光纤通信-ch1 导 论

光端机

光端机

电端机

电端机微波收发信机微波收发信机程控交换机程控交换机移动交换机移动交换机分组交换机分组交换机传输设备交换设备交换设备

用户终端设备基站卫星模拟用户线中继线模拟用户线中继线2Mb/s300~3400Hz300~3400Hz基站微波光纤PCM

用户终端设备2Mb/s交换网传输网接入网接入网交换网PCMPDHSDHWDMPDHSDHWDM通信网的基本结构10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015ELFVFVLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF自由空间波长，m频率，Hz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无线电通信波段划分及相应传输媒介频段划分传输介质信息高速公路

信息高速公路是当今社会的热门话题，始作俑者是美国。其概念是１９９２年２月美国总统发表的国情咨文中提出的，即计划用２０年时间，耗资２０００--４０００亿美元，以建设美国国家信息基础结构（ＮＩＩ），作为美国发展政策的重点和产业发展的基础。倡议者认为，它将永远改变人们的生活、工作和相互沟通的方式，产生比工业革命更深刻的影响。

信息高速公路由四个基本要素组成：

（１）信息高速通道。这是一个能覆盖全国的以光纤通信网络为主的，辅以微波和卫星通信的数字化大容量，高速率的通信网。

（２）信息资源。把众多的公用的、未用的数据、图像库连接起来，通过通信网络为用户提供各类资料，影视，书籍，报刊等信息服务。

（３）信息处理与控制。主要是指通信网路上的高性能计算机和服务器，高性能个人计算机和工作站对信息在输入／输出，传输，存储，交换过程中的处理和控制。

（４）信息服务对象。使用多媒体经济，智能经济和各种应用系统的用户进行相互通信，可以通过通信终端享受丰富的信息资源，满足各自的需求。

光纤：信息高速公路的路-road。数据：信息高速公路的车-traffic。

光纤通信：信息高速公路的基石-base。数据通信：信息高速公路的架构-infrastructure。TCP/IP4层和5层模型及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?

利用光纤来传输光波携带的通信信息，以实现通信的目的。

1).里程碑

—1966年高锟著名文章（PIEE）；

2).导火线

—1970年康宁公司的第一根低耗光纤；

3).爆炸性发展A)光纤衰减：70年：20dB/km；72年：4dB/km；

76年：0.5dB/km；79年：0.2dB/km；90年：0.14dB/km。B)系统：76年-45Mb/s；85年-多模系统；90年-单模系统；

93年-SDH；98年-WDM（40G）；2000年-320G；2013年-100G/单信道。光纤通信发展简史Rayleigh-scatteringlimit@1550nmstandardsingle-modefiberoptical-qualityglassVenetianglass(AdaptedfromNagel,IEEECircuitsDevicesMagazine36,March1989)光纤通信发明家高锟(左)

1990年获选美国国家工程学院院士

10月6日，瑞典皇家科学院宣布，将2009年诺贝尔物理学奖授予英国华裔科学家高锟以及美国科学家威拉德·博伊尔和乔治·史密斯（从左到右）瑞典皇家科学院说，高锟在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”取得了突破性成就，他将获得今年物理学奖一半的奖金，共500万瑞典克朗（约合70万美元）；博伊尔和史密斯发明了半导体成像器件——电荷耦合器件（CCD）图像传感器，将分享今年物理学奖另一半奖金。光纤通信系统1、光发送机

作用：是把电信号码流转换成光脉冲码流，并输入到光纤中进行传输。要求：发光功率大；谱线窄或色散容限大。2、光纤

是传输光信号的媒质。要求：损耗系数小；色散系数低。3、光接收机

作用：是把光脉冲码流转换成电信号码流。要求：高灵敏度。光纤通信系统1).容量巨大

理论上一根光纤：100亿个话路。现在实验室已实现50万个话路。

2).中继距离长

现已实现100公里无中继；若使用光放大器可实现640公里无中继传输。

3).保密性能好

光在纤芯中传输，无泄露。

4).适用能力强

不怕外界电磁干扰、耐腐蚀、可弯曲性好。5).体积小、重量轻、便于施工与维护

直埋、架空、水下。

光纤通信优点1986年建立国内第一条光缆干线宁汉光缆目前，我国长途骨干网的光缆长度达到了17万公里，并经中美、中日、中韩等海缆和欧亚大陆桥光缆与国际光缆网连接。我国总的光缆线路总长度超过100万公里，居世界前列。正在开展“宽带中国-光网城市”工程，大幅提高宽带网速。上海要在2013-2014年率先达到50MHz带宽。我国光纤通信的现状FLAG－FiberOpticLink aroundtheGlobe架空光缆直埋光缆北京上海至欧洲至日本FLAG至韩国至朝鲜至俄罗斯我国光缆骨干网分布图至东南亚全球通信业务，特别是数据业务急剧增长网络业务量数据年增40%电话年增10%199820002002200420062008年份全球话音和数据业务发展趋势预测对网速/带宽的需求21世纪的传输：Tbit

到干线网

Gbit

到办公室/家庭

Mbit

到个人OriginatingBandwidthU.S.InterstateCommunicationTraffic多种业务的增长对光网络发展的驱动

对网速/带宽的需求20多年来光纤通信技术在发掘、利用光纤带宽资源、扩展光纤传输能力方面进展神速。传输能力主要指：通信容量和传输距离。提高传输能力：①在光波长和光纤类型方面 多模光纤单模光纤 短波长800nm长波长1300nm、1550nm

一纤一波TDM一纤多波WDM光纤的传输能力②在单纤传输容量方面-多波长？北美标准ITU-T符号电信号符号光信号符号数据数率(Mb/s)电信号符号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单纤传输容量-单波长(已达100Gb/s)提高信道数据率;

信道数据率：1040100

160...Gb/s,

来自光纤本身的限制越来越大!需要新技术以尽量减轻这些限制的影响成本增加。提高WDM系统谱效率

减小信道间隔(非线性!)；

偏振复用；扩展WDM系统带宽

C+L(+S)波段；信号畸变更低的传输媒质：新型光纤大有效面积

小色散及小色散斜率小偏振膜弥散...提高系统容量的新技术1.01.41.5衰减（dB/km）第一窗口第二窗口波长——λ（μm）6543210。40。2第三窗口

C波段1525~1565nm1.571.62L波段普通单模光纤的衰减随波长的变化信号畸变的电域补偿技术预补偿技术;

前向纠错技术;信号畸变的光域补偿技术：色散补偿/色散管理

新型色散补偿光纤/器件;

更精密的色散管理技术;

偏振模弥散补偿技术;提高光域信噪比/降低光纤非线性分布拉曼放大器;其它新技术

采用归零码+光孤子技术……器件!器件!器件!提高系统容量的新技术

比特率(TDM)2.5Gb/s10Gb/s40Gb/s

20G80G320G

40G160G640G400G1.6T6.4T16032168

1WDM通路数网络容量演进战略减小通路间隔100GHz50GHz25GHz12.5GHz?扩展频谱范围35nm(C)95nm(C+L)165nm(C+L+S)415nm(全部)？增加单路速率2.5Gb/s10Gb/s40Gb/s160Gb/s?通向容量极限的道路Shannon’sTheorem:C=B·log2(1+S/N)

频谱效率=容量/带宽设信道带宽B最终由光纤本身决定，即50THz

假设S/N=100,

理论信息容量上限C=350Tb/s

理论频谱效率=7b/s/Hz，然而，光纤中信号功率的增加是受限于非线性的，350Tb/s?设频谱效率=0.8b/s/Hz(技术限制)，

因而实际信息容量上限C=40Tb/s目前技术可达信息容量上限C=10Tb/s光传输容量的若干上限1530

1675nm

1260

假设全部可用频段约50THz(无水峰),设最高频谱效率为0.8b/s/hz,每路40Gb/s,则总的可用容量的技术上限40Tb/s!预计2015年可达15-20Tb/s!500路x40Gb/s光传输容量的实际技术上限145014901530157016101650S+SCLL+

波长(nm)光纤通信系统的新波段图：OTDM传输系统原理光时分复用(OTDM)系统-一纤一波图7.7双纤单向WDM传输密集波分复用(WDM)系统–一纤多波密集波分复用(DWDM)网络的演进网络分层网络分层为充分利用光子学的宽带性，传输系统的 走向为:

电子型光电混合型全光型。

存在问题光纤性能是有限制的，随着信道数据率和传输距离的增加，系统容量日益趋近极限—光纤不再是一个透明管道。为克服这些限制，除新型光纤(相对稳定)外，综合采用了色散管理、宽带EDFA、Raman放大、前向纠错等行之有效的新技术；但新技术不一定都是好技术。系统总成本增加；灵活性、扩展性、生存性降低，特别不利于网络设计按最坏(长)路由设计逐段色散管理怎样才是好技术？存在问题

持续发展面临的挑战功能多、适应能力强、成本低的光子学器件与技术；

革命性变革有待于基础研究如何使光子变得聪明？所有的智能都在电层--只能是“低能”；光层变为bigfatpipe使运营商无利可图，限制了光通信的发展；电子也曾经stupid，有存储、信号处理等功能后财变为SMART；基本问题：由材料开始—Photonicequivalentofsilicon！10~15年解决，将引发通信事业的另一次革命！挑战与发展课程考核办法:笔试，闭卷。平时成绩占10－20％，期末考试占90－75％。教科书：《光纤通信