全光通信网概要

红宝石激光器
一台激光器是由工作物质、谐振腔和激励源组成。
红宝石激光器
激光的产生
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镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导 体激光器(短波长)。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1.3 μm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。 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1.55 μm的连续振荡半导体激 光器。
光纤的特点
6
5
4 3
第一窗口
2
0。 4 0。 2
1
C 波段 1525~1565nm 第二窗口 第三窗口
0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.57 1.62
波长——λ（μm）
L波段
普通单模光纤的衰减随波长变化示意图
光纤分类
按光在光纤中的传输模式分为：单模光纤和多模光 纤； 按折射率分布情况可分为：突变型和渐变型光纤； 按最佳传输频率窗口分：常规型单模光纤和色散位 移型单模光纤； 按光纤的工作波长分：短波长光纤、长波长光纤和 超长波长光纤。 按照制造光纤所用的材料分：石英系光纤、多组分 玻璃光纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤和氟 化物光纤。
激光的产生
激光的产生
图二 原子内电子的跃迁过程
受激吸收
自发辐射
受激辐射
激光的产生
受激吸收即粒子吸收一个光子由低能级跃迁 到高能级; 自发辐射即高能级粒子不稳定，会自发跃迁 到低能级，同时放出一个光子。 受激辐射即高能级粒子在一个外来光子的诱 导下会跃迁到低能级，同时释放一个与诱导 光子完全相同的光子，也就是实现了光放大。
光纤通信发明家高锟(左) 1998年在英国接受IEE授予的奖章
光纤的产生
1970年，美国康宁(Corning)公司研制成功损耗20dB/km 的石英光纤。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。 1972年，康宁公司将光纤损耗降低到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1.2μm)。 在以后的 10 年中，波长为1.55 μm的光纤损耗： 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。
光纤 单位
加强构件
(a) 塑料骨架 光纤
(b) 光纤带
加强构件 防热层 综合护套 加强构件 (c) (d)
图 (a) 层绞式； (b) 单位式； (c) 骨架式； (d) 带状
光缆
(1) 层绞式光缆。
它是将若干根光纤芯线以强度元件为中心绞合
在一起的一种结构, 如图(a)所示。特点是成本低, 芯
线数不超过10根。 (2) 单位式光缆。 它是将几根至十几根光纤芯线集合成一个单位, 再由数个单位以强度元件为中心绞合成缆, 如图(b)
光纤的特点
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4 3
第一窗口
2
0。 4 0。 2
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C 波段 1525~1565nm 第二窗口 第三窗口
0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.57 1.62
波长——λ（μm）
L波段
普通单模光纤的衰减随波长变化示意图
光纤的特点
光纤损耗；
吸收损耗、散射损耗和辐射损耗
光纤通信的各种应用可概括如下：
① 通信网 ② 构成因特网的计算机局域网和广域网 ③ 有线电视网的干线和分配网 ④ 综合业务光纤接入网
光纤到户
日本光纤到户的用户发展情况
光纤到户
美国光纤到户用户发展情况
END
光纤通信发展史
第一阶段(1966~1976年)，这是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。
21 1
65 9.6
光纤
光纤是利用光的全反射特性来导光的。
纤芯：纤芯位于光纤的中心部位（直径d1约9～50微米），其成 份是高纯度的二氧化硅。
包层：包层位于纤芯的周围（其直径d2约125微米），其成份
也是含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。 涂敷层：光纤的最外层是由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成的涂
激光的产生
激光的特性： 单色性好 方向性好 相干性好 能量集中
激光的产生
中国第一台红宝石激光器于1961年8月在中 国科学院长春光学精密机械研究所研制成功。 此后短短几年内，各种类型的固体、气体、 半导体和化学激光器相继研制成功。
表1 我国各类激光器的“第一台”
名 称 研制成功时间 研 制 人
所示, 其芯线数一般适用于几十芯。
光缆
3) 骨架式光缆。 这种结构是将单根或多根光纤放入骨架的螺旋槽 内, 骨架中心是强度元件, 骨架上的沟槽可以是V型、 U型或凹型, 如图(c)所示。光纤具有耐侧压、抗弯曲、 抗拉的特点。 (4) 带状式光缆。 它是将4～12根光纤芯线排列成行, 构成带状光 纤单元, 再将多个带状单元按一定方式排列成缆, 如 图(d)所示。这种光缆的结构紧凑, 采用此种结构可 做成上千芯的高密度用户光缆。
问题： 激光有哪些应用？
光纤的产生
1955年，英国科学家卡帕尼，发明了玻璃光 导纤维。
光纤的产生
1966年，高锟博士发表了一篇具有重大历史 意义论文，叫做《光频率的介质纤维表面波 导》，大胆地预言，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每公里 1000分贝降低到20分贝／公里，从而有可能 用于通信。
敷层，其作用是增加光纤的机械强度与可弯曲性。
光缆
为了使光纤能在工程中实用化，能承受工程中 拉伸、 侧压和各种外力作用, 还要具有一定 的机械强度才能使性能稳定。 因此, 将光纤 制成不同结构、不同形状和不同种类的光缆 以适应光纤通信的需要。 光缆主要由缆芯、护套和加强元件组成。
光纤 加强构件
光纤色散；
模式色散、波导色散和材料色散、偏振模色散
光纤的非线性；
受激拉曼散射、受激布里渊散射、自相位调制和四 波混频。
光纤
光纤通信系统
模拟通信系统
用参数取值连续的信号代表信息，强调的是变换过程中信 号和信息之间的线性关系。
数字通信系统
用参数取值离散的信号(如脉冲的有和无、电平的高和低等) 代表信息，强调的是信号和信息之间的一一对应关系；
He-Ne激光器
掺钕玻璃激光器 GaAs同质结半导体激 光器 脉冲Ar+激光器 CO2分子激光器 CH3I化学激光器 YAG激光器
1963年7月
1963年6月 1963年12月 1964年10月 1965年9月 1966年3月 1966年7月
邓锡铭等
干福熹等 王守武等 万重怡等 王润文等 邓锡铭等 屈乾华等
合适的发光波长； 足够的输出功率； 光谱单色性要好； 电/光转换效率要高； 聚光性好； 温度稳定性好， 可靠性高，寿命长。
器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。
激光器的发展史
1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石 激光器， 给光通信带来了新的希望。 接着，氦—氖(He - Ne)激光器、二氧化碳(CO2)激光 器先后出现，并投入实际应用。
全光通信网
内容安排
光纤通信
光纤通信发展史； 光源 光纤及其特点； 光纤通信系统； 光纤通信器件；
全光通信网
全光通信网特点； 全光通信网结构； 全光通信网关键技术； 全光通信网的发展。
光纤通信发展史
什么是通信
人们在日常生活中，常常需要将信息从一个地方传 到另一个地方，这种信息的传递过程就称为通信。
光通信发展史
1979年分别在北京和上海建成了市话光缆通信试验 系统。 1982年，中国第一个实用化光纤通信系统工程由武 汉邮科院研制并在武汉电信投入使用 。 世界上最长的光缆通信干线是京沈哈光缆通信干 线,1995年建成 ,全长4707公里, 首期开通6万条电路。
光纤通信的优点和应用
名 称 紫 外线 可 见光 线 (光 纤 通 信用 ） 近 红外 线 远 红外 线 亚 毫米 波
1 00 THz 1 0 THz 1 THz 1 00 GHz 1 0 GHz 1 GHz 1 00 MHz 1 0 MHz 1 MHz
1 m 1 0 m 1 00m 1 m m 10 m百度文库m 1 00 m m 1 m 1 0m 1 00m
光缆
光通信发展史
1976 年，美国在亚特兰大(Atlanta)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。 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。
通信技术：实现信息传递功能的技术。 信息传递过程中将抑制掉无用的信息，无失真高 效的将有用信息传递给对方，还包括采集、存储、 处理和显示等。
光纤通信发展史
光通信发展史
古代：烽火台 1880年 Bell发明光电话（现代光通信的雏型） 问题：光源、传输介质
对通信用光源的要求如下 ：
激光的产生
受激辐射的发现表明，当一束光射向介质时， 有可能存在这样一种情况：它非但不会衰减， 反而能诱导引发出新的光子，而且新的光子 的频率、相位、偏振状态、传播方向等均与 入射光束完全相同，也就是说光通过某种介 质可以实现受激辐射的光放大。
激光产生的基本条件
粒子数反转是实现受激辐射，得到光放大的 必要条件。 可从外界输入能量，把低能级上的原子激发 到高能级上，这个过程称“激励”或“抽运” 或“光泵”。
毫 米波 (EHF) 厘 米波 (SHF) 分 米波 (UHF) 米 波 (VHF) 短 波 (HF) 中 波 (MF)
图 1.1 部分电磁波频谱
项目
光缆 重量/(kg· m-1) 重量比 0.42 1
8芯
电缆 6.3 15 光缆 0.42 1
18 芯
电缆 11 26
直径/mm 截面积比
21 1
47 5
光纤的发展
光纤从多模发展到单模，工作波长从0.85 μm发展到1.31 μm和1.55 μm(短波长向长 波长），传输速率从几十Mb/s发展到几十 Gb/s。 随着技术的进步和大规模产业的形成， 光纤价格不断下降，应用范围不断扩大。目 前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光 纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的 支柱。
通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带宽 度，载波频率越高，频带宽度越宽。 光通信的主要特点：
1. 容许频带很宽，传输容量很大
2. 损耗很小， 中继距离很长且误码率很小
3. 重量轻、 4. 5. 泄漏小， 6. 原材料资源丰富。
光纤通信的应用
光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤在通 信网、广播电视网与计算机网，以及在其它数据传输系统中， 都得到了广泛应用。光纤宽带干线传送网和接入网发展迅速， 是当前研究开发应用的主要目标。
光纤特点
频带极宽：拥有极宽的频带范围； 损耗小，无中继距离长； 保密性强：不会向外幅射信号，有效地防止了窃听； 重量轻，体积小； 抗干扰性强：不会受外界电磁干扰影响； 光纤通信不带电，可用于易燃易爆场合； 使用环境温度范围宽； 抗化学腐蚀，使用寿命长。
频 率
波 长