第1章光通信概述.ppt
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1、1 1课程课程物理与材料科学学院物理与材料科学学院安徽大学安徽大学教材:教材:光通信原理与系统光通信原理与系统 黎洪松黎洪松 高等教育出版社高等教育出版社普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材2 2课程课程物理与材料科学学院物理与材料科学学院安徽大学安徽大学本书内容1.光通信概述2.光通信的理论基础3.光纤4.光通信器件5.光纤通信系统6.光网络7.无线激光通信3 3课程课程物理与材料科学学院物理与材料科学学院安徽大学安徽大学第1章 光通信概述讲述光通信的发展概况,光通信系统的主要组成部分,光通信系统的基本问题与主要性能指标4 4课程课程物理与材料科学学院物理与材
2、料科学学院安徽大学安徽大学什么是光通信?5 5课程课程物理与材料科学学院物理与材料科学学院安徽大学安徽大学光通信光通信就是将光波作为载体来实现信息传输。就是将光波作为载体来实现信息传输。两个基本条件:两个基本条件:1、光源、光源2、传输光的介质、传输光的介质6 6课程课程物理与材料科学学院物理与材料科学学院安徽大学安徽大学1.1 光波的电磁频谱光波的电磁频谱考研面试常问问题考研面试常问问题1:可见光的波长范围是多少?:可见光的波长范围是多少?考研面试常问问题考研面试常问问题2:目前光通信的波段是多少?:目前光通信的波段是多少?7 7课程课程物理与材料科学学院物理与材料科学学院安徽大学安徽大学1
3、.2 光通信发展一、原始形式的光通信古代通信形式古代通信形式古代通信形式古代通信形式8 8课程课程物理与材料科学学院物理与材料科学学院安徽大学安徽大学一、原始形式的光通信烽火台报警通信(目视通信)缺点:信息量小,受环境影响大烽火台告诉我们关于现代通信的两个概念:烽火台告诉我们关于现代通信的两个概念:(1 1)光通信)光通信(2 2)接力通信)接力通信 由于人们无法解决光向四面八方散射时由于人们无法解决光向四面八方散射时光强减弱和不能通过障光强减弱和不能通过障光强减弱和不能通过障光强减弱和不能通过障碍物碍物碍物碍物的问题。直到上世纪六十年代初,光通信都没有什么重大的进的问题。直到上世纪六十年代初
4、,光通信都没有什么重大的进展。它仅仅作为一种信号灯使用,如展。它仅仅作为一种信号灯使用,如:马路上的红绿灯马路上的红绿灯机场上的跑道标志灯等等。机场上的跑道标志灯等等。9 9课程课程物理与材料科学学院物理与材料科学学院安徽大学安徽大学二、19世纪中叶,电通信出现电报、电话以及无线电通信等18371837年,美国人莫尔斯发明了电报;年,美国人莫尔斯发明了电报;贝尔发明了电话;贝尔发明了电话;马可尼、波波夫发明了无线电通信。马可尼、波波夫发明了无线电通信。一直到一直到2020世纪世纪6060年代,电通信都在通信领域年代,电通信都在通信领域处于绝对的统治地位。处于绝对的统治地位。缺点:随着科技的发展
5、,容量越来越难满足要求缺点:随着科技的发展,容量越来越难满足要求1010课程课程物理与材料科学学院物理与材料科学学院安徽大学安徽大学三、20世纪60年代以后,现代光通信出现光纤通信等光纤通信的特点:光纤通信的特点:(1)(1)通信容量大;通信容量大;(2)(2)传输距离长;传输距离长;(3)(3)抗电磁干扰;抗电磁干扰;(5)(5)适应环境,重量轻,适应环境,重量轻,安全等。安全等。1111课程课程物理与材料科学学院物理与材料科学学院安徽大学安徽大学类型频带(或频率)损耗/(dB/km)传输容量(话路/线)微波960对称电缆4 kHz2.06细同轴电缆1 MHz30 MHz5.2428.709
6、60粗同轴电缆1 MHz60 MHz2.4218.771 800渐变折射率多模光纤0.85 m1.31 m(2001 000)MHzkm1 000 MHzkm31.0200单模光纤1.31 m1.55 m100 GHz(10100)GHz0.360.232 000(2.5 Gb/s)电缆和光纤的损耗和频带比较电缆和光纤的损耗和频带比较 1212课程课程物理与材料科学学院物理与材料科学学院安徽大学安徽大学三、现代光通信技术的产生和发展三、现代光通信技术的产生和发展1、1880年年,美美国国人人贝贝尔尔(Bell)发发明明了了用用光光波波作作载载波波传传送送话话音的音的“光电话光电话光电话光电话”
7、。贝尔光电话是现代光通信的雏型。贝尔光电话是现代光通信的雏型。2、1960年年,美美国国人人梅梅曼曼(Maiman)发发明明了了第第一一台台红红宝宝石石激激光光器器,给给光光通通信信带带来来了了新新的的希希望望。激激激激光光光光器器器器的的发发明明和和应应用用,使沉睡了近百年的光通信进入一个崭新的阶段。使沉睡了近百年的光通信进入一个崭新的阶段。激光器发出的激光与普通光源发出的光相比,激光器发出的激光与普通光源发出的光相比,其其光束的光束的强度高强度高,方向性好方向性好,光谱的范围小光谱的范围小,相位和频相位和频率一致性好率一致性好,其特性与无线电磁波类似,其特性与无线电磁波类似,是一种理想是一
8、种理想的通信载波,的通信载波,可用来携带信息进行长距离传输可用来携带信息进行长距离传输1313课程课程物理与材料科学学院物理与材料科学学院安徽大学安徽大学 在这个时期,美国麻省理工学院利用在这个时期,美国麻省理工学院利用He-NeHe-Ne激光器和激光器和CO2CO2激光器进行了激光器进行了大气激光通信试验大气激光通信试验。这一阶段这一阶段研究的重点主要是解决光的传输路径问题研究的重点主要是解决光的传输路径问题:(1 1)大气光波通信)大气光波通信(2 2)地下透镜波导)地下透镜波导 许多不可克服的困难许多不可克服的困难:现场施工复杂;对每个透镜要进行严格校:现场施工复杂;对每个透镜要进行严格
9、校准和牢固安装;转弯时,需要增加透镜或反射镜,弯度越大,增加数准和牢固安装;转弯时,需要增加透镜或反射镜,弯度越大,增加数越多,光能损耗越大,因此,系统造价昂贵,并且调整、测试、维修越多,光能损耗越大,因此,系统造价昂贵,并且调整、测试、维修都非常困难,实用意义不大。都非常困难,实用意义不大。1414课程课程物理与材料科学学院物理与材料科学学院安徽大学安徽大学 由由于于没没有有找找到到稳稳定定可可靠靠和和低低损损耗耗的的传传输输介介质质,对光通信的研究一度走入了低潮。对光通信的研究一度走入了低潮。1515课程课程物理与材料科学学院物理与材料科学学院安徽大学安徽大学3、1966年年,英英籍籍华华
10、裔裔学学者者高高锟锟(C.K.Kao)和和霍霍克克哈哈姆姆(C.A.Hockham)发发表表了了关关于于传传输输介介质质新新概概念念的的论论文文,指指出出了了利利用用光光纤纤(Optical Fiber)进进行行信信息息传传输输的的可可能能性性和和技技术术途径,奠定了现代光通信途径,奠定了现代光通信光纤通信光纤通信的基础。的基础。指指明明通通过过“原原材材料料的的提提纯纯制制造造出出适适合合于于长长距距离离通信使用的低损耗光纤通信使用的低损耗光纤”这一发展方向这一发展方向 论文针对当时损耗达论文针对当时损耗达1000dB/km1000dB/km的情况指出:的情况指出:这样大这样大的损耗不是石英
11、玻璃光纤本身固有的基本特性,而是由的损耗不是石英玻璃光纤本身固有的基本特性,而是由于材料中带有杂质,如含有过渡金属离子造成的。材料于材料中带有杂质,如含有过渡金属离子造成的。材料本身的损耗由瑞利散射决定的,它随波长的四次方下降,本身的损耗由瑞利散射决定的,它随波长的四次方下降,损耗很低。损耗很低。1616课程课程物理与材料科学学院物理与材料科学学院安徽大学安徽大学2009年年获诺贝获诺贝尔物理尔物理学奖学奖 高高 锟锟-光纤通信发明家光纤通信发明家1717课程课程物理与材料科学学院物理与材料科学学院安徽大学安徽大学4 4、1970年,年,光纤光纤研制取得了重大突破研制取得了重大突破 1970年
12、年,美美国国康康宁宁(Corning)公公司司研研制制成成功功损损耗耗20dB/km的的石石英英光光纤纤。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。1972年年,康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到,康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/km。1973年年,美美国国贝贝尔尔(Bell)实实验验室室的的光光纤纤损损耗耗降降低低到到2.5dB/km。1974 年降低到年降低到1.1dB/km。1976年年,日日本本电电报报电电话话(NTT)公公司司将将光光纤纤损损耗耗降降低低到到0.47 dB/km(波波长长1.2m)。在以后的在以后的 10 年中,波长为年中,波
13、长为1.55 m的光纤损耗:的光纤损耗:1979 年年是是0.20 dB/km,1984年年是是0.157 dB/km,1986 年年是是0.154 dB/km,接近了接近了光纤最低损耗的理论极限。光纤最低损耗的理论极限。1818课程课程物理与材料科学学院物理与材料科学学院安徽大学安徽大学 5、1970 年,光纤通信用年,光纤通信用光源光源取得了实质性的进展取得了实质性的进展 1970年年,美美国国贝贝尔尔实实验验室室、日日本本电电气气公公司司(NEC)和和前前苏苏联联先先后后,研研制制成成功功室室温温下下连连续续振振荡荡的的镓镓铝铝砷砷(GaAlAs)双双异异质质结结半半导导体体激激光光器器
14、(短短波波长长)。虽虽然然寿寿命命只只有有几几个个小小时时,但但它它为为半半导导体体激激光光器器的的发发展展奠奠定定了了基基础。础。1973 年年,半导体激光器寿命达到,半导体激光器寿命达到7000小时。小时。1976年年,日日本本电电报报电电话话公公司司研研制制成成功功发发射射波波长长为为1.3 m的的铟铟镓镓砷砷磷磷(InGaAsP)激光器。激光器。1977 年年,贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到,贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时。万小时。1979年年美美国国电电报报电电话话(AT&T)公公司司和和日日本本电电报报电电话话公公司司研研制制成成功功发射波长为发射波长为1.5
15、5 m的连续振荡半导体激光器。的连续振荡半导体激光器。由于光纤和半导体激光器的技术进步,使由于光纤和半导体激光器的技术进步,使 1970 1970 年成为光纤年成为光纤通信发展的一个重要里程碑通信发展的一个重要里程碑1919课程课程物理与材料科学学院物理与材料科学学院安徽大学安徽大学6、实用、实用光纤通信系统光纤通信系统的发展的发展 1976 年年,美美国国在在亚亚特特兰兰大大(Atlanta)进进行行了了世世界界上上第第一一个个实实用用光纤通信系统的现场试验。光纤通信系统的现场试验。1980 年,美国标准化年,美国标准化FT-3光纤通信系统投入商业应用。光纤通信系统投入商业应用。1976 年
16、年和和 1978 年年,日日本本先先后后进进行行了了速速率率为为34 Mb/s的的突突变变型型多多模模光光纤纤通通信信系系统统,以以及及速速率率为为100 Mb/s的的渐渐变变型型多多模模光光纤纤通通信信系统的试验。系统的试验。90年年代代以以后后,除除用用户户线线外外,光光纤纤传传输输已已经经完完全全取取代代了了传传统统的的电缆通信,成为通信网的主体。电缆通信,成为通信网的主体。光纤通信技术成为主流技术,以异乎寻常的速度发光纤通信技术成为主流技术,以异乎寻常的速度发展,人类进入了光通信时代。展,人类进入了光通信时代。2020课程课程物理与材料科学学院物理与材料科学学院安徽大学安徽大学7、其他
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