光纖通信概述

光纖通信概述第1頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三第2頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三第一章光纖通信概述1.1光纖通信的發(fā)展歷程1.2光纖通信的主要特性1.3光纖通信系統(tǒng)的組成與分類1.4全光網(wǎng)第3頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三早期的光通信3000多年前，中國古代的重要軍事防御設(shè)施，建造“烽火臺”，防止敵人入侵，遇敵情則白天點(diǎn)燃摻有狼糞的柴草，使?jié)鉄熤鄙显葡觯灰估飫t燃燒加有硫磺和硝石的干柴，使火光通明，臺臺相連，以傳遞緊急軍情。第4頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三早期光通信旗語（世界各國海軍通用的語言）不同的旗子，不同的旗組表達(dá)著不同的意思。鄭和下西洋交通信號燈、機(jī)場上的跑道標(biāo)志燈第5頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三1880年，美國人貝爾發(fā)明了“光電話”第6頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三BellsPhotophone1880-PhotophoneTransmitter1880-PhotophoneReceiver第7頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三之后的幾十年，光通信進(jìn)展不大原因光不純作為接收機(jī)的硅光電池內(nèi)部噪聲很大沒有一個適當(dāng)?shù)墓鈧鬏斆劫|(zhì)第8頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三1960年，美國加利福尼亞州休斯航空公司實驗室的研究員梅曼發(fā)明了第一臺紅寶石激光器。第9頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三在這個時期，美國麻省理工學(xué)院利用He-Ne激光器和CO2激光器進(jìn)行了大氣激光通信實驗。實驗證明：用承載信息的光波，通過大氣的傳播，實現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的通信是可行的，但是通信能力和質(zhì)量受氣候影響十分嚴(yán)重。固體激光器和氣體激光器的體積大、功耗大、不適宜做通信設(shè)備中的光源。第10頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三1970年，光纖通信用光源取得了實質(zhì)性的進(jìn)展

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(jié)半導(dǎo)體激光器。雖然壽命只有幾個小時，但它為半導(dǎo)體激光器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1973年，半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到7000小時。1976年，日本電報電話公司研制成功發(fā)射波長為1.3μm的銦鎵砷磷(InGaAsP)激光器。1977年，貝爾實驗室研制的半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到10萬小時（實用中10年左右）。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(dǎo)體激光器。第11頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三把激光束限定在特定的空間內(nèi)傳輸。解決方法第12頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三1966年，英籍華人高錕深入研究了光在石英玻璃纖維中的嚴(yán)重?fù)p耗問題（1000dB/km)發(fā)現(xiàn)引起光纖損耗的主要原因如果把材料中金屬離子含量的比重降低到106以下，光纖損耗就可以減小到10dB/km。再通過改進(jìn)制造工藝，提高材料的均勻性，可進(jìn)一步把光纖的損耗減少到幾dB/km。這種想法很快就變成了現(xiàn)實?，F(xiàn)代光纖通信的發(fā)展歷程第13頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三高錕----光纖通信發(fā)明家（左）2009年獲得諾貝爾物理學(xué)獎1998年在英國接受IEE授予的獎?wù)碌?4頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三1970年，光纖研制取得了重大突破1970年，在高錕理論的指導(dǎo)下，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。1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4dB/km。1973年，美國貝爾(Bell)實驗室用改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法制造的光纖損耗降低到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。目前G.654光纖在1.55μm波長附近僅為0.151dB/km，接近了光纖最低損耗的理論極限。我國目前也有相當(dāng)多的公司可以拉制性能很好的通信光纖，比如長飛、大唐電信等等。第15頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三

實用光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展

1976年，美國在亞特蘭大進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)化FT-3光纖通信系統(tǒng)投入商業(yè)應(yīng)用。1976年和1978年，日本先后進(jìn)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(shè)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。第16頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三國外光纖技術(shù)發(fā)展情況光纖技術(shù)發(fā)展概況20世紀(jì)60年代中期，所研制的最好的光纖損耗在400dB以上1966年英國標(biāo)準(zhǔn)電信研究所高錕及Hockham從理論上預(yù)言光纖損耗可降至20dB/km以下日本于1969年研制出第一根通信用光纖損耗為100dB/km1970年康寧公司（Corning）采用“粉末法”先后獲得了損耗低于20dB/km和4dB/km的低損耗石英光纖1974年貝爾實驗室（Bell）采用改進(jìn)的化學(xué)汽相沉積法制出性能優(yōu)于康寧公司的光纖產(chǎn)品。到1979年，摻鍺石英光纖在1.55μm處的損耗已經(jīng)降到0.2dB/km，這一數(shù)值已經(jīng)十分接近由Rayleigh散射所決定的石英光纖理論損耗極限第17頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三世界光纖產(chǎn)值從96年92億美元到2002年預(yù)計198億美元，每6年翻一番現(xiàn)在世界上光纖生產(chǎn)速度為3200km/小時，即每天生產(chǎn)的光纖可繞地球兩周目前光纖產(chǎn)量每年遞增20~25%目前光纜產(chǎn)值按應(yīng)用分類為：本地通信51.25%，LAN等20.82%，干線15.81%，CATV8.6%，其它3.5%第18頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三光纖技術(shù)發(fā)展概況1963年開始光通信的研究1977年，第一根短波長(0.85mm)階躍型石英光纖問世，損耗為300dB/km1978年，階躍光纖的衰減降至5dB/km。研制出短波長多模梯度光纖，即G.651光纖1979年，研制出多模長波長光纖，衰減為1dB/km。建成5.7km、8Mb/s光通信系統(tǒng)試驗段1980年1300nm窗口衰減降至0.48dB/km，1550nm窗口衰減為0.29dB/km。1981年多模光纖活動連接器進(jìn)入實用1984年武漢、天津34Mb/s市話中繼光傳輸系統(tǒng)工程建成(多模)1990年，研制出G.652標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，最小衰減達(dá)0.35dB/km1992年降至0.26dB/km國內(nèi)現(xiàn)狀第19頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三1991年，研制出G.653色散位移光纖。最小衰減達(dá)0.22dB/km1997年，研制出G.655非零色散位移光纖光纖技術(shù)發(fā)展概況雖然光纖光纜的研制僅短短的30多年，其應(yīng)用卻已相當(dāng)普遍。迄今，已敷設(shè)光纜長度超過100萬km，光纜已敷設(shè)到世界屋脊西藏。生產(chǎn)光纜的廠家有200多家，每年所用光纖的數(shù)量超過400萬km。在實際網(wǎng)絡(luò)中，無論是核心網(wǎng)還是接入網(wǎng)，目前主要應(yīng)用的還是G.652光纖。在核心網(wǎng)中新建線路已開始采用G.655光纖，在接入網(wǎng)中已開始應(yīng)用光纖帶光纜。我國光通信領(lǐng)域已掌握了光纖、器件、系統(tǒng)等各方面的關(guān)鍵技術(shù)，逐漸走進(jìn)了國際光通信的先進(jìn)行列。尤其在主要技術(shù)上，都有了自己的特色和創(chuàng)新。

第20頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三第一階段（1966-1976年）從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開發(fā)時期。第二階段（1976-1986年）這是以提高傳輸速率和增加傳輸距離為研究目標(biāo)和大力推廣應(yīng)用的大發(fā)展時期。第三階段（1986-1996年）這是以超大容量超長距離為目標(biāo)、全面深入開展新技術(shù)研究的時期。第四階段（1996年-至今）開展研究光纖通信新技術(shù)。光纖通信發(fā)展的四階段第21頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三通信波段劃分及相應(yīng)傳輸媒介頻率Hz10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015自由空間波長（m）電力、電話無線電、電視微波紅外可見光雙鉸線同軸電纜光纖衛(wèi)星/微波AM無線電FM無線電頻段劃分傳輸介質(zhì)第22頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三各種傳輸線路的損耗特性第23頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三光纖通信的優(yōu)點(diǎn)1.

通信速率高（Tb/s）、傳輸容量大

“T”是什么概念呢？T數(shù)量級為10的12次方，1Tbit/s的速率意味著我們可以用一對只有頭發(fā)絲1/10粗細(xì)的光纖在1秒鐘之內(nèi)將300年的泰晤士報傳送到世界上的任何一個角落，或者同時傳送10萬路電視節(jié)目，或同時通1200萬路電話。光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量取決于光纖特性、光源特性和調(diào)制特性。適用光纖共有約200nm寬的低損耗區(qū)，理論上可提供相當(dāng)于300THz的頻帶寬度。第24頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三第25頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三2.損耗低（單模在1550nm窗口已低達(dá)0.2dB/km)、傳輸距離遠(yuǎn)（中繼距離可達(dá)50-100Km）3.抗干擾能力強(qiáng)，泄漏小，保密性好第26頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三目前人類所受到的最大的電磁干擾――太陽風(fēng)暴

太陽風(fēng)暴是由美國“水手2號”探測器于1962年發(fā)現(xiàn)的，它是太陽黑子（看上去是太陽表面產(chǎn)生的黑點(diǎn)，其實是高大的火焰，它能釋放出相當(dāng)于4000萬個廣島原子彈的能量，引起高電荷的粒子噴發(fā)到宇宙空間。）活動達(dá)到高潮時，太陽因能量的增加而使得自身活動加強(qiáng)，從而向廣袤的空間釋放出大量帶電粒子所形成的高速粒子流，所以科學(xué)家把這一現(xiàn)象比喻為太陽打“噴嚏”。由于太陽風(fēng)中的氣團(tuán)主要內(nèi)容是帶電等離子體，這些帶電粒子經(jīng)過9300萬英里的旅程后以每小時150萬到300萬公里的速度向地球撲來，并與地球磁場發(fā)生撞擊產(chǎn)生地磁沖擊波，可引發(fā)地球的磁暴，使人們看見極光。在太陽活動高峰期，會有一兩次地球磁暴，可以看到天空飛舞光芒時的壯麗景色。但是太陽風(fēng)暴的到來，會影響太空站，破壞臭氧層，對人體的健康和地面設(shè)施也會造成一定影響。在70年代，曾經(jīng)發(fā)生過一次太陽風(fēng)暴，它導(dǎo)致大氣活動加劇，使得當(dāng)時蘇聯(lián)的“禮炮”號空間站飛行阻力加大，結(jié)果脫離了原來的軌道。1989年加拿大魁北克省和美國新澤西州的供電系統(tǒng)遭受太陽風(fēng)暴的襲擊，讓600萬人9個小時沒用上電，造成了超過10億美元的損失。但是，受太陽風(fēng)暴影響最大的要算衛(wèi)星通信和地面通信了?？茖W(xué)家認(rèn)為太陽風(fēng)暴給通信衛(wèi)星造成的影響有兩方面：一個是靜電引起計算機(jī)故障，另一個是摩擦改變衛(wèi)星的軌道。由于衛(wèi)星中使用的大量的集成芯片，而芯片對于靜電是很敏感的，稍有不慎就會被燒毀，所以太陽風(fēng)暴無疑成了衛(wèi)星的天敵。而且人造地球衛(wèi)星是圍繞著地球軌道飛行的，地球磁場被擾亂后，它們可能失去方向控制，甚至闖入星際太空變成太空“孤兒”。2000年6月8日的太陽風(fēng)暴，差點(diǎn)使俄羅斯的一顆導(dǎo)航衛(wèi)星失去方向。太陽風(fēng)暴還會造成人造衛(wèi)星的短路，許多靠衛(wèi)星傳播的通信業(yè)務(wù)可能因此停頓。1998年5月，美國銀河4號衛(wèi)星因受太陽風(fēng)暴影響而失靈，造成北美地區(qū)80%的尋呼機(jī)無法使用，金融服務(wù)陷入脫機(jī)狀態(tài)，信用卡交易也中斷了。2000年的6月8日當(dāng)天，加拿大的部分地區(qū)出現(xiàn)無線電通信聯(lián)絡(luò)異?，F(xiàn)象，一些移動電話用戶的通話數(shù)次被打斷，有的則聽不清楚對方講話。但是，在太陽風(fēng)暴到來的時候，光纖通信卻不會受到分毫的影響。第27頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三4.質(zhì)量輕（是傳輸相同信息量電纜重量的1/10-1/30），體積?。ㄊ窍嗤萘侩娎|外徑的1/3-1/4），敷設(shè)方便

第28頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三5.耐腐蝕，耐高溫（石英玻璃熔點(diǎn)在2000?C以上），可在惡劣環(huán)境中工作，壽命長6.節(jié)約金屬材料，有利于資源合理使用

用1公斤的高純度的石英玻璃可以拉制上萬公里的光纖，相比之下，制造1公里18管同軸電纜需要耗120公斤的銅，或500公斤的鉛。第29頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三光纖通信的缺點(diǎn)1.抗拉強(qiáng)度低（由于光纖在生產(chǎn)過程中表面存在或產(chǎn)生微裂痕，光纖受拉時應(yīng)力全加于此，使光纖的實際抗拉強(qiáng)度非常低，這就是裸光纖易折斷的原因）2.光纖連接困難（要使連接損耗小，兩根光纖的纖芯必須嚴(yán)格對準(zhǔn)）3.光纖怕水（水進(jìn)入光纖后，會增加光纖的OH-吸收損耗，使信道總損耗增大；會造成光纜中的金屬構(gòu)件氧化