光波導理論與技術(shù)講義第1頁，共40頁，2023年，2月20日，星期日光通信技術(shù)與應用

第2頁，共40頁，2023年，2月20日，星期日光通信的發(fā)展進程*三千多年前，我國的周朝就有利用烽火臺傳遞信息的通信；*1880年，貝爾發(fā)明光電話；*1960年，人類研制成功第一臺激光器；*1970年，低損耗光纖由美國康寧公司研制成功；從此，進入了光纖通信迅猛發(fā)展的時代。第3頁，共40頁，2023年，2月20日，星期日四個發(fā)展階段第一代：0.85μm的多模光纖(1976年，亞特蘭大44.7Mb/s);第二代：80年代早期,1.3μm、中繼距離超過20Km;第三代：1990年,1.55μm、2.4Gb/s實現(xiàn)商業(yè)化（超過100Km）;第四代：使用WDM和光放大器,容量更大,距離更遠;目前,已涉足第五代的研究與開發(fā)。第4頁，共40頁，2023年，2月20日，星期日我國已建成覆蓋全國、世界上規(guī)模最大的光纖通信網(wǎng)。

1999年初，濟—青工程8×2.5Gb/s。1999年4月，?？凇齺啠▏a(chǎn)設備）。光纖的損耗已經(jīng)降低到0.16dB/km?，F(xiàn)在10Gb/s系統(tǒng)已經(jīng)商業(yè)化，實驗室Tb/s級系統(tǒng)已經(jīng)研制成功。第5頁，共40頁，2023年，2月20日，星期日光纖通訊目標：電輸出=電輸入ElectricaltoLightLighttoElectricalInputOutput第6頁，共40頁，2023年，2月20日，星期日第7頁，共40頁，2023年，2月20日，星期日光纖內(nèi)芯直徑Core62.55mm125mmCladCore8mm125mmClad85mm多模單模人的頭發(fā)第8頁，共40頁，2023年，2月20日，星期日多模光纖62.5/125um的光纖在保安行業(yè)中應用最普遍典型距離達5英里用于:CCTV門禁控制系統(tǒng)內(nèi)部通訊第9頁，共40頁，2023年，2月20日，星期日單模光纖無限帶寬8至10微米典型距離超過5英里用于:長途電信長途電視監(jiān)控及多路切換共用天線電視系統(tǒng)第10頁，共40頁，2023年，2月20日，星期日光損耗與波長光損耗單位：dB/km與波長有關(guān)單模損耗小波長又稱為窗口波譜的紅外部分起作用第11頁，共40頁，2023年，2月20日，星期日光量計-19.0dB光量計光源啟動光纜連接

8501300受測試光纖第12頁，共40頁，2023年，2月20日，星期日基本規(guī)則850nm多模距離在3公里以下1300nm多模距離在5-8公里1300或1550nm單?？紤]5公里以上絕對超過8公里第13頁，共40頁，2023年，2月20日，星期日無源器件TXdB損耗終端連接允許1.0(2)光纜多模8503.5/km13001.0/km單模1300.5/km1550.3/km接合溶化接合0.1機械接合0.2PATCHPANELS每對1.0RX安全裕量允許3.0第14頁，共40頁，2023年，2月20日，星期日頻分多路復用器(WDM)一根光纜通過多個信號同向或雙向的多路信號在同一根光纜上傳輸?shù)?5頁，共40頁，2023年，2月20日，星期日WDM多模光纖1300nm850nm雙向850nm1300nm單向第16頁，共40頁，2023年，2月20日，星期日WDM單模光纖1300nm1550nm單向雙向1300nm1550nm第17頁，共40頁，2023年，2月20日，星期日兩跟光纜通過4視頻和PTZ4視頻單向，數(shù)據(jù)單向CamerawithPTZControlReceiverFIBERControltransmitterMonitorCamerawithPTZFIBER4CH.VIDEOTX4CH.VIDEORXDATARXDATATXDIST.UNIT1OF44OF41OF44OF4第18頁，共40頁，2023年，2月20日，星期日有源器件半導體激光器光電檢測器光放大器(EDFA)第19頁，共40頁，2023年，2月20日，星期日光纖通信的優(yōu)點通信容量大；(數(shù)百萬話音和數(shù)據(jù)信道)傳輸距離長；抗電磁干擾；適應環(huán)境；重量輕、安全、易敷設；保密性強；壽命長。第20頁，共40頁，2023年，2月20日，星期日光纖通信的缺點接口昂貴；強度差；不能傳輸電力；需要專用工具、設備以及培訓；未經(jīng)長時間檢驗。第21頁，共40頁，2023年，2月20日，星期日研究熱點光分插復用技術(shù)、全光網(wǎng)絡；高速通訊系統(tǒng)中的偏振模色散問題；光器件與集成；第22頁，共40頁，2023年，2月20日，星期日空間光通信技術(shù)

(FSO)第23頁，共40頁，2023年，2月20日，星期日*光纖通信與無線通信是當前的熱門技術(shù)。*一種新型寬帶接入技術(shù)——自由空間光通信系統(tǒng)（FSO：FreeSpaceOpticalcommunicationsystem），是二者結(jié)合的產(chǎn)物。*FSO不是用光纖作為傳輸媒介,是在空氣中用激光或光脈沖在THz光譜范圍內(nèi)傳送分組數(shù)據(jù)的通信系統(tǒng)。第24頁，共40頁，2023年，2月20日，星期日FSO技術(shù)既能提供類似光纖傳輸?shù)乃俾?，又無需在頻譜等稀有資源方面有很大的初始投資；激光技術(shù)的進步已經(jīng)使耐用可靠的器件變得很便宜，大大降低了FSO設備的造價；與光纖線路相比，F(xiàn)SO系統(tǒng)不僅建設周期較短，成本也低很多，大約是光纖到大樓成本的1/10-1/3。在目前許多企業(yè)和機構(gòu)都不具備光纖線路，但又需要較高速率的情況下，F(xiàn)SO不失為一種解決“最后一公里”瓶頸問題的有效途徑。第25頁，共40頁，2023年，2月20日，星期日優(yōu)點

成本低、安裝方便、建設快是FSO系統(tǒng)的主要優(yōu)點。除此以外，F(xiàn)SO還有如下一些優(yōu)點：無需頻譜許可證。無線光通信因設備間無信號的相互干擾，故無需像無線電通信（如微波、LMDS）那樣申請頻率許可證。第26頁，共40頁，2023年，2月20日，星期日帶寬高。如果采取點到點的組網(wǎng)方式，F(xiàn)SO能支持155Mb/s-10Gb/s的傳輸速率，傳輸距離在2-4公里之間。在點到多點的組網(wǎng)方式中，F(xiàn)SO同樣能支持155Mb/s-10Gb/s的傳輸速率，但傳輸距離為1-2公里。如果采用格形的組網(wǎng)方式則可支持622Mb/s的傳輸速率，傳輸距離為200-400米。安全保密性強。FSO的波束很窄，定向性非常好，并且用戶到集線器之間的鏈路通常是加密的，安全保密性較強。第27頁，共40頁，2023年，2月20日，星期日協(xié)議透明。FSO以光為傳輸媒介，任何傳輸協(xié)議均可容易地疊加上去，對語音、數(shù)據(jù)、圖像等業(yè)務可以做到透明傳送。第28頁，共40頁，2023年，2月20日，星期日缺點

FSO是一種視距技術(shù)，傳輸距離與信號質(zhì)量的矛盾非常突出，當傳輸超過一定距離時（一般為幾公里）波束就會變寬以致難以被接收節(jié)點正確接收。所以FSO一般只限于城市內(nèi)使用。目前，大部分測試表明，在1km以下才能獲得最佳的效率和質(zhì)量。第29頁，共40頁，2023年，2月20日，星期日傳輸質(zhì)量對天氣非常敏感是FSO的另一主要問題。晴天對FSO傳輸質(zhì)量的影響最小，而雨天、下雪和霧天對傳輸質(zhì)量的影響則較大。據(jù)測試，F(xiàn)SO受天氣影響的衰減經(jīng)驗值分別為：晴天，5-15db/km、雨，20-50db/km、雪，50-150db/km、霧，50-300db/km，目前針對這一問題有縮短傳輸距離、采用備份鏈路等解決辦法。第30頁，共40頁，2023年，2月20日，星期日建筑物晃動將影響兩個點之間的激光對準。對FSO來說，為了保證光傳輸鏈路的性能，光鏈路兩端的對準（捕獲）和保持（跟蹤）至關(guān)重要。但在對準以后，在風力和其它因素的作用下，建筑物會有些晃動，這就要求鏈路兩端設備都必須具備自動跟蹤的能力。第31頁，共40頁，2023年，2月20日，星期日激光的安全問題也會影響其使用。超過一定功率電平的激光有可能對人眼產(chǎn)生影響，人體也可能被激光系統(tǒng)釋放的能量傷害。目前有關(guān)激光的安全標準都建議其功率電平應允許讓裸視和助視（如雙筒望遠鏡）時，眼睛看到不會受到傷害。第32頁，共40頁，2023年，2月20日，星期日與其他接入技術(shù)的比較

當前有很多種接入技術(shù)可供選擇，比如FSO、光纖、DSL以及LMDS等。光纖傳輸無疑是最可靠的通信方式，但光纖敷設的較長周期及高額投資限制了其普及，并且一旦用戶離開，業(yè)務提供商無法收回投資；微波技術(shù)日漸成熟，它比FSO的傳輸距離遠，但這種接入方式需要高額的初始投資（頻譜許可證），對業(yè)務提供商而言，這種接入技術(shù)不如FSO經(jīng)濟；盡管銅纜是一種易得的傳輸媒介，用銅纜相連的大樓也遠多于光纖，但其帶寬太低；FSO相對而言是一種比較好的方案，帶寬可擴展，建設速度快，并且十分經(jīng)濟。第33頁，共40頁，2023年，2月20日，星期日應用

到目前為止，F(xiàn)SO已被多家電信運營商應用于商業(yè)服務網(wǎng)絡，比較典型的有Terabeam和Airfiber公司。在悉尼奧運會上，Terabeam公司成功地使用FSO設備進行圖像傳送，并在西雅圖的四季飯店成功地實現(xiàn)了利用FSO設備向客戶提供100Mb/s的數(shù)據(jù)連接。該公司還計劃4年內(nèi)在全美建設100個FSO城市網(wǎng)絡。而Airfiber公司則在美國波士頓地區(qū)將FSO通信網(wǎng)與光纖網(wǎng)(SONET)通過光節(jié)點連接在一起，完成了該地區(qū)整個光網(wǎng)絡的建設。第34頁，共40頁，2023年，2月20日，星期日作為“最后一公里”解決方案之一的FSO技術(shù)主要有以下用途：

城域網(wǎng)的擴展：FSO可以用于擴展已有的城域網(wǎng)或者連到新的網(wǎng)絡。這些鏈路通常不到達最終用戶，而是為網(wǎng)絡核心服務。企業(yè)應用：FSO的靈活性使它可以應用于許多企業(yè)和學校，例如企業(yè)LAN到LAN的連接及校園網(wǎng)的連接。第35頁，共40頁，2023年，2月20日，星期日作為光纖的補充：目前大多數(shù)電信運營商都采用兩條光纖連接來保證所構(gòu)建的商業(yè)應用網(wǎng)的安全。現(xiàn)在，運營商無需部署兩條光纖鏈路，可以選擇FSO系統(tǒng)作為備份光纖的冗余鏈路，以節(jié)省投資。接入應用：FSO也可以用在接入網(wǎng)中，例如吉比特以太網(wǎng)接入。業(yè)務提供商可以使用FSO去旁路本地環(huán)路系統(tǒng)，或當作LMDS或蜂窩網(wǎng)的回程鏈路。DWDM業(yè)務：想要構(gòu)建屬于自己的光纖網(wǎng)絡的獨立運營商，可以結(jié)合使用WDM與FSO來完成部分鏈路的傳輸，以節(jié)省光纖租賃費用。第36頁，共40頁，2023年，2月20日，星期日盡管存在一些問題，但在低成本、快速組網(wǎng)等方面具有較大優(yōu)勢的FSO的市場前景非常廣闊。在未來幾年里，它將作為一個主要的手段進入本地寬帶接入市場，特別是沒有光纖連接的中小企業(yè)。據(jù)預測，一兩年內(nèi)，F(xiàn)SO市場會形成一定規(guī)模，到2005年可達到20億美元。第37頁，共40頁，2023年，2月20日，星期日

第38頁，共40頁，2023年，2月20日，星期日FSO有兩種工作波長：850納米和1550納米。1550納米的設備價格要高