【正文】 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 1 光與現(xiàn)代科技講座 第八章 光通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò) 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 3 光與現(xiàn)代科技講座 ? 第一章 緒論 2 ? 第二章 光源與激光器 2 ? 第三章 光纖與光學(xué)傳感技術(shù) 4 ? 第四章 激光在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用 4 ? 第五章 激光在軍事技術(shù)中的應(yīng)用 4 ? 第六章 激光在現(xiàn)代工業(yè)和加工中的應(yīng)用 4 ? 第七章 光與信息技術(shù) 4 ? 第八章 光通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò) 6 ? 第九章 光學(xué)成像 、 全息與顯示技術(shù) 2 ? 第十章 光電集成與納米技術(shù) 2 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 4 第八章 光通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò) ? 167。 光通信原理 ? 光通信的發(fā)展與現(xiàn)狀 ? 光通信的特點 ? 光通信系統(tǒng)的組成與分類 ? 167。 光通信的器件 ? 光源 ? 光檢測器 ? 光無源器件 ? 光放大器 ? 167。 光纖通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò) ? ? ? 統(tǒng) ? ? ? ? 167。 無線激光通信 ? 微波通信與無線激光通信 ? 無線激光通信的基本原理 ? 空間無線激光通信進展 ? 激光水下通信 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 5 167。 光纖通信的發(fā)展與現(xiàn)狀 ?一、光通信的發(fā)展史 ?二、 先進 國家光纖通信的發(fā)展 ?三、我國光纖通信事業(yè)的發(fā)展 ?四、云南省光纖通信事業(yè)發(fā)展 ?五、光纖通信的發(fā)展趨勢 167。 光纖通信的原理 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 6 一、光通信的發(fā)展史 ?光通信 ：利用光進行信息傳輸?shù)囊环N通信方式。 ?光通信的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個發(fā)展階段 ?可視通信 ?激光大氣通信 ?光纖通信 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 7 可視通信 ? 古代的烽火臺、煙火傳遞單個信息 ? 18世紀末信號燈、船艦使用的燈塔、旗語等 ? 近代戰(zhàn)爭中的信號彈，抗戰(zhàn)時期的消息樹等 ? 1792年用中繼器使機械代碼信息傳送100km， 有效速率小于 1b/s 之后很長一段時間 電 取代了 光 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 8 電通信 ? 19世紀 30年代：電報、莫爾斯代碼，傳輸速率 3～ 10b/s， 中繼可達 1000km ? 1866年，第一條越洋電報電纜系統(tǒng)投入運營 ? 1876年，發(fā)明了電話，電信號通過連續(xù)變化電流的模擬形式傳輸 ? 1940年，第一代同軸電纜系統(tǒng)投入使用， 3MHz系統(tǒng)，可傳300路音頻信號或 1路視頻信號，但當(dāng)頻率超過 100MHz時，電纜損耗迅速增加 ? 1948年， 4GHz的微波系統(tǒng)投入運營，利用 1～ 10GHz的電磁載波及相關(guān)調(diào)制技術(shù)傳遞信號，可工作于 100Mb/s ? 1975年最先進同軸系統(tǒng)投入運營 ,速率可達 274 Mb/s， 中繼約 1km 到 70年代，電通信獲得的最大 BL不超過 100 (Mb/s)km 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 9 激光大氣通信 ? 60年代初，人們利用二氧化碳激光器進行激光大氣通信實驗 ? 由于其傳輸介質(zhì)是地球周圍的大氣層，而大氣層又存在著對光的嚴重吸收，散射作用和天氣變化影響等缺點，使得激光大氣通信在通信距離、穩(wěn)定性、可靠性方面受到嚴重影響 ? 60年代中期一度振興的激光大氣通信研究處于停滯狀態(tài) 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 10 光纖通信 ?光纖 (Fibre)—— 光導(dǎo)纖維的簡稱 ?光纖通信 —— 以光波為載波，以光導(dǎo)纖維為傳輸媒質(zhì)的一種通信方式。 容量 ? ? 頻率 f ? ? 光波 光波是人們最熟悉的電磁波，其 波長在微米級，頻率為 1014Hz， 紫外光、可見光、紅外光屬于光波的范疇 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 11 電磁波波段劃分和常用傳輸媒質(zhì) 1 頻段和波段名稱 頻率范圍和 波長范圍 傳輸媒質(zhì) 主要用途 極低頻 (ELF) 極長波 30～ 3000Hz 10000~100km 有線線對，極長波無線電 潛艇通信、礦井通信 甚低頻 (TLF) 超長波 3～ 30kHz 100~10km 有線線對，超長波無線電 潛艇通信、遠程導(dǎo)航、遠程無線電通信 低頻 (LF) 長波 30kHz～ 300kHz 10~1km 有線線對，長波無線電 中遠距離通信、地下通信、無線電導(dǎo)航等 中頻 (MF) 中波 ～ 3MHz 1000~100m 同軸電纜，中波無線電 調(diào)幅廣播、導(dǎo)航、業(yè)余無線電 高頻 (HF) 短波 3～ 30MHz 100~10m 同軸電纜，短波無線電 調(diào)幅廣播、移動通信、軍用通信等 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 12 電磁波波段劃分和常用傳輸媒質(zhì) 2 頻段和波段 名稱 頻率范圍和波長范圍 傳輸媒質(zhì) 主要用途 甚高頻 (VHF) 超短波 30~300MHz 10~1m 同軸電纜，超短波無線電 調(diào)幅廣播、電視、移動通信、電離層散射通信 微波 特高頻 (UH F)分米波 ~3GHz 10~1dm 波導(dǎo)，分米波無線電 微波接力、移動通信、空間遙測雷達、電視 超高頻 (SHF) 厘米波 3~30GHz 10~1cm 波導(dǎo)，厘米波無線電 雷達、微波接力、衛(wèi)星和空間通信 極高頻 (EH F)毫米波 30~300GHz 10~1mm 波導(dǎo)，毫米波無線電 雷達、微波接力、射電天文 紫外、可見光、紅外 103~5 107GHz 300 μm ~60197。 光纖，激光空間傳播 光通信 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 13 ? 紅外光：波長 λ ? 紫外光：波長 λ ? 可見光： λ ,其波長范圍能被人眼感覺到 ? 目前光纖通信使用的波長范圍是在 近紅外區(qū) 內(nèi)， 即波長 λ 為 : ~ 頻率 f 為 : (~) 1014Hz ? 可分為短波長段： ， 長波長段： 這是目前所采用的 三個通信窗口 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 14 ? 光纖通信的問世，有兩大難題： 光源 傳光媒質(zhì) ? 第一個難題：光源很多，需相干光源，且工作穩(wěn)定 到 1960年美國人 Maiman發(fā)明了第一臺紅寶石激光器，但工作時間不長 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 15 激光特點 ? 能量高度集中 ? 頻率單一 ? 方向性好 ? 相干性好（頻率、相位、偏振方向、傳播方向一致） 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 16 第二個難題：傳輸媒質(zhì)－ 1 ? 1950年，光在光纖中傳輸問題開始了理論研究 ? 1951年，發(fā)明了醫(yī)用光導(dǎo)纖維，但損耗太大 ? 60年代，提出許多方法，用氣體透鏡系列進行光限制傳輸 ? 1966年，英籍華人高琨 ()博士提出：電沿著導(dǎo)線傳輸，光也能沿著線傳，可利用 SiO2石英玻璃制成低損耗光纖的設(shè)想。 他揭示了低損耗光纖的可能性，使光通信的研究工作又獲得了生機，此時期光纖雜質(zhì)太高，其損耗超過了 1000dB/km 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 17 第二個難題：傳輸媒質(zhì)－ 3 ? 1970年，美國康寧公司研究出損耗為 20 dB/km的光纖，在 1 μm附近波長使光纖進行遠距離傳輸成為可能 ? 同時，在 1970年美國 ATamp。T公司發(fā)明了半導(dǎo)體激光器（ GaAlAs）， 體積小，可在室溫下連續(xù)工作，正好適應(yīng)了這一要求 ? 1970年被稱為 光纖通信的元年 ，高琨被稱為 光纖之父 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 18 光纖通信發(fā)展可粗略分三個階段 ? 1966～ 1976年，從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開發(fā)時期 ? 1976～ 1986年，以提高傳輸速率和增加傳輸距離為研究目標(biāo)和大力推廣應(yīng)用的大發(fā)展時期 ? 1986～ 1996以超大容量超長距離為目標(biāo)，全面深入開展新技術(shù)研究的時期 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 19 三個階段的系統(tǒng)比較 階段 一階段 二階段 三階段 工作波長 (μm) 傳輸速率 34Mb/s 45Mb/s 140~565 Mb/s ～ 10 Gb/s 無中繼距離(km) 10 50~100 100~150 系統(tǒng) 多模 單模 色散移位單模 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 20 二、先進國家光纖通信的發(fā)展 ? 世界上已形成北美、西歐和遠東三個光纖通信發(fā)達地區(qū)，代表國家為：美國、英國和日本 ? 美國 78年建成第一條市話光纖， 82年建成第一條長途，到 1993年止，已建成通信系統(tǒng) 200多個，光纖總長達 27萬 km以上 ? 美國有五大光纖工程：東部走廊，東部和西部干線，大西洋和太平洋洲際海底干線 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 21 先進國家光纖通信的發(fā)展－ 1 ? 全長達 3400km橫貫日本南北的大干線 ? 法國比亞里茨的“光纖城”等 ? 世界主要電信產(chǎn)品供應(yīng)商，如： Lucent, Nortol, Alcatel, NEC, Siemens, Macosi, Fujitsu等都把光纖通信放在相當(dāng)重要位置，投入大量人力、資金進行研究開發(fā)，并分別取得重大進展，創(chuàng)造了一個個新的世界記錄，許多原以家電產(chǎn)品為主聞名的廠商如： Toshiba, Sony或計算機廠商 Cisco, Canon, 3M也紛紛加入光纖通信的行列，成果斐然 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 22 先進國家光纖通信的發(fā)展－ 2 ? 世界先進國家提出 FTTx戰(zhàn)略，即：光纖到路邊(FTTC)、 大樓 (FTTB)、 辦公室 (FTTO)、 小區(qū)(FTTZ)、 用戶 (FTTH)等 ? 世界上最大的三個長途電信公司 —— 美國的ATamp。T、 MCI、 SPRINT公司，光纖化程度已分別高達 100％、 88％和 100％ 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 23 世界成纜市場銷售量光纖、 世界市場單模光纖平均價格 年份 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2022 2022 總長度/104km 1810 2300 2900 3470 4070 4730 5580 6570 價格 / ($/km) 68 67 72 69 60 52 46 44 年份 1998 1999 2022 2022 2022 2022 單模光纖總長度/104km 4110 4600 5350 6230 7200 8110 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 24 三、我國光纖通信事業(yè)的發(fā)展 ? 我國的光通信 起步較早 ， 70年代初 就開始了大氣傳輸光通信的研究，隨之又進行光纖和光電器件的研究，自 1977 年初 ，研制出 第一根石英光纖 起，跨過一道道難關(guān)，取得一個又一個零的突破。如今回顧起來，所經(jīng)歷的“里程碑”依然歷歷在目 。 ? 光纜 — 器件 — 系統(tǒng) — 應(yīng)用 — 自主研發(fā)技術(shù)等 ? 1977年，武漢郵電科學(xué)研究院研制出中國第一根階躍折射率分布多模光纖，其在 300dB/km，長度為 17 m；研制出 SiAPD 。 ? 1978年，階躍光纖的衰減降至 5 dB/km 。研制出短波長多模梯度光纖，即 光纖。研制出 GaAsLD 。 ? 1979年 ，研制出多模長波長光纖，衰減為 1dB/km 。建成 km , 8 Mbit/s 光通信系統(tǒng) 試驗段。 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 25 我國光纖通信事業(yè)的發(fā)展－ 1 ? 1980年， 1300nm 窗口衰減降至 ， 1550nm 窗口衰減為 。研制出短波長用的 GaAlAsLD 。 ? 1981年，研制出長波長用的 InGaAsPLD 和 PIN 探測器。多模光纖活動連接器進入實用。研制出 34Mbit/s 光傳輸設(shè)備。 ? 1982年，研制成功長波長用的激光器組件和探測器組件（ PINFET）。研制出光合波分波器、光耦合器、光衰減器、濾光器等無源器件。研制出 140Mbit/s 光傳輸設(shè)備。 ? 1984年