概论06:光纤通信技术.ppt
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1、光纤通信技术1光纤通信内容一、光纤通信概述二、光纤通信原理三、光纤通信系统四、光纤通信特点五、光纤传输技术六、光纤通信新技术2一、光纤通信概述1、光纤通信基本概念2、光纤通信诞生历史3、光纤通信光纤制造4、光纤通信敷设方式5、光纤通信发展里程6、光纤通信战略地位7、光纤通信我国现状31.1、光纤通信基本概念光纤通信:利用光波为载波、以光导纤维作为传输媒质的通信方式载波:位于电磁波谱的近红外区,范围为10141015Hz特点潜在通信容量极大,带宽近1015Hz41.2、光纤通信诞生历史最早的光通信:用于传递信息的烽火台光通信的基本要素:光源 烽火 发送 点火或燃烟 接收 人的眼睛 传播媒介 大气
2、 传送信息 有无敌情 协议 有信号则救援5 贝尔的光电话原理示意图:6弧光灯弧光灯送送话话器器抛抛物物面面镜镜光探测器光探测器受话器受话器贝贝尔尔 由于19世纪先后发明了电报、电话等电信设备,使光通信方法受到冷落。虽然人们意识到如果采用光波作为载波,通信容量可望提高几个数量级,但直到20世纪50年代末仍然找不到通信所必须的相干光源和合适的传输介质。71.2、光纤通信、光纤通信诞生历史诞生历史更好的光源 稳定激光器,使光源更加可靠、稳定更好的传输媒介 低损耗的传输介质(光缆),让光波在闭合的光缆中传输。81.2 1.2 光纤通信光纤通信诞生历史诞生历史激光器的发明第一阶段理论基础:1916年,爱
3、因斯坦提出的受激辐射概念是激光器的理论基础。受激辐射可以对光进行放大且产生的光 是相干光,即多个光子的发射方向、频 率、相位偏振完全相同。9第二阶段微波受激放大器:量子力学的建立和发展使人们对微观结构及运动规律有了更深入的认识。1951年美国物理学家查尔斯.汤司经过3年的研究,把处于激发态的氨分子装入一个金属小盒,当微波射入小盒时,就发出了一束纯而强的微波射束。10第三阶段 红宝石激光器:发明者:西奥多.梅曼(美国)时 间:1960年 梅曼在佛罗里达州迈阿密的实验室里研制成功世界上第一台激光器。他用一个高强闪光灯管来刺激红宝石水晶里的铬原子,从而产生一条相当集中的纤细红色光柱,当它射向某一点时
4、,发出的激光强度为太阳光的1000倍。11LASER:受激发射的光放大受激发射的光放大受激辐射式光频放大器受激辐射式光频放大器知识产权:古尔德知识产权:古尔德 (激光一词的始创者激光一词的始创者)汤汤 司(书面工作早于前者)司(书面工作早于前者)梅梅 曼(激光发明权无可争议)曼(激光发明权无可争议)激光器的发明是20世纪科学技术的一项重大成就,它使人们终于有能力驾驭尺度极小、数量极大、运动极混乱的分子和原子的发光过程 1213通信光纤一个意外发现 希腊的一位制玻璃工人意外地发现,光能毫无散射地从玻璃棒的一端传到另一端。这已经初步揭示了光在玻璃上的传播规律。14通信光纤光传导现象 英国科学家丁麦
5、尔发现了一个有趣的现象:光和水流一起呈弧线状落到地面。光出现弯曲现象吗?通信光纤早期的应用(医用胃镜、喉镜)1958年,光的传播规律在医学领域得到应用。由2500根细玻璃纤维制成的“内窥镜”,将光引到 人体胃内,使医生不用开刀,就可以看到胃里的 情况。这些已有的发现、发明无疑给科学家增添 了信心。他们在这基础上,进行更深入的探讨。主要问题-衰减 1960年 1000dB/km 10dB10-1 20dB10-2 1000dB10-100 15通信光纤基本设想高锟在1966年7月提出,只要能设法降低玻璃纤维的杂质,就有可能使光纤的损耗从1000dB/km降低到20dB/km,从而有可能用于通信。
6、光纤诞生世界上第一根低损耗(20dB/km)的石英光纤诞生于1970年。美国康宁玻璃公司的马瑞尔、卡普隆、凯克研制成功。16172009年年12月月10日瑞典首都斯德哥尔摩日瑞典首都斯德哥尔摩瑞典国王卡尔十六世古斯塔夫为高锟瑞典国王卡尔十六世古斯塔夫为高锟博士颁奖博士颁奖1.3、光纤通信光纤的制造材料材料:二氧化硅(SiO2)又称硅石,自然界分布很广,如:石英砂。制作方法制作方法:1 1、直接熔化法、直接熔化法 高温将熔融状态的石英,去除杂质直接制成光纤。2 2、汽相氧化法、汽相氧化法 氧化反应生成SiO2微粒,而后将其制成预制棒,拉丝成纤。3 3、最后进行涂覆、套塑,成为光缆。181.3、光
7、纤通信光纤的制造要求:光纤原材料的纯度必须很高 必须防止杂质、气泡混入 要正确控制折射率的分布 正确控制光纤的结构尺寸 尽量减小光纤表面的伤痕损害,提高光纤机械强度。同样衰减3dB普 通 玻 璃:几厘米高级光学玻璃:几米20dB/km光纤:150米191.4、光纤通信敷设方式架空光缆:架挂在电杆上使用的光缆(吊线、自承)直埋光缆:外部有保护的铠装,直接埋设在地下管道光缆:装入水泥、钢管、塑料管内埋设地下水底光缆:敷设于水底穿越河流、湖泊、海洋201.5、光纤通信的发展里程 1970年,美国康宁(Corning)公司研制成功损耗20dB/km的石英光纤。把光纤通信推向一个新阶段,被定为光通信的元
8、年。1972年,康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/km。1973 年,美国贝尔(Bell)实验室的光纤损耗降低到2.5dB/km。1974 年降低到1.1dB/km。1976 年,日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到0.47 dB/km(波长1.2m)。1979 年是0.20 dB/km,1984年是0.157 dB/km,1986 年是0.154 dB/km,接近了光纤最低损耗的理论极限。21 1976 年和 1978 年,日本先后进行了速率为34 Mb/s的突变型多模光纤通信系统,以及速率为100 Mb/s的渐变型多模光纤通信系统的试验。1980 年,美国标准化FT-3光纤
9、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。随后,由美、日、英、法发起的第一条横跨大西洋 TAT-8海底光缆通信系统于1988年建成。第一条横跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系统于1989年建成。从此,海底光缆通信系统的建设得到了全面展开,促进了全球通信网的发展。现在,光纤通信承载了全世界80%以上的电信业务22光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段:光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段:第一阶段(19661976年),这是从基础研究到商业应用的开发时期。第二阶段(19761986年),这是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。第三
10、阶段(1986 ),这是以超大容量超长距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期。231.6、光纤通信战略地位重要性各种通信网的主要传输方式;跨国通信已广泛铺设到了大西洋、太平洋海底,使全球通信变得非常简单快捷。广泛性目前发达国家又把光缆铺设到住宅,实现了光纤到办公室、光纤到家庭。241.7、光纤通信我国的现状1974年研究低损耗光纤和光通信70年代中期研制出低损耗光纤和激光器1979年建成了市话光缆通信试验系统80年代末光纤通信关键技术达到国际先进水平1991年起不再发展长途电缆通信系统“八五”期间建成了22条光缆干线1999年1月建成高传输速率的一级干线25二、光纤通信基本原理1、通信光纤基
11、本结构2、光学原理反射折射3、通信光纤光的分类4、通信光纤传输原理5、通信光纤光纤分类6、通信光纤衰减因素262.1、通信光纤基本结构27光纤由直径大光纤由直径大光纤由直径大光纤由直径大约为约为约为约为0.01mm0.01mm0.01mm0.01mm的的的的细玻璃丝构成。细玻璃丝构成。细玻璃丝构成。细玻璃丝构成。它透明、纤细,具有把光封闭在其中它透明、纤细,具有把光封闭在其中它透明、纤细,具有把光封闭在其中它透明、纤细,具有把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构,它由并沿轴向进行传播的导波结构,它由并沿轴向进行传播的导波结构,它由并沿轴向进行传播的导波结构,它由折射较高的纤芯和折射率较低的包
12、层折射较高的纤芯和折射率较低的包层折射较高的纤芯和折射率较低的包层折射较高的纤芯和折射率较低的包层组成,通常为了保护光纤,包层外还组成,通常为了保护光纤,包层外还组成,通常为了保护光纤,包层外还组成,通常为了保护光纤,包层外还往往覆盖一层塑料加以保护,包层直往往覆盖一层塑料加以保护,包层直往往覆盖一层塑料加以保护,包层直往往覆盖一层塑料加以保护,包层直径一般为径一般为径一般为径一般为125m125m125m125m。纤芯纤芯 1.4621.467包层包层 1.451.46通信光纤实际结构28292.2、光学原理反射折射全反射定理:光从光密全反射定理:光从光密全反射定理:光从光密全反射定理:光从
13、光密介质进入光疏介质,当介质进入光疏介质,当介质进入光疏介质,当介质进入光疏介质,当入射角增大到一定的角入射角增大到一定的角入射角增大到一定的角入射角增大到一定的角度时,折射光就会全部度时,折射光就会全部度时,折射光就会全部度时,折射光就会全部消失。消失。消失。消失。2.3、通信光纤光的分类 30微微 波波31最佳传输窗口(红外区域)光以850nm、1310nm和1550nm三种波长通过光纤时,所受的衰减要比以其它波长通过时小得多。光纤中传输的光是什么颜色的?光纤中传输的光是什么颜色的?2.4、通信光纤传输原理32满足全反射定律,光满足全反射定律,光满足全反射定律,光满足全反射定律,光全部返回
14、。全部返回。全部返回。全部返回。只要弯曲不十分厉害,光只要弯曲不十分厉害,光只要弯曲不十分厉害,光只要弯曲不十分厉害,光也不会折射到包层中去也不会折射到包层中去也不会折射到包层中去也不会折射到包层中去2.5、光纤分类塑料光纤制造材料高度透明的有机玻璃主要优点成本低廉,芯径较大,与光源的耦合效率高,耦合进光纤的光功率大,使用方便。主要缺点由于损耗较大,带宽较小,只适用于短距离低速率通信,如短距离计算机网链路、船舶内、汽车内通信等。332.5、光纤分类多模光纤 制造材料:石英主要特点:中心玻璃芯较粗(50或62.5m),可传多种模式的光。模间色散较大,限制了传输数字信号的频率,随距离的增加会更加严
15、重。342.5、光纤分类单模光纤主要特点中心玻璃芯很细(为9m),只能传一种模式的光。模间色散很小,适用于远程通讯,但还存在着材料和波导色散,对光源的谱宽和稳定性有较高的要求,即谱宽要窄,稳定性要好。低损耗窗口在1310nm波长处,单模光纤的材料色散和波导色散一正、一负,大小相等。352.6、通信光纤衰减因素 本征(固有损耗)固有吸收(粒子吸光振动发热)瑞利散射(空间微粒光的散射)弯曲:部分光纤内的光会损失。挤压:受到挤压时产生微小的弯曲。杂质:杂质吸收和散射。不均匀:材料的折射率不均匀。对接:光纤对接时产生的损耗 36光纤传输的“窗口”:光传输中损耗最小的波长点被称做“窗口”光纤的三个“窗口
16、”0 850nm、1310nm 和 1550nm 3dB/km 0.35dB/km0.35dB/km 0.15dB/km0.15dB/km37光纤传感技术 光纤温度传感器光纤位移传感器光纤振动传感器光纤电压传感器光纤液位传感器“探索一代”光谱雷达38三、基本光纤通信系统1、光纤通信系统组成2、子系统电发射端机 3、子系统光发射端机 4、子系统光中继器 5、子系统光接收机 393.1、光纤通信系统组成 40光纤,光纤,光纤,光纤,中继放中继放中继放中继放大器、大器、大器、大器、EDFAEDFAEDFAEDFA等等等等接收光信号,接收光信号,接收光信号,接收光信号,并从中提取信并从中提取信并从中提
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