是什么?4、光通信系統(tǒng)工作波長為0.88um,1.3um和1.55um，計(jì)算載波頻率及單個光子能量。5、假設(shè)數(shù)字通信系統(tǒng)能夠在高達(dá)1%的載波頻率下工作，試問在5GHz的微波載波和1.55um的光載波上能傳輸多少64kb/s的話路？第一章光纖通信概述1.1光纖通信技術(shù)的發(fā)展史及現(xiàn)狀1.2光纖通信系統(tǒng)組成1.3光纖通信的分類1.4光纖通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)1.2光纖通信系統(tǒng)組成單向傳輸?shù)墓饫w通信系統(tǒng)，包括發(fā)射、接收和作為廣義信道的基本光纖傳輸系統(tǒng)?；鶐盘枺河尚畔⒃崔D(zhuǎn)換的用戶原始電信號電發(fā)射機(jī)將基帶信號轉(zhuǎn)換為適合信道傳輸?shù)男盘?，轉(zhuǎn)換如果需要調(diào)制，則稱為已調(diào)信號組成基本單元:光發(fā)射機(jī)、光纖光纜、中繼器與光接收機(jī)光源調(diào)制器驅(qū)動電路光發(fā)射機(jī)放大器光電二極管判決器光接收機(jī)光纖光纖中繼器1.2光纖通信系統(tǒng)組成互連與光信號處理器件: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(fù)用器ADM等?！纠?-1】基群光纖通信系統(tǒng)

基群光纖通信系統(tǒng)【例1-2】二次群光纖通信系統(tǒng)

二次群光纖通信系統(tǒng)光發(fā)射機(jī)(Transmitter)1.2光纖通信系統(tǒng)組成將帶有信息的電信號轉(zhuǎn)換成光信號的轉(zhuǎn)換裝置和將光信號送入光纖的傳輸裝置光源是核心,須滿足:1.波長須在傳輸光纖的低損耗窗口波段2.光源的發(fā)射功率要大3.調(diào)制特性和發(fā)光／消光（響應(yīng)速度）特性要好4.可靠性要高，壽命要長光發(fā)射機(jī)由光源、調(diào)制器和信道耦合器組成。2.光纖(Fiber)1.2光纖通信系統(tǒng)組成光纖通信系統(tǒng)光波傳輸?shù)拿襟w,由高折射率的纖芯和低折射率的包層和塑套構(gòu)成，將光信號從光發(fā)射機(jī)無失真地傳送到光接收機(jī).基本特性參數(shù)：損耗（dB/km）：直接影響通信距離。色散（ps/nm.km）：將引起光脈沖信號展寬和碼間串?dāng)_，影響通信距離和容量。為實(shí)現(xiàn)高速長距離傳輸，要求光纖具有低損耗和低色散特性。光纖光纖損耗(attenuation),色散(dispersion),失真(distortion)光纖損耗曲線及三個通信窗口1.2光纖通信系統(tǒng)組成850nm1310nm1550nm3.光放大器(Opticalamplifier)1.2光纖通信系統(tǒng)組成由于光纖的損耗致使光功率減弱，要使光波繼續(xù)向前傳播，必須對光波進(jìn)行放大放大方式:光纖光纖中繼器光-電-光(O-E-O)放大器摻鉺光纖放大器(EDFA):1.55um摻鐠光纖放大器(PDFA):1.31um摻銩光纖放大器(TDFA):1.40um全光波段的拉曼光纖放大器(RFA):1.27um-1.67um光纖放大器(FA)Erbium(Er)Praseodynium(Pr)Thulium(Tm)EDFA:Erbium-DopedFiberAmplifier4.光接收機(jī)(Receiver)1.2光纖通信系統(tǒng)組成將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置，由光電探測器和放大處理電路組成。光電探測器是核心,須滿足:1.高的靈敏度2.低的噪聲3.快的響應(yīng)速度4.足夠的帶寬5.對溫度變化不敏感6.尺寸小并能與光纖匹配7.價格合理，壽命長5.光無源器件(Passivecomponents)1.2光纖通信系統(tǒng)組成光纖通信系統(tǒng)中不需要通電即可工作的器件,是通信系統(tǒng)構(gòu)成、功能擴(kuò)展、性能提高的不可缺少的器件，包括：光耦合器(Coupler)常用于需要傳輸?shù)墓夥致贰⒐夂下芬约肮怦詈瞎飧綦x器(Isolator)在光通路中防止光反射回光源，即只允許光單向傳輸?shù)臒o源器件1.2光纖通信系統(tǒng)組成光纖連接器(Connector)各種設(shè)備部件與光纖之間的連接。光波分復(fù)用器／解復(fù)用器(Multiplexer/De-Multiplexer)薄膜濾波器型將多路光信號合成或分開的光無源器件集成光學(xué)光波分復(fù)用器／解復(fù)用器型陣列波導(dǎo)光柵(AWG:ArrayedWaveguideGrating)布喇格光柵(BG:BraggGrating)1.2光纖通信系統(tǒng)組成光開關(guān)(Switch)用于光源備份的光路切換，邏輯、數(shù)字光通信系統(tǒng)中的光路選擇和光交換。光開關(guān)分為機(jī)械式和非機(jī)械式兩類：機(jī)械開關(guān)采用移動光纖或反射鏡的方法來轉(zhuǎn)換光路非機(jī)械式開關(guān)有：電光開關(guān)、磁光開關(guān)和集成光路光開關(guān)1.2-練習(xí)1、光纖通信系統(tǒng)由哪幾部分組成?簡述各部分的作用。2、光纖通信的三個窗口指什么？3、光纖通信中對光源的要求是什么？4、光纖通信中對檢測器的要求是什么？第一章光纖通信概述1.1光纖通信技術(shù)的發(fā)展史及現(xiàn)狀1.2光纖通信系統(tǒng)組成1.3光纖通信的分類1.4光纖通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)波長短波長:0.85um長波長:1.3um,1.55um傳輸模式多模光纖通信系統(tǒng)單模光纖通信系統(tǒng)信號方式模擬通信數(shù)字通信同步方式準(zhǔn)同步(PDH,plesiochronousdigitalhierarchy)同步(SDH,synchronousdigitalhierarchy)1.3光纖通信的分類調(diào)制方式直接強(qiáng)度調(diào)制外調(diào)制傳輸速率低速通信系統(tǒng)，2Mb/s,8MB/s中速通信系統(tǒng),34Mb/s,140Mb/s高速通信系統(tǒng),>565Mb/s應(yīng)用范圍1.3光纖通信的分類公用通信系統(tǒng)，如市話通信系統(tǒng)，長途通信系統(tǒng)專用通信系統(tǒng),如非郵政部門經(jīng)營的光纖局域網(wǎng)第一章光纖通信概述1.1光纖通信技術(shù)的發(fā)展史及現(xiàn)狀1.2光纖通信系統(tǒng)組成1.3光纖通信的分類1.4光纖通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)比特率也稱為信息速率，是信道上每秒鐘內(nèi)所傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)，單位為bit/s，寫成b/s或bps，常用符號B表示。光纖輸入光脈沖輸出光脈沖時間波形光脈沖展寬1011111.比特率(Bitrate):B1.4光纖通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)數(shù)字光纖通信中，信號“1”、“0”用光脈沖的“有”、“無”來表示.因?yàn)楣饫w色散，光脈沖沿光纖傳輸會展寬，兩個相鄰的光脈沖傳輸一定距離后會發(fā)生重疊，從而使接收端設(shè)備不能做出正確的判斷,從而限制了信道的比特率。光纖色散效應(yīng)形成的比特率限制模擬信號：帶寬是一個頻率范圍，在這個頻率范圍之內(nèi)，信號可以不失真地進(jìn)行傳輸，它反映了模擬傳輸系統(tǒng)運(yùn)載信息的能力。單位：Hz帶寬分為電帶寬和光帶寬兩種表述。2.帶寬(Bandwidth)1.4光纖通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)3-dBbandwidthpoints光電流1.4光纖通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)數(shù)字信號：帶寬是數(shù)字信道所能傳送的最高數(shù)據(jù)率或比特率的同義語。如100M以太網(wǎng)，即傳輸速率為100Mb/s的以太網(wǎng)。對RZ碼，最高頻率=B對NRZ碼，最高頻率=B/2101010傳輸距離指中繼距離，L3.傳輸距離:L1.4光纖通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)光纖的衰減和色散是限制傳輸距離的兩大主要因素。僅考慮光纖損耗，光信號沿光纖傳輸?shù)淖畲缶嚯xL為a為光纖的損耗，單位為dB/kmPin為光源最大平均輸出功率Pout為接收機(jī)探測器的最小平均接收光功率功率(mW)1001010.0