光纖通信-ch1 導 論

光端機

光端機

電端機

電端機微波收發(fā)信機微波收發(fā)信機程控交換機程控交換機移動交換機移動交換機分組交換機分組交換機傳輸設(shè)備交換設(shè)備交換設(shè)備

用戶終端設(shè)備基站衛(wèi)星模擬用戶線中繼線模擬用戶線中繼線2Mb/s300~3400Hz300~3400Hz基站微波光纖PCM

用戶終端設(shè)備2Mb/s交換網(wǎng)傳輸網(wǎng)接入網(wǎng)接入網(wǎng)交換網(wǎng)PCMPDHSDHWDMPDHSDHWDM通信網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015ELFVFVLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF自由空間波長，m頻率，Hz電力、電話無線電、電視微波紅外可見光雙鉸線同軸電纜光纖衛(wèi)星/微波AM無線電FM無線電通信波段劃分及相應(yīng)傳輸媒介頻段劃分傳輸介質(zhì)信息高速公路

信息高速公路是當今社會的熱門話題，始作俑者是美國。其概念是１９９２年２月美國總統(tǒng)發(fā)表的國情咨文中提出的，即計劃用２０年時間，耗資２０００--４０００億美元，以建設(shè)美國國家信息基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)（ＮＩＩ），作為美國發(fā)展政策的重點和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。倡議者認為，它將永遠改變?nèi)藗兊纳睢⒐ぷ骱拖嗷贤ǖ姆绞?，產(chǎn)生比工業(yè)革命更深刻的影響。

信息高速公路由四個基本要素組成：

（１）信息高速通道。這是一個能覆蓋全國的以光纖通信網(wǎng)絡(luò)為主的，輔以微波和衛(wèi)星通信的數(shù)字化大容量，高速率的通信網(wǎng)。

（２）信息資源。把眾多的公用的、未用的數(shù)據(jù)、圖像庫連接起來，通過通信網(wǎng)絡(luò)為用戶提供各類資料，影視，書籍，報刊等信息服務(wù)。

（３）信息處理與控制。主要是指通信網(wǎng)路上的高性能計算機和服務(wù)器，高性能個人計算機和工作站對信息在輸入／輸出，傳輸，存儲，交換過程中的處理和控制。

（４）信息服務(wù)對象。使用多媒體經(jīng)濟，智能經(jīng)濟和各種應(yīng)用系統(tǒng)的用戶進行相互通信，可以通過通信終端享受豐富的信息資源，滿足各自的需求。

光纖：信息高速公路的路-road。數(shù)據(jù)：信息高速公路的車-traffic。

光纖通信：信息高速公路的基石-base。數(shù)據(jù)通信：信息高速公路的架構(gòu)-infrastructure。TCP/IP4層和5層模型及OSI模型CladdingPrimarycoating

(e.g.,softplastic)

CoreSiO2GlassLightiswithveryhighfrequency(~1014Hz).Highfrequencyenables:veryhighmodulationrates;highinformationbandwidth.ν=c/λ

ν-frequencyc=3x

108m/s,λ~1μm=10-6mν

~3x1014HzBandwidthWhyuselight?

利用光纖來傳輸光波攜帶的通信信息，以實現(xiàn)通信的目的。

1).里程碑

—1966年高錕著名文章（PIEE）；

2).導火線

—1970年康寧公司的第一根低耗光纖；

3).爆炸性發(fā)展A)光纖衰減：70年：20dB/km；72年：4dB/km；

76年：0.5dB/km；79年：0.2dB/km；90年：0.14dB/km。B)系統(tǒng)：76年-45Mb/s；85年-多模系統(tǒng)；90年-單模系統(tǒng)；

93年-SDH；98年-WDM（40G）；2000年-320G；2013年-100G/單信道。光纖通信發(fā)展簡史Rayleigh-scatteringlimit@1550nmstandardsingle-modefiberoptical-qualityglassVenetianglass(AdaptedfromNagel,IEEECircuitsDevicesMagazine36,March1989)光纖通信發(fā)明家高錕(左)

1990年獲選美國國家工程學院院士

10月6日，瑞典皇家科學院宣布，將2009年諾貝爾物理學獎授予英國華裔科學家高錕以及美國科學家威拉德·博伊爾和喬治·史密斯（從左到右）瑞典皇家科學院說，高錕在“有關(guān)光在纖維中的傳輸以用于光學通信方面”取得了突破性成就，他將獲得今年物理學獎一半的獎金，共500萬瑞典克朗（約合70萬美元）；博伊爾和史密斯發(fā)明了半導體成像器件——電荷耦合器件（CCD）圖像傳感器，將分享今年物理學獎另一半獎金。光纖通信系統(tǒng)1、光發(fā)送機

作用：是把電信號碼流轉(zhuǎn)換成光脈沖碼流，并輸入到光纖中進行傳輸。要求：發(fā)光功率大；譜線窄或色散容限大。2、光纖

是傳輸光信號的媒質(zhì)。要求：損耗系數(shù)??；色散系數(shù)低。3、光接收機

作用：是把光脈沖碼流轉(zhuǎn)換成電信號碼流。要求：高靈敏度。光纖通信系統(tǒng)1).容量巨大

理論上一根光纖：100億個話路?，F(xiàn)在實驗室已實現(xiàn)50萬個話路。

2).中繼距離長

現(xiàn)已實現(xiàn)100公里無中繼；若使用光放大器可實現(xiàn)640公里無中繼傳輸。

3).保密性能好

光在纖芯中傳輸，無泄露。

4).適用能力強

不怕外界電磁干擾、耐腐蝕、可彎曲性好。5).體積小、重量輕、便于施工與維護

直埋、架空、水下。

光纖通信優(yōu)點1986年建立國內(nèi)第一條光纜干線寧漢光纜目前，我國長途骨干網(wǎng)的光纜長度達到了17萬公里，并經(jīng)中美、中日、中韓等海纜和歐亞大陸橋光纜與國際光纜網(wǎng)連接。我國總的光纜線路總長度超過100萬公里，居世界前列。正在開展“寬帶中國-光網(wǎng)城市”工程，大幅提高寬帶網(wǎng)速。上海要在2013-2014年率先達到50MHz帶寬。我國光纖通信的現(xiàn)狀FLAG－FiberOpticLink aroundtheGlobe架空光纜直埋光纜北京上海至歐洲至日本FLAG至韓國至朝鮮至俄羅斯我國光纜骨干網(wǎng)分布圖至東南亞全球通信業(yè)務(wù)，特別是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)急劇增長網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量數(shù)據(jù)年增40%電話年增10%199820002002200420062008年份全球話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢預測對網(wǎng)速/帶寬的需求21世紀的傳輸：Tbit

到干線網(wǎng)

Gbit

到辦公室/家庭

Mbit

到個人OriginatingBandwidthU.S.InterstateCommunicationTraffic多種業(yè)務(wù)的增長對光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的驅(qū)動

對網(wǎng)速/帶寬的需求20多年來光纖通信技術(shù)在發(fā)掘、利用光纖帶寬資源、擴展光纖傳輸能力方面進展神速。傳輸能力主要指：通信容量和傳輸距離。提高傳輸能力：①在光波長和光纖類型方面 多模光纖單模光纖 短波長800nm長波長1300nm、1550nm

一纖一波TDM一纖多波WDM光纖的傳輸能力②在單纖傳輸容量方面-多波長？北美標準ITU-T符號電信號符號光信號符號數(shù)據(jù)數(shù)率(Mb/s)電信號符號STS-1OC-151.84-STS-3OC-3155.52STM-1STS-12OC-12622.08STM-4STS-48OC-4824488.32STM-16STS-192OC-1929953.28STM-64STS-768OC-76839813.12STM-256單纖傳輸容量-單波長(已達100Gb/s)提高信道數(shù)據(jù)率;

信道數(shù)據(jù)率：1040100

160...Gb/s,

來自光纖本身的限制越來越大!需要新技術(shù)以盡量減輕這些限制的影響成本增加。提高WDM系統(tǒng)譜效率

減小信道間隔(非線性!)；

偏振復用；擴展WDM系統(tǒng)帶寬

C+L(+S)波段；信號畸變更低的傳輸媒質(zhì)：新型光纖大有效面積

小色散及小色散斜率小偏振膜彌散...提高系統(tǒng)容量的新技術(shù)1.01.41.5衰減（dB/km）第一窗口第二窗口波長——λ（μm）6543210。40。2第三窗口

C波段1525~1565nm1.571.62L波段普通單模光纖的衰減隨波長的變化信號畸變的電域補償技術(shù)預補償技術(shù);

前向糾錯技術(shù);信號畸變的光域補償技術(shù)：色散補償/色散管理

新型色散補償光纖/器件;

更精密的色散管理技術(shù);

偏振模彌散補償技術(shù);提高光域信噪比/降低光纖非線性分布拉曼放大器;其它新技術(shù)

采用歸零碼+光孤子技術(shù)……器件!器件!器件!提高系統(tǒng)容量的新技術(shù)

比特率(TDM)2.5Gb/s10Gb/s40Gb/s

20G80G320G

40G160G640G400G1.6T6.4T16032168

1WDM通路數(shù)網(wǎng)絡(luò)容量演進戰(zhàn)略減小通路間隔100GHz50GHz25GHz12.5GHz?擴展頻譜范圍35nm(C)95nm(C+L)165nm(C+L+S)415nm(全部)？增加單路速率2.5Gb/s10Gb/s40Gb/s160Gb/s?通向容量極限的道路Shannon’sTheorem:C=B·log2(1+S/N)

頻譜效率=容量/帶寬設(shè)信道帶寬B最終由光纖本身決定，即50THz

假設(shè)S/N=100,

理論信息容量上限C=350Tb/s

理論頻譜效率=7b/s/Hz，然而，光纖中信號功率的增加是受限于非線性的，350Tb/s?設(shè)頻譜效率=0.8b/s/Hz(技術(shù)限制)，

因而實際信息容量上限C=40Tb/s目前技術(shù)可達信息容量上限C=10Tb/s光傳輸容量的若干上限1530

1675nm

1260

假設(shè)全部可用頻段約50THz(無水峰),設(shè)最高頻譜效率為0.8b/s/hz,每路40Gb/s,則總的可用容量的技術(shù)上限40Tb/s!預計2015年可達15-20Tb/s!500路x40Gb/s光傳輸容量的實際技術(shù)上限145014901530157016101650S+SCLL+

波長(nm)光纖通信系統(tǒng)的新波段圖：OTDM傳輸系統(tǒng)原理光時分復用(OTDM)系統(tǒng)-一纖一波圖7.7雙纖單向WDM傳輸密集波分復用(WDM)系統(tǒng)–一纖多波密集波分復用(DWDM)網(wǎng)絡(luò)的演進網(wǎng)絡(luò)分層網(wǎng)絡(luò)分層為充分利用光子學的寬帶性，傳輸系統(tǒng)的 走向為:

電子型光電混合型全光型。

存在問題光纖性能是有限制的，隨著信道數(shù)據(jù)率和傳輸距離的增加，系統(tǒng)容量日益趨近極限—光纖不再是一個透明管道。為克服這些限制，除新型光纖(相對穩(wěn)定)外，綜合采用了色散管理、寬帶EDFA、Raman放大、前向糾錯等行之有效的新技術(shù)；但新技術(shù)不一定都是好技術(shù)。系統(tǒng)總成本增加；靈活性、擴展性、生存性降低，特別不利于網(wǎng)絡(luò)設(shè)計按最壞(長)路由設(shè)計逐段色散管理怎樣才是好技術(shù)？存在問題

持續(xù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)功能多、適應(yīng)能力強、成本低的光子學器件與技術(shù)；

革命性變革有待于基礎(chǔ)研究如何使光子變得聰明？所有的智能都在電層--只能是“低能”；光層變?yōu)閎igfatpipe使運營商無利可圖，限制了光通信的發(fā)展；電子也曾經(jīng)stupid，有存儲、信號處理等功能后財變?yōu)镾MART；基本問題：由材料開始—Photonicequivalentofsilicon！10~15年解決，將引發(fā)通信事業(yè)的另一次革命！挑戰(zhàn)與發(fā)展課程考核辦法:筆試，閉卷。平時成績占10－20％，期末考試占90－75％。教科書：《光纖通信