光纖通信基礎(chǔ)知識(shí)

1、光纖通信基礎(chǔ)知識(shí)第1頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)58分，星期一目錄一、光纖通信的概念二、光纖通信發(fā)展簡史三、光纖通信的優(yōu)缺點(diǎn)四、光纖通信的應(yīng)用五、光纖通信系統(tǒng)的組成第2頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)58分，星期一一、光纖通信的概念 光通信是指以光作為信息載體而實(shí)現(xiàn)的通信方式。按傳輸介質(zhì)的不同，可分為大氣激光通信和光纖通信，大氣激光通信是利用大氣作為傳輸介質(zhì)的激光通信。光纖通信是以光波作為信息載體，以光導(dǎo)纖維（光纖）作為傳輸介質(zhì)的一種通信方式。光纖通信技術(shù)是30年來迅猛發(fā)展起來的高新技術(shù)，給世界通信技術(shù)乃至國民經(jīng)濟(jì)、國防事業(yè)和人民生活帶來了巨大變革。第3頁，共35頁，2

2、022年，5月20日，4點(diǎn)58分，星期一 光波是一種電磁波（電磁波分長波、中波、短波、超短波、微波、紅外光、可見光、紫外光、X射線等），光纖通信所用的波長位于近紅外光區(qū)，工作波長是8001600nm,可見光的波長是350nm750nm,目前電信網(wǎng)用的工作波長是1310nm和1550nm兩種波長,也就是兩種工作窗口。一、光纖通信的概念第4頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)58分，星期一電磁波譜1cm 1mm 100um 10um 1um 100nm 10nm 1nm 波長10G 100G 1T 10T 100T 1015 1016 1017 f (Hz)1.6um 1.5 1.4 1.3

3、 1.2 1.1 1.0um 900 800 700 600nm光通信使用范圍紅外線紫外線第5頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)58分，星期一二、光通信發(fā)展簡史2000多年前，中國古代開始用“烽火臺(tái)”報(bào)警，這是一種目視光通信。第6頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)58分，星期一1880年 貝爾發(fā)明了一種利用光波作載波傳輸話音信息的“光電話”，他用可見光在數(shù)百米的距離上以無線方式進(jìn)行了傳輸話音的“光電話”實(shí)驗(yàn)。然而受到當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，這種形式的光通信一直未能發(fā)展到實(shí)用階段。究其原因有二：一是沒有可靠的、高強(qiáng)度的光源；二是沒有穩(wěn)定的、低損耗的傳輸介質(zhì)。在此后的幾十年間未能突破，

4、直到1960年才有實(shí)質(zhì)性發(fā)展。二、光通信發(fā)展簡史第7頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)58分，星期一1960年，美國人梅曼(Maiman)發(fā)明了第一臺(tái)紅寶石激光器， 給光通信帶來了新的希望，和普通光相比，激光具有波譜寬度窄，方向性極好， 亮度極高，以及頻率和相位較一致的良好特性。二、光通信發(fā)展簡史第8頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)58分，星期一二、光通信發(fā)展簡史 1966年，英籍華裔學(xué)者高錕(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)發(fā)表了利用光纖(Optical Fiber)進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑。1970 年，光纖研制取得了重大突破。美國康寧(Corn

5、ing)公司就研制成功損耗20 dB/km的石英光纖。1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4 dB/km。1973 年，美國貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)室取得了更大成績，光纖損耗降低到2.5dB/km。1974 年降低到1.1dB/km。1976 年，日本電報(bào)電話(NTT)公司等單位將光纖損耗降低到0.47 dB/km(波長1.2m)。第9頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)58分，星期一二、光纖通信發(fā)展簡史 1976年日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長為1.3 m的銦鎵砷磷(InGaAsP)激光器，1979年美國電報(bào)電話(AT&T)公司和日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長為1.55 m的

6、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。第10頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)58分，星期一1976 年，美國在亞特蘭大(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)場試驗(yàn)，系統(tǒng)采用GaAlAs激光器作光源，多模光纖作傳輸介質(zhì)，速率為44.7 Mb/s，傳輸距離約10 km。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， 系統(tǒng)采用漸變型多模光纖，速率為44.7 Mb/s。隨后美國很快敷設(shè)了東西干線和南北干線，穿越22個(gè)州 光纜總長達(dá)5104 km。二、光通信發(fā)展簡史第11頁，共35頁，202

7、2年，5月20日，4點(diǎn)58分，星期一1976 年和 1978 年，日本先后進(jìn)行了速率為34 Mb/s，傳輸距離為64 km的突變型多模光纖通信系統(tǒng)， 以及速率為100 Mb/s的漸變型多模光纖通信系統(tǒng)的試驗(yàn)。1983年敷設(shè)了縱貫日本南北的光纜長途干線，全長3400 km，初期傳輸速率為400 Mb/s，后來擴(kuò)容到1.6 Gb/s。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，全長6400 km；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， 全長13 200 km。 從此，海底光纜通信系統(tǒng)的建設(shè)得到了全面展開，促進(jìn)了全球通信

8、網(wǎng)的發(fā)展。二、光通信發(fā)展簡史第12頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)58分，星期一國內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀光纖: 多模 單模，工作波長: 0.85 m 1.31 m和1.55 m，傳輸速率: 幾十Mb/s 幾十Gb/s。 應(yīng)用范圍: 市話局間中繼 長途干線 用戶接入網(wǎng)數(shù)字電話 有線電視(CATV)單一類型信息的傳輸 多種業(yè)務(wù)的傳輸。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)將成為未來國家信息基礎(chǔ)設(shè)施的支柱。 二、光通信發(fā)展簡史第13頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)58分，星期一三、光纖通信的優(yōu)點(diǎn)1、頻帶寬，通信容量大。2、損耗低，中繼距離長。3、抗電磁干擾。4、無串音

9、干擾，保密性好。5、光纖線徑細(xì)、重量輕、柔軟。6、光纖的原材料資源豐富，用光纖可節(jié)約金屬材料。第14頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)58分，星期一1、頻帶寬，通信容量大光纖可利用的帶寬約為50000GHz，1987年投入使用的1.7Gb/s光纖通信系統(tǒng)，一對(duì)光纖能同時(shí)傳輸24192路電話，2.4Gb/s系統(tǒng)，能同時(shí)傳輸30000多路電話。頻帶寬，對(duì)于傳輸各種寬頻帶信息具有十分重要的意義，否則，無法滿足未來寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(B-ISDN)發(fā)展的需要。第15頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)58分，星期一2、損耗低，中繼距離長目前實(shí)用石英光纖的損耗可低于0.2dB/km，比其它

10、任何傳輸介質(zhì)的損耗都低，若將來采用非石英系極低損耗光纖，其理論分析損耗可下降至10-9 dB/km。由于光纖的損耗低，所以能實(shí)現(xiàn)中繼距離長，由石英光纖組成的光纖通信系統(tǒng)最大中繼距離可達(dá)200多千米，由非石英系極低損耗光纖組成的通信系統(tǒng)，其最大中繼距離則可達(dá)數(shù)千甚至數(shù)萬千米，這對(duì)于降低海底通信的成本、提高可靠性和穩(wěn)定性具有特別的意義。第16頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)58分，星期一3、抗電磁干擾光纖是絕緣體材料，它不受自然界的雷電干擾、電離層的變化和太陽黑子活動(dòng)的干擾，也不受電氣化鐵路饋電線和高壓設(shè)備等工業(yè)電器的干擾，還可用它與高壓輸電線平行架設(shè)或與電力導(dǎo)體復(fù)合構(gòu)成復(fù)合光纜。第17

11、頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)58分，星期一4、無串音干擾，保密性好 光波在光纜中傳輸，很難從光纖中泄漏出來，即使在轉(zhuǎn)彎處，彎曲半徑很小時(shí)，漏出的光波也十分微弱，若在光纖或光纜的表面涂上一層消光劑效果更好，這樣，即使光纜內(nèi)光纖總數(shù)很多，也可實(shí)現(xiàn)無串音干擾，在光纜外面，也無法竊聽到光纖中傳輸?shù)男畔?。?8頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)58分，星期一5、光纖線徑細(xì)、重量輕、柔軟光纖的芯徑很細(xì)，約為0.1mm，它只有單管同軸電纜的百分之一；光纜的直徑也很小，8芯光纜的橫截面直徑約為10mm，而標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜為47mm。利用光纖這一特點(diǎn)，使傳輸系統(tǒng)所占空間小，解決地下管道擁擠的問

12、題，節(jié)約地下管道建設(shè)投資。此外，光纖的重量輕，光纜的重量比電纜輕得多，例如18管同軸電纜1m的重量為11kg，而同等容量的光纜1m重只有90g，這對(duì)于在飛機(jī)、宇宙飛船和人造衛(wèi)星上使用光纖通信更具有重要意義。第19頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)58分，星期一6、光纖的原材料資源豐富，用光纖可節(jié)約金屬材料光纖的材料主要是石英(二氣化硅)，地球上有取之不盡用之不竭的原材料，而電纜的主要材料是銅，世界上銅的儲(chǔ)藏量并不多，用光纖取代電纜，則可節(jié)約大量的金屬材料，具有合理使用地球資源的重大意義。光纖除具有以上突出的優(yōu)點(diǎn)外，還具有耐腐蝕力強(qiáng)、抗核幅射、能源消耗小等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是質(zhì)地脆、機(jī)械強(qiáng)度低

13、，連接比較困難，分路、耦合不方便，彎曲半徑不宜太小等。這些缺點(diǎn)在技術(shù)上都是可以克服的，它不影響光纖通信的實(shí)用。近年來，光纖通信發(fā)展很快，它已深刻地改變了電信網(wǎng)的面貌，成為現(xiàn)代信息社會(huì)最堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，并向我們展現(xiàn)了無限美好的未來。第20頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)58分，星期一三、光纖通信的缺點(diǎn)光纖彎曲半徑不宜過??；光纖的切斷和連接操作相對(duì)復(fù)雜； 分路、耦合相對(duì)麻煩。第21頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)58分，星期一四、光纖通信的應(yīng)用光纖可以傳輸數(shù)字信號(hào)，也可以傳輸模擬信號(hào)。光纖通信的各種應(yīng)用可概括如下： 通信網(wǎng)，包括全球通信網(wǎng)(如橫跨大西洋和太平洋的海底光纜和跨越歐亞大

14、陸的洲際光纜干線)、各國的公共電信網(wǎng)(如我國的國家一級(jí)干線、各省二級(jí)干線和縣以下的支線)、各種專用通信網(wǎng)(如電力、鐵道、國防等部門通信、指揮、調(diào)度、 監(jiān)控的光纜系統(tǒng))、特殊通信手段(如石油、化工、煤礦等部門易燃易爆環(huán)境下使用的光纜， 以及飛機(jī)、軍艦、潛艇、導(dǎo)彈和宇宙飛船內(nèi)部的光纜系統(tǒng))。 第22頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)58分，星期一四、光纖通信的應(yīng)用 因特網(wǎng)的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，如光纖以太網(wǎng)、 路由器之間的光纖高速傳輸鏈路。 有線電視網(wǎng)的干線和分配網(wǎng)；工業(yè)電視系統(tǒng)，如工廠、 銀行、商場、交通和公安部門的監(jiān)控； 自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。 綜合業(yè)務(wù)光纖接入網(wǎng)，分為有源接入網(wǎng)和無

15、源接入網(wǎng)， 可實(shí)現(xiàn)電話、數(shù)據(jù)、視頻(會(huì)議電視、可視電話等)及多媒體業(yè)務(wù)綜合接入核心網(wǎng)，提供各種各樣的社區(qū)服務(wù)。 第23頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)58分，星期一光纖通信系統(tǒng)的組成光纖通信系統(tǒng)的基本構(gòu)成信號(hào)光發(fā)射機(jī)光源中繼器檢測器光接收機(jī)信號(hào)電E/光O轉(zhuǎn)換光纖光O/電E轉(zhuǎn)換發(fā)送單元傳輸單元接收單元連接器件第24頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)58分，星期一上圖中的結(jié)構(gòu)主要由3部分組成：光發(fā)射機(jī)、光纖光纜和光接收機(jī)。由于光纖只能傳光信號(hào)不能傳電信號(hào)，因此，這種通信系統(tǒng)在發(fā)送端必須先把電信號(hào)變成光信號(hào)，在接收端再把光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，即電/光和光/電變換。其電/光和光/電變換的

16、基本方式是直接強(qiáng)度調(diào)制和直接檢波。也就是說在發(fā)送端對(duì)電信號(hào)直接調(diào)制成光信號(hào)進(jìn)行發(fā)射，在接收端直接對(duì)光進(jìn)行檢波再轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光纖通信系統(tǒng)的組成第25頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)58分，星期一1. 光發(fā)射機(jī)（光端機(jī)）光發(fā)射機(jī)的功能是把輸入電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并用耦合技術(shù)把光信號(hào)最大限度地注入光纖線路。光發(fā)射機(jī)由光源、 驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制器組成，光源是光發(fā)射機(jī)的核心。目前廣泛使用的光源有半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)和半導(dǎo)體激光二極管(或稱激光器)(LD)， 以及譜線寬度很小的動(dòng)態(tài)單縱模分布反饋(DFB)激光器。有些場合也使用固體激光器，例如大功率的摻釹釔鋁石榴石(Nd: YAG)激光器。 光

17、發(fā)射機(jī)把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的過程(簡稱為電/光或E/O轉(zhuǎn)換)，是通過電信號(hào)對(duì)光的調(diào)制實(shí)現(xiàn)的。目前采用直接調(diào)制方式，用電信號(hào)直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電流，使輸出光隨電信號(hào)變化而實(shí)現(xiàn)的。 這種方案技術(shù)簡單， 成本較低，容易實(shí)現(xiàn)，但調(diào)制速率受激光器的頻率特性所限制。 第26頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)58分，星期一1. 光發(fā)射機(jī)（光端機(jī)）光端機(jī)的圖例- DC48V +2M：出4 出3 出2 出1音頻接口光發(fā) 光收 2M：入4 入3 入2 入1數(shù)據(jù)接口.GD/MF8HS-IIIC 后面板圖 GD/MF8HS-IIIC 上蓋板圖 電源 失步 2M中斷 環(huán)回 呼叫 截鈴 收無光

18、 誤碼 對(duì)告 第27頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)58分，星期一光端機(jī)的正面圖片1. 光發(fā)射機(jī)（光端機(jī)）第28頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)58分，星期一光端機(jī)的背面圖片1. 光發(fā)射機(jī)（光端機(jī)）第29頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)58分，星期一2. 光纖線路光纖線路的功能是把來自光發(fā)射機(jī)的光信號(hào)，以盡可能小的畸變(失真)和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C(jī)。光纖線路由光纖、光纖接頭和光纖連接器組成。光纖是光纖線路的主體，接頭和連接器是不可缺少的器件。實(shí)際工程中使用的是容納許多根光纖的光纜。對(duì)光纖的基本要求:損耗和色散小， 機(jī)械特性和環(huán)境特性好.例如，在不可避免的應(yīng)力作用下和環(huán)境溫度改變時(shí)，保持傳輸特性穩(wěn)定。 目前使用的石英光纖有多模光纖和單模光纖，單模光纖的傳輸特性比多模光纖好，價(jià)格比多模光纖便宜，因而得到更廣泛的應(yīng)用。 單模光纖配合半導(dǎo)體激光器，適合大容量長距離光纖傳輸系統(tǒng)，而小容量短距離系統(tǒng)用多模光纖配合半導(dǎo)體發(fā)光二極管更加合適。 第30頁，共35頁，2022年，5月