光通信原理與技術第1章

光通信原理與技術緒論電子信息科學與技術教研室成績評定課程性質(zhì)：專業(yè)任選課（考查）課程學時:42學時考核方式：考試平時成績50分；期末考試50分。答疑時間：每周三下午（實驗樓539）

課程內(nèi)容光纖傳輸原理光纖通信幾何光學波導光學發(fā)送傳輸接收課程目的掌握光纖通信的基本概念，基本理論和基本技術，了解光纖通信的發(fā)展現(xiàn)狀，更好地適應社會需要。

參考教材《光纖通信》，王江平等譯，電子工業(yè)出版社《光通信技術與應用》，陳根祥等譯，電子工業(yè)出版社《光波導與光纖通信基礎》，丁么明，高教出版社概念通信信息的傳遞：發(fā)送—傳輸—接收光通信用光波載運信息，實現(xiàn)通信光纖通信用光波載運信息，以光纖作傳輸媒體，實現(xiàn)通信大氣激光通信無纖光通信。用光波載運信息，以大氣作傳輸媒體，實現(xiàn)通信緒論光通信的發(fā)展遠古時代；烽火臺，狼煙傳訊

近代：旗語，燈光雛形：目視通信現(xiàn)代光通信1960-1965各類激光器1977貝爾實驗室CaAlAs激光器1910-1966介質(zhì)波導研究理論，傳光用玻璃纖維研究1970-1972低損耗光纖的研究問世光源：能否制造出室溫下連續(xù)工作的激光器？媒質(zhì)：能否找到損耗足夠低的傳輸媒質(zhì)？光源發(fā)展：1960年7月8日，美國人梅曼(Maiman)發(fā)明了第一臺紅寶石激光器，給光通信帶來了新的希望。激光器的發(fā)明和應用，使沉睡了80年的光通信進入一個嶄新的階段。1961年，貝爾實驗室發(fā)明了氦-氖激光器1965年，二氧化碳激光器1970年，美國貝爾實驗室、日本電氣公司(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。1977年，貝爾實驗室研制的半導體激光器壽命達到100萬小時。為光纖通信的商用化奠定了基礎。1979年美國電報電話(AT&T)公司和日本電報電話公司研制成功發(fā)射波長為1.55μm的連續(xù)振蕩半導體激光器。傳光介質(zhì)發(fā)展1910年，Debye等人開始了介質(zhì)波導的理論研究1920年，進行了介質(zhì)波導的實驗1951年，出現(xiàn)了光用玻璃纖維，由于傳輸損耗太大，用于一些醫(yī)療設備，并不用于通信。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途徑，奠定了現(xiàn)代光通信——光纖通信的基礎。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。1970年，美國康寧(Corning)公司研制成功損耗20dB/km的石英光纖。把光纖通信的研究開發(fā)推向一個新階段。并在1972年，又把光纖損耗降到4dB/km。

1970：光纖通信實用化的開端1973年，美國貝爾(Bell)實驗室的光纖損耗降低到2.5dB/km。1974年降低到1.1dB/km。1976年，日本電報電話(NTT)公司將光纖損耗降低到0.47dB/km(波長1.2μm)。在以后的10年中，波長為1.55μm的光纖損耗：1979年是0.20dB/km，1984年是0.157dB/km，1986年是0.154dB/km，接近了光纖最低損耗的理論極限。光纖通信實驗1976年，美國在亞特蘭大(Atlanta)進行了世界上第一個實用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗。1980年，美國標準化FT-3光纖通信系統(tǒng)投入商業(yè)應用。1976年和1978年，日本先后進行了速率為34Mb/s的突變型多模光纖通信系統(tǒng)，以及速率為100Mb/s的漸變型多模光纖通信系統(tǒng)的試驗。1983年敷設了縱貫日本南北的光纜長途干線。隨后，由美、日、英、法發(fā)起的第一條橫跨大西洋TAT-8海底光纜通信系統(tǒng)于1988年建成。第一條橫跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光纜通信系統(tǒng)于1989年建成。2002年，光纖通信單通道傳輸速率達到40Gb/s,DWDM傳輸光通信容量達10Tb/s；2002年后，光通信開始向最后一站——用戶接入網(wǎng)邁進。到如今，光纖通信已經(jīng)發(fā)展到以采用光放大器(OpticalAmplifier，OA)增加中繼距離和采用波分復用(WavelengthDivisionMultiplexing，WDM)增加傳輸容量為特征的系統(tǒng)。光通信的發(fā)展高速率發(fā)展光通信復接體制的發(fā)展（PDH/SDH）新技術的發(fā)展

10G-40G的電時分復用ETDMDWDM波分復用

EDFA摻鉺光纖放大器光纖通信的主要特性光纖通信的優(yōu)點1.光纖的容量大光纖通信是以光纖為傳輸媒介，光波為載波的通信系統(tǒng)，其載波—光波具有很高的頻率(約1014Hz)，因此光纖具有很大的通信容量,可用帶寬一般在10THz以上。2.損耗低、中繼距離長實用的光纖通信系統(tǒng)使用的光纖多為石英光纖，此類光纖在1.55μm波長區(qū)的損耗可低到0.18dB/km，比已知的其他通信線路的損耗都低得多，因此，由其組成的光纖通

信系統(tǒng)的中繼距離也較其它介質(zhì)構成的系統(tǒng)長得多。如果今后采用非石英光纖，并工作在超長波長(＞2μm)，光纖的理論損耗系數(shù)可以下降到10-3～10-5dB/km，此時光纖通信的中繼距離可達數(shù)千，甚至數(shù)萬公里。3.抗電磁干擾能力強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。光纖的材料是玻璃或塑料，都不導電；而且由于有很厚的光包層，避免了光纖中的光泄漏，所以不存在相互間的電磁干擾，也不怕外界噪聲。4.保密性能好對通信系統(tǒng)的重要要求之一是保密性好。然而，隨著科學技術的發(fā)展，電通信方式很容易被人竊聽：只要在明線或電纜附近(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。更不用去說無線通信方式。5.節(jié)省有色金屬和原材料

制造通常的電纜需要消耗大量的銅和鉛等有色金屬。以四管中同軸電纜為例，1km四管中同軸電纜約需460kg銅，而制造1km光纖，只需幾十克石英。制造光纖的石英（主要成分為SiO2）原材料豐富而便宜，幾乎取之不竭。6.體積小，重量輕，易于施工在傳輸同一信息量時，光纜的重量比其他通信電纜重量要輕得多。每根光纖的直徑很小，制成光纜后可充分利用地下管道。有二次套塑的光纖，即使以幾厘米的曲率半徑彎曲也不會斷，施工時可以采用與電纜相同或類似的敷設技術進行敷設。通信設備的重量輕和體積小，對軍事、航空航天等特殊的應用環(huán)境具有特別重要的意義。光纖通信的缺點事物都是一分為二的，光纖通信有許多優(yōu)點，因而發(fā)展很快，但光纖通信也有以下缺點?？估瓘姸鹊凸饫w連接困難光纖怕水光通信未來發(fā)展的熱點向超高速系統(tǒng)的發(fā)展向超大容量WDM系統(tǒng)的演進實現(xiàn)光聯(lián)網(wǎng)開發(fā)新一代光纖IPoverSDH與IPoverOptical光接入網(wǎng)——解決全網(wǎng)瓶頸向超高速系統(tǒng)的發(fā)展

目前，10Gbps系統(tǒng)已開始大批量裝備網(wǎng)絡，超高速系統(tǒng)在北美，在歐洲、日本和澳大利亞也已開始大量應用。但是，10Gbps系統(tǒng)對于光纜極化模色散比較敏感，而已經(jīng)鋪設的光纜并不一定都能滿足開通和使用10Gbps系統(tǒng)的要求，需要實際測試，驗證合格后才能安裝開通。它的比較現(xiàn)實的出路是轉(zhuǎn)向光的復用方式。光復用方式有很多種，但目前只有波分復用(WDM)方式進入了大規(guī)模商用階段，而其他方式尚處于試驗研究階段。向超大容量WDM系統(tǒng)的演進

采用電的時分復用系統(tǒng)的擴容潛力已盡，然而，光纖的200nm可用帶寬資源利用率不到1％，還有99％的資源尚待發(fā)掘。如果將多個發(fā)送波長適當錯開的光源信號同時在一級光纖上傳送，則可大大增加光纖的信息傳輸容量，這就是波分復用的基本思路?；赪DM應用的巨大好處及近幾年來技術上的重大突破和市場的驅(qū)動，波分復用系統(tǒng)發(fā)展十分迅速。目前全球?qū)嶋H鋪設的WDM系統(tǒng)已超過3000個，而實用化系統(tǒng)的最大容量已達320Gbps，阿爾卡特朗訊公司已宣布將推出80個波長的WDM系統(tǒng)，其總容量可達200Gbps。實驗室的最高水平則已達到2.6Tbps。預計不久的將來，實用化系統(tǒng)的容量即可達到1Tbps的水平。實現(xiàn)光聯(lián)網(wǎng)

上述實用化的波分復用系統(tǒng)技術盡管具有巨大的傳輸容量，但基本上是以點到點通信為基礎的系統(tǒng)，其靈活性和可靠性還不夠理想。如果在光路上也能實現(xiàn)類似SDH在電路上的分插功能和交叉連接功能的話，無疑將增加新一層的威力。由于光聯(lián)網(wǎng)具有巨大的潛在優(yōu)勢，美國、日本及歐洲等發(fā)達地區(qū)投入了大量的人力、物力和財力進行預研，特別是美國國防部預研局資助了一系列光聯(lián)網(wǎng)項目。光聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為繼SDH電聯(lián)網(wǎng)以后又一新的光通信發(fā)展高潮。開發(fā)新一代光纖

傳統(tǒng)的G.652單模光纖在適應上述超高速長距離傳送網(wǎng)絡的發(fā)展需要方面已暴露出力不從心的態(tài)勢，開發(fā)新型光纖已成為開發(fā)下一代網(wǎng)絡基礎設施的重要組成部分。目前，為了適應干線網(wǎng)和城域網(wǎng)的不同發(fā)展需要，已出現(xiàn)了兩種不同的新型光纖，即非零色散光(G.655光纖)和無水吸收峰光纖(全波光纖)。其中，全波光纖將是以后開發(fā)的重點，也是現(xiàn)在研究的熱點。從長遠來看，XPON技術無可爭議地將是未來寬帶接入技術的發(fā)展方向。但從當前技術發(fā)展、成本及應用需求的實際狀況看，它距離實現(xiàn)廣泛應用于電信接入網(wǎng)絡這一最終目標還會有一個較長的發(fā)展過程。IPoverSDH與IPoverOptical

以lP業(yè)務為主的數(shù)據(jù)業(yè)務是當前世界信息業(yè)發(fā)展的主要推動力，因而能否有效地支持IP業(yè)務已成為新技術能否有長遠技術壽命的標志。目前，ATM和SDH均能支持lP，分別稱為IPoverATM和IPoverSDH，兩者各有千秋。但從長遠看，當IP業(yè)務量逐漸增加，需要高于2．4吉位每秒的鏈路容量時，則有可能最終會省掉中間的SDH層，IP直接在光路上跑，形成十分簡單統(tǒng)一的IP網(wǎng)結構(IPoverOptical)。三種IP傳送技術都將在電信網(wǎng)發(fā)展的不同時期和網(wǎng)絡的不同部分發(fā)揮自己應有的歷史作用。但從面向未來的視角看，IPoverOptical將是最具長遠生命力的技術。特別是隨著IP業(yè)務逐漸成為網(wǎng)絡的主導業(yè)務后，這種對IP業(yè)務最理想的傳送技術將會成為未來網(wǎng)絡特別是骨干網(wǎng)的主導傳送技術。光接入網(wǎng)——解決全網(wǎng)瓶頸

近幾年，網(wǎng)絡的核心部分發(fā)生了翻天覆地的變化，無論是交換還是傳輸，都已更新了好幾代。一方面，網(wǎng)絡的這一部分將成為全數(shù)字化的、軟件主宰和控制的、高度集成和智能化的網(wǎng)絡；而另一方面，現(xiàn)存的接入網(wǎng)仍然部分是雙絞線銅線主宰的、原始落后的模擬系統(tǒng)。兩者在技術上存在巨大的反差，制約全網(wǎng)的進一步發(fā)展。為了能從根本上徹底解決這一問題，必須大力發(fā)展光接