光波導(dǎo)理論與技術(shù)講義

1、光通信技術(shù)與應(yīng)用光通信技術(shù)與應(yīng)用 光通信的發(fā)展進(jìn)程*三千多年前，我國的周朝就有利用烽火臺(tái)傳遞信息的通信；*1880年，貝爾發(fā)明光電話；*1960年，人類研制成功第一臺(tái)激光器；*1970年，低損耗光纖由美國康寧公司研制成功；從此，進(jìn)入了光纖通信迅猛發(fā)展的時(shí)代。四個(gè)發(fā)展階段第一代：m的多模光纖(1976年，亞特蘭大 44.7 Mb/s);第二代：80年代早期,1.3 m、中繼距離超過20Km;第三代：1990年,1.55 m 、實(shí)現(xiàn)商業(yè)化（超過100Km）;第四代：使用WDM和光放大器,容量更大,距離更遠(yuǎn);目前,已涉足第五代的研究與開發(fā)。我國已建成覆蓋全國、世界上規(guī)模最大的光纖通信網(wǎng)。1999年初

2、，濟(jì)青工程8。1999年4月，?？谌齺啠▏a(chǎn)設(shè)備）。光纖的損耗已經(jīng)降低到。現(xiàn)在10Gb/s系統(tǒng)已經(jīng)商業(yè)化，實(shí)驗(yàn)室Tb/s 級(jí)系統(tǒng)已經(jīng)研制成功。光纖通訊目標(biāo)：電輸出 = 電輸入Electrical to LightLight to ElectricalInputOutput光纖內(nèi)芯直徑Core62.55 mm125 mmCladCore8 mm125 m mClad85 mm多模單模人的頭發(fā)多模光纖的光纖在保安行業(yè)中應(yīng)用最普遍典型距離達(dá)5英里用于:CCTV門禁控制系統(tǒng)內(nèi)部通訊單模光纖無限帶寬8至10微米典型距離超過5英里用于:長途電信長途電視監(jiān)控及多路切換共用天線電視系統(tǒng)光損耗與波長光損耗單位：

3、 dB/km與波長有關(guān)單模損耗小波長又稱為窗口波譜的紅外部分起作用光量計(jì)-19.0 dB光量計(jì)光源啟動(dòng)光纜連接 850 1300受測試光纖基本規(guī)則850 nm多模距離在3公里以下1300nm多模距離在5-8公里1300或1550nm單?？紤]5公里以上絕對(duì)超過8公里無源器件TXdB 損耗損耗終端連接終端連接 允許允許 1.0 (2)光纜光纜多模多模km單模單模 1300 .5/km 1550 .3/km接合接合機(jī)械接合機(jī)械接合 PATCH PANELS每對(duì)每對(duì) RX安全裕量安全裕量允許允許 頻分多路復(fù)用器 (WDM)一根光纜通過多個(gè)信號(hào)同向或雙向的多路信號(hào)在同一根光纜上傳輸WDM多模光纖1300

4、 nm850 nm雙向850 nm1300 nm單向WDM單模光纖1300nm1550nm單向雙向1300nm1550nm兩跟光纜通過4視頻和PTZ 4視頻單向，數(shù)據(jù)單向Camera with PTZControl ReceiverFIBERControl transmitterMonitorCamera with PTZFIBER4 CH. VIDEO TX4 CH. VIDEO RXDATA RXDATA TXDIST. UNIT1 OF 4 4 OF 41 OF 44 OF 4有源器件半導(dǎo)體激光器光電檢測器光放大器 (EDFA)光纖通信的優(yōu)點(diǎn)通信容量大；(數(shù)百萬話音和數(shù)據(jù)信道)傳輸距離長

5、；抗電磁干擾；適應(yīng)環(huán)境；重量輕、安全、易敷設(shè)；保密性強(qiáng)；壽命長。光纖通信的缺點(diǎn)接口昂貴；強(qiáng)度差；不能傳輸電力；需要專用工具、設(shè)備以及培訓(xùn)；未經(jīng)長時(shí)間檢驗(yàn)。研究熱點(diǎn)光分插復(fù)用技術(shù)、全光網(wǎng)絡(luò)；高速通訊系統(tǒng)中的偏振模色散問題；光器件與集成；空間光通信技術(shù)空間光通信技術(shù)(FSO)*光纖通信與無線通信是當(dāng)前的熱門技術(shù)。*一種新型寬帶接入技術(shù)自由空間光通信系統(tǒng)（FSO：Free Space Optical communication system），是二者結(jié)合的產(chǎn)物。*FSO不是用光纖作為傳輸媒介,是在空氣中用激光或光脈沖在THz光譜范圍內(nèi)傳送分組數(shù)據(jù)的通信系統(tǒng)。FSO技術(shù)既能提供類似光纖傳輸?shù)乃俾?，又無

6、需技術(shù)既能提供類似光纖傳輸?shù)乃俾?，又無需在頻譜等稀有資源方面有很大的初始投資；在頻譜等稀有資源方面有很大的初始投資；激光技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)使耐用可靠的器件變得很便激光技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)使耐用可靠的器件變得很便宜，大大降低了宜，大大降低了FSO設(shè)備的造價(jià)；與光纖線路相設(shè)備的造價(jià)；與光纖線路相比，比，F(xiàn)SO系統(tǒng)不僅建設(shè)周期較短，成本也低很多，系統(tǒng)不僅建設(shè)周期較短，成本也低很多，大約是光纖到大樓成本的大約是光纖到大樓成本的1/10-1/3。在目前許多企業(yè)和機(jī)構(gòu)都不具備光纖線路，但又在目前許多企業(yè)和機(jī)構(gòu)都不具備光纖線路，但又需要較高速率的情況下，需要較高速率的情況下，F(xiàn)SO不失為一種解決不失為一種解決“最后一

7、公里最后一公里”瓶頸問題的有效途徑。瓶頸問題的有效途徑。優(yōu)點(diǎn)成本低、安裝方便、建設(shè)快是FSO系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)。除此以外，F(xiàn)SO還有如下一些優(yōu)點(diǎn)：無需頻譜許可證。無線光通信因設(shè)備間無信號(hào)的相互干擾，故無需像無線電通信（如微波、LMDS）那樣申請(qǐng)頻率許可證。帶寬高。如果采取點(diǎn)到點(diǎn)的組網(wǎng)方式，F(xiàn)SO能支持155Mb/s-10Gb/s的傳輸速率，傳輸距離在2-4公里之間。在點(diǎn)到多點(diǎn)的組網(wǎng)方式中，F(xiàn)SO同樣能支持155Mb/s-10Gb/s的傳輸速率，但傳輸距離為1-2公里。如果采用格形的組網(wǎng)方式則可支持622Mb/s的傳輸速率，傳輸距離為200-400米。安全保密性強(qiáng)。FSO的波束很窄，定向性非常好，并

8、且用戶到集線器之間的鏈路通常是加密的，安全保密性較強(qiáng)。協(xié)議透明。FSO以光為傳輸媒介，任何傳輸協(xié)議均可容易地疊加上去，對(duì)語音、數(shù)據(jù)、圖像等業(yè)務(wù)可以做到透明傳送。缺點(diǎn)FSO是一種視距技術(shù)，傳輸距離與信號(hào)質(zhì)量的矛盾非常突出，當(dāng)傳輸超過一定距離時(shí)（一般為幾公里）波束就會(huì)變寬以致難以被接收節(jié)點(diǎn)正確接收。所以FSO一般只限于城市內(nèi)使用。目前，大部分測試表明，在1km以下才能獲得最佳的效率和質(zhì)量。傳輸質(zhì)量對(duì)天氣非常敏感是FSO的另一主要問題。晴天對(duì)FSO傳輸質(zhì)量的影響最小，而雨天、下雪和霧天對(duì)傳輸質(zhì)量的影響則較大。據(jù)測試，F(xiàn)SO受天氣影響的衰減經(jīng)驗(yàn)值分別為：晴天，5-15db/km、雨，20-50db/k

9、m、雪，50-150db/km、霧，50-300db/km，目前針對(duì)這一問題有縮短傳輸距離、采用備份鏈路等解決辦法。建筑物晃動(dòng)將影響兩個(gè)點(diǎn)之間的激光對(duì)準(zhǔn)。對(duì)FSO來說，為了保證光傳輸鏈路的性能，光鏈路兩端的對(duì)準(zhǔn)（捕獲）和保持（跟蹤）至關(guān)重要。但在對(duì)準(zhǔn)以后，在風(fēng)力和其它因素的作用下，建筑物會(huì)有些晃動(dòng)，這就要求鏈路兩端設(shè)備都必須具備自動(dòng)跟蹤的能力。激光的安全問題也會(huì)影響其使用。超過一定功率電平的激光有可能對(duì)人眼產(chǎn)生影響，人體也可能被激光系統(tǒng)釋放的能量傷害。目前有關(guān)激光的安全標(biāo)準(zhǔn)都建議其功率電平應(yīng)允許讓裸視和助視（如雙筒望遠(yuǎn)鏡）時(shí)，眼睛看到不會(huì)受到傷害。與其他接入技術(shù)的比較當(dāng)前有很多種接入技術(shù)可供選

10、擇，比如FSO、光纖、DSL以及LMDS等。光纖傳輸無疑是最可靠的通信方式，但光纖敷設(shè)的較長周期及高額投資限制了其普及，并且一旦用戶離開，業(yè)務(wù)提供商無法收回投資；微波技術(shù)日漸成熟，它比FSO的傳輸距離遠(yuǎn)，但這種接入方式需要高額的初始投資（頻譜許可證），對(duì)業(yè)務(wù)提供商而言，這種接入技術(shù)不如FSO經(jīng)濟(jì)；盡管銅纜是一種易得的傳輸媒介，用銅纜相連的大樓也遠(yuǎn)多于光纖，但其帶寬太低；FSO相對(duì)而言是一種比較好的方案，帶寬可擴(kuò)展，建設(shè)速度快，并且十分經(jīng)濟(jì)。應(yīng)用到目前為止，F(xiàn)SO已被多家電信運(yùn)營商應(yīng)用于商業(yè)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，比較典型的有Terabeam和Airfiber公司。在悉尼奧運(yùn)會(huì)上，Terabeam公司成功地使

11、用FSO設(shè)備進(jìn)行圖像傳送，并在西雅圖的四季飯店成功地實(shí)現(xiàn)了利用FSO設(shè)備向客戶提供100Mb/s的數(shù)據(jù)連接。該公司還計(jì)劃4年內(nèi)在全美建設(shè)100個(gè)FSO城市網(wǎng)絡(luò)。而Airfiber公司則在美國波士頓地區(qū)將FSO通信網(wǎng)與光纖網(wǎng)(SONET)通過光節(jié)點(diǎn)連接在一起，完成了該地區(qū)整個(gè)光網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。作為“最后一公里”解決方案之一的FSO技術(shù)主要有以下用途：城域網(wǎng)的擴(kuò)展：FSO可以用于擴(kuò)展已有的城域網(wǎng)或者連到新的網(wǎng)絡(luò)。這些鏈路通常不到達(dá)最終用戶，而是為網(wǎng)絡(luò)核心服務(wù)。企業(yè)應(yīng)用：FSO的靈活性使它可以應(yīng)用于許多企業(yè)和學(xué)校，例如企業(yè)LAN到LAN的連接及校園網(wǎng)的連接。作為光纖的補(bǔ)充：目前大多數(shù)電信運(yùn)營商都采用兩條

12、光纖連接來保證所構(gòu)建的商業(yè)應(yīng)用網(wǎng)的安全。現(xiàn)在，運(yùn)營商無需部署兩條光纖鏈路，可以選擇FSO系統(tǒng)作為備份光纖的冗余鏈路，以節(jié)省投資。接入應(yīng)用：FSO也可以用在接入網(wǎng)中，例如吉比特以太網(wǎng)接入。業(yè)務(wù)提供商可以使用FSO去旁路本地環(huán)路系統(tǒng)，或當(dāng)作LMDS或蜂窩網(wǎng)的回程鏈路。DWDM業(yè)務(wù)：想要構(gòu)建屬于自己的光纖網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立運(yùn)營商，可以結(jié)合使用WDM與FSO來完成部分鏈路的傳輸，以節(jié)省光纖租賃費(fèi)用。盡管存在一些問題，但在低成本、快速組網(wǎng)等方面具有較大優(yōu)勢的FSO的市場前景非常廣闊。在未來幾年里，它將作為一個(gè)主要的手段進(jìn)入本地寬帶接入市場，特別是沒有光纖連接的中小企業(yè)。據(jù)預(yù)測，一兩年內(nèi)，F(xiàn)SO市場會(huì)形成一定規(guī)模，到2005年可達(dá)到20億美元。 FSO有兩種工作波長：850納米和1550納米。 1550納米的設(shè)備價(jià)格要高一些，但在功率、傳輸距離