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1、第一章 概 述,光纤通信的历史光纤通信的主要特征：优缺点光纤通信系统的组成和分类应用,主要内容,1.1 光纤通信的发展与现状,传输媒介,光纤通信系统：利用光纤光缆传输光波信号的通信方式。优点：价格便宜，线路损耗低、频带宽，已成为现代通信 网的骨干。,无线通信：微波、卫星,有线通信：铜线电缆、光纤光缆,通信系统：将信息从一处传到另一处的全部技术设备和信道(传输媒介)的总和。,电磁波：交变的电场会产生交变的磁场，交变的磁场又会激起交变的电场，这种电场、磁场无限地交变产生，合称电磁场。这种交变的电磁场会在空间以波的形式由近及远地传播开去，这就是电磁波。光也是一种电磁波,光通信的基础：电磁波理论,麦克
2、斯韦1865年发表电磁场理论,赫兹1888年实验证实电磁波存在,发送信号的频率越高(波长越短)，可载送的信息量就越多,在电磁波谱中，光波范围包括红外线、可见光、紫外线，其波长范围为：300 mm 6103 mm。,电磁波谱,光纤通信的波谱在1.671014 Hz 3.751014 Hz之间，即波长在0.8 mm 1.8 mm之间，属于红外波段；将0.8 mm 0.9 mm称为短波长，1.0 mm 1.8 mm称为长波长，2.0 mm以上称为超长波长。各种单位的换算公式,通信用光波范围,最早的光通信公元前11世纪，西周王朝，烽火台白天点狼粪，晚上燃柴火“狼烟四起”,光通信的历史,1880年贝尔发
3、明了第一个光电话系统，通话距离213米,弧光灯的恒定光束投射在话筒的音膜上，随声音的振动而得到强弱变化的反射光束，这个过程就是调制。但是，普通光源强度和纯度都成为制约光通信发展的因素。,第一个光电话系统：现代光通信的开端,激光器的发明和应用，光通信进入一个崭新的阶段，它具有亮度高、谱线窄、方向性好但由于大气通信受气象条件的影响，通信不稳定,频率为100太赫兹的红宝石激光器美国梅曼(Maiman)，1960,大气光通信,在大气光通信受阻之后，人们将研究的重点转入到地下光波通信的实验，先后出现过反射波导和透镜波导等地下通信的实验。但反射波导和透镜波导造价昂贵，调整、维护困难。,地下光通信,1870
4、年，英国物理学家丁达尔,光纤的雏形,1953年，英国伦敦学院卡帕尼博士首次将廷德尔的观察用于实际，发明了用极细的玻璃制作的光导纤维：芯层+包层。芯层的折射率大于包层，光在其中做全反射。1960年左右，最好的光纤损耗也在1000 分贝/公里(dB/km)。由于，损耗很大，它最初被用于医疗，如内窥镜。,工作地点：英国标准电信研究所研究对象：光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题损耗原因：1)玻璃纤维中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属 离子和其他杂质；2)拉制光纤工艺造成芯、包层 分界面不均匀及其所引起的折射率不均匀新的发现：一些玻璃纤维在红外光区的损耗较小,现代光纤通信,1966年，高锟和霍克哈姆发表的用
5、于光频的光纤表面波导奠定了现代光通信的基础。高锟被尊为光纤之父。,1970年，美国康宁公司研制成功损耗20 dB/km的石英光纤。1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/km。1973年，美国贝尔实验室的光纤损耗降低到2.5 dB/km。1974年，贝尔实验室将损耗进一步降低到1.1 dB/km。1976年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到0.47 dB/km(波长1.2 mm)。目前，波长为1.55 mm的标准光纤损耗为 0.2 dB/km。,低损耗光纤的研制,1970年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联先后，研制成功室温下连续振荡的镓铝砷(GaAlA
6、s)双异质结半导体激光器(短波长)。虽然寿命只有几个小时，但它为半导体激光器的发展奠定了基础。1973 年，半导体激光器寿命达到7000小时。1976年，日本NTT研制出波长为1.3 mm的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器。1977 年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时。1979年，美国电报电话(AT&T)公司和日本NTT研制成功波长为1.55 mm的连续振荡半导体激光器。,光纤和半导体激光器的技术进步，使1970年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。,通信光源的出现,1976年，美国在亚特兰大进行世界上第一个实用光纤通信系统 的现场试验1976年和1978年，日本先后进行了速率为
7、34Mb/s的突变型多 模光纤通信系统和速率为100Mb/s的渐变型多模光纤 通信系统的试验1980年，美国标准化FT-3光纤通信系统投入商业应用1983年，敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线1988年，由美、日、英、法发起的第一条横跨大西洋TAT-8 海底光缆通信系统1989年，第一条横跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系统 建成,光纤通信系统的发展,当今世界范围的光纤通信系统,第一代：从基础研究到商业应用的开发时期(19661979)激光器(GaAs)波长0.8 m，多模光纤，最大中继距离10 km(当时的同轴电缆系统中继距离为1 km)，比特率在10100 Mb/s。多模色散和
8、损耗是限制中继距离的关键。,光纤通信的四个发展阶段,第二代：提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力 推广应用的大发展时期(上世纪80年代早期)激光器(InGaAs)波长1.3 m，单模光纤，最大中继距离50 km，比特率2.0Gb/s。光纤的损耗限制了中继距离，当时的损耗为 0.5 dB/km。,光纤通信的四个发展阶段,第三代：进一步提高传输速率和增加传输距离的时期(上世纪 80年代后期初90年代初)激光器(InGaAsP)波长1.55m，单模(色散位移)光纤，比特率2.510 Gb/s，最大中继距离100 km。这个阶段的缺点是采用电的方式中继。,光纤通信的四个发展阶段,第四代：以提高传
9、输速率和增加传输距离为研究目标和大力 推广应用的大发展时期(上世纪90年代之后)激光器(InGaAsP)波长1.55 m，单模光纤，采用波分复用技术和光放大技术，单个波长信道比特率2.510 Gb/s，传输距离14000 km,光纤通信的四个发展阶段,WDM技术出现,1.2 光纤通信的主要特性,大容量：马路越宽，容许通过的车辆越多，交通运输能力也越大。如果把通信线路比作马路，那么应该说是通信线路的频带越宽，容许传输的信息越多，通信容量就越大。,目前的光纤容量已经达到十多个Tbits/s,损耗低、中继距离长,中继站多：传输线路的成本高、维护不方便、运行不可靠石英光纤在1.55 mm波长区的损耗可
10、低到0.18 dB/km，比已知的其他通信线路的损耗都低得多。例：同轴电缆通信的中继距离只有几千米，最长的微波通信是 50 千米左右，而光纤通信系统的最长中继距离已达 300千米。,抗干扰能力强,对于通信系统而言，最主要的干扰是电磁干扰。现有的电通信系统无法令人满意地解决这个问题。例：电话线和电缆一般是不能跟高压电线平行架设的，也不能在电气铁化路附近铺设。光纤为什么具有强抗干扰能力？1.光纤属绝缘体，不怕雷电和高压2.电磁干扰源不了频率比它们高得多的光3.杰出的抗原子辐射能力据专家测算，如果在美国本土中心上空 463千米处爆炸一颗原子弹，1 秒钟内即可使全美国所有的电缆通信系统失效。但光纤通信
11、线路却照样畅通无阻，基本不受影响。,保密性强,随着科学技术的发展，电通信方式很容易被人窃听：只要在明线或电缆附近(甚至几公里以外)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。更不用去说无线通信方式，因为无线电波在大气中传播，甚至充斥全球，很容易被人窃听。即使用了加密往往也无济于事，因为密码分析或密码破译已成为一门科学。光纤通信是保密性能最好的通信方式之一，这是因为光在光纤中传输时不会跑出光纤和向外辐射电磁波。即使在拐弯非常厉害的地方，漏出包层的光也微乎其微。,体积小、重量轻,1千克高纯度石英玻璃可以拉制成千上万千米光纤，然而制造1000千米的 8 管同轴电缆却需要消耗120吨铜和
12、 500 吨铅。18管同轴电缆每米重11千克100 芯铅皮对称电缆每米重2.9千克，而同等容量的光缆每米只有90克重。光纤不仅体积小、重量轻，而且很柔软，可以自由弯曲，铺设非常方便。可广泛应用于航天航空、汽车电子等领域。,光纤的原材料取之不竭,电线要用铜、铅等有色金属材料来制作，制作光纤的原材料却是普普通通的石英砂。铜是一种很重要的战略金属，地球上的储量按目前的开采速度估计，只够使用50年左右。而二氧化硅，在地壳的化学成分中占了一半以上，真正可以说是取之不尽、用之不竭的。,其它优点,光纤材料本身不怕潮湿和腐蚀，可以架在空中，也可埋入地下；它有较强的耐高低温能力(-65200度)，在一般的飞机、
13、舰艇和车辆上都可使用；它可实现多功能传输，同时传递话音、数据、传真、图像等各种信息。,缺点,光纤通信有许多优点，因而发展很快，但光纤通信也有以下缺点。1.容易折断(比如经常被挖断)2.光纤连接困难(断面是否垂直、焊接点是否有气泡等)3.光纤通信过程中怕水、怕冰(OH-根吸收增大损耗)4.光纤怕弯曲(导致损耗增加),案例：新疆某地区大雪导致光纤故障(2006年10月报道)原因：光缆没有防护好被冰雪包裹，并由于冰雪压力和热胀冷缩导致光纤弯曲,1.3 光纤通信系统的构成和分类,光纤通信系统是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统。主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。,分类,根据调制信号的
14、类型：模拟光纤通信系统 数字光纤通信系统根据光源的调制方式：直接调制系统 间接调制系统根据光纤的传导模数量：多模光纤通信系统 单模光纤通信系统根据系统的工作波长：短波长光纤通信系统 长波长光纤通信系统 超长波长光纤通信系统,1.4 光纤通信系统的应用,通信网络,公用电信网：核心网、城域网,光纤接入网,海底光缆及洲际通信网,无线通信网,电力、煤炭系统的监视、控制和管理电力系统：光纤可以放在输电线、地线的中心，不受干扰。尤其在观测雷击的时候能起到电设备不可替代的作用。煤炭系统：电监控系统信号均为电信号，在含瓦斯高的矿井中容易引起爆炸。因此，如果考虑安全因素，电信号功率不能太大，这又导致传输距离受限
15、。而如果采用光纤系统，很多设备可以无源化，即保证了安全，又能实现远距离监控。,能源系统,铁路、地铁和高速公路通信及监控网络系统铁路通信网特点：1.节点多，分支、插入话路频繁2.通信量大小不一，需求不同(传输电话、数据、图像)3.要求有强抗电磁干扰能力除了光纤通信，没有哪一种通信方式能满足这些要求,交通系统,战术通信主要有两种系统：一种是本地分配系统，包括战地指挥所的布线，兵器之间的连接，野战计算机的互连，以及基地信息传输系统等；一种是长距离战术通信系统，一般通信距离超过 1千米。水下通信系统是扫雷舰与浮游载体之间的数据传输线路。扫雷舰的主要任务是清扫航道上的水雷，而利用浮游载体扫雷最为安全而可
16、靠。扫雷舰与浮游载体之间连着 3根光纤：一根光纤把水下浮游载体探测到的声纳信号和遥测信号(都是视频信号)传给舰船；另一根光纤用来传输舰船给水下浮游载体的控制信息；第三根光纤备用。,军事,光纤反潜战网络：光纤传输线路与水听器相连，把监测到的敌潜声音信号通过光纤传输到舰上或岸上信息处理中心，以便确定作战方案。光纤用于水下通信，探测的灵敏度高，传输的信息量大，抗各种干扰的能力强，而且重量轻、浮力大。雷达：在雷达室与作战情报中心之间传输信息，不仅改善了抗干扰能力和保密性能，而且还能更好保证作战情报中心的安全。光纤制导武器：主要包括光纤制导导弹和光纤制导鱼雷。它用光纤传输目标图像，制导精度高，导弹射程远
17、，而且更安全可靠，是一种由射击手控制的人工智能武器。,军事,利用传像束的内窥镜激光手术刀,医疗器械,激光手术中，有时需要手术的部位在人体腔道内，这就要求激光能拐弯。目前大多数医疗激光可以通过石英光纤来实现拐弯，因此激光手术刀又叫光纤手术刀。,机载电子,实验室概况,实验室名称：区域光纤通信网与新型光通信系统依托单位：上海交通大学、北京大学主管部门：教育部1988年：开始筹建1995年9月：通过国家验收2002年3月：通过国家评估2007年3月：通过国家评估地点：电信楼群5号楼、物理系楼研究方向：光网络结构 光传输与信号处理 光器件与光传感,光网络与结构,1997-1999,1999-2001,中国高速信息示范网,ASON testbed&GMPLS 自动交换光网络（异构）,2002-2006,3TNet 高性能宽带信息网长三角示范工程,2001-2002,SHAONET全光通信试验网,STONETS上海科技网升级改造,8040 Gb/s,3 OADM1 OXC,光传输与光处理,光发射模块,可重构光分插复用器,光接收模块,TWIN,光高速传输(教育部自然科学一等奖)网络子模块和子系统(硅基)光信号处理生物光电子,100 GbE,光器件与光传感,
