《光纖通信技術(shù)與設(shè)備》課件-第1章

第１章概論

1.1光纖通信發(fā)展史

1.2光纖能信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與分類1.3光纖通信的特點(diǎn)1.4光纖通信網(wǎng)涉及的器件與產(chǎn)品1.5光纖通信的應(yīng)用與發(fā)展本章小結(jié)1.1光纖通信發(fā)展史

在世界技術(shù)革命的浪潮中,光纖數(shù)字通信技術(shù)異軍突起,迅猛發(fā)展,它的發(fā)展速度超出了人們的預(yù)想,光纖通信被譽(yù)為通信工具中的王牌。

1880年,貝爾發(fā)明了光話系統(tǒng),但光通信的關(guān)鍵性困難——光源和傳光介質(zhì)問題沒有解決,所以此后長(zhǎng)達(dá)80年左右的時(shí)間內(nèi),光通信技術(shù)進(jìn)展緩慢。

1960年美國(guó)科學(xué)家梅曼發(fā)明了世界上第一臺(tái)紅寶石激光器,1960年貝爾實(shí)驗(yàn)室又發(fā)明了氦-氖激光器。激光器的發(fā)明使光通信的研究有了進(jìn)展。對(duì)于傳光介質(zhì),在20世紀(jì)60年代初出現(xiàn)了研究大氣激光通信的熱潮。這種通信方式的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需敷設(shè)線路,經(jīng)濟(jì)方便;缺點(diǎn)是受自然條件的影響太大,難以實(shí)現(xiàn)。在大氣激光通信的研究受阻之后,又有人進(jìn)行地下光波通信的實(shí)驗(yàn)。但這種通信方式系統(tǒng)復(fù)雜、造價(jià)高、測(cè)試?yán)щy,也無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

1964年,高琨博士根據(jù)介質(zhì)波導(dǎo)理論提出光纖通信的概念。他指出：只要設(shè)法消除玻璃中的雜質(zhì),就完全有可能做出衰減低于20dB／km的光纖,并且光纖損耗極限還遠(yuǎn)低于這個(gè)數(shù)值。這一重大研究成果使光纖通信的研究出現(xiàn)了生機(jī)。因此英籍華人高琨博士被譽(yù)為“光纖通信之父”。2009年，高琨博士以“涉及光纖傳輸?shù)耐黄菩猿删汀鲍@得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1970年是光纖通信史上閃光的一年。這一年美國(guó)康寧玻璃公司拉制出了衰減為20dB／km的低損耗光纖。同一年,貝爾實(shí)驗(yàn)室又成功研究出在室溫下可連續(xù)工作的激光器。此后,光纖的損耗不斷下降,1972年降至4dB／km,1973年降至1dB／km,1976年降至0.5dB／km。

1970年,美國(guó)首先在亞特蘭大成功地進(jìn)行了速率為44.763Mb／s、距離為10km的光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),使光纖通信向?qū)嵱没~進(jìn)了第一步。1980年,多模光纖通信系統(tǒng)投入商用,單模光纖通信系統(tǒng)也進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)階段。1983年,美、日、德、法、英、荷、意等國(guó)都先后宣布以后不再使用電纜,而改用光纜。

隨著光纖通信技術(shù)的日益發(fā)展,光纜不僅敷向陸地,而且敷向海底。美、日、英聯(lián)合建立的太平洋海底光纜全長(zhǎng)8300km,使用840Mb／s系統(tǒng),連接美、日、新西蘭等國(guó)。由美、英、法聯(lián)合建設(shè)的橫跨大西洋的海底光纜全長(zhǎng)6000km，使用560Mb／s系統(tǒng),1991年開通使用。

在光纖通信領(lǐng)域,我國(guó)從研制到推廣應(yīng)用用了不到15年的時(shí)間,其發(fā)展之快、應(yīng)用范圍之廣、規(guī)模之大、所涉及學(xué)科之多是前所未有的。光纖通信目前已經(jīng)經(jīng)歷了三代。第一代使用PDH技術(shù),那時(shí)的網(wǎng)絡(luò)比較簡(jiǎn)單,適合于小容量傳輸,傳輸速率為2.048／8.448／34.368／139.264Mb／s;第二代使用SDH技術(shù),是寬帶傳輸，速率為155／622／2500Mb／s,適合于用戶傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和市話傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè);第三代使用SDH+DWDM技術(shù),性能卓越,其中光中繼傳輸?shù)氖褂檬雇ㄐ欧绞较蛉馔ㄐ胚~進(jìn)了一大步,波分復(fù)用技術(shù)使通信容量達(dá)到10Gb／s、20Gb／s、40Gb／s、80Gb／s和320Gb／s?，F(xiàn)在,光纖通信正在向高速率、大容量和智能化的方向發(fā)展。光纖通信、衛(wèi)星通信和無(wú)線通信是現(xiàn)代化通信的三大支柱,其中光纖通信是主體。1.2光纖通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與分類

現(xiàn)代的光纖通信系統(tǒng)主要分為準(zhǔn)同步光纖通信系統(tǒng)(PDH,PlesiochronousDigitalHierarchy)、同步光纖通信系統(tǒng)(SDH,SynchronousDigitalHierarchy)和密集波分復(fù)用系統(tǒng)(DWDM,DenseWavelengthDivisionMultiplexing)等。

最基本的光纖通信系統(tǒng)組成如圖1-1所示。它由電端機(jī)、光端機(jī)、光纖、中繼器等組成。通信是雙方向的,現(xiàn)在僅以一個(gè)方向?yàn)槔?說明其工作的主要過程。一個(gè)方向包括6個(gè)部分,即電發(fā)送側(cè)、光發(fā)送側(cè)、光纖、中繼器、光接收側(cè)、電接收側(cè)。電發(fā)送側(cè)和電接收側(cè)屬于電端機(jī)(多路調(diào)制解調(diào)設(shè)備),同理,光發(fā)送側(cè)和光接收側(cè)屬于光端機(jī)。此外還有一些附屬設(shè)備,如光纖配線架等。圖1–1光纖通信系統(tǒng)模型

①電發(fā)送側(cè)。其主要任務(wù)是對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大、復(fù)用、成幀等處理,然后輸送到光發(fā)送側(cè)。②光發(fā)送側(cè)。其主要任務(wù)是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào),并進(jìn)行處理,然后耦合到光纖。③光纖。其主要任務(wù)是傳送光信號(hào)。④中繼器。其主要任務(wù)是放大和整形。它將接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),然后進(jìn)行處理,處理結(jié)束后,又將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào),繼續(xù)向前傳送。

⑤光接收側(cè)。其主要任務(wù)是接收光信號(hào),并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。⑥電接收側(cè)。其主要任務(wù)是對(duì)電信號(hào)進(jìn)行解復(fù)用、放大等處理。經(jīng)過上述處理后,就可以進(jìn)行雙向通信了。1.3光纖通信的特點(diǎn)

光纖通信之所以成為通信工具中的王牌,是因?yàn)樗哂幸酝娜魏瓮ㄐ欧绞讲豢杀葦M的越性。與電纜或微波通信相比,光纖通信具有許多的優(yōu)點(diǎn),表現(xiàn)如下：

(1)通信容量大。理論上,如頭發(fā)絲粗細(xì)的光纖可同時(shí)傳輸1000億路語(yǔ)音,實(shí)際應(yīng)用中可同時(shí)傳輸24萬(wàn)路。這比傳統(tǒng)的電纜或微波通信高出了幾百甚至上千倍。而且一根光纜中可包含多根甚至幾十根光纖,如果再使用復(fù)用技術(shù),其通信容量之大十分驚人。

(2)傳輸損耗小,中繼距離長(zhǎng)。目前,光纖的衰減被控制在0.19dB/km以下,其衰減系數(shù)很低,可使中繼距離延長(zhǎng)到數(shù)百千米。有關(guān)資料顯示,已經(jīng)進(jìn)行的光孤子通信試驗(yàn)可達(dá)到傳輸120萬(wàn)話路、6000km無(wú)中繼。而電纜或微波通信其中繼距離則分別是1.5km和50km?？梢姽饫w通信用于通信干線、長(zhǎng)途網(wǎng)絡(luò)是十分合適的。

(3)抗干擾性強(qiáng)。①光波信號(hào)在光纖中傳輸?shù)臅r(shí)候,只在光纖的“纖芯”中進(jìn)行,不同光纖芯線之間幾乎不存在相互間的串?dāng)_,無(wú)光泄漏,因此保密性好。②光纖通信不受外界的電磁干擾,而且耐腐蝕、可撓性強(qiáng)(彎曲半徑大于25cm時(shí)性能不受影響)。③由于光纖信道帶寬很大,特別適合于采用數(shù)字通信方式,而抗干擾性強(qiáng)又正是數(shù)字通信的一大優(yōu)點(diǎn)。

(4)可節(jié)省大量的金屬材料。制造電纜使用銅材料,但地球上的銅資源非常有限,而制造光纖用的二氧化硅材料則非常豐富。據(jù)測(cè)算,使用1000km的光纜,可節(jié)省150噸銅、500噸鉛。

(5)體積小、重量輕、便于施工和維護(hù)。光纖的重量輕,如軍用的特制輕質(zhì)光纜只有5kg/km。光纜的施工方式也很靈活,維護(hù)也比較方便。光纖通信也存在一些不足,主要表現(xiàn)為：光信號(hào)難以直接放大,彎曲半徑不宜太小,分路耦合不方便,需要高級(jí)的切斷接續(xù)技術(shù)等。1.4光纖通信網(wǎng)涉及的器件與產(chǎn)品

從圖1-1可以看出,光纖通信就是指利用光纖作為傳輸介質(zhì),實(shí)現(xiàn)光信號(hào)傳輸?shù)耐ㄐ欧绞健Ｋ怯呻姸藱C(jī)、光端機(jī)(光發(fā)射機(jī)、光接收機(jī))、光纖等部件組成的，一部分屬于電子電路,傳輸電信號(hào);一部分屬于光域,傳輸光信號(hào)。用來(lái)傳輸光信號(hào)的有光纖、光源、光電檢測(cè)器、光放大器和光無(wú)源器件。

(1)光纖。光纖是光纖通信的傳輸媒質(zhì),其任務(wù)是傳送光信號(hào)。光纖通信系統(tǒng)波長(zhǎng)在近紅外波長(zhǎng)。光纖通信的傳輸媒質(zhì)材料是石英,它屬于介質(zhì)波導(dǎo),是一個(gè)圓柱體,由纖芯和包層組成。纖芯折射率為n1,包層的折射率為n2,且n1>n2。當(dāng)滿足全反射條件時(shí),就可將光限制在纖芯中傳播。

光纖的主要特性是損耗和色散。損耗用衰減系數(shù)表示,其單位為dB／km。光纖有三個(gè)低損耗窗口,波長(zhǎng)為λ0=0.85μm(短波長(zhǎng)波段)、λ0=1.31μm(長(zhǎng)波長(zhǎng)波段)、λ０=1.55μm(長(zhǎng)波長(zhǎng)波段)。光纖的色散是指由于在光纖中不同頻率成分和不同模式成分的光信號(hào)的傳輸速度不同而使光脈沖展寬的現(xiàn)象。色散用色散系數(shù)表示,其單位為ps／(nm·km)。信號(hào)的散開,即色散的存在影響傳輸帶寬,進(jìn)而影響光纖的傳輸容量和傳輸距離。【知識(shí)擴(kuò)展】

空芯光纖屬于光電子材料領(lǐng)域，是傳輸可見光及近紅外光的光波導(dǎo)，也是粒子導(dǎo)管?？招竟饫w的主要特征是在各個(gè)方向上有一對(duì)或數(shù)對(duì)近似直角樣（截角）棱鏡或其層狀結(jié)構(gòu)，或者是等徑圓柱構(gòu)成的密堆積或松排列周期或非周期層狀結(jié)構(gòu)。光主要沿縱向傳輸，在橫向，光在包層結(jié)構(gòu)中經(jīng)兩次或多次（近似）全反射，返至空芯區(qū)，由此限制光束發(fā)散而形成導(dǎo)模。該光纖非線性效應(yīng)小、損耗小、單模工作的波長(zhǎng)范圍大，可傳輸超短脈沖或制作其他光電器件。

(2)光端機(jī)。光源的作用是將電轉(zhuǎn)換為光,即完成電／光轉(zhuǎn)換。常用的光源有激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED),它們是光發(fā)送側(cè)的主要器件。激光器性能較好,價(jià)格較貴。發(fā)光二極管性能稍次,價(jià)格較低。光電檢測(cè)器的作用是將光轉(zhuǎn)換為電,即完成光／電轉(zhuǎn)換。常用的光電檢測(cè)器有PIN光電二極管和APD光電二極管,其中APD有放大作用。

(3)電端機(jī)。電端機(jī)的作用是對(duì)來(lái)自光源的信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換、多路復(fù)用等處理。

(4)光放大器。光放大器的作用是放大光信號(hào),它接收來(lái)自光纖的光信號(hào),將光信號(hào)放大后,又送至下一段光纖,繼續(xù)進(jìn)行傳送。它將置換中繼器,在全光通信中起重要作用。光放大器的種類有半導(dǎo)體光放大器、非線性光纖放大器和摻雜光纖放大器。其中最重要的是摻鉺光纖放大器。

(5)光無(wú)源器件。光無(wú)源器件與電無(wú)源器件一樣重要,光無(wú)源器件是為光路服務(wù)的。在光纖通信中除了使用上述光器件之外,還使用了如下的一些光無(wú)源器件,有光纖活動(dòng)連接器、固定連接器、光衰減器、無(wú)源光耦合器、光波分復(fù)用器、光隔離器和光開關(guān)等。1.5光纖通信的應(yīng)用與發(fā)展

1.光纖通信在我國(guó)的應(yīng)用

1973年,我國(guó)開始研究光纖通信,主要集中在石英光纖、半導(dǎo)體激光器和編碼制式通信機(jī)等方面。

1978年改革開放后,我國(guó)的光纖通信研發(fā)工作大大加快。上海、北京、武漢和桂林都研制出光纖通信試驗(yàn)系統(tǒng)。1982年郵電部重點(diǎn)科研工程“八二工程”在武漢開通,該工程被稱為實(shí)用化工程,要求一切商用產(chǎn)品而不是試驗(yàn)品,要符合國(guó)際CCITT標(biāo)準(zhǔn),要由設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì),并由工人施工,而不是由科技人員施工。從此中國(guó)的光纖通信進(jìn)入實(shí)用階段。進(jìn)入20世紀(jì)80年代后,數(shù)字光纖通信的速率已達(dá)到144Mb/s,可傳送1980路電話。光纖通信作為主流被大量采用,在傳輸干線上全面取代電纜。

經(jīng)過國(guó)家“六五”、“七五”、“八五”和“九五”計(jì)劃,我國(guó)已建成“八縱八橫”干線網(wǎng),連通全國(guó)各省區(qū)市,敷設(shè)光纜總長(zhǎng)約250萬(wàn)千米。光纖通信已成為我國(guó)通信的主要手段。

2005年3.2Tb/s超大容量的光纖通信系統(tǒng)在上海至杭州間開通,這是至今為止世界上容量最大的實(shí)用線路。

2.光纖通信的發(fā)展趨勢(shì)

(1)向超長(zhǎng)距離傳輸發(fā)展。無(wú)中繼傳輸是骨干傳輸網(wǎng)的理想,目前已能夠?qū)崿F(xiàn)2000km～[JP]5000km的無(wú)中繼傳輸。通過采用如拉曼光放大技術(shù)等新的技術(shù)手段,有望更進(jìn)一步延長(zhǎng)光傳輸?shù)木嚯x。

(2)向超高速系統(tǒng)發(fā)展。高比特率系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益大致按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng),這促使光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率在近30年來(lái)一直持續(xù)增加,增加了約2000倍,比同期微電子技術(shù)的集成度增加速度還快得多。高速系統(tǒng)的出現(xiàn)不僅增加了業(yè)務(wù)傳輸容量,而且也為各種各樣的新業(yè)務(wù),特別是寬帶業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)提供了可靠的保證。

(3)向超大容量波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)發(fā)展。如果將多個(gè)發(fā)送波長(zhǎng)適當(dāng)錯(cuò)開的光源信號(hào)同時(shí)在光纖上傳送,則可大大增加光纖的信息傳輸容量,這就是波分復(fù)用(WDM)的基本思路。采用波分復(fù)用系統(tǒng)可以充分利用光纖的巨大帶寬資源,使容量迅速擴(kuò)大幾倍甚至上百倍,也可在大容量長(zhǎng)途傳輸時(shí)節(jié)約大量光纖和再生器,從而大大降低了傳輸成本。利用WDM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換和恢復(fù),可望實(shí)現(xiàn)未來(lái)透明的、具有高度生存性的光聯(lián)網(wǎng)。

其他方面,如光纖入戶(FTTH)技術(shù)、光交換技術(shù)、新的光電器件、光孤子技術(shù)等,都是當(dāng)前光纖通信的重點(diǎn)發(fā)展方向?！局R(shí)擴(kuò)展】

1991年至1995年期間,我國(guó)開始建設(shè)包含22條光纜干線、總長(zhǎng)達(dá)33000km的“八橫八縱”大容量光纖通信干線傳輸網(wǎng)。1998年12月,全國(guó)“八縱八橫”格狀形光纜骨干網(wǎng)提前兩年建成,網(wǎng)絡(luò)覆蓋全國(guó)省會(huì)以上城市和70%地市,全國(guó)長(zhǎng)途光纜達(dá)到200000km。我國(guó)已經(jīng)形成以光