大学光纤通信技术课件.pptx

1、一.光纤通信技术定义光纤通信 光纤通信是利用光作为信息载体、以光纤作为传输的通信力式。在光纤通信系统中，作为载波的光波频率比电波的频率高得多，而作为传输介质的光纤又比同轴电缆或导波管的损耗低得多，所以说光纤通信的容量要比微波通信大几十倍。光纤是用玻璃材料构造的，它是电气绝缘体，因而不需要担心接地回路，光纤之间的中绕非常小，光波在光纤中传输，不会因为光信号泄漏而担心传输的信息被人窃听，光纤的芯很细，由多芯组成光缆的直径也很小，所以用光缆作为传输信道，使传输系统所占空间小，解决了地下管道拥挤的问题。http:/ 光纤比铜线或电缆有大得多的传输带宽，光纤通信系统的于光源的调制特性、调制方式和光纤的色

2、散特性。散波长窗口，单模光纤具有几十GHzkm的宽带。对于单波长光纤通信系统，由于终端设备的电子瓶颈效应而不能发挥光纤带宽大的优势。通常采用各种复杂技术来增加传输的容量，特别是现在的密集波分复用技术极大地增加了光纤的传输容量。采用密集波分复术可以扩大光纤的传输容量至几倍到几十倍。目前，单波长光纤通信系统的传输速率一般在2.5Gbps到10Gbps，采用密集波分复术实现的多波长传输系统的传输速率已经达到单波长传输系统的数百倍。巨大的带宽潜力使单模光纤成为宽带综合业务网的首选介质。http:/ 损耗低，中继距损耗低，中继距离长离长 目前，实用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光纤，此类光纤损目前，实

3、用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光纤，此类光纤损耗可低于耗可低于0.20dB/km0.20dB/km，这样的传输损耗比其它任何传输介质的损耗都低，这样的传输损耗比其它任何传输介质的损耗都低，因此，由其组成的光纤通信系统的中继距离也较其他介质构成的系，因此，由其组成的光纤通信系统的中继距离也较其他介质构成的系统长得多。统长得多。如果将来采用非石英系统极低损耗光纤，其理论分析损耗可下降的如果将来采用非石英系统极低损耗光纤，其理论分析损耗可下降的更低。这意味着通过光纤通信系统可以跨越更大的无中继距离；对于更低。这意味着通过光纤通信系统可以跨越更大的无中继距离；对于一个长途传输线路，由于中继站数目的

4、减少，系统成本和复杂性可大一个长途传输线路，由于中继站数目的减少，系统成本和复杂性可大大降低。目前，由石英光纤组成的光纤通信系统最大中继距离可达大降低。目前，由石英光纤组成的光纤通信系统最大中继距离可达200200多多kmkm，由非石英系极低损耗光纤组成的通信系至数公里，这对于降低，由非石英系极低损耗光纤组成的通信系至数公里，这对于降低通信系统的成本、提高可靠性和稳定性具有特别重要的意义。通信系统的成本、提高可靠性和稳定性具有特别重要的意义。http:/ 抗电磁干扰能力强 光纤原材料是由石英制成的绝缘体材料，不易被腐蚀，而且绝缘性好。与之相联系的一个重要特性是光波导对电磁干扰的免疫力，它不受自

5、然界的雷电干扰、电离层的变化和太阳黑子活动的干扰，也不受人为释放的电磁干扰，还可用它与高压输电线平行架设或与电力导体复合构成复合光缆。它是一种非导电的介质，交变电磁波在其中不会产生感生电动势，即不会产生与信号无关的噪声。这样，就是把它平行铺设到高压电线和电气铁路附近，也不会受到电磁干扰。这一点对于强电领域（如电力传输线路和电气化铁道）的通信系统特别有利。http:/ 2.4光纤径细、重量轻、柔软、易于铺设 光纤的芯径很细，约为0.1mm，由多芯光纤组成光缆的直径也很小，8芯光缆的横截面直径约为10mm，而标准同轴电缆为47mm。这样采用光缆作为传输信道，使传输系统所占空间小，解决了地下管道拥挤

6、的问题，节约了地下管道建设投资。此外，光纤的重量轻，柔韧性好，光缆的重量要比电缆轻得多，在飞机、宇宙飞船和人造卫星上使用光纤通信可以减轻飞机、轮船、飞船的重量，显得更有意义。还有，光纤柔软可绕，容易成束，能得到直径小的高密度光缆。http:/ 保密性能好保密性能好 对通信系统的重要要求之一是保密性好。然而，随着科对通信系统的重要要求之一是保密性好。然而，随着科学技术的发展，电通信方式很容易被人窃听，只要在明线或学技术的发展，电通信方式很容易被人窃听，只要在明线或电缆附近设置一个特别的接收装置，就可以获取明线或电缆电缆附近设置一个特别的接收装置，就可以获取明线或电缆中传送的信息，更不用去说无线通

7、信方式。光纤通信与电通中传送的信息，更不用去说无线通信方式。光纤通信与电通信不同，由于光纤的特殊设计，光纤中传送的光波被限制在信不同，由于光纤的特殊设计，光纤中传送的光波被限制在光纤的纤芯和包层附近传送，很少会跑到光纤之外。即使在光纤的纤芯和包层附近传送，很少会跑到光纤之外。即使在弯曲半径很小的位置，泄漏功率也是十分微弱的。并且成缆弯曲半径很小的位置，泄漏功率也是十分微弱的。并且成缆以后光纤在外面包有金属做的防潮层和橡胶材料的护套，这以后光纤在外面包有金属做的防潮层和橡胶材料的护套，这些均是不透光的，因此，泄漏到光缆外的光几乎没有。更何些均是不透光的，因此，泄漏到光缆外的光几乎没有。更何况长途

8、光缆和中继光缆一般均埋于地下。所以光纤的保密性况长途光缆和中继光缆一般均埋于地下。所以光纤的保密性能好。此外，由于光纤中的光信号一般不会泄漏，因此电通能好。此外，由于光纤中的光信号一般不会泄漏，因此电通信中常见的线路之间的串话现象也可忽略。信中常见的线路之间的串话现象也可忽略。http:/ 光纤通信技术本身，应该包括以下几个主要部分：光纤光缆技术、光交换技术，传输技术、光有源器件、光无源器件以及光复用技术等。http:/ 光纤光缆技术 光纤技术的进步可以从两个方面来说明：一是通信系统所用的光纤；二是特种光纤。早期光纤的传输窗口只有3个，即850nm（第一窗口）、1310nm（第二窗口）以及15

9、50nm（第三窗口）。近几年相继开发出第四窗口（L波段）、第五窗口（全波光纤）以及S波段窗口。其中特别重要的是无水峰的全波窗口。这些窗口开发成功的巨大意义就在于从1280nm到1625nm的广阔的光频范围内，都能实现低损耗、低色散传输，使传输容量几百倍、几千倍甚至上万倍的增长。这一技术成果将带来巨大的经济效益。另一方面是特种光纤的开发及其产业化，这是一个相当活跃的领域。http:/ 3.2 光交换技术光交换技术 光交换技术是用光纤来进行网络数据、信号传输的网络交换传输技术。光交换技术可以分成光路交换技术和分组交换技术。光路交换又可分成三种类型，即空分（SD）、时分（TD）和波分/频分（WD/F

10、D）光交换，以及由这些交换组合而成的结合型。其中空分交换按光矩阵开关所使用的技术又分成两类，一是基于波导技术的波导空分，另一个是使用自由空间光传播技术的自由空分光交换。光分组交换中，异步传送模式是2006年来广泛研究的一种方式。http:/ 光有源器件 光有源器件的研究与开发本来是一个最为活跃的领域，但由于前几年已取得辉煌的成果，所以当今的活动空间已大大缩小。超晶格结构材料与量子阱器件，已完全成熟，而且可以大批量生产，已完全商品化，如多量子阱激光器（MQW-LD，MQW-DFBLD）。http:/ 光无源器件 光无源器件与光有源器件同样是不可缺少的。由于光纤接入网及全光网络的发展，导致光无源器

11、件的发展空前地热门。常规的常用器件已达到一定的产业规模，品种和性能也得到了极大的扩展和改善。所谓光无源器件就是指光能量消耗型器件、其种类繁多、功能各异，在光通信系统及光网络中主要的作用是：连接光波导或光路；控制光的传播方向；控制光功率的分配；控制光波导之间、器件之间和光波导与器件之间的光耦合；合波与分波；光信道的上下与交叉连接等。早期的几种光无源器件已商品化。其中光纤活动连接器无论在品种和产量方面都已有相当大的规模，不仅满足国内需要，而且有少量出口。光分路器（功分器）、光衰减器和光隔离器已有小批量生产。随着光纤通信技术的发展，相继又出现了许多光无源器件，如环行器、色散补偿器、增益平衡器、光的上

12、下复用器、光交叉连接器、阵列波导光栅CAWG等等。这些都还处于研发阶段或试生产阶段，有的也能提供少量商品。按光纤通信技术发展的一般规律来看，当光纤接入网大规模兴建时，光无源器件的需求量远远大于对光有源器件的需求。这主要是由于接入网的特点所决定的。接入网的市场约为整个通信市场的三分之一。因而，接入网产品有巨大的市场及潜在的市场。http:/ 光复用技术 光复用技术种类很多，其中最为重要的是波分复用（WDM）技术和光时分复用（OTDM）技术。光复用技术是当今光纤通信技术中最为活跃的一个领域，它的技术进步极大地推动光纤通信事业的发展，给传输技术带来了革命性的变革。波分复用当前的商业水平是273个或更

13、多的波长，研究水平是1022个波长（能传输368亿路电话），的潜在水平为几千个波长，理论极限约为15000个波长（包括光的偏振模色散复用，OPDM）。据1999年5月多伦多的Light Management Group Inc ofToronto演示报导，在一根光纤中传送了65536个光波，把PC数字信号传送到200m的广告板上，并采用声光控制技术，这说明了密集波分复用技术的潜在能力是巨大的。OTDM是指在一个光频率上，在不同的时刻传送不同的信道信息。这种复用的传输速度已达到320Gb/s的水平。若将DWDM与OTDM相结合，则会使复用的容量增加得更大，如虎添翼。http:/ 光纤通信的历史

14、光纤通信的诞生与发展是电信史上的一次重要革命。光纤通信的诞生与发展是电信史上的一次重要革命。19661966年，美籍华人高锟（年，美籍华人高锟（C.K.KaoC.K.Kao）和霍克哈姆（）和霍克哈姆（C.A.HockhamC.A.Hockham）发表论文，预见了低损耗的光纤能够用于通信）发表论文，预见了低损耗的光纤能够用于通信，敲开了光纤通信的大门，引起了人们的重视。，敲开了光纤通信的大门，引起了人们的重视。19701970年，美年，美国康宁公司首次研制成功损耗为国康宁公司首次研制成功损耗为20dB/km20dB/km的光纤，光纤通信时的光纤，光纤通信时代由此开始。代由此开始。19771977

15、年美国在芝加哥相距年美国在芝加哥相距70007000米的两电话局之米的两电话局之间，首次用多模光纤成功地进行了光纤通信试验。间，首次用多模光纤成功地进行了光纤通信试验。8.58.5微米波微米波段的多模光波为第一代光纤通信系统。段的多模光波为第一代光纤通信系统。19811981年又实现了两电年又实现了两电话局间使用话局间使用1.31.3微米多模光纤的通信系统，为第二代光纤通信微米多模光纤的通信系统，为第二代光纤通信系统。系统。19841984年实现了年实现了1.31.3微米单模光纤的通信系统，即第三代微米单模光纤的通信系统，即第三代光纤通信系统。光纤通信系统。8080年代中后期又实现了年代中后期

16、又实现了1.551.55微米单模光纤通微米单模光纤通信系统，即第四代光纤通信系统。用光波分复用提高速率，信系统，即第四代光纤通信系统。用光波分复用提高速率，用光波放大增长传输距离的系统，为第五代光纤通信系统。用光波放大增长传输距离的系统，为第五代光纤通信系统。新系统中，相干光纤通信系统，已达现场实验水平，将得到新系统中，相干光纤通信系统，已达现场实验水平，将得到应用。光孤子通信系统可以获得极高的速率，应用。光孤子通信系统可以获得极高的速率，2020世纪末或世纪末或2121世纪初可能达到实用化。世纪初可能达到实用化。http:/ 光纤技术的发展前景 对光纤通信而言，超对光纤通信而言，超高速度、超

17、大容量和超长高速度、超大容量和超长距离传输一直是人们追求距离传输一直是人们追求的目标，而全光网络也是的目标，而全光网络也是人们不懈追求的梦想。人们不懈追求的梦想。http:/ 向超高速系统的发展 目前10Gbps系统已开始大批量装备网络，主要在北美，在欧洲、日本和澳大利亚也已开始大量应用。但是，10Gbps系统对于光缆极化模色散比较敏感，而已经铺设的光缆并不一定都能满足开通和使用10Gbps系统的要求，需要实际测试，验证合格后才能安装开通。它的比较现实的出路是转向光的复用方式。光复用方式有很多种，但目前只有波分复用（WDM）方式进入了大规模商用阶段，而其它方式尚处于试验研究阶段。http:/

18、向超大容量WDM系统的演进 采用电的时分复用系统的扩容潜力已尽，然而光纤的200nm可用带宽资源仅仅利用了不到1%，99%的资源尚待发掘。如果将多个发送波长适当错开的光源信号同时在一光纤上传送，则可大大增加光纤的信息传输容量，这就是波分复用（WDM）的基本思路。采用波分复用系统的主要好处是：1.可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使容量可以迅速扩大几倍至上百倍；2.在大容量长途传输时可以节约大量光纤和再生器，从而大大降低了传输成本；3.与信号速率及电调制方式无关，是引入宽带新业务的方便手段；4.利用WDM网络实现网络交换和恢复可望实现未来透明的、具有高度生存性的光联网。http:/ 开发新代的光纤

19、 传统的G.652单模光纤在适应上述超高速长距离传送网络的发展需要方面已暴露出力不从心的态势，开发新型光纤已成为开发下一代网络基础设施的重要组成部分。目前，为了适应干线网和城域网的不同发展需要，已出现了两种不同的新型光纤，即非零色散光（G.655光纤）和无水吸收峰光纤（全波光纤）。从长远来看，BPON技术无可争议地将是未来宽带接入技术的发展方向，但从当前技术发展、成本及应用需求的实际状况看，它距离实现广泛应用于电信接入网络这一最终目标还会有一个较长的发展过程。http:/ 全光网络 未来的高速通信网将是全光网。全光网是光未来的高速通信网将是全光网。全光网是光纤通信技术发展的最高阶段，也是理想阶

20、段。传纤通信技术发展的最高阶段，也是理想阶段。传统的光网络实现了节点间的全光化，但在网络结统的光网络实现了节点间的全光化，但在网络结点处仍采用电器件，限制了目前通信网干线总容点处仍采用电器件，限制了目前通信网干线总容量的进一步提高，因此真正的全光网已成为一个量的进一步提高，因此真正的全光网已成为一个非常重要的课题。非常重要的课题。目前，全光网络的发展仍处于初期阶段，但它目前，全光网络的发展仍处于初期阶段，但它已显示出了良好的发展前景。从发展趋势上看，已显示出了良好的发展前景。从发展趋势上看，形成一个真正的、以形成一个真正的、以 WDM WDM技术与光交换技术为主技术与光交换技术为主的光网络层，建立纯粹的全光网络，消除电光瓶的光网络层，建立纯粹的全光网络，消除电光瓶颈已成为未来光通信发展的必然趋势，更是未来颈已成为未来光通信发展的必然趋势，更是未来信息网络的核心，也是通信技术发展的最高级别信息网络的核心，也是通信技术发展的最高级别，更是理想级别。，更是理想级别。http:/