光纤通信概述

光纤通信概述第一页，共三十七页，2022年，8月28日第二页，共三十七页，2022年，8月28日第一章光纤通信概述1.1光纤通信的发展历程1.2光纤通信的主要特性1.3光纤通信系统的组成与分类1.4全光网第三页，共三十七页，2022年，8月28日早期的光通信3000多年前，中国古代的重要军事防御设施，建造“烽火台”，防止敌人入侵，遇敌情则白天点燃掺有狼粪的柴草，使浓烟直上云霄；夜里则燃烧加有硫磺和硝石的干柴，使火光通明，台台相连，以传递紧急军情。第四页，共三十七页，2022年，8月28日早期光通信旗语（世界各国海军通用的语言）不同的旗子，不同的旗组表达着不同的意思。郑和下西洋交通信号灯、机场上的跑道标志灯第五页，共三十七页，2022年，8月28日1880年，美国人贝尔发明了“光电话”第六页，共三十七页，2022年，8月28日BellsPhotophone1880-PhotophoneTransmitter1880-PhotophoneReceiver第七页，共三十七页，2022年，8月28日之后的几十年，光通信进展不大原因光不纯作为接收机的硅光电池内部噪声很大没有一个适当的光传输媒质第八页，共三十七页，2022年，8月28日1960年，美国加利福尼亚州休斯航空公司实验室的研究员梅曼发明了第一台红宝石激光器。第九页，共三十七页，2022年，8月28日在这个时期，美国麻省理工学院利用He-Ne激光器和CO2激光器进行了大气激光通信实验。实验证明：用承载信息的光波，通过大气的传播，实现点对点的通信是可行的，但是通信能力和质量受气候影响十分严重。固体激光器和气体激光器的体积大、功耗大、不适宜做通信设备中的光源。第十页，共三十七页，2022年，8月28日1970年，光纤通信用光源取得了实质性的进展

1970年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联先后研制成功室温下连续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器。虽然寿命只有几个小时，但它为半导体激光器的发展奠定了基础。1973年，半导体激光器寿命达到7000小时。1976年，日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3μm的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器。1977年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时（实用中10年左右）。1979年美国电报电话(AT&T)公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为1.55μm的连续振荡半导体激光器。第十一页，共三十七页，2022年，8月28日把激光束限定在特定的空间内传输。解决方法第十二页，共三十七页，2022年，8月28日1966年，英籍华人高锟深入研究了光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题（1000dB/km)发现引起光纤损耗的主要原因如果把材料中金属离子含量的比重降低到106以下，光纤损耗就可以减小到10dB/km。再通过改进制造工艺，提高材料的均匀性，可进一步把光纤的损耗减少到几dB/km。这种想法很快就变成了现实。现代光纤通信的发展历程第十三页，共三十七页，2022年，8月28日高锟----光纤通信发明家（左）2009年获得诺贝尔物理学奖1998年在英国接受IEE授予的奖章第十四页，共三十七页，2022年，8月28日1970年，光纤研制取得了重大突破1970年，在高锟理论的指导下，美国康宁(Corning)公司研制成功损耗20dB/km的石英光纤。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4dB/km。1973年，美国贝尔(Bell)实验室用改进的化学气相沉积法制造的光纤损耗降低到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0.47dB/km(波长1.2μm)。

在以后的10年中，波长为1.55μm的光纤损耗：1979年是0.20dB/km，1984年是0.157dB/km，1986年是0.154dB/km。目前G.654光纤在1.55μm波长附近仅为0.151dB/km，接近了光纤最低损耗的理论极限。我国目前也有相当多的公司可以拉制性能很好的通信光纤，比如长飞、大唐电信等等。第十五页，共三十七页，2022年，8月28日

实用光纤通信系统的发展

1976年，美国在亚特兰大进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验。1980年，美国标准化FT-3光纤通信系统投入商业应用。1976年和1978年，日本先后进行了速率为34Mb/s的突变型多模光纤通信系统，以及速率为100Mb/s的渐变型多模光纤通信系统的试验。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。第十六页，共三十七页，2022年，8月28日国外光纤技术发展情况光纤技术发展概况20世纪60年代中期，所研制的最好的光纤损耗在400dB以上1966年英国标准电信研究所高锟及Hockham从理论上预言光纤损耗可降至20dB/km以下日本于1969年研制出第一根通信用光纤损耗为100dB/km1970年康宁公司（Corning）采用“粉末法”先后获得了损耗低于20dB/km和4dB/km的低损耗石英光纤1974年贝尔实验室（Bell）采用改进的化学汽相沉积法制出性能优于康宁公司的光纤产品。到1979年，掺锗石英光纤在1.55µm处的损耗已经降到0.2dB/km，这一数值已经十分接近由Rayleigh散射所决定的石英光纤理论损耗极限第十七页，共三十七页，2022年，8月28日世界光纤产值从96年92亿美元到2002年预计198亿美元，每6年翻一番现在世界上光纤生产速度为3200km/小时，即每天生产的光纤可绕地球两周目前光纤产量每年递增20~25%目前光缆产值按应用分类为：本地通信51.25%，LAN等20.82%，干线15.81%，CATV8.6%，其它3.5%第十八页，共三十七页，2022年，8月28日光纤技术发展概况1963年开始光通信的研究1977年，第一根短波长(0.85mm)阶跃型石英光纤问世，损耗为300dB/km1978年，阶跃光纤的衰减降至5dB/km。研制出短波长多模梯度光纤，即G.651光纤1979年，研制出多模长波长光纤，衰减为1dB/km。建成5.7km、8Mb/s光通信系统试验段1980年1300nm窗口衰减降至0.48dB/km，1550nm窗口衰减为0.29dB/km。1981年多模光纤活动连接器进入实用1984年武汉、天津34Mb/s市话中继光传输系统工程建成(多模)1990年，研制出G.652标准单模光纤，最小衰减达0.35dB/km1992年降至0.26dB/km国内现状第十九页，共三十七页，2022年，8月28日1991年，研制出G.653色散位移光纤。最小衰减达0.22dB/km1997年，研制出G.655非零色散位移光纤光纤技术发展概况虽然光纤光缆的研制仅短短的30多年，其应用却已相当普遍。迄今，已敷设光缆长度超过100万km，光缆已敷设到世界屋脊西藏。生产光缆的厂家有200多家，每年所用光纤的数量超过400万km。在实际网络中，无论是核心网还是接入网，目前主要应用的还是G.652光纤。在核心网中新建线路已开始采用G.655光纤，在接入网中已开始应用光纤带光缆。我国光通信领域已掌握了光纤、器件、系统等各方面的关键技术，逐渐走进了国际光通信的先进行列。尤其在主要技术上，都有了自己的特色和创新。

第二十页，共三十七页，2022年，8月28日第一阶段（1966-1976年）从基础研究到商业应用的开发时期。第二阶段（1976-1986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。第三阶段（1986-1996年）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。第四阶段（1996年-至今）开展研究光纤通信新技术。光纤通信发展的四阶段第二十一页，共三十七页，2022年，8月28日通信波段划分及相应传输媒介频率Hz10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015自由空间波长（m）电力、电话无线电、电视微波红外可见光双铰线同轴电缆光纤卫星/微波AM无线电FM无线电频段划分传输介质第二十二页，共三十七页，2022年，8月28日各种传输线路的损耗特性第二十三页，共三十七页，2022年，8月28日光纤通信的优点1.

通信速率高（Tb/s）、传输容量大

“T”是什么概念呢？T数量级为10的12次方，1Tbit/s的速率意味着我们可以用一对只有头发丝1/10粗细的光纤在1秒钟之内将300年的泰晤士报传送到世界上的任何一个角落，或者同时传送10万路电视节目，或同时通1200万路电话。光纤通信系统的传输容量取决于光纤特性、光源特性和调制特性。适用光纤共有约200nm宽的低损耗区，理论上可提供相当于300THz的频带宽度。第二十四页，共三十七页，2022年，8月28日第二十五页，共三十七页，2022年，8月28日2.损耗低（单模在1550nm窗口已低达0.2dB/km)、传输距离远（中继距离可达50-100Km）3.抗干扰能力强，泄漏小，保密性好第二十六页，共三十七页，2022年，8月28日目前人类所受到的最大的电磁干扰――太阳风暴

太阳风暴是由美国“水手2号”探测器于1962年发现的，它是太阳黑子（看上去是太阳表面产生的黑点，其实是高大的火焰，它能释放出相当于4000万个广岛原子弹的能量，引起高电荷的粒子喷发到宇宙空间。）活动达到高潮时，太阳因能量的增加而使得自身活动加强，从而向广袤的空间释放出大量带电粒子所形成的高速粒子流，所以科学家把这一现象比喻为太阳打“喷嚏”。由于太阳风中的气团主要内容是带电等离子体，这些带电粒子经过9300万英里的旅程后以每小时150万到300万公里的速度向地球扑来，并与地球磁场发生撞击产生地磁冲击波，可引发地球的磁暴，使人们看见极光。在太阳活动高峰期，会有一两次地球磁暴，可以看到天空飞舞光芒时的壮丽景色。但是太阳风暴的到来，会影响太空站，破坏臭氧层，对人体的健康和地面设施也会造成一定影响。在70年代，曾经发生过一次太阳风暴，它导致大气活动加剧，使得当时苏联的“礼炮”号空间站飞行阻力加大，结果脱离了原来的轨道。1989年加拿大魁北克省和美国新泽西州的供电系统遭受太阳风暴的袭击，让600万人9个小时没用上电，造成了超过10亿美元的损失。但是，受太阳风暴影响最大的要算卫星通信和地面通信了。科学家认为太阳风暴给通信卫星造成的影响有两方面：一个是静电引起计算机故障，另一个是摩擦改变卫星的轨道。由于卫星中使用的大量的集成芯片，而芯片对于静电是很敏感的，稍有不慎就会被烧毁，所以太阳风暴无疑成了卫星的天敌。而且人造地球卫星是围绕着地球轨道飞行的，地球磁场被扰乱后，它们可能失去方向控制，甚至闯入星际太空变成太空“孤儿”。2000年6月8日的太阳风暴，差点使俄罗斯的一颗导航卫星失去方向。太阳风暴还会造成人造卫星的短路，许多靠卫星传播的通信业务可能因此停顿。1998年5月，美国银河4号卫星因受太阳风暴影响而失灵，造成北美地区80%的寻呼机无法使用，金融服务陷入脱机状态，信用卡交易也中断了。2000年的6月8日当天，加拿大的部分地区出现无线电通信联络异常现象，一些移动电话用户的通话数次被打断，有的则听不清楚对方讲话。但是，在太阳风暴到来的时候，光纤通信却不会受到分毫的影响。第二十七页，共三十七页，2022年，8月28日4.质量轻（是传输相同信息量电缆重量的1/10-1/30），体积小（是相同容量电缆外径的1/3-1/4），敷设方便

第二十八页，共三十七页，2022年，8月28日5.耐腐蚀，耐高温（石英玻璃熔点在2000۫C以上），可在恶劣环境中工作，寿命长6.节约金属材料，有利于资源合理使用

用1公斤的高纯度的石英玻璃可以拉制上万公里的光纤，相比之下，制造1公里18管同轴电缆需要耗120公斤的铜，或500公斤的铅。第二十九页，共三十七页，2022年，8月28日光纤通信的缺点1.抗拉强度低（由于光纤在生产过程中表面存在或产生微裂痕，光纤受拉时应力全加于此，使光纤的实际抗拉强度非常低，这就是裸光纤易折断的原因）2.光纤连接困难（要使连接损耗小，两根光纤的纤芯必须严格对准）3.光纤怕水（水进入光纤后，会增加光纤的OH-吸收损耗，使信道总损耗增大；会造成光缆