《光纖通信組成》PPT課件.ppt

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1.3光纖通信系統(tǒng)的基本組成,第1章概論,教學(xué)內(nèi)容：,1.1光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀,1.2光纖通信的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用,一、理解光通信的基本概念,二、掌握光纖通信的特點(diǎn),教學(xué)目的及要求：,1.1光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀,這些都可以看作是原始形式的光通信。望遠(yuǎn)鏡的出現(xiàn)，又極大地延長(zhǎng)了這種目視光通信的距離。,?原始形式的光通信:中國(guó)古代用“烽火臺(tái)”報(bào)警，歐洲人用旗語(yǔ)傳送信息。,1.1.1探索時(shí)期的光通信,?1880年，美國(guó)人貝爾(Bell)發(fā)明了用光波作載波傳送話(huà)音的“光電話(huà)”。,這種光電話(huà)利用太陽(yáng)光或弧光燈作光源，通過(guò)透鏡把光束聚焦在送話(huà)器前的振動(dòng)鏡片上，使光強(qiáng)度隨話(huà)音的變化而變化，實(shí)現(xiàn)話(huà)音對(duì)光強(qiáng)度的調(diào)制。,在接收端，用拋物面反射鏡把從大氣傳來(lái)的光束反射到硅光電池上，使光信號(hào)變換為電流，傳送到受話(huà)器。,貝爾光電話(huà),由于當(dāng)時(shí)沒(méi)有理想的光源和傳輸介質(zhì)，這種光電話(huà)的傳輸距離很短，并沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，因而進(jìn)展很慢。然而，光電話(huà)仍是一項(xiàng)偉大的發(fā)明，它證明了用光波作為載波傳送信息的可行性。因此，可以說(shuō)貝爾光電話(huà)是現(xiàn)代光通信的雛型。,激光具有波譜寬度窄，方向性極好，亮度極高的良好特性。激光是一種高度相干光，它的特性和無(wú)線(xiàn)電波相似，是一種理想的光載波。,?1960年，美國(guó)人梅曼(Maiman)發(fā)明了第一臺(tái)紅寶石激光器，給光通信帶來(lái)了新的希望。,激光器的發(fā)明和應(yīng)用，使沉睡了80年的光通信進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。,實(shí)驗(yàn)證明：用承載信息的光波，通過(guò)大氣的傳播，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)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。,大氣光通信激光器一問(wèn)世，人們就模擬無(wú)線(xiàn)電通信進(jìn)行了大氣激光通信的研究。,由于雨、霧、雪和大氣灰塵的吸收和散射，光波能量衰減很大。例如，雨能造成30dB/km的衰減，濃霧衰減高達(dá)120dB/km。另一方面，大氣的密度和溫度不均勻，造成折射率的變化，使光束位置發(fā)生偏移。因而通信的距離和穩(wěn)定性都受到極大的限制。,由于沒(méi)有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質(zhì)，對(duì)光通信的研究曾一度走入了低潮。,1.1.2現(xiàn)代光纖通信1966年，英籍華裔學(xué)者高錕和霍克哈姆發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文，指出了利用光纖(OpticalFiber)進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，奠定了現(xiàn)代光通信——光纖通信的基礎(chǔ)。,光纖通信發(fā)明家高錕(左)1998年在英國(guó)接受IEE授予的獎(jiǎng)?wù)?當(dāng)時(shí)石英纖維的損耗高達(dá)1000dB/km以上，高錕等人指出：這樣大的損耗不是石英纖維本身固有的特性，而是由于材料中的雜質(zhì)，例如過(guò)渡金屬離子的吸收產(chǎn)生的。材料本身固有的損耗基本上由瑞利散射決定，它隨波長(zhǎng)的四次方而下降，其損耗很小。因此有可能通過(guò)原材料的提純制造出適合于長(zhǎng)距離通信使用的低損耗光纖。,?1970年，美國(guó)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(kāi)發(fā)推向一個(gè)新階段。,1970年，光纖研制取得了重大突破,?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(guó)貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)室的光纖損耗降低到2.5dB/km。?1976年，日本電報(bào)電話(huà)(NTT)公司將光纖損耗降低到0.47dB/km。,?在以后的10年中，波長(zhǎng)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。,?1970年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)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(短波長(zhǎng))。雖然壽命只有幾個(gè)小時(shí)，但它為半導(dǎo)體激光器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。,1970年，光纖通信用光源取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展:,?1973年，半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到7000小時(shí)。?1976年，日本電報(bào)電話(huà)公司研制成功發(fā)射波長(zhǎng)為1.3μm的銦鎵砷磷(InGaAsP)激光器。,?1977年，貝爾實(shí)驗(yàn)室研制的半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到10萬(wàn)小時(shí)。?1979年美國(guó)電報(bào)電話(huà)公司和日本電報(bào)電話(huà)公司研制成功發(fā)射波長(zhǎng)為1.55μm的連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器。,由于光纖和半導(dǎo)體激光器的技術(shù)進(jìn)步，使1970年成為光纖通信發(fā)展的一個(gè)重要里程碑。,?1980年，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化FT-3光纖通信系統(tǒng)投入商業(yè)應(yīng)用。,實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展:,?1976年，美國(guó)在亞特蘭大(Atlanta)進(jìn)行了世界上第一個(gè)實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。,?1983年敷設(shè)了縱貫日本南北的光纜長(zhǎng)途干線(xiàn)。,?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(yàn)。,?第一條橫跨太平洋海底光纜通信系統(tǒng)于1989年建成。從此，海底光纜通信系統(tǒng)的建設(shè)得到了全面展開(kāi)，促進(jìn)了全球通信網(wǎng)的發(fā)展。,?隨后，由美、日、英、法發(fā)起的第一條橫跨大西洋海底光纜通信系統(tǒng)于1988年建成。,光纖通信的發(fā)展可以粗略地分為三個(gè)階段：?第一階段(1966-1976年)，這是從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)時(shí)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(shí)期。?第三階段(1986-1996年)，這是以超大容量超長(zhǎng)距離為目標(biāo)、全面深入開(kāi)展新技術(shù)研究的時(shí)期。,1976年美國(guó)在亞特蘭大進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，標(biāo)志著光纖通信從基礎(chǔ)研究發(fā)展到了商業(yè)應(yīng)用的新階段。此后，光纖通信技術(shù)不斷創(chuàng)新：光纖從多模發(fā)展到單模，工作波長(zhǎng)從0.85μm發(fā)展到1.31μm和1.55μm(短波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)），傳輸速率從幾十Mb/s發(fā)展到幾十Gb/s。,1.1.3國(guó)內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀,隨著技術(shù)的進(jìn)步和大規(guī)模產(chǎn)業(yè)的形成，光纖價(jià)格不斷下降，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。目前光纖已成為信息寬帶傳輸?shù)闹饕劫|(zhì)，光纖通信系統(tǒng)將成為未來(lái)國(guó)家信息基礎(chǔ)設(shè)施的支柱。在許多發(fā)達(dá)國(guó)家，生產(chǎn)光纖通信產(chǎn)品的行業(yè)已在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占重要地位。,光纖通信整體發(fā)展時(shí)間表,,,1000001000010001001010.1,1.2光纖通信的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用,1、光通信光通信是利用光波來(lái)傳送信息的。,1.2.1光通信的基本概念,2、光纖通信光纖通信是以光波作為信息載體，以光纖作為傳輸媒介的通信方式。,3、光波的電磁頻譜,光波實(shí)際上是一高頻的電磁波。在討論高頻電磁波時(shí)，我們習(xí)慣采用波長(zhǎng)來(lái)代替頻率描述。波長(zhǎng)與頻率的關(guān)系為：,其中：λ為電磁波的波長(zhǎng)，其物理含義是電磁波在時(shí)間上變化一周，其波前在空間變化一周所行進(jìn)的長(zhǎng)度;c為光波在自由空間中傳播的速度，其值為3108m/s；f為電磁波的頻率，其物理含義是交變電磁波在單位時(shí)間（每秒）變化的周期數(shù)。,光波在電磁波頻譜中的大體位置分布（注意：通常將頻率為1GHz以上的無(wú)線(xiàn)電波稱(chēng)為微波）。光波的頻率一般可達(dá)到1013-1014Hz，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)在10-100000nm之間。可進(jìn)一步將光波細(xì)分為紅外線(xiàn)、可見(jiàn)光和紫外線(xiàn)。,部分電磁波頻譜圖,電磁波頻譜圖,?容許頻帶很寬，傳輸容量很大；?損耗很小，中繼距離很長(zhǎng)且誤碼率很?。?重量輕、體積?。?抗電磁干擾性能好；?泄漏小，保密性能好；?節(jié)約金屬材料,有利于資源合理使用。,1.2.2光纖通信的優(yōu)點(diǎn),光纖可以傳輸數(shù)字信號(hào)，也可以傳輸模擬信號(hào)。光纖在通信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)，以及在其它數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，都得到了廣泛應(yīng)用。光纖寬帶干線(xiàn)傳送網(wǎng)和接入網(wǎng)發(fā)展迅速，是當(dāng)前研究開(kāi)發(fā)應(yīng)用的主要目標(biāo)。,1.2.3光纖通信的應(yīng)用,①通信網(wǎng)②構(gòu)成因特網(wǎng)的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)③有線(xiàn)電視網(wǎng)的干線(xiàn)和分配網(wǎng)④綜合業(yè)務(wù)光纖接入網(wǎng),光纖通信的各種應(yīng)用可概括如下：,光纖通信系統(tǒng)是以光波作載波、以光纖為傳輸媒介的通信系統(tǒng)。它的基本構(gòu)成如圖所示，由光發(fā)信機(jī)、光收信機(jī)、光纖或光纜、中繼器和光無(wú)源器件以下五個(gè)部分組成。,1.3光纖通信系統(tǒng)的基本組成,光纖通信系統(tǒng)的基本組成,(1)光發(fā)信機(jī),光發(fā)信機(jī)是實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換的光端機(jī)。它由光源、驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制器組成。其功能是將來(lái)自于電端機(jī)的電信號(hào)對(duì)光源發(fā)出的光波進(jìn)行調(diào)制，成為已調(diào)光波，然后再將已調(diào)的光信號(hào)耦合到光纖或光纜去傳輸。,(2)光收信機(jī),光收信機(jī)是實(shí)現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換的光端機(jī)。它由光檢測(cè)器和光放大器組成。其功能是將光纖或光纜傳輸來(lái)的光信號(hào)，經(jīng)光檢測(cè)器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，然后，再將這微弱的電信號(hào)經(jīng)放大電路放大到足夠的電平，送到接收端的電端汲去。,(3)光纖或光纜,光纖或光纜構(gòu)成光的傳輸通路。其功能是將發(fā)信端發(fā)出的已調(diào)光信號(hào)，經(jīng)過(guò)光纖或光纜的遠(yuǎn)距離傳輸后，耦合到收信端的光檢測(cè)器上去，完成傳送信息任務(wù)。,(4)中繼器,中繼器由光檢測(cè)器、光源和判決再生電路組成。它的作用有兩個(gè)：一個(gè)是補(bǔ)償光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)受到的衰減；另一個(gè)是對(duì)波形失真的脈沖進(jìn)行整形。,(5)無(wú)源器件,由于光纖或光纜的長(zhǎng)度受光纖拉制工藝和光纜施工條件的限制，且光纖的拉制長(zhǎng)度也是有限度的（如1Km)。因此一條光纖線(xiàn)路可能存在多根光纖相連接的問(wèn)題。于是，光纖間的連接、光纖與光端機(jī)的連接及耦合，對(duì)光纖連接器、耦合器等無(wú)源器件的使用是必不可少的。,