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1、光信息科学与技术,主讲人：黄彩霞长沙学院计算机科学与技术系,一、光通信的发展与现状二、光纤的结构与模式三、光纤的分类四、光纤通信的四个发展阶段五、光纤通信的关键技术六、光纤通信的主要特点七、光纤通信系统的构成八、光纤通信系统的应用九、光网络与结构十、新技术简介,一、光通信的发展与现状,传输媒介,无线通信：微波、卫星、激光,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,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”,最早的光通信,但由于受到视距大气衰减地形阻挡等诸多因素的限制，光通讯的发展缓慢。,1880年贝尔发明了第一
2、个光电话系统，通话距离213米,光传输应解决的问题：1、传输介质问题；2、传输损耗问题；3、光源问题。,现代光通信的开端：第一个光电话系统,1870年，英国物理学家丁达尔 太阳光随着水流发生弯曲 n水 n空气，光发生全反射,光纤的雏形（传输介质的问题）,光纤的雏形（传输介质的问题）,这是全反射的作用，即光从水中射向空气，当入射角大于某一角度时，折射光线消失，全部光线都反射回来。,光纤的雏形（传输介质的问题）,在1966年，高锟在一篇论文中首次提出用玻璃纤维作为光波导线用于通讯的理论。简单地说，就是提出以玻璃制造比头发丝更细的光纤，取代铜导线作为长距离的通讯线路。这个理论引起了世界通信技术的一次
3、革命。随着第一个光纤系统于1981年成功问世，高锟“光纤之父”的美誉传遍世界。,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、锰、OH-2)光纤拉制工艺造成芯、包层分界面不均匀及其 所引起的折射率不均匀新的发现：玻璃纤维在红外光区的损耗较小,现代光纤通信的大发展（光纤损耗的问题）,光纤之父：高锟,1966年英国标准电信研究所,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,常用通信光载波频率190 THz,高锟获得2009年诺贝尔物理奖！19
4、66年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信光纤通信的基础。,指明通过“原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤”这一发展方向,光纤通信发明家高锟(左)1998年在英国接受IEEE授予的奖章,什么是通信？“通”传送，“信”信息；信息的传送基本组成：发送、传输、接收,什么是光纤通信？利用激光作为信息的载波信号，并通过 光纤来传送信息的通信系统。,光纤通信是人类历史上的重大突破，现今的光纤通信已成为信息社会的神经系统。,通信网络,公
5、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,1970年，Bell Lab、日本NEC和前苏联先后研制成功室温下连 续振荡的镓铝砷(GaAlAs)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，成为光纤通信史上的里程碑。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1.3mm的铟镓砷磷(InGaAsP)激 光器。1977 年，Bell Lab研制的半导体激光器寿命达到10万小时。1979年，AT&T和NTT研制成功波长为1.55mm的半导体激光器。,半导体通信光源的出现（光源问题）,分布反馈式(DF
6、B)激光器,激光的独特优点：,（1）亮度高（2）单色性好（3）方向性好（4）相干性好,激光的独特优点：,（1）亮度高：其定义是单位面积，单位立体角内所发射出的功率；利用激光的高亮度，可以在局部范围产生10万度以上的高温，进行打孔、焊接、手术以及可控热核反应等等。（2）单色性：即激光只有一个振荡波长，适合制成高清晰度的彩色电视；谱线宽度越窄(即波长范围越小)，光的单色性就越好。（3）方向性：激光的发射角很小，几乎是严格的平行光。1962年人类第一次用高亮度激光束射到距离地球38万公里的月球，光斑直径不到2km。发散角越小，方向性越好。（4）相干性好：激光的频率、振动方向、相位高度一致，使激光光波
7、在空间重叠时，重叠区的光强分布会出现稳定的强弱相间现象。这种现象叫做光的干涉，所以激光是相干光。而普通光源发出的光，其频率、振动方向、相位不一致，称为非相干光。,二、光纤的结构和模式,纤芯,1)位置：光纤的中心部位2)尺寸：直径d1=4 50 mm3)材料：高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂(GeO2，P2O5)，作用是提高纤芯折射率(n1)，以传输光信号,包层,位置：位于纤芯的周围尺寸：直径d2=125 mm材料：高纯度SiO2，极少量掺杂剂(如B2O3)的作用则是 适当降低包层折射率(n2)，使之略低于纤芯折射 率，使得光信号能约束在纤芯中传输,涂覆层,1)位置：位于光纤的最外层2)尺寸：
8、涂覆后的光纤外径约为1.5 mm3)结构和材料：包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层 a)一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料 b)缓冲层一般为性能良好的填充油膏(防水)c)二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物作用：保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用,按传输的模式数目分类单模光纤多模光纤,三、光纤的分类,光纤的传播模式,单模光纤(Signal Mode Fiber)：仅允许一个模式传播的光纤多模光纤(Multiple Mode Fiber)：同时允许多个模式传播,在光纤的数值孔径角内，以某一角度射入光纤端面，并能在光纤纤芯-包层
9、交界面上产生全反射的传播光线，就可以称为入射光的一个传播模式。,单模光纤和多模光纤(续),一根光纤是否单模传输与光纤中传输的光波长有关：多模：纤芯半径光波波长：光纤中会存在大量传播模式单模：纤芯半径光波波长：光纤只允许一种模式在其中传播因此，对于给定波长单模光纤的芯径要比多模光纤小例如，对于常用通信波长(如1550 nm)，单模光纤芯径在812mm，而多模光纤芯径 50 mm。,单模和多模的纤径芯径不一样！,单模光纤优点：芯径小，不存在模间色散，带宽大，用于长途传输缺点：芯径小，需要使用半导体激光器LD激励,多模光纤优点：芯径大，容易注入光功率，可以使用发光二级管LED作为光源缺点：存在模间色
10、散，只能用于短距离传输,单模光纤和多模光纤的特点,多模只能传输2KM；单模可以传输100KM,现在基本上都是用单模的!,时间,第一代：19661979(从基础研究到商业应用的开发时期)激光器(GaAs)，波长0.8m，多模光纤，最大中继距离10km(当时的同轴电缆系统中继距离为1km)，比特率为10100Mb/s。多模色散和损耗是限制中继距离的关键。,四、光纤通信的四个发展阶段,第二代：上世纪80年代早期(减小了光纤色散)激光器(InGaAs)，波长1.3m，单模光纤，最大中继距离50km，比特率为2.0Gb/s。光纤的损耗(0.5 dB/km)限制了中继距离。,光纤通信的四个发展阶段,第三代
11、：上世纪80年代后期初90年代初(降低了光纤损耗)激光器(InGaAsP)波长1.55m，单模(色散位移)光纤，比特率为2.510Gb/s，最大中继距离100km。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：上世纪90年代之后(引入了WDM和全光放大技术)激光器(InGaAsP)波长1.55m，单模光纤，采用波分复用技术和光放大技术，单波长信道比特率为2.510Gb/s，传输距离14000 km，并提出光通信智能化的概念。,光纤通信的四个发展阶段,WDM技术出现,光纤通信最具代表性技术 波分复用WDM和光纤放大器EDFA,五、光纤通信的关键技术,20世纪用光纤通信提高通
12、信容量得益于两个重大技术突破：波分复用和光放大。,1、波分复用 WDM的工作原理,空分复用：即同一线路上敷设含多根光纤的光缆，现在一根光缆中包含成百上千条光纤，此方法宛如多修一些并行公路，虽简单，但不经济。时分复用（TDM）：将不同信道的数字信号在时间上错开或分割再汇合的方法。波分复用（WDM）：通过TDM达到一定的比特率，再将它们负载到不同波长的光波上，然后将多个载有信息的波长通过光波分复用器耦合进同一单模光纤传输出去。比如国际电联（ITU）所定的密集波分复用（DWDM）的波长间隔0.8nm。美国朗讯将1022个不同波长复用至同一光纤。,1、波分复用 WDM的工作原理,在13001600 n
13、m光谱范围内，以一定的间隔隔开的多个波长可以在同一根光纤中独立传播,例：这两个低损耗波长窗口可以容纳 290 个40-Gb/s PSK信号,点到点的波分复用系统,波分复用器,100 GHz间隔的WDM信道频谱,WDM系统的优点,1.系统容量可以很容易升级 如果每个波长可以承载40 Gb/s的信息，那么一根光纤若同时 传输100个波长就能实现4 Tb/s的传输,2.可以保持数据的透明性 所有信道都能独立地携带信息，它们之间可以不同步，数据 速率可以不同，调制格式可以不同，可以是模拟或数字信号,3.可以用于构造波长路由光网络 光网络交换节点除了可以执行时间和空间两个维度的交换之 外还可以利用波长进
14、行交换，多维的交换让光网络具有更高 的灵活性,光纤放大器,光纤放大器是光纤通信系统对光信号直接进行放大的光放大器件。在使用光纤的通信系统中，不需将光信号转换为电信号，直接对光信号进行放大的一种技术。,动机：解决电中继器设备复杂、维护难、成本高的问题,一个小的光放大器就能取代庞大的中继站！,掺铒光纤放大器EDFA,影响：光放大器最重要的意义在于促使波分复用技术(WDM)走向实用化、促进了光接入网的实用化,历史：以1989年诞生的掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier,EDFA)为代表的全光放大技术是光纤通信史 上的一次革命,掺铒光纤放大器(EDFA即在信号通过的
15、纤芯中掺入了铒离子Er3+的光信号放大器。)是1985年英国南安普顿大学首先研制成功的光放大器，它是光纤通信中最伟大的发明之一。,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，日本进行了 34 Mb/s 的阶跃多模光纤通信系统试验1978年，日本进行了100 Mb/s的渐变型多模光纤通信系统试验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，美日英法建成第一条横跨大西洋海底光缆通信系统1989年，建成第一条横跨太平洋海底光缆通信系统,光纤通信系统的发展,当今世界范围的光纤通信系统,六、光纤通信的主
16、要特性,容量大：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Tb/s,损耗低、中继距离长,石英光纤在1.55 mm波长区的损耗可低到0.18 dB/km例：同轴电缆通信的中继距离只有几公里 最长的微波通信是50公里左右 光纤通信系统的最长中继距离已达数千公里，数万公里,抗干扰能力强,现有的电通信系统无法令人满意地解决抗干扰问题。例1：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例2：据专家测算，如果在美国本土中心上空 463公里处爆炸 一颗
17、原子弹，1秒钟内即可使全美所有的电缆通信系统 失效。但光纤通信线路却能基本不受影响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.电磁源干扰不了频率比它们高得多的光3.杰出的抗核辐射能力,保密性强,电通信方式很容易被人窃听1.电缆通信：只要在电缆附近(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。2.无线通信方式：无线电波在大气中传播，甚至充斥全球，很 容易被人窃听。光纤通信是保密性能最好的通信方式之一-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，漏出包层的光微乎其微。,体积小、重量轻,1千克高纯度石英玻璃 成千上万公
18、里光纤120吨铜和 500 吨铅 1000公里的 8 管同轴电缆18管同轴电缆每米重11千克，而同等容量的光纤每米重90克光纤体积小、重量轻、柔软易弯曲、铺设非常方便。,光纤的原材料取之不竭,电线主材：铜、铅等有色金属，预计只够使用50年左右光纤主材：普通的石英砂(SiO2)，它在地壳的化学成分中占了 一半以上，可以说是取之不尽、用之不竭,其它优点,不怕腐蚀耐高低温能力较强(-65200度),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
19、(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,由光发射机、光纤光缆、中继器与光接收机等基本单元组成。此外还包括一些互连与光信号处理器件，如光纤连接器、隔离器、调制器、滤波器、光开关及路由器、分插复用器ADM等。,七、光纤通信系统的构成,光器件,点到点链路模型,光源-光纤的耦合 光纤-光纤的耦合,光源-光纤的耦合,透镜耦合一般用于光源发光面积小于纤芯面积的情况，其作用是：扩大光源的发射面积，使之与纤芯区域匹配 改变光线的入射角，使之容易耦合入纤,光纤-光纤的耦合,接收光纤必须与发射光纤完全对准以减少损耗,光纤-光纤的耦合（机械对准误差）,纤芯尺寸
20、细微，很难实现完全精确的机械对准。由此导致的机械对准误差将成为连接损耗的主要原因。机械损耗分为三种：(1)横向(轴向)误差(2)纵向误差(3)角度误差,光纤-光纤的耦合（各种误差带来的损耗）,结论：横向对准误差带来的损耗最大,连接器的设计要求：-(多次连接、拆卸后)保持低耦合损耗-(对使用技巧要求低)易于安装-(温度、粉尘、湿气)环境敏感性低-低成本和高可靠性-(无需特殊工具)易于连接,光纤连接器：非永久连接,八、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,电力、煤炭系统的监视、控制和管理,能源系统,抗干扰能力强,无源传感、宽带传输,电力系统：光
21、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。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。,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,光纤制导武器：光纤制导导弹、光纤制导鱼雷需要获得实时的目标图像同时要求控制线轻巧水
22、下通信系统是扫雷舰与浮游载体之间的数据传输线路。1.浮游载体需要传回声纳信号和遥测信号(都是视频信号)2.舰体对浮游载体进行控制雷达：要求保证雷达室与作战情报中心之间信息传输的抗干扰能力和保密性，要能保证作战情报中心的安全(长途控制),军事,内窥镜,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。,激光手术刀,一些网络的基本术语：1.数据终端设备：计算机、终端、电话2.网络：数据终端设备通过传输信道进行互联的产物3.节点：网络中数据汇集和转接的设备，如路由器、交换机4.网络拓扑：信道连接节点或
23、数据终端的逻辑关系5.交换：通过中间节点将信息从源传到目的站点的过程6.路由：为信息传递寻找通过网络路径的过程7.协议：信息的传递规则,九、光网络与结构,网络分类,八纵八横光纤网,接入网,上海科技网改造,几种基本的网络拓扑,总线型星型环形格型,局域网、接入网(树型),城域网,骨干网,网络拓扑总线型和星型结构,光局域网,光接入网,控制简单，节点对网络资源一般采用时分复用的方式进行访问,网络拓扑环型结构,具有较强的灵活性和自愈能力，当网络发生故障时能快速进行业务的保护倒换。环网一般用于城域。,网络拓扑格型结构,具有较强的灵活性和自愈能力，但是网络控制比较复杂。这种拓扑结构一般用于广域网。,十、新技术：抗宏弯的柔性光纤,Photonic Crystal Fiber,Photonic Bandgap Fiber,康宁公司帮组Verison解决了问题：可弯曲、折返、打结，已在2500万户家庭中安装日本NTT也完成了这种光纤的研制,柔性光纤的优点,对光的约束增强在任意波段均可实现单模传输：调节空气孔径之间的距离可以实现光纤色散的灵活设计减少光纤中的非线性效应抗侧压性能增强,谢谢！,
