《光信息科學(xué)與技術(shù)》-hcx課件

光信息科學(xué)與技術(shù)

主講人：黃彩霞長(zhǎng)沙學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系光信息科學(xué)與技術(shù)主講人：黃彩霞一、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(gè)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(diǎn)七、光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成八、光纖通信系統(tǒng)的應(yīng)用九、光網(wǎng)絡(luò)與結(jié)構(gòu)十、新技術(shù)簡(jiǎn)介一、光通信的發(fā)展與現(xiàn)狀一、光通信的發(fā)展與現(xiàn)狀傳輸媒介無(wú)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(shè)備和信道(傳輸媒介)的總和一、光通信的發(fā)展與現(xiàn)狀傳輸媒介無(wú)線通信：微波、衛(wèi)星、激光有線公元前11世紀(jì)，西周王朝，烽火臺(tái)白天點(diǎn)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。公元前11世紀(jì)，西周王朝，烽火臺(tái)最早的光通信但由于受到視距﹑1880年貝爾發(fā)明了第一個(gè)光電話系統(tǒng)，通話距離213米光傳輸應(yīng)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(gè)光電話系統(tǒng)1880年貝爾發(fā)明了第一個(gè)光電話系統(tǒng)，通話距離213米光傳輸1870年，英國(guó)物理學(xué)家丁達(dá)爾太陽(yáng)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）1870年，英國(guó)物理學(xué)家丁達(dá)爾光纖的雛形（傳輸介質(zhì)的問光纖的雛形（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(dāng)入射角大于某一角度時(shí)，折射光線消失，全部光線都反射回來(lái)。光纖的雛形（傳輸介質(zhì)的問題）這是全反射的作用光纖的雛形（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(dǎo)線用于通訊的理論。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是提出以玻璃制造比頭發(fā)絲更細(xì)的光纖，取代銅導(dǎo)線作為長(zhǎng)距離的通訊線路。這個(gè)理論引起了世界通信技術(shù)的一次革命。隨著第一個(gè)光纖系統(tǒng)于1981年成功問世，高錕“光纖之父”的美譽(yù)傳遍世界。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研究對(duì)象：光在石英玻璃纖維中的嚴(yán)重?fù)p耗問題損耗原因：1)玻璃纖維中含有過(guò)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)電信研究所研究對(duì)象：光在石英玻璃纖維中的嚴(yán)重?fù)p耗問題現(xiàn)代光纖通信的大發(fā)發(fā)送信號(hào)的頻率越高(波長(zhǎng)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(zhǎng)范圍為：300mm~6×10?3

mm。電磁波譜常用通信光載波頻率~190THz發(fā)送信號(hào)的頻率越高(波長(zhǎng)越短)，可載送的信息量就越多在電磁

高錕獲得2009年諾貝爾物理獎(jiǎng)！

1966年，英籍華裔學(xué)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(jìn)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(chǔ)。

指明通過(guò)“原材料的提純制造出適合于長(zhǎng)距離通信使用的低損耗光纖”這一發(fā)展方向高錕獲得2009年諾貝爾物理獎(jiǎng)！光纖通信發(fā)明家高錕(左)

1998年在英國(guó)接受IEEE授予的獎(jiǎng)?wù)鹿饫w通信發(fā)明家高錕(左)

1998年在英國(guó)接受IEEE授予的什么是通信？“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(hào)，并通過(guò)光纖來(lái)傳送信息的通信系統(tǒng)。什么是通信？什么是光纖通信？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(huì)的神經(jīng)系統(tǒng)。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(huì)通信網(wǎng)絡(luò)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)通信網(wǎng)絡(luò)公用電信網(wǎng)：光纖接入網(wǎng)海底光纜及洲際通信網(wǎng)《光信息科學(xué)與技術(shù)》-hcx課件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(dǎo)體激光器(短波

長(zhǎng))。雖然壽命只有幾個(gè)小時(shí)，但它為半導(dǎo)體激光器

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

Lab研制的半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到10萬(wàn)小時(shí)。1979年，AT&T和NTT研制成功波長(zhǎng)為1.55mm的半導(dǎo)體激光器。

半導(dǎo)體通信光源的出現(xiàn)（光源問題）1970年，BellLab、日本NEC和前蘇聯(lián)先后研制成功分布反饋式(DFB)激光器激光的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：（1）亮度高（2）單色性好（3）方向性好（4）相干性好分布反饋式(DFB)激光器激光的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：（1）亮度高激光的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：（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(wàn)度以上的高溫，進(jìn)行打孔、焊接、手術(shù)以及可控?zé)岷朔磻?yīng)等等。（2）單色性：即激光只有一個(gè)振蕩波長(zhǎng)，適合制成高清晰度的彩色電視；譜線寬度越窄(即波長(zhǎng)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(yán)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(wàn)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(dòng)方向、相位高度一致，使激光光波在空間重疊時(shí)，重疊區(qū)的光強(qiáng)分布會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定的強(qiáng)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(dòng)方向、相位不一致，稱為非相干光。

激光的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：（1）亮度高：其定義是單位面積，單位立體角內(nèi)二、光纖的結(jié)構(gòu)和模式二、光纖的結(jié)構(gòu)和模式纖芯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(hào)纖芯1)位置：光纖的中心部位包層位置：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(dāng)降低包層折射率(n2)，使之略低于纖芯折射

率，使得光信號(hào)能約束在纖芯中傳輸包層位置：位于纖芯的周圍涂覆層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(jī)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(hù)光纖不受水汽侵蝕和機(jī)械擦傷，同時(shí)又增加光纖的機(jī)械強(qiáng)度與可彎曲性，起著延長(zhǎng)光纖壽命的作用涂覆層1)位置：位于光纖的最外層按傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)目分類單模光纖多模光纖三、光纖的分類按傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)目分類三、光纖的分類光纖的傳播模式單模光纖(SignalModeFiber)：僅允許一個(gè)模式傳播的光纖多模光纖(MultipleModeFiber)：同時(shí)允許多個(gè)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(gè)傳播模式。光纖的傳播模式單模光纖(SignalModeFiber)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(zhǎng)有關(guān)：多模：纖芯半徑>>光波波長(zhǎng)：光纖中會(huì)存在大量傳播模式單模：纖芯半徑~光波波長(zhǎng)：光纖只允許一種模式在其中傳播因此，對(duì)于給定波長(zhǎng)單模光纖的芯徑要比多模光纖小例如，對(duì)于常用通信波長(zhǎng)(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！

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)膯文９饫w優(yōu)點(diǎn)：芯徑小，不存在模間色散，帶寬大，用于長(zhǎng)途傳輸缺點(diǎn)：芯徑小，需要使用半導(dǎo)體激光器LD激勵(lì)多模光纖優(yōu)點(diǎn)：芯徑大，容易注入光功率，可以使用發(fā)光二級(jí)管LED作為光源缺點(diǎn)：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(diǎn)多模只能傳輸2KM；單?？梢詡鬏?00KM,現(xiàn)在基本上都是用單模的!單模光纖多模光纖單模光纖和多模光纖的特點(diǎn)多模只能傳輸2KM；《光信息科學(xué)與技術(shù)》-hcx課件《光信息科學(xué)與技術(shù)》-hcx課件《光信息科學(xué)與技術(shù)》-hcx課件《光信息科學(xué)與技術(shù)》-hcx課件《光信息科學(xué)與技術(shù)》-hcx課件時(shí)間時(shí)間《光信息科學(xué)與技術(shù)》-hcx課件《光信息科學(xué)與技術(shù)》-hcx課件《光信息科學(xué)與技術(shù)》-hcx課件第一代：1966~1979(從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開發(fā)時(shí)期)激光器(GaAs)，波長(zhǎng)0.8μm，多模光纖，最大中繼距離10km(當(dāng)時(shí)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(gè)發(fā)展階段第一代：1966~1979(從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開發(fā)時(shí)期第二代：上世紀(jì)80年代早期(減小了光纖色散)激光器(InGaAs)，波長(zhǎng)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(gè)發(fā)展階段第二代：上世紀(jì)80年代早期(減小了光纖色散)光纖通信的四個(gè)第三代：上世紀(jì)80年代后期初90年代初(降低了光纖損耗)激光器(InGaAsP)波長(zhǎng)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(gè)階段的缺點(diǎn)是采用電的方式中繼。光纖通信的四個(gè)發(fā)展階段第三代：上世紀(jì)80年代后期初90年代初(降低了光纖損耗)光第四代：上世紀(jì)90年代之后(引入了WDM和全光放大技術(shù))激光器(InGaAsP)波長(zhǎng)1.55μm，單模光纖，采用波分復(fù)用技術(shù)和光放大技術(shù)，單波長(zhǎng)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(gè)發(fā)展階段WDM技術(shù)出現(xiàn)第四代：上世紀(jì)90年代之后(引入了WDM和全光放大技術(shù))光光纖通信最具代表性技術(shù)

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

兩個(gè)重大技術(shù)突破：波分復(fù)用和光放大。光纖通信最具代表性技術(shù)

－波分復(fù)用WDM1、波分復(fù)用WDM的工作原理空分復(fù)用：即同一線路上敷設(shè)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(jiǎn)單，但不經(jīng)濟(jì)。時(shí)分復(fù)用（TDM）：將不同信道的數(shù)字信號(hào)在時(shí)間上錯(cuò)開或分割再匯合的方法。波分復(fù)用（WDM）：通過(guò)TDM達(dá)到一定的比特率，再將它們負(fù)載到不同波長(zhǎng)的光波上，然后將多個(gè)載有信息的波長(zhǎng)通過(guò)光波分復(fù)用器耦合進(jìn)同一單模光纖傳輸出去。比如國(guó)際電聯(lián)（ITU）所定的密集波分復(fù)用（DWDM）的波長(zhǎng)間隔0.8nm。美國(guó)朗訊將1022個(gè)不同波長(zhǎng)復(fù)用至同一光纖。1、波分復(fù)用WDM的工作原理空分復(fù)用：即同一線路上敷設(shè)含多1、波分復(fù)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(gè)波長(zhǎng)可以在同一根光纖中獨(dú)立傳播例：這兩個(gè)低損耗波長(zhǎng)窗口可以容納290個(gè)40-Gb/sPSK信號(hào)1、波分復(fù)用WDM的工作原理在1300~1600nm光譜點(diǎn)到點(diǎn)的波分復(fù)用系統(tǒng)波分復(fù)用器100GHz間隔的WDM信道頻譜點(diǎn)到點(diǎn)的波分復(fù)用系統(tǒng)波分復(fù)用器100GHz間隔的WDM信道WDM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)1.系統(tǒng)容量可以很容易升級(jí)

如果每個(gè)波長(zhǎng)可以承載40Gb/s的信息，那么一根光纖若同時(shí)傳輸100個(gè)波長(zhǎng)就能實(shí)現(xiàn)4Tb/s的傳輸2.可以保持?jǐn)?shù)據(jù)的透明性

所有信道都能獨(dú)立地?cái)y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(hào)3.可以用于構(gòu)造波長(zhǎng)路由光網(wǎng)絡(luò)

光網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點(diǎn)除了可以執(zhí)行時(shí)間和空間兩個(gè)維度的交換之外還可以利用波長(zhǎng)進(jìn)行交換，多維的交換讓光網(wǎng)絡(luò)具有更高

的靈活性WDM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)1.系統(tǒng)容量可以很容易升級(jí)2.可以保持?jǐn)?shù)光纖放大器

光纖放大器是光纖通信系統(tǒng)對(duì)光信號(hào)直接進(jìn)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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，直接對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大的一種技術(shù)。

動(dòng)機(jī)：解決電中繼器設(shè)備復(fù)雜、維護(hù)難、成本高的問題一個(gè)小的光放大器就能取代龐大的中繼站！光纖放大器光纖放大器是光纖通信系統(tǒng)對(duì)光信號(hào)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(fù)用技術(shù)(WDM)

走向?qū)嵱没?、促進(jìn)了光接入網(wǎng)的實(shí)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(hào)通過(guò)的纖芯中摻入了鉺離子Er3+的光信號(hào)放大器。)是1985年英國(guó)南安普頓大學(xué)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。

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1976年，美國(guó)在亞特蘭大進(jìn)行世界上第一個(gè)實(shí)用光纖通信系統(tǒng) 的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)1976年，日本進(jìn)行了34Mb/s的階躍多模光纖通信系統(tǒng)試驗(yàn)1978年，日本進(jìn)行了100Mb/s的漸變型多模光纖通信系統(tǒng)試驗(yàn)1980年，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化FT-3光纖通信系統(tǒng)投入商業(yè)應(yīng)用1983年，敷設(shè)了縱貫日本南北的光纜長(zhǎng)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1976年，美國(guó)在亞特蘭大進(jìn)行世界上第一個(gè)實(shí)用光纖通信系統(tǒng)光當(dāng)今世界范圍的光纖通信系統(tǒng)當(dāng)今世界范圍的光纖通信系統(tǒng)六、光纖通信的主要特性容量大：馬路越寬，容許通過(guò)的車輛越多，交通運(yùn)輸能力也越大。如果把通信線路比作馬路，那么應(yīng)該說(shuō)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(dá)到十多個(gè)Tb/s六、光纖通信的主要特性容量大：馬路越寬，容許通過(guò)的車輛越多，損耗低、中繼距離長(zhǎng)石英光纖在1.55mm波長(zhǎng)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(zhǎng)的微波通信是50公里左右

光纖通信系統(tǒng)的最長(zhǎng)中繼距離已達(dá)數(shù)千公里，數(shù)萬(wàn)公里損耗低、中繼距離長(zhǎng)石英光纖在1.55mm波長(zhǎng)區(qū)的損耗可低到抗干擾能力強(qiáng)現(xiàn)有的電通信系統(tǒng)無(wú)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(shè)的，也不能在電氣鐵化路附近鋪設(shè)例2：據(jù)專家測(cè)算，如果在美國(guó)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(qiáng)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抗干擾能力強(qiáng)現(xiàn)有的電通信系統(tǒng)無(wú)法令人滿意地解決抗干擾問題。保密性強(qiáng)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(shè)置一個(gè)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(wú)線通信方式：無(wú)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(shí)不會(huì)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。保密性強(qiáng)電通信方式很容易被人竊聽體積小、重量輕1千克高純度石英玻璃成千上萬(wàn)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(shè)非常方便。體積小、重量輕1千克高純度石英玻璃成千上萬(wàn)公里光纖光纖的原材料取之不竭電線主材：銅、鉛等有色金屬，預(yù)計(jì)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(xué)成分中占了一半以上，可以說(shuō)是取之不盡、用之不竭光纖的原材料取之不竭電線主材：銅、鉛等有色金屬，預(yù)計(jì)只夠使用其它優(yōu)點(diǎn)不怕腐蝕耐高低溫能力較強(qiáng)(-65~200度)

其它優(yōu)點(diǎn)不怕腐蝕缺點(diǎn)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(diǎn)是否有氣泡等)3.光纖通信過(guò)程中怕水、怕冰(OH-根吸收增大損耗)4.光纖怕彎曲(導(dǎo)致?lián)p耗增加)案例：新疆某地區(qū)大雪導(dǎo)致光纖故障(2006年10月報(bào)道)原因：光纜沒有防護(hù)好，被冰雪包裹，并由于冰雪壓力和熱脹冷縮導(dǎo)致光纖彎曲缺點(diǎn)1.容易折斷(比如經(jīng)常被挖斷)案例：新疆某地區(qū)大雪導(dǎo)由光發(fā)射機(jī)、光纖光纜、中繼器與光接收機(jī)等基本單元組成。此外還包括一些互連與光信號(hào)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(fù)用器ADM等。光源調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路光發(fā)射機(jī)放大器光電二極管判決器光接收機(jī)光纖光纖中繼器七、光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成光器件由光發(fā)射機(jī)、光纖光纜、中繼器與光接收機(jī)等基本單元組成。光源調(diào)點(diǎn)到點(diǎn)鏈路模型光源-光纖的耦合光纖-光纖的耦合點(diǎn)到點(diǎn)鏈路模型光源-光纖的耦合光源-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(kuò)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光纖-光纖的耦合接收光纖必須與發(fā)射光纖完全對(duì)準(zhǔn)以減少損耗光纖-光纖的耦合接收光纖必須與發(fā)射光纖-光纖的耦合（機(jī)械對(duì)準(zhǔn)誤差）纖芯尺寸細(xì)微，很難實(shí)現(xiàn)完全精確的機(jī)械對(duì)準(zhǔn)。由此導(dǎo)致的機(jī)械對(duì)準(zhǔn)誤差將成為連接損耗的主要原因。機(jī)械損耗分為三種：

(1)橫向(軸向)誤差

(2)縱向誤差(3)角度誤差光纖-光纖的耦合（機(jī)械對(duì)準(zhǔn)誤差）纖芯尺寸細(xì)微，很難實(shí)現(xiàn)完全精光纖-光纖的耦合（各種誤差帶來(lái)的損耗）結(jié)論：橫向?qū)?zhǔn)誤差帶來(lái)的損耗最大光纖-光纖的耦合（各種誤差帶來(lái)的損耗）結(jié)論：橫向?qū)?zhǔn)誤差帶來(lái)連接器的設(shè)計(jì)要求：

-(多次連接、拆卸后)保持低耦合損耗 -(對(duì)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(wú)需特殊工具)易于連接光纖連接器：非永久連接連接器的設(shè)計(jì)要求：

-(多次連接、拆卸后)保持低耦合損八、光纖通信系統(tǒng)的應(yīng)用通信網(wǎng)絡(luò)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)八、光纖通信系統(tǒng)的應(yīng)用通信網(wǎng)絡(luò)公用電信網(wǎng)：光纖接入網(wǎng)海底光纜電力、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(qiáng)無(wú)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(cè)雷擊的時(shí)候能起到電設(shè)備不可替代的作用。煤炭系統(tǒng)：電監(jiān)控系統(tǒng)信號(hào)均為電信號(hào)，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(hào)功率不能太大，這又導(dǎo)致傳輸距離受限。而如果采用光纖系統(tǒng)，很多設(shè)備可以無(wú)源化，即保證了安全，又能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控。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(qiáng)無(wú)源傳感鐵路、地鐵和高速公路通信及監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)鐵路通信網(wǎng)特點(diǎn)：1.節(jié)點(diǎn)多，分支、插入話路頻繁2.通信量大小不一，需求不同(傳輸電話、數(shù)據(jù)、圖像)3.要求有強(qiáng)抗電磁干擾能力除了光纖通信，沒有哪一種通信方式能滿足這些要求交通系統(tǒng)鐵路、地鐵和高速公路通信及監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)交通系統(tǒng)光纖制導(dǎo)武器：光纖制導(dǎo)導(dǎo)彈、光纖制導(dǎo)魚雷需要獲得實(shí)時(shí)的目標(biāo)圖像同時(shí)要求控制線輕巧水下通信系統(tǒng)是掃雷艦與浮游載體之間的數(shù)據(jù)傳輸線路。

1.浮游載體需要傳回聲納信號(hào)和遙測(cè)信號(hào)(都是視頻信號(hào))2.艦體對(duì)浮游載體進(jìn)行控制雷達(dá)：要求保證雷達(dá)室與作戰(zhàn)情報(bào)中心之間信息傳輸?shù)目垢蓴_能力和保密性，要能保證作戰(zhàn)情報(bào)中心的安全(長(zhǎng)途控制)軍事光纖制導(dǎo)武器：光纖制導(dǎo)導(dǎo)彈、光纖制導(dǎo)魚雷軍事內(nèi)窺鏡醫(yī)療器械激光手術(shù)中，有時(shí)需要手術(shù)的部位在人體腔道內(nèi)，這就要求激光能拐彎。目前大多數(shù)醫(yī)療激光可以通過(guò)石英光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)拐彎，因此激光手術(shù)刀又叫光纖手術(shù)刀。激光手術(shù)刀內(nèi)窺鏡醫(yī)療器械激光手術(shù)中，有時(shí)需要手術(shù)的部位在人體腔道內(nèi)，激一些網(wǎng)絡(luò)的基本術(shù)語(yǔ)：1.數(shù)據(jù)終端設(shè)備：計(jì)算機(jī)、終端、電話2.網(wǎng)絡(luò)：數(shù)據(jù)終端設(shè)備通過(guò)傳輸信道進(jìn)行互聯(lián)的產(chǎn)物3.節(jié)點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)匯集和轉(zhuǎn)接的設(shè)備，如路由器、交換機(jī)4.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌盒诺肋B接節(jié)點(diǎn)或數(shù)據(jù)終端的邏輯關(guān)系5.交換：通過(guò)中間節(jié)點(diǎn)將信息從源傳到目的站點(diǎn)的過(guò)程6.路由：為信息傳遞尋找通過(guò)網(wǎng)絡(luò)路徑的過(guò)程7.協(xié)議：信息的傳遞規(guī)則九、光網(wǎng)絡(luò)與結(jié)構(gòu)一些網(wǎng)絡(luò)的基本術(shù)語(yǔ)：九、光網(wǎng)絡(luò)與結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)分類八縱八橫光纖網(wǎng)接入網(wǎng)上?？萍季W(wǎng)改造網(wǎng)絡(luò)分類八縱八橫光纖網(wǎng)接入網(wǎng)上?？萍季W(wǎng)改造幾種基本的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇偩€型星型環(huán)形格型局域網(wǎng)、接入網(wǎng)(樹型)城域網(wǎng)骨干網(wǎng)幾種基本的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇偩€型局域網(wǎng)、接入網(wǎng)(樹型)城域網(wǎng)骨干網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹偩€型和星型結(jié)構(gòu)光局域網(wǎng)光接入網(wǎng)控制簡(jiǎn)單，節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源一般采用時(shí)分復(fù)用的方式進(jìn)行訪問網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹偩€型和星型結(jié)構(gòu)光局域網(wǎng)光接入網(wǎng)控制簡(jiǎn)單，節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹h(huán)型結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的靈活性和自愈能力，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)能快速進(jìn)行業(yè)務(wù)的保護(hù)倒換。環(huán)網(wǎng)一般用于城域。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹h(huán)型結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的靈活性網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹裥徒Y(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的靈活性和自愈能力，但是網(wǎng)絡(luò)控制比較復(fù)雜。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般用于廣域網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹裥徒Y(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的靈活性和自愈能力，十、新技術(shù)：抗宏彎的柔性光纖PhotonicCrystalFiberPhotonicBandgapFiber康寧公司幫組Verison解決了問題：可彎曲、折返、打結(jié)，已在2500萬(wàn)戶家庭中安裝日本NTT也完成了這種光纖的研制十、新技術(shù)：抗宏彎的柔性光纖PhotonicCrystal柔性光纖的優(yōu)點(diǎn)對(duì)光的約束增強(qiáng)在任意波段均可實(shí)現(xiàn)單模傳輸：調(diào)節(jié)空氣孔徑之間的距離可以實(shí)現(xiàn)光纖色散的靈活設(shè)計(jì)減少光纖中的非線性效應(yīng)抗側(cè)壓性能增強(qiáng)柔性光纖的優(yōu)點(diǎn)對(duì)光的約束增強(qiáng)謝謝！謝謝！光信息科學(xué)與技術(shù)

主講人：黃彩霞長(zhǎng)沙學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系光信息科學(xué)與技術(shù)主講人：黃彩霞一、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(gè)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(diǎn)七、光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成八、光纖通信系統(tǒng)的應(yīng)用九、光網(wǎng)絡(luò)與結(jié)構(gòu)十、新技術(shù)簡(jiǎn)介一、光通信的發(fā)展與現(xiàn)狀一、光通信的發(fā)展與現(xiàn)狀傳輸媒介無(wú)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(shè)備和信道(傳輸媒介)的總和一、光通信的發(fā)展與現(xiàn)狀傳輸媒介無(wú)線通信：微波、衛(wèi)星、激光有線公元前11世紀(jì)，西周王朝，烽火臺(tái)白天點(diǎn)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。公元前11世紀(jì)，西周王朝，烽火臺(tái)最早的光通信但由于受到視距﹑1880年貝爾發(fā)明了第一個(gè)光電話系統(tǒng)，通話距離213米光傳輸應(yīng)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(gè)光電話系統(tǒng)1880年貝爾發(fā)明了第一個(gè)光電話系統(tǒng)，通話距離213米光傳輸1870年，英國(guó)物理學(xué)家丁達(dá)爾太陽(yáng)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）1870年，英國(guó)物理學(xué)家丁達(dá)爾光纖的雛形（傳輸介質(zhì)的問光纖的雛形（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(dāng)入射角大于某一角度時(shí)，折射光線消失，全部光線都反射回來(lái)。光纖的雛形（傳輸介質(zhì)的問題）這是全反射的作用光纖的雛形（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(dǎo)線用于通訊的理論。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是提出以玻璃制造比頭發(fā)絲更細(xì)的光纖，取代銅導(dǎo)線作為長(zhǎng)距離的通訊線路。這個(gè)理論引起了世界通信技術(shù)的一次革命。隨著第一個(gè)光纖系統(tǒng)于1981年成功問世，高錕“光纖之父”的美譽(yù)傳遍世界。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研究對(duì)象：光在石英玻璃纖維中的嚴(yán)重?fù)p耗問題損耗原因：1)玻璃纖維中含有過(guò)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)電信研究所研究對(duì)象：光在石英玻璃纖維中的嚴(yán)重?fù)p耗問題現(xiàn)代光纖通信的大發(fā)發(fā)送信號(hào)的頻率越高(波長(zhǎng)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(zhǎng)范圍為：300mm~6×10?3

mm。電磁波譜常用通信光載波頻率~190THz發(fā)送信號(hào)的頻率越高(波長(zhǎng)越短)，可載送的信息量就越多在電磁

高錕獲得2009年諾貝爾物理獎(jiǎng)！

1966年，英籍華裔學(xué)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(jìn)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(chǔ)。

指明通過(guò)“原材料的提純制造出適合于長(zhǎng)距離通信使用的低損耗光纖”這一發(fā)展方向高錕獲得2009年諾貝爾物理獎(jiǎng)！光纖通信發(fā)明家高錕(左)

1998年在英國(guó)接受IEEE授予的獎(jiǎng)?wù)鹿饫w通信發(fā)明家高錕(左)

1998年在英國(guó)接受IEEE授予的什么是通信？“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(hào)，并通過(guò)光纖來(lái)傳送信息的通信系統(tǒng)。什么是通信？什么是光纖通信？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(huì)的神經(jīng)系統(tǒng)。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(huì)通信網(wǎng)絡(luò)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)通信網(wǎng)絡(luò)公用電信網(wǎng)：光纖接入網(wǎng)海底光纜及洲際通信網(wǎng)《光信息科學(xué)與技術(shù)》-hcx課件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(dǎo)體激光器(短波

長(zhǎng))。雖然壽命只有幾個(gè)小時(shí)，但它為半導(dǎo)體激光器

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

Lab研制的半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到10萬(wàn)小時(shí)。1979年，AT&T和NTT研制成功波長(zhǎng)為1.55mm的半導(dǎo)體激光器。

半導(dǎo)體通信光源的出現(xiàn)（光源問題）1970年，BellLab、日本NEC和前蘇聯(lián)先后研制成功分布反饋式(DFB)激光器激光的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：（1）亮度高（2）單色性好（3）方向性好（4）相干性好分布反饋式(DFB)激光器激光的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：（1）亮度高激光的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：（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(wàn)度以上的高溫，進(jìn)行打孔、焊接、手術(shù)以及可控?zé)岷朔磻?yīng)等等。（2）單色性：即激光只有一個(gè)振蕩波長(zhǎng)，適合制成高清晰度的彩色電視；譜線寬度越窄(即波長(zhǎng)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(yán)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(wàn)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(dòng)方向、相位高度一致，使激光光波在空間重疊時(shí)，重疊區(qū)的光強(qiáng)分布會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定的強(qiáng)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(dòng)方向、相位不一致，稱為非相干光。

激光的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：（1）亮度高：其定義是單位面積，單位立體角內(nèi)二、光纖的結(jié)構(gòu)和模式二、光纖的結(jié)構(gòu)和模式纖芯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(hào)纖芯1)位置：光纖的中心部位包層位置：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(dāng)降低包層折射率(n2)，使之略低于纖芯折射

率，使得光信號(hào)能約束在纖芯中傳輸包層位置：位于纖芯的周圍涂覆層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(jī)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(hù)光纖不受水汽侵蝕和機(jī)械擦傷，同時(shí)又增加光纖的機(jī)械強(qiáng)度與可彎曲性，起著延長(zhǎng)光纖壽命的作用涂覆層1)位置：位于光纖的最外層按傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)目分類單模光纖多模光纖三、光纖的分類按傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)目分類三、光纖的分類光纖的傳播模式單模光纖(SignalModeFiber)：僅允許一個(gè)模式傳播的光纖多模光纖(MultipleModeFiber)：同時(shí)允許多個(gè)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(gè)傳播模式。光纖的傳播模式單模光纖(SignalModeFiber)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(zhǎng)有關(guān)：多模：纖芯半徑>>光波波長(zhǎng)：光纖中會(huì)存在大量傳播模式單模：纖芯半徑~光波波長(zhǎng)：光纖只允許一種模式在其中傳播因此，對(duì)于給定波長(zhǎng)單模光纖的芯徑要比多模光纖小例如，對(duì)于常用通信波長(zhǎng)(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！

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)膯文９饫w優(yōu)點(diǎn)：芯徑小，不存在模間色散，帶寬大，用于長(zhǎng)途傳輸缺點(diǎn)：芯徑小，需要使用半導(dǎo)體激光器LD激勵(lì)多模光纖優(yōu)點(diǎn)：芯徑大，容易注入光功率，可以使用發(fā)光二級(jí)管LED作為光源缺點(diǎn)：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(diǎn)多模只能傳輸2KM；單?？梢詡鬏?00KM,現(xiàn)在基本上都是用單模的!單模光纖多模光纖單模光纖和多模光纖的特點(diǎn)多模只能傳輸2KM；《光信息科學(xué)與技術(shù)》-hcx課件《光信息科學(xué)與技術(shù)》-hcx課件《光信息科學(xué)與技術(shù)》-hcx課件《光信息科學(xué)與技術(shù)》-hcx課件《光信息科學(xué)與技術(shù)》-hcx課件時(shí)間時(shí)間《光信息科學(xué)與技術(shù)》-hcx課件《光信息科學(xué)與技術(shù)》-hcx課件《光信息科學(xué)與技術(shù)》-hcx課件第一代：1966~1979(從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開發(fā)時(shí)期)激光器(GaAs)，波長(zhǎng)0.8μm，多模光纖，最大中繼距離10km(當(dāng)時(shí)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(gè)發(fā)展階段第一代：1966~1979(從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開發(fā)時(shí)期第二代：上世紀(jì)80年代早期(減小了光纖色散)激光器(InGaAs)，波長(zhǎng)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(gè)發(fā)展階段第二代：上世紀(jì)80年代早期(減小了光纖色散)光纖通信的四個(gè)第三代：上世紀(jì)80年代后期初90年代初(降低了光纖損耗)激光器(InGaAsP)波長(zhǎng)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(gè)階段的缺點(diǎn)是采用電的方式中繼。光纖通信的四個(gè)發(fā)展階段第三代：上世紀(jì)80年代后期初90年代初(降低了光纖損耗)光第四代：上世紀(jì)90年代之后(引入了WDM和全光放大技術(shù))激光器(InGaAsP)波長(zhǎng)1.55μm，單模光纖，采用波分復(fù)用技術(shù)和光放大技術(shù)，單波長(zhǎng)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(gè)發(fā)展階段WDM技術(shù)出現(xiàn)第四代：上世紀(jì)90年代之后(引入了WDM和全光放大技術(shù))光光纖通信最具代表性技術(shù)

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

兩個(gè)重大技術(shù)突破：波分復(fù)用和光放大。光纖通信最具代表性技術(shù)

－波分復(fù)用WDM1、波分復(fù)用WDM的工作原理空分復(fù)用：即同一線路上敷設(shè)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(jiǎn)單，但不經(jīng)濟(jì)。時(shí)分復(fù)用（TDM）：將不同信道的數(shù)字信號(hào)在時(shí)間上錯(cuò)開或分割再匯合的方法。波分復(fù)用（WDM）：通過(guò)TDM達(dá)到一定的比特率，再將它們負(fù)載到不同波長(zhǎng)的光波上，然后將多個(gè)載有信息的波長(zhǎng)通過(guò)光波分復(fù)用器耦合進(jìn)同一單模光纖傳輸出去。比如國(guó)際電聯(lián)（ITU）所定的密集波分復(fù)用（DWDM）的波長(zhǎng)間隔0.8nm。美國(guó)朗訊將1022個(gè)不同波長(zhǎng)復(fù)用至同一光纖。1、波分復(fù)用WDM的工作原理空分復(fù)用：即同一線路上敷設(shè)含多1、波分復(fù)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(gè)波長(zhǎng)可以在同一根光纖中獨(dú)立傳播例：這兩個(gè)低損耗波長(zhǎng)窗口可以容納290個(gè)40-Gb/sPSK信號(hào)1、波分復(fù)用WDM的工作原理在1300~1600nm光譜點(diǎn)到點(diǎn)的波分復(fù)用系統(tǒng)波分復(fù)用器100GHz間隔的WDM信道頻譜點(diǎn)到點(diǎn)的波分復(fù)用系統(tǒng)波分復(fù)用器100GHz間隔的WDM信道WDM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)1.系統(tǒng)容量可以很容易升級(jí)

如果每個(gè)波長(zhǎng)可以承載40Gb/s的信息，那么一根光纖若同時(shí)傳輸100個(gè)波長(zhǎng)就能實(shí)現(xiàn)4Tb/s的傳輸2.可以保持?jǐn)?shù)據(jù)的透明性

所有信道都能獨(dú)立地?cái)y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(hào)3.可以用于構(gòu)造波長(zhǎng)路由光網(wǎng)絡(luò)

光網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點(diǎn)除了可以執(zhí)行時(shí)間和空間兩個(gè)維度的交換之外還可以利用波長(zhǎng)進(jìn)行交換，多維的交換讓光網(wǎng)絡(luò)具有更高

的靈活性WDM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)1.系統(tǒng)容量可以很容易升級(jí)2.可以保持?jǐn)?shù)光纖放大器

光纖放大器是光纖通信系統(tǒng)對(duì)光信號(hào)直接進(jìn)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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，直接對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大的一種技術(shù)。

動(dòng)機(jī)：解決電中繼器設(shè)備復(fù)雜、維護(hù)難、成本高的問題一個(gè)小的光放大器就能取代龐大的中繼站！光纖放大器光纖放大器是光纖通信系統(tǒng)對(duì)光信號(hào)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(fù)用技術(shù)(WDM)

走向?qū)嵱没⒋龠M(jìn)了光接入網(wǎng)的實(shí)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(hào)通過(guò)的纖芯中摻入了鉺離子Er3+的光信號(hào)放大器。)是1985年英國(guó)南安普頓大學(xué)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。

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1976年，美國(guó)在亞特蘭大進(jìn)行世界上第一個(gè)實(shí)用光纖通信系統(tǒng) 的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)1976年，日本進(jìn)行了34Mb/s的階躍多模光纖通信系統(tǒng)試驗(yàn)1978年，日本進(jìn)行了100Mb/s的漸變型多模光纖通信系統(tǒng)試驗(yàn)1980年，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化FT-3光纖通信系統(tǒng)投入商業(yè)應(yīng)用1983年，敷設(shè)了縱貫日本南北的光纜長(zhǎng)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1976年，美國(guó)在亞特蘭大進(jìn)行世界上第一個(gè)實(shí)用光纖通信系統(tǒng)光當(dāng)今世界范圍的光纖通信系統(tǒng)當(dāng)今世界范圍的光纖通信系統(tǒng)六、光纖通信的主要特性容量大：馬路越寬，容許通過(guò)的車輛越多，交通運(yùn)輸能力也越大。如果把通信線路比作馬路，那么應(yīng)該說(shuō)是通信線路的頻帶越寬，容許傳輸?shù)男畔⒃蕉啵ㄐ湃萘烤驮酱?。目前的光纖容量已經(jīng)達(dá)到十多個(gè)Tb/s六、光纖通信的主要特性容量大：馬路越寬，容許通過(guò)的車輛越多，損耗低、中繼距離長(zhǎng)石英光纖在1.55mm波長(zhǎng)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(zhǎng)的微波通信是50公里左右

光纖通信系統(tǒng)的最長(zhǎng)中繼距離已達(dá)數(shù)千公里，數(shù)萬(wàn)公里損耗低、中繼距離長(zhǎng)石英光纖在1.55mm波長(zhǎng)區(qū)的損耗可低到抗干擾能力強(qiáng)現(xiàn)有的電通信系統(tǒng)無(wú)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(shè)的，也不能在電氣鐵化路附近鋪設(shè)例2：據(jù)專家測(cè)算，如果在美國(guó)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(qiáng)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抗干擾能力強(qiáng)現(xiàn)有的電通信系統(tǒng)無(wú)法令人滿意地解決抗干擾問題。保密性強(qiáng)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(shè)置一個(gè)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(wú)線通信方式：無(wú)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(shí)不會(huì)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。保密性強(qiáng)電通信方式很容易被人竊聽體積小、重量輕1千克高純度石英玻璃成千上萬(wàn)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(shè)非常方便。體積小、重量輕1千克高純度石英玻璃成千上萬(wàn)公里光纖光纖的原材料取之不竭電線主材：銅、鉛等有色金屬，預(yù)計(jì)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(xué)成分中占了一半以上，可以說(shuō)是取之不盡、用之不竭光纖的原材料取之不竭電線主材：銅、鉛等有色金屬，預(yù)計(jì)只夠使用其它優(yōu)點(diǎn)不怕腐蝕耐高低溫能力較強(qiáng)(-65~200度)

其它優(yōu)點(diǎn)不怕腐蝕缺點(diǎn)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(diǎn)是否有氣泡等)3.光纖通信過(guò)程中怕水、怕冰(OH-根吸收增大損耗)4.光纖怕彎曲(導(dǎo)致?lián)p耗增加)案例：新疆某地區(qū)大雪導(dǎo)致光纖故障(2006年10月報(bào)道)原因：光纜沒有防護(hù)好，被冰雪包裹，并由于冰雪壓力和熱脹冷縮導(dǎo)致光纖彎曲缺點(diǎn)1.容易折斷(比如經(jīng)常被挖斷)案例：新疆某地區(qū)大雪導(dǎo)由光發(fā)射機(jī)、光纖光纜、中繼器與光接收機(jī)等基本單元組成。此外還包括一些互連與光信號(hào)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(fù)用器ADM等。光源調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路光發(fā)射機(jī)放大器光電二極管判決器光接收機(jī)光纖光纖中繼器七、光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成光器件由光發(fā)射機(jī)、光纖光纜、中繼器與光接收機(jī)等基本單元組成。光源調(diào)點(diǎn)到點(diǎn)鏈路模型光源-光纖的耦合光纖-光纖的耦合點(diǎn)到點(diǎn)鏈路模型光源-光纖的耦合光源-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(kuò)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，使之容易耦合入纖光源-光纖的耦合透鏡耦合一般用于光源發(fā)光面