11光通信0-1ris.pptx

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1、光通信原理光通信原理主讲教师：刘岚岚主讲教师：刘岚岚光通信原理光通信原理任课教师任课教师：刘岚岚刘岚岚教材教材：光通信导论吴重庆编著光通信导论吴重庆编著 清华大学出版社清华大学出版社主要参考教材主要参考教材：1.光纤通信系统顾婉仪光纤通信系统顾婉仪,李国瑞李国瑞北京邮电大北京邮电大学出版社学出版社2.光纤通信导论光纤通信导论邱昆邱昆电子科技大学出版社电子科技大学出版社E-mail:电话电话：516882002011年中国国际信息通信展览会年中国国际信息通信展览会时间：时间：2011年年9月月26日日-9月月30日日地点：北京中国国际展览中心地点：北京中国国际展览中心全球规模最大的全球规模最大的

2、ICT展览会之一，亚洲规模最大、最具影展览会之一，亚洲规模最大、最具影响力的世界级信息通信展。响力的世界级信息通信展。2011年是年是十二五十二五规划开局之年，规划开局之年，新一代信息技术新一代信息技术被确立为我国七大战略性新兴产业之一。被确立为我国七大战略性新兴产业之一。2011年中国国际信年中国国际信息通信展览会息通信展览会(PT/EXPOCOMMCHINA2011)将围绕将围绕新一新一代信息技术代信息技术，聚焦下一代网络、物联网、三网融合、高性能，聚焦下一代网络、物联网、三网融合、高性能集成电路、高端软件等领域的最新成果。集成电路、高端软件等领域的最新成果。2011年中国国际信息通信展览

3、会年中国国际信息通信展览会信息通信服务和应用；信息通信交换、传输技术与设备；信息通信服务和应用；信息通信交换、传输技术与设备；通信终端设备及配套产品；通信终端设备及配套产品；3G/超超3G移动通信技术及设备；移动通信技术及设备；宽带电信业务与电信增值服务；宽带无线接入；智能终端；宽带电信业务与电信增值服务；宽带无线接入；智能终端；下一代网络（下一代网络（NGN）、下一代互联网（）、下一代互联网（NGI）、网络电视、）、网络电视、网络游戏、网络游戏、IPTV、手机视频、互动娱乐产品及服务；行业、手机视频、互动娱乐产品及服务；行业信息化应用和解决方案；二维码技术；数码、音频、视频、信息化应用和解决

4、方案；二维码技术；数码、音频、视频、存储技术及产品；计算机硬件设备与软件产品；数据通信存储技术及产品；计算机硬件设备与软件产品；数据通信与网络技术及相关产品；电信管理系统；光通信、光纤光与网络技术及相关产品；电信管理系统；光通信、光纤光缆；汽车电子；缆；汽车电子；RFID；物流信息化技术与设备；通信电源、；物流信息化技术与设备；通信电源、仪器仪表、通信机房用品、办公自动化设备；信息家电、仪器仪表、通信机房用品、办公自动化设备；信息家电、家庭网络、数字化家庭；通信电子元器件；通信终端配件；家庭网络、数字化家庭；通信电子元器件；通信终端配件；其它信息通信配套产品；信息通信科研、设计、建设施工、其它

5、信息通信配套产品；信息通信科研、设计、建设施工、咨询、统计、投资内容及产品等。咨询、统计、投资内容及产品等。光纤通信的概念光纤通信的概念 光通信的概念光通信的概念光通信光通信是利用是利用光波光波来传送信息的。来传送信息的。通信技术通信技术电通信电通信光通信光通信根据使用的电磁波频率范围分类：根据使用的电磁波频率范围分类：有线通信有线通信无线通信无线通信光光纤纤通通信信是是以以光光作作为为信信息息载载体体，以以光光纤纤作作为为传传输输介质的光信息传输技术。介质的光信息传输技术。LASER通信是通过某种媒体进行的信息传递。通信是通过某种媒体进行的信息传递。引引 言言一、光纤通信发展的历史和现状一、

6、光纤通信发展的历史和现状二、光纤通信的优点和应用二、光纤通信的优点和应用一、一、光纤通信发展的历史和现状光纤通信发展的历史和现状1.探索时期的光通信探索时期的光通信在在这这个个时时期期，美美国国麻麻省省理理工工学学院院利利用用He-Ne激激光光器器和和CO2激光器进行了大气激光通信试验。激光器进行了大气激光通信试验。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，对对光光通通信信的的研研究究曾一度走入了低潮。曾一度走入了低潮。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

7、望望。激激光光器器的的发发明明和和应应用用，使沉睡了使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段。年的光通信进入一个崭新的阶段。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音的话音的“光电话光电话”。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。原原始始形形式式的的光光通通信信:中中国国古古代代用用“烽烽火火台台”报报警警，欧欧洲洲人用旗语传送信息。人用旗语传送信息。2现代光纤通信现代光纤通信指指明明通通过过“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通信信使使用用的的低低损损耗耗光光纤纤”这这一一发发展展方方向向1

8、966年年，英英籍籍华华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(OpticalFiber)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途径径，奠定了现代光通信奠定了现代光通信光纤通信光纤通信的基础。的基础。光纤发明人高锟光纤发明人高锟 Charles K.Kao论文：光频介质纤维表面波导论文：光频介质纤维表面波导1966（Dielectric-FiberSufaceWaveguideforOpticalFrequency)提出：制造石英光纤可实现光纤

9、通信提出：制造石英光纤可实现光纤通信指出指出三点：三点：光纤的容量很大光纤的容量很大高纯石英光纤的损失可低达高纯石英光纤的损失可低达20dB/km单模光纤的原理构造单模光纤的原理构造高锟高锟光纤之父光纤之父光纤通信发明家光纤通信发明家高锟高锟(左左)1998年在英国接受年在英国接受IEE授予的奖章授予的奖章2009年诺贝尔物理学奖获得者英国华裔科学家高锟，年诺贝尔物理学奖获得者英国华裔科学家高锟，美国科学家威拉德美国科学家威拉德博伊尔和乔治博伊尔和乔治史密斯。史密斯。瑞典皇家科学院说，高锟在瑞典皇家科学院说，高锟在“有关光在纤维中的传有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面输以用于光学通信方面”

10、取得了突破性成就，他将获得取得了突破性成就，他将获得今年物理学奖一半的奖金，共今年物理学奖一半的奖金，共500万瑞典克朗（约合万瑞典克朗（约合70万美元）；博伊尔和史密斯发明了半导体成像器件万美元）；博伊尔和史密斯发明了半导体成像器件电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD）图像传感器，将分享今年物理学）图像传感器，将分享今年物理学奖另一半奖金。奖另一半奖金。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的的石英光纤。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。石英光纤。把光纤通信的研究开发推向一个新

11、阶段。1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4dB/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0.47dB/km(波长波长1.2m)。在以后的在以后的10年中，波长为年中，波长为1.55m的光纤损耗：的光纤损耗：1979年年是是0.20dB/km，1984年年是是0.157dB/km，1986年年是是0.154dB/km，接近了光纤最低损耗的理论极限。

12、接近了光纤最低损耗的理论极限。19701970年康宁研制出低损失光纤年康宁研制出低损失光纤Corning 的的3位科学家位科学家Dr.DonalKeck,Dr.Bob Maurer,Dr.Peter Schultz于于1970年研制出低年研制出低损失光纤损失光纤.光纤长度光纤长度光纤长度光纤长度 (米米米米)29,)29,28.128.1损失损失损失损失(dB/km)17,18.2(dB/km)17,18.2 芯直径芯直径芯直径芯直径(微米微米微米微米)3.7(3.7(单模单模单模单模)(Dr.Keck(Dr.Keck的实验室记录的实验室记录的实验室记录的实验室记录)1970年，光纤通信用年，

13、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(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光器的发展奠定了基础。激光器的发展奠定了基础。1973年，半导体激光器寿命达到年，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1.3m的铟镓砷磷的铟镓砷磷(InG

14、aAsP)激光器。激光器。1977年年，贝贝尔尔实实验验室室研研制制的的半半导导体体激激光光器器寿寿命命达达到到10万万小时。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功发射波长为成功发射波长为1.55m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年成为光纤通信发展的一个重要里程碑年成为光纤通信发展的一个重要里程碑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

15、一个个实用光纤通信系统的现场试验。实用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34Mb/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100Mb/s的的渐渐变变型型多多模模光光纤纤通通信系统的试验。信系统的试验。1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。随随后后，由由美美、日日、英英、法法发发起起的的第第一一条条横横跨跨大大西西洋洋TAT-8海底光缆通信系统于海底光缆通信系统于198

16、8年建成。年建成。第第一一条条横横跨跨太太平平洋洋TPC-3/HAW-4海海底底光光缆缆通通信信系系统统于于1989年年建建成成。从从此此，海海底底光光缆缆通通信信系系统统的的建建设设得得到到了了全全面面展展开开，促进了全球通信网的发展。促进了全球通信网的发展。光纤通信的发展光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：可以粗略地分为三个阶段：第第一一阶阶段段(19661976年年)，这这是是从从基基础础研研究究到到商商业业应应用的开发时期。用的开发时期。第第二二阶阶段段(19761986年年)，这这是是以以提提高高传传输输速速率率和和增增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。加传输距离为研

17、究目标和大力推广应用的大发展时期。第第三三阶阶段段(1986)，这这是是以以超超大大容容量量、超超长长距距离离为为目标、全面深入开展新技术研究的时期。目标、全面深入开展新技术研究的时期。3光纤通信发展的现状光纤通信发展的现状1976年年美美国国在在亚亚特特兰兰大大进进行行的的现现场场试试验验，标标志志着着光光纤纤通通信信从基础研究发展到了商业应用的新阶段。从基础研究发展到了商业应用的新阶段。此此后后，光光纤纤通通信信技技术术不不断断创创新新：光光纤纤从从多多模模发发展展到到单单模模，工工作作波波长长从从0.85m发发展展到到1.31m和和1.55m(短短波波长长向向长长波波长长），传输速率从几

18、十，传输速率从几十Mb/s发展到几十发展到几十Gb/s。随随着着技技术术的的进进步步和和大大规规模模产产业业的的形形成成，光光纤纤价价格格不不断断下下降，应用范围不断扩大。降，应用范围不断扩大。目目前前光光纤纤已已成成为为信信息息宽宽带带传传输输的的主主要要媒媒质质，光光纤纤通通信信系系统统将成为未来国家信息基础设施的支柱。将成为未来国家信息基础设施的支柱。在在许许多多发发达达国国家家，生生产产光光纤纤通通信信产产品品的的行行业业已已在在国国民民经经济济中占重要地位。中占重要地位。（1）中国最早从事光纤通信研究机构）中国最早从事光纤通信研究机构 中科院福州物质结构研究所中科院福州物质结构研究所

19、中科院福州物质结构研究所中科院福州物质结构研究所 1972 1972 1972 1972年开始年开始年开始年开始 1975 1975 1975 1975年下马年下马年下马年下马 武汉邮电科学研究院武汉邮电科学研究院武汉邮电科学研究院武汉邮电科学研究院 1973 1973 1973 1973年开始年开始年开始年开始4光纤通信在我国的情况光纤通信在我国的情况19761976年年“邮电工业学大庆邮电工业学大庆”展出展出光纤传输黑白电视光纤传输黑白电视邮电部长钟夫翔参观邮电部长钟夫翔参观邮电部长钟夫翔参观邮电部长钟夫翔参观“邮电工业学大庆邮电工业学大庆邮电工业学大庆邮电工业学大庆”展览会展览会展览会展

20、览会亲自验证光纤通信是否真实亲自验证光纤通信是否真实亲自验证光纤通信是否真实亲自验证光纤通信是否真实光纤通信成为邮电部重点科研项目光纤通信成为邮电部重点科研项目发发收收实验装置提供单位：实验装置提供单位：实验装置提供单位：实验装置提供单位：光纤光纤光纤光纤:中科院硅酸盐所中科院硅酸盐所中科院硅酸盐所中科院硅酸盐所,武汉院武汉院武汉院武汉院激光器激光器激光器激光器:上海光机所上海光机所上海光机所上海光机所系统系统系统系统:武汉院武汉院武汉院武汉院（2）我国厂商分布结构）我国厂商分布结构 我国的光纤生产企业主要以合资为主，我国的光纤生产企业主要以合资为主，包括武汉长飞、上海朗讯、西古、武汉邮科包括

21、武汉长飞、上海朗讯、西古、武汉邮科院（烽火通信）、武汉院（烽火通信）、武汉NEC、南京华新藤仓、南京华新藤仓、深圳特发、成都中住、杭州富通、江苏法尔深圳特发、成都中住、杭州富通、江苏法尔胜等，光纤年生产能力约为胜等，光纤年生产能力约为700万公里。万公里。我国的光缆生产起步较早，生产技术较我国的光缆生产起步较早，生产技术较为成熟。目前我国光缆厂家已超过为成熟。目前我国光缆厂家已超过150家，年家，年生产能力超过生产能力超过50万公里，万公里，供给规模约为供给规模约为35万万公里。中国光缆产业正在逐步走向成熟，并公里。中国光缆产业正在逐步走向成熟，并已达到国际先进水平。已达到国际先进水平。（3）

22、我国光纤通信技术的发展方向我国光纤通信技术的发展方向 新一代光纤及其系统新一代光纤及其系统发展超高速商用系统发展超高速商用系统大力发展光接入网部分大力发展光接入网部分超大容量超大容量WDM系统系统IPoverSDH与与IPoverOptical光器件将继续发展光器件将继续发展最终实现光联网最终实现光联网二、光纤通信的优点和应用二、光纤通信的优点和应用1.光通信与电通信光通信与电通信通通信信系系统统的的传传输输容容量量取取决决于于对对载载波波调调制制的的频频带带宽宽度度，载载波波频率越高，频带宽度越宽。频率越高，频带宽度越宽。光通信的主要特点光通信的主要特点载波频率高；频带宽度宽（载波频率高；频

23、带宽度宽（图图1）光光通通信信利利用用的的传传输输媒媒质质-光光纤纤，可可以以在在宽宽波波长长范范围围内内获获得得很小的损耗。很小的损耗。图 1 部分电磁波频谱光纤作为传输介质的优势光纤作为传输介质的优势n拐弯：全反射n一八七年英国物理学家丁达尔光纤作为传输介质的优势光纤作为传输介质的优势n拐弯：全反射n n光纤的结构光纤的结构芯芯芯芯包层包层包层包层树脂被覆层树脂被覆层树脂被覆层树脂被覆层 c c i in n1 1n n2 2n n0 0优势与问题2.光纤通信的光纤通信的优点优点 容许频带很宽，传输容量很大容许频带很宽，传输容量很大 损耗很小，损耗很小，中继距离很长且误码率很小中继距离很长

24、且误码率很小 重量轻、重量轻、体积小体积小 抗电磁干扰性能好抗电磁干扰性能好 泄漏小，泄漏小，保密性能好保密性能好 节约金属材料，节约金属材料，有利于资源合理使用有利于资源合理使用3.光纤通信的光纤通信的应用应用光光纤纤可可以以传传输输数数字字信信号号，也也可可以以传传输输模模拟拟信信号号。光光纤纤在在通通信信网网、广广播播电电视视网网与与计计算算机机网网，以以及及在在其其它它数数据据传传输输系系统统中中，都都得得到到了了广广泛泛应应用用。光光纤纤宽宽带带干干线线传传送送网网和和接接入入网网发发展展迅迅速速，是当前研究开发应用的主要目标。是当前研究开发应用的主要目标。光纤通信的各种应用可概括如

25、下：光纤通信的各种应用可概括如下：通信网通信网构成因特网的计算机局域网和广域网构成因特网的计算机局域网和广域网有线电视网（有线电视网（CATV）的干线和分配网）的干线和分配网数数字字机机顶顶盒盒(STB-SetTopBox)，宽宽带带双双向向的的多多媒媒体体通信网。通信网。综合业务光纤接入网综合业务光纤接入网 ATMInternet骨干网骨干网DDN/FRPSTN/ISDNTV业务分配节点业务分配节点(COT)(COT)业务接入节点（业务接入节点（RTRT）网管网管SNMP与电信网管中心相连Q3100/1000ME1/BRA/PRA155M622M SDH典型应用之一：宽带综合业务光纤接入系统

26、拓扑结构某大学网络中心典型应用之二：作为校园网的骨干传输网某校网络中心维护光纤通信器件的发展过程光纤通信器件的发展过程 雏形：古代烽火、手旗、灯光雏形：古代烽火、手旗、灯光雏形：古代烽火、手旗、灯光雏形：古代烽火、手旗、灯光18801880年年年年 贝尔的光电话贝尔的光电话贝尔的光电话贝尔的光电话激光器激光器激光器激光器(发送源）发送源）发送源）发送源）光纤光纤光纤光纤(传输介质传输介质传输介质传输介质)1960 Maiman1960 Maiman发明红宝石激光器发明红宝石激光器发明红宝石激光器发明红宝石激光器1962 1962 半导体激光器诞生半导体激光器诞生半导体激光器诞生半导体激光器诞生

27、(GaAs 870nm)(GaAs 870nm)70 70 年代室温工作年代室温工作年代室温工作年代室温工作LDLD(GaAsAI 850nm)(GaAsAI 850nm)13001300、1550nm 1550nm 多模多模多模多模LDLD单模单模单模单模LDLD1951 1951 医用玻璃纤维医用玻璃纤维医用玻璃纤维医用玻璃纤维(损耗损耗损耗损耗1000dB/km)1000dB/km)1966 1966 高锟高锟高锟高锟 理论预言理论预言理论预言理论预言1970 1970 康宁制出低损耗光纤康宁制出低损耗光纤康宁制出低损耗光纤康宁制出低损耗光纤(20dB/km)(20dB/km)1300(

28、0.5dB/km),1550nm(0.2dB/km)1300(0.5dB/km),1550nm(0.2dB/km)低损耗窗口光纤开发低损耗窗口光纤开发低损耗窗口光纤开发低损耗窗口光纤开发单模光纤单模光纤单模光纤单模光纤光纤通信系统的发展历程光纤通信系统的发展历程n n光纤通信追求目标光纤通信追求目标:大容量、长距离大容量、长距离n n技术发展：短波长技术发展：短波长-长波长、多模光纤长波长、多模光纤-单模光纤、多模激光器单模光纤、多模激光器-单模激光器单模激光器通信系统容量：比特率通信系统容量：比特率通信系统容量：比特率通信系统容量：比特率-距离积距离积距离积距离积BLBL，B B 比特率，比

29、特率，比特率，比特率，L L 中继距离中继距离中继距离中继距离每秒钟传输的比特数目。每秒钟传输的比特数目。光纤通信技术的发展大体上可分为：光纤通信技术的发展大体上可分为：工作波长工作波长工作波长工作波长光纤光纤光纤光纤激光器激光器激光器激光器比特率比特率比特率比特率BB中继距离中继距离中继距离中继距离L L第一代第一代第一代第一代7070年代年代年代年代850nm850nm多模多模多模多模多模多模多模多模1010100Mb/s100Mb/s10Km10Km第二代第二代第二代第二代8080年代初年代初年代初年代初1300nm1300nm多模多模多模多模单模单模单模单模多模多模多模多模100Mb/

30、s100Mb/s1.7Gb/s1.7Gb/s20Km20Km50Km50Km第三代第三代第三代第三代8080年代中年代中年代中年代中9090年代初年代初年代初年代初1550nm1550nm单模单模单模单模单模单模单模单模2.5Gb/s2.5Gb/s10Gb/s10Gb/s100Km100Km光纤通信技术的发展大体上可分为光纤通信技术的发展大体上可分为:（续）（续）工作工作工作工作波长波长波长波长光纤光纤光纤光纤 激光激光激光激光器器器器比特率比特率比特率比特率BB中继距离中继距离中继距离中继距离L L第四第四第四第四代代代代9090年代年代年代年代15501550nmnm单模单模单模单模 单模

31、单模单模单模 2.5Gb/s2.5Gb/s10Gb/s10Gb/s21000Km21000Km（环路）（环路）（环路）（环路）1500Km1500Km光放大系统光放大系统光放大系统光放大系统第五第五第五第五代代代代15501550nmnm单模单模单模单模 单模单模单模单模 波分复用波分复用波分复用波分复用WDMWDM单路速率单路速率单路速率单路速率:40,160,640Gb/s:40,160,640Gb/s信道数信道数信道数信道数:8,16,64,128,1022:8,16,64,128,1022超长传输距离超长传输距离超长传输距离超长传输距离:27000Km(Loop)27000Km(Loo

32、p)6380(Line)6380(Line)目前目前目前目前研究研究研究研究内容内容内容内容WDMWDM光网络；全光分组交换；光时分复用；光孤子通信；光网络；全光分组交换；光时分复用；光孤子通信；光网络；全光分组交换；光时分复用；光孤子通信；光网络；全光分组交换；光时分复用；光孤子通信；新型的光器件新型的光器件新型的光器件新型的光器件谢谢观看/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH