光纤通信课件第1章

1、光纤通信课件第1章 光光 纤纤 通通 信信 光纤通信课件第1章 主要内容：主要内容： 第一章概论第一章概论 第二章光纤和光缆第二章光纤和光缆 第三章通信用光器件第三章通信用光器件 第四章光端机第四章光端机 第五章数字光纤通信系统第五章数字光纤通信系统 第六章光纤通信新技术第六章光纤通信新技术 光纤通信课件第1章 什么叫通信？什么叫通信？ 什么叫光纤通信？什么叫光纤通信？ 利用光纤传输光波信号的通信方式。利用光纤传输光波信号的通信方式。 光纤通信课件第1章 1 11 1 光纤通信发展的历史和现状光纤通信发展的历史和现状 1 1 2 2 光纤通信的优点和应用光纤通信的优点和应用 1 1 3 3 光

2、纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成 第第 1 1 章章 概概 论论 返回主目录 光纤通信课件第1章 第第 1 1 章章 概论概论 1.11.1光纤通信发展的历史和现状光纤通信发展的历史和现状 1.1.11.1.1探索时期的光通信探索时期的光通信 原始形式的光通信原始形式的光通信 中国古代中国古代 -“烽火台烽火台”报警报警 欧洲人欧洲人-旗语传送信息旗语传送信息 18801880年，美国人贝尔年，美国人贝尔(Bell)(Bell)发明了用光波作载波传送话音发明了用光波作载波传送话音 的的“光电话光电话”。这种光电话利用太阳光或弧光灯作光源，通过。这种光电话利用太阳光或弧光灯作光源，通过

3、 透镜把光束聚焦在送话器前的振动镜片上，使光强度随话音的透镜把光束聚焦在送话器前的振动镜片上，使光强度随话音的 变化而变化，实现话音对光强度的调制。在接收端，用抛物面变化而变化，实现话音对光强度的调制。在接收端，用抛物面 反射镜把从大气传来的光束反射到硅光电池上，使光信号变换反射镜把从大气传来的光束反射到硅光电池上，使光信号变换 为电流，传送到受话器。为电流，传送到受话器。( (最远通信距离最远通信距离213213米）米） 光纤通信课件第1章 因为缺乏理想的光源和传输介质，因为缺乏理想的光源和传输介质， 这种光电话的传输距这种光电话的传输距 离很短，并没有实际应用价值，然而，离很短，并没有实际

4、应用价值，然而， 光电话的发明证明了光电话的发明证明了 用光波作为载波传送信息的可行性。因此，贝尔光电话是现代用光波作为载波传送信息的可行性。因此，贝尔光电话是现代 光通信的雏型。光通信的雏型。 光源：光源： （1 1）19601960年美国人梅曼年美国人梅曼(Maiman)(Maiman)发明了第一台发明了第一台红宝石激光器红宝石激光器 （2 2）氦氦氖氖(He - Ne)(He - Ne)激光器激光器 （3 3）二氧化碳二氧化碳(CO2)(CO2)激光器激光器 激光具有波谱宽度窄，方向性极好，激光具有波谱宽度窄，方向性极好， 亮度极高，以及频率和亮度极高，以及频率和 相位较一致的良好特性。

5、是一种理想的光载波。激光器的发明相位较一致的良好特性。是一种理想的光载波。激光器的发明 和应用，和应用， 使沉睡了使沉睡了8080年的光通信进入一个崭新的阶段。年的光通信进入一个崭新的阶段。 光纤通信课件第1章 传输介质的探索：传输介质的探索： 美国麻省理工学院利用美国麻省理工学院利用He - NeHe - Ne激光器和激光器和COCO2 2激光器进激光器进 行了大气激光通信试验。实验证明：通过大气的传播承载行了大气激光通信试验。实验证明：通过大气的传播承载 信息的光波，实现点对点的通信是可行的。但是通信的距信息的光波，实现点对点的通信是可行的。但是通信的距 离和稳定性都受到极大的限制，体现在

6、以下两个方面：离和稳定性都受到极大的限制，体现在以下两个方面： （1 1）通过大气，光波能量衰减很大。）通过大气，光波能量衰减很大。 例如，雨能造成例如，雨能造成30 dB/km30 dB/km的衰减，浓雾衰减高达的衰减，浓雾衰减高达120 dB/km120 dB/km。 （2 2）大气的密度和温度不均匀，造成折射率的变化，使光束）大气的密度和温度不均匀，造成折射率的变化，使光束 位置发生偏移。位置发生偏移。 固体激光器固体激光器( (例如例如“铷玻璃激光器铷玻璃激光器”和和“砷化镓激光器砷化镓激光器”) )的的 发明大大提高了发射光功率，延长了传输距离，使大气激发明大大提高了发射光功率，延长

7、了传输距离，使大气激 光通信可以在江河两岸、海岛之间和卫星与地面之间使用。光通信可以在江河两岸、海岛之间和卫星与地面之间使用。 光纤通信课件第1章 为了克服气候对激光通信的影响，人们自然想到把激光为了克服气候对激光通信的影响，人们自然想到把激光 束限制在特定的空间内传输。因而提出了束限制在特定的空间内传输。因而提出了透镜波导透镜波导和和反射镜反射镜 波导波导的光波传输系统。透镜波导是在金属管内每隔一定距离的光波传输系统。透镜波导是在金属管内每隔一定距离 安装一个透镜，每个透镜把经传输的光束会聚到下一个透镜安装一个透镜，每个透镜把经传输的光束会聚到下一个透镜 而实现的。反射镜波导和透镜波导相似，

8、是用与光束传输方而实现的。反射镜波导和透镜波导相似，是用与光束传输方 向成向成4545角的二个平行反射镜代替透镜而构成的。这两种波角的二个平行反射镜代替透镜而构成的。这两种波 导，从理论上讲是可行的，但在实际应用中遇到了不可克服导，从理论上讲是可行的，但在实际应用中遇到了不可克服 的困难。首先，现场施工中校准和安装十分复杂；其次，为的困难。首先，现场施工中校准和安装十分复杂；其次，为 了防止地面活动对波导的影响，必须把波导深埋或选择在人了防止地面活动对波导的影响，必须把波导深埋或选择在人 车稀少的地区使用。车稀少的地区使用。 由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质，由于没有找到稳定可靠和低损耗

9、的传输介质， 对光通信对光通信 的研究曾一度走入了低潮。的研究曾一度走入了低潮。 光纤通信课件第1章 1.1.21.1.2现代光纤通信现代光纤通信 19661966年，英籍华裔学者高锟年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)(C.K.Kao)和霍和霍 克哈姆克哈姆(C.A.Hockham)(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概发表了关于传输介质新概 念的论文，指出了利用光纤念的论文，指出了利用光纤(Optical Fiber)(Optical Fiber)进进 行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光 通信通信光纤通信的基础。光纤通信的基础。

10、 高锟等人指出：当时石英纤维的损耗高达高锟等人指出：当时石英纤维的损耗高达1000 dB/km1000 dB/km以上而是以上而是 由于材料中的杂质，例如过渡金属由于材料中的杂质，例如过渡金属(Fe(Fe、 CuCu等等) )离子的吸收产离子的吸收产 生的。如果把材料中金属离子含量的比重降低到生的。如果把材料中金属离子含量的比重降低到1010-6 -6以下，就 以下，就 可以使光纤损耗减小到可以使光纤损耗减小到10 dB/km10 dB/km。再通过改进制造工艺的热处。再通过改进制造工艺的热处 理提高材料的均匀性，可以进一步把损耗减小到几理提高材料的均匀性，可以进一步把损耗减小到几dB/kmd

11、B/km。 光纤通信课件第1章 一、光纤研制的发展一、光纤研制的发展 （1 1）1970 1970 年美国康宁年美国康宁(Corning)(Corning)公司就研制成功损耗公司就研制成功损耗20 dB/km20 dB/km 的石英光纤。使光纤通信可以和同轴电缆通信竞争，从而展现的石英光纤。使光纤通信可以和同轴电缆通信竞争，从而展现 了光纤通信美好的前景。了光纤通信美好的前景。 （2 2）19721972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/km4 dB/km。 （3 3）1973 1973 年，美国贝尔年，美国贝尔(Bell)(Bell)实验室

12、光纤损耗降低到实验室光纤损耗降低到 2.5dB/km2.5dB/km。 （4 4）1974 1974 年降低到年降低到1.1dB/km1.1dB/km。 （5 5）1976 1976 年，日本电报电话年，日本电报电话(NTT)(NTT)公司等单位将光纤损耗降低公司等单位将光纤损耗降低 到到0.47 dB/km(0.47 dB/km(波长波长1.2m)1.2m)。 （6 6）1979 1979 年年0.20 dB/km0.20 dB/km，19841984年年0.157 dB/km0.157 dB/km。 （7 7）1986 1986 年年0.154 dB/km0.154 dB/km，接近了光纤

13、最低损耗的理论极限。，接近了光纤最低损耗的理论极限。 光纤通信课件第1章 二、光源研制的发展二、光源研制的发展 （1 1）1970 1970 年，美国贝尔实验室、日本电气公司年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)(NEC)和前和前 苏联先后研制成功室温下连续振荡的镓铝砷苏联先后研制成功室温下连续振荡的镓铝砷(GaAlAs)(GaAlAs)双异质双异质 结半导体激光器结半导体激光器( (短波长短波长) )。寿命只有几个小时。寿命只有几个小时。 （2 2）1973 1973 年，半导体激光器寿命达到年，半导体激光器寿命达到70007000小时。小时。 （3 3）1977 1977 年，贝尔实验

14、室研制的半导体激光器寿命达到年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到1010 万小时万小时( (约约11.411.4年年) )，外推寿命达到，外推寿命达到100100万小时，完全满足实万小时，完全满足实 用化的要求。用化的要求。 （4 4） 19761976年日本电报电话公司研制成功发射波长为年日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3 1.3 mm的铟镓砷磷的铟镓砷磷(InGaAsP)(InGaAsP)激光器激光器 （5 5） 19791979年美国电报电话年美国电报电话(AT&T)(AT&T)公司和日本电报电话公司公司和日本电报电话公司 研制成功发射波长为研制成功发射波长为1.55 m1.5

15、5 m的连续振荡半导体激光器。的连续振荡半导体激光器。 光纤通信课件第1章 由于光纤和半导体激光器的技术进步，使由于光纤和半导体激光器的技术进步，使 1970 1970 年成为年成为 光纤通信发展的一个重要里程碑。光纤通信发展的一个重要里程碑。 （1 1）1976 1976 年，美国在亚特兰大年，美国在亚特兰大(Atlanta)(Atlanta)进行了世界上第进行了世界上第 一个实用光纤通信系统的现场试验，系统采用一个实用光纤通信系统的现场试验，系统采用GaAlAsGaAlAs激光器激光器 作光源，多模光纤作传输介质，速率为作光源，多模光纤作传输介质，速率为44.7 Mb/s44.7 Mb/s

16、，传输距离，传输距离 约约10 km10 km。 （2 2） 19831983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线，全长年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线，全长 3400 km3400 km，初期传输速率为，初期传输速率为400 Mb/s400 Mb/s，后来扩容到，后来扩容到1.6 Gb/s1.6 Gb/s。 （3 3） 19891989年建成第一条横跨太平洋年建成第一条横跨太平洋 的的TPC-3/HAW-4TPC-3/HAW-4，全长，全长 13200 km13200 km。 光纤通信课件第1章 光纤通信从研究到应用，发展非常迅速：光纤通信从研究到应用，发展非常迅速：技术上不断更新换技术上不

17、断更新换 代，通信能力代，通信能力( (传输速率和中继距离传输速率和中继距离) )不断提高，应用范围不不断提高，应用范围不 断扩大断扩大。 光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段： 第一阶段第一阶段(19661976(19661976年年) )，这是从基础研究到商业应用的，这是从基础研究到商业应用的 开发时期。在这个时期，实现了短波长开发时期。在这个时期，实现了短波长(0.85 m)(0.85 m)低速率低速率(45(45 或或34 Mb/s)34 Mb/s)多模光纤通信系统，无中继传输距离约多模光纤通信系统，无中继传输距离约10 km10 km。 第二阶段

18、第二阶段(19761986(19761986年年) )，这是以提高传输速率和增加传，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。在这个时输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。在这个时 期，期， 光纤从多模发展到单模，工作波长从短波长光纤从多模发展到单模，工作波长从短波长(0.85 m)(0.85 m) 发展到长波长发展到长波长(1.31 m(1.31 m和和1.55 m)1.55 m)， 实现了工作波长为实现了工作波长为 1.31 m1.31 m、传输速率为、传输速率为140565Mb/s 140565Mb/s 的单模光纤通信系统，的单模光纤通信系统， 无中继

19、传输距离为无中继传输距离为10050 km10050 km。 光纤通信课件第1章 第三阶段第三阶段(19861996(19861996年年) )，这是以超大容量超长距离为目，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。在这个时期，实现了标、全面深入开展新技术研究的时期。在这个时期，实现了 1.55 m1.55 m色散移位单模光纤通信系统。采用外调制技术，传色散移位单模光纤通信系统。采用外调制技术，传 输速率可达输速率可达2.510 Gb/s2.510 Gb/s，无中继传输距离可达，无中继传输距离可达150100 km150100 km。 实验室可以达到更高水平。实验室可以达到

20、更高水平。 目前，正在开展研究光纤通信新技术，例如，光纤放大目前，正在开展研究光纤通信新技术，例如，光纤放大 器，全光通信，超大容量的波分复用器，全光通信，超大容量的波分复用(WDM)(WDM)光纤通信系统光纤通信系统和超和超 长距离的光孤子长距离的光孤子(Soliton)(Soliton)通信系统。通信系统。 光纤通信课件第1章 1.1.31.1.3国内外光纤通信发展的现状国内外光纤通信发展的现状 19761976年美国在亚特兰大进行的现场试验，标志着光纤通信年美国在亚特兰大进行的现场试验，标志着光纤通信 从基础研究发展到了商业应用的新阶段。现在发展的状况为从基础研究发展到了商业应用的新阶段

21、。现在发展的状况为 （1 1）光纤从多模发展到单模。光纤从多模发展到单模。 （2 2）工作波长从）工作波长从0.85 m0.85 m发展到发展到1.31 m1.31 m和和1.55 m1.55 m。 （3 3）传输速率从几十）传输速率从几十Mb/sMb/s发展到几十发展到几十Gb/sGb/s。 （4 4）从初期的市话局间中继到长途干线进一步延伸到用户接）从初期的市话局间中继到长途干线进一步延伸到用户接 入网。入网。 （5 5）从数字电话到有线电视）从数字电话到有线电视(CATV)(CATV)， （6 6） 从单一类型信息的传输到多种业务的传输。从单一类型信息的传输到多种业务的传输。 光纤通信课

22、件第1章 在许多发达国家，生产光纤通信产品的行业已在国民 经济中占重要地位。根据资料，仅光缆产品一项(约占整个 光纤通信产品的一半)，1995年在世界市场销售额达38亿美 元。 表表 1.1 1.1 世界成缆光纤市场销售量世界成缆光纤市场销售量 年份 1994 1995199619971998199920002001 光纤销售 总长度 /104 km 18102300290034704070473055806570 光纤通信课件第1章 表表 1.2 1.2 世界市场单模光纤平均价格世界市场单模光纤平均价格 年份 1994 1995199619971998199920002001 价格 /($k

23、m- 1) 6867726960524644 表表 1.3 1.3 世界成缆单模光纤市场销售量世界成缆单模光纤市场销售量 年份 1998 19992000200120022003 光纤销售 总长度 /104 km 411046005350623072008110 光纤通信课件第1章 1.2 1.2 光纤通信的优点和应用光纤通信的优点和应用 1.2.11.2.1光通信与电通信光通信与电通信 任何通信系统追求的最终 技术目标：可靠地实现最 大可能的信息传输容量和 传输距离。 载波频率越高（光波） 频带宽度越宽 传输容量越大 100 THz 10 THz 1 THz 100 GHz 10 GHz 1

24、 GHz 100 MHz 10 MHz 1 MHz 1 m可见光线 10 m 100 m 1 mm 10 mm 100 mm 1 m 10 m 100 m 中波(MF) 短波(HF) 米波(VHF) 分米波(UHF) 厘米波(SHF) 毫米波(EHF) 亚毫米波 远红外线 近红外线 (光纤通信用） 频率波长名称 紫外线 图 1.1 部分电磁波频谱 光纤通信课件第1章 光纤通信和电通信的主要差别： （1）电通信的载波是电波，光纤通信的载波是光波。 光纤通信用的近红外光(波长约1m)的频率(约300 THz) 比微波(波长为0.1m1 mm)的频率(3300 GHz)高3个数量 级以上。 光纤通信

25、用的近红外光(波长为0.71.7m)频带宽度约 为200THz，在常用的1.31 m和1.55 m两个波长窗口 频带宽度也在20THz以上。 目前光纤通信用到的带宽一般只有40GHz，因此还有3个 数量级以上的带宽潜力可以挖掘。 光纤通信课件第1章 （2）电通信用电缆传输信号，光通信用光纤传输信号 光缆具有比电缆更小的高频率传输损耗 1000 100 10 1 0.1 10 M 标准同轴 38 mm海底同轴 光纤 100 M1 G10 G100 G1 T10 T100 T 1000 T 频率/Hz M：(注) G： T： 106 109 1012 传输损耗/(dBkm 1) 51 mm波导器

26、图 1.2 各种传输线路的损耗特性 光纤通信课件第1章 1.2.21.2.2光纤通信的优点光纤通信的优点 在光纤通信系统中，作为载波的光波频率比电波频率高得 多，而作为传输介质的光纤又比同轴电缆或波导管的损耗低得 多，因此相对于电缆通信或微波通信，光纤通信具有许多独特 的优点。 1. 1. 容许频带很宽，传输容量很大容许频带很宽，传输容量很大 光纤通信系统的容许频带(带宽)取决于光源的调制特性、 调制方式和光纤的色散特性。 （1）在零色散波长窗口，单模光纤都具有几十GHz km的带宽。 （2）可以采用多种复用技术来增加传输容量。 （3）采用波分复用(WDM)或光频分复用(OFDM)是增加光纤通

27、信 系统传输容量最有效的方法。 （4）减小光源谱线宽度和采用外调制方式。 光纤通信课件第1章 表表1.41.4列出早已实现的单一波长光纤通信系统的传输容量和中列出早已实现的单一波长光纤通信系统的传输容量和中 继距离。继距离。 目前，单波长光纤通信系统的传输速率一般为目前，单波长光纤通信系统的传输速率一般为2.5 Gb/s2.5 Gb/s和和10 10 Gb/sGb/s。 采用外调制技术，传输速率可以达到采用外调制技术，传输速率可以达到40 Gb/s40 Gb/s。波分复用。波分复用(WDM)(WDM) 和光时分复用和光时分复用(TDM)(TDM)更是极大地增加了传输容量，更是极大地增加了传输容

28、量， 见表见表 1.1.。 WDMWDM最高水平为最高水平为132132个信道，传输容量为个信道，传输容量为20 Gb/s20 Gb/s132=2640 132=2640 Gb/sGb/s，相当于，相当于120 km120 km的距离传输了的距离传输了3.33.310108 8条话路。条话路。 光纤通信课件第1章 表表 1.4 1.4 光纤通信与电缆或微波通信传输能力的比较光纤通信与电缆或微波通信传输能力的比较 通信手段通信手段 传输容量传输容量(话话 路路)/条条 中继距离中继距离/km 1000 km内中继器内中继器 个数个数 微波无线电微波无线电 960 5020 小同轴小同轴 9604

29、250 中同轴中同轴 180061600 光缆光缆 19203033 光缆光缆 14000(1Gb/s)8411 光缆光缆 6000(445MB/S)1347 光纤通信课件第1章 2. 2. 损耗很小，损耗很小， 中继距离很长且误码率很小中继距离很长且误码率很小 石英光纤在1.31 m和1.55 m波长， 传输损耗分别为 0.50 dB/km和0.20 dB/km，甚至更低。因此，用光纤比用同 轴电缆或波导管的中继距离长得多，见表1.4。目前，采用外 调制技术，波长为1.55m的色散移位单模光纤通信系统，若 其传输速率为2.5 Gb/s，则中继距离可达150 km；若其传输 速率为10 Gb/

30、s，则中继距离可达100 km。 光纤通信课件第1章 3. 3. 重量轻、重量轻、 体积小体积小 表表1.61.6给出了铝给出了铝/ /聚乙烯粘结护套聚乙烯粘结护套(LAP)(LAP)单元结构光缆和标准同单元结构光缆和标准同 轴电缆的重量和截面积的比较。轴电缆的重量和截面积的比较。 项目项目 8 芯芯 18 芯芯 光缆光缆 电缆电缆 光缆光缆 电缆电缆 重量重量/(kgm-1) 重量比重量比 0.42 1 6.3 15 0.42 1 11 26 直径直径/mm 截面积比截面积比 21 1 47 5 21 1 65 9.6 表表 1.6 1.6 光缆和电缆的重量和截面积比较光缆和电缆的重量和截面

31、积比较 光纤通信课件第1章 例例: : 在美国在美国A - 7A - 7飞机上，用光纤通信代替电飞机上，用光纤通信代替电 缆通信，使飞机重量减轻缆通信，使飞机重量减轻2727磅磅( (约约12.247 kg)12.247 kg)， 相当于飞机制造成本减少相当于飞机制造成本减少2727万美元。万美元。 从北京到上海的相同容量的同轴电缆跟光从北京到上海的相同容量的同轴电缆跟光 纤相比。用电缆需铜纤相比。用电缆需铜866966kg866966kg，铝，铝2916290kg2916290kg。 若改用光纤，则只需纯石英若改用光纤，则只需纯石英10kg10kg。 光纤通信课件第1章 4. 4. 抗电磁干

32、扰性能好抗电磁干扰性能好 光纤由电绝缘的石英材料制成，光纤通信线路不受各种光纤由电绝缘的石英材料制成，光纤通信线路不受各种 电磁场的干扰和闪电雷击的损坏。无金属光缆非常适合于存电磁场的干扰和闪电雷击的损坏。无金属光缆非常适合于存 在强电磁场干扰的高压电力线路周围和油田、煤矿等易燃易在强电磁场干扰的高压电力线路周围和油田、煤矿等易燃易 爆环境中使用。爆环境中使用。 光纤光纤( (复合复合) )架空地线架空地线(Optical Fiber Overhead Ground (Optical Fiber Overhead Ground Wire, OPGW)Wire, OPGW)是光纤与电力输送系统的

33、地线组合而成的通信光是光纤与电力输送系统的地线组合而成的通信光 缆，已在电力系统的通信中发挥重要作用。缆，已在电力系统的通信中发挥重要作用。 光纤通信课件第1章 5. 5. 泄漏小，泄漏小， 保密性能好保密性能好 在光纤中传输的光泄漏非常微弱，即使在弯曲地段也无法在光纤中传输的光泄漏非常微弱，即使在弯曲地段也无法 窃听。没有专用的特殊工具，光纤不能分接，因此信息在光纤窃听。没有专用的特殊工具，光纤不能分接，因此信息在光纤 中传输非常安全。中传输非常安全。 光纤通信课件第1章 6. 6. 节约金属材料，节约金属材料， 有利于资源合理使用有利于资源合理使用 制造同轴电缆和波导管的铜、铝、铅等金属材

34、料，在地球制造同轴电缆和波导管的铜、铝、铅等金属材料，在地球 上的储存量是有限的；而制造光纤的石英上的储存量是有限的；而制造光纤的石英(SiO2)(SiO2)在地球上基本在地球上基本 上是取之不尽的材料。制造上是取之不尽的材料。制造8km8km管中同轴电缆，管中同轴电缆，1km1km需要需要120 kg120 kg 铜和铜和500kg500kg铝；而制造铝；而制造8km8km光纤只需光纤只需320 g320 g石英。所以，推广光石英。所以，推广光 纤通信，有利于地球资源的合理使用。纤通信，有利于地球资源的合理使用。 光纤通信课件第1章 图 1.3 各种通信系统相对造价与传输容量的比较 平行双绞

35、线电缆同轴电缆微波 10210103104105106 101 102 103 104 105 系统/话路公里相对造价 话路数/条 光缆 随着传输容量的增加，由于采用了新的传输媒质，随着传输容量的增加，由于采用了新的传输媒质， 使得相对造价直线下降。使得相对造价直线下降。 光纤通信课件第1章 1.2.31.2.3光纤通信的应用光纤通信的应用 光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤应光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤应 用广泛如：通信网、广播电视网、与计算机网以及在其它数用广泛如：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。光纤宽带干线传送网和接入网发展迅速，是

36、据传输系统中。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。光纤通信的各种应用可概括当前研究开发应用的主要目标。光纤通信的各种应用可概括 如下：如下： 通信网，包括全球通信网通信网，包括全球通信网( (如横跨大西洋和太平洋的如横跨大西洋和太平洋的 海底光缆和跨越欧亚大陆的洲际光缆干线海底光缆和跨越欧亚大陆的洲际光缆干线) )、各国的公共电信、各国的公共电信 网网( (如我国的国家一级干线、各省二级干线和县以下的支线如我国的国家一级干线、各省二级干线和县以下的支线) )、 各种专用通信网各种专用通信网( (如电力、铁道、国防等部门通信、指挥、调如电力、铁道、国防等部门通信、

37、指挥、调 度、度、 监控的光缆系统监控的光缆系统) )、特殊通信手段、特殊通信手段( (如石油、化工、煤矿如石油、化工、煤矿 等部门易燃易爆环境下使用的光缆，等部门易燃易爆环境下使用的光缆， 以及飞机、军舰、潜艇、以及飞机、军舰、潜艇、 导弹和宇宙飞船内部的光缆系统导弹和宇宙飞船内部的光缆系统) )。 光纤通信课件第1章 构成因特网的计算机局域网和广域网，如光纤以太网、构成因特网的计算机局域网和广域网，如光纤以太网、 路由器之间的光纤高速传输链路。路由器之间的光纤高速传输链路。 有线电视网的干线和分配网；工业电视系统，如工厂、有线电视网的干线和分配网；工业电视系统，如工厂、 银行、商场、交通和

38、公安部门的监控；银行、商场、交通和公安部门的监控； 自动控制系统的数据自动控制系统的数据 传输。传输。 综合业务光纤接入网，分为有源接入网和无源接入网，综合业务光纤接入网，分为有源接入网和无源接入网， 可实现电话、数据、视频可实现电话、数据、视频( (会议电视、可视电话等会议电视、可视电话等) )及多媒体及多媒体 业务综合接入核心网，提供各种各样的社区服务。业务综合接入核心网，提供各种各样的社区服务。 光纤通信课件第1章 1.31.3光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成 光纤通信系统可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。 可以传输话音、图像、数据或多媒体信息。 信 息 源 电 发 射

39、机 光 发 射 机 光 接 收 机 电 接 收 机 信 息 宿 基本光纤传输系统 光纤线路 接 收发 射 电信号 输入 光信号 输出 光信号 输入 电信号 输出 图 1.4 光纤通信系统的基本组成(单向传输) 光纤通信课件第1章 Point-to-Point Communication Link Optical Fiber (single-mode or multimode) Output data Driver (electronics) Transmitter Input data Optical Source External Modulator (a) (b) Connector Co

40、nnector Photodetector Regenerator Receiver 光纤通信课件第1章 1.3.11.3.1发射和接收发射和接收 一、发射一、发射 数字信号：数字信号： 电发射机：把基带信号转换为适合信道传输的电信号电发射机：把基带信号转换为适合信道传输的电信号( (脉冲编脉冲编 码调制码调制) ) 光发射机：把电信号转换成适合在光纤中传输的光信号（编码、光发射机：把电信号转换成适合在光纤中传输的光信号（编码、 调制）调制） 对于模拟电视传输，则用摄像机把图像转换为对于模拟电视传输，则用摄像机把图像转换为6 MHz6 MHz的模拟基的模拟基 带信号，直接输入光发射机。带信号，

41、直接输入光发射机。 二、接收二、接收 与发射过程相反与发射过程相反 光纤通信课件第1章 模拟信号传输的复用：模拟信号传输的复用： 为提高传输质量，通常把这种模拟基带信号转换为频率调为提高传输质量，通常把这种模拟基带信号转换为频率调 制制(FM)(FM)、脉冲频率调制、脉冲频率调制(PFM)(PFM)或脉冲宽度调制或脉冲宽度调制(PWM)(PWM)信号，最后信号，最后 把这种已调信号输入光发射机。把这种已调信号输入光发射机。 还可以采用频分复用还可以采用频分复用(FDM)(FDM)技技 术，用来自不同信息源的视频模拟基带信号术，用来自不同信息源的视频模拟基带信号( (或数字基带信号或数字基带信号

42、) ) 分别调制指定的不同频率的射频分别调制指定的不同频率的射频(RF)(RF)电波，然后把多个这种带电波，然后把多个这种带 有信息的有信息的RFRF信号组合成多路宽带信号，最后输入光发射机，信号组合成多路宽带信号，最后输入光发射机， 由光载波进行传输。由光载波进行传输。 在这个过程中，受调制的在这个过程中，受调制的RFRF电波称为副电波称为副 载波，这种采用频分复用的多路电视传输技术，载波，这种采用频分复用的多路电视传输技术， 称为副载波称为副载波 复用复用(SCM)(SCM)。 光纤通信课件第1章 1.3.21.3.2基本光纤传输系统基本光纤传输系统 基本光纤传输系统作为独立的基本光纤传输

43、系统作为独立的“光信道光信道”单元，可以和其单元，可以和其 它设备相结合，构成结构更复杂，功能更强大的通信系统。它设备相结合，构成结构更复杂，功能更强大的通信系统。 基本光纤传输系统由光发射机、光纤线路和光接收机三个基本光纤传输系统由光发射机、光纤线路和光接收机三个 部分组成。部分组成。 光纤通信课件第1章 1. 1. 光发射机光发射机 功能：是把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信功能：是把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信 号最大限度地注入光纤线路。号最大限度地注入光纤线路。 核心：光源。要求光源输出光功率足够大，调制频率足够高，核心：光源。要求光源输出光功率足够大，调制频率

44、足够高， 谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，器件谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，器件 寿命长。寿命长。 目前广泛使用的光源有半导体发光二极管目前广泛使用的光源有半导体发光二极管(LED)(LED)和半导体激光和半导体激光 二极管二极管( (或称激光器或称激光器)(LD) )(LD) 光纤通信课件第1章 LED (Light emitting diode) LD (laser diode) 光纤通信课件第1章 图图 1.51.5两种调制方案两种调制方案 (a) (a) 直接调制；直接调制； (b) (b) 间接调制间接调制( (外调制外调制) ) 激光源 驱动器

45、 光纤 光信号输出 电信号 输入 (a) 激光源调制器 驱动和控制 电信号输入 光纤 光信号输出 (b) 光纤通信课件第1章 2. 2. 光纤线路光纤线路 功能：把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变功能：把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变( (失真失真) )和和 衰减传输到光接收机。衰减传输到光接收机。 光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。 光纤线路的性能主要由缆内光纤的传输特性决定。对光纤光纤线路的性能主要由缆内光纤的传输特性决定。对光纤 的基本要求是损耗和色散这两个传输特性参数都尽可能地小，的基本要求是损耗和色散这两个传输特性参数都

46、尽可能地小， 而且有足够好的机械特性和环境特性，而且有足够好的机械特性和环境特性， 光纤通信课件第1章 Connectors 光纤通信课件第1章 石英光纤在在石英光纤在在0.85 m0.85 m、1.31 m1.31 m和和1.55 m1.55 m有三个损有三个损 耗很小的波长耗很小的波长“窗口窗口”。在这三个波长窗口损耗分别小于。在这三个波长窗口损耗分别小于 2dB/km2dB/km、 0.4 dB/km0.4 dB/km和和0.2 dB/km0.2 dB/km。 石英光纤在波长石英光纤在波长1.31 m1.31 m色散为零。作为光源的激光器色散为零。作为光源的激光器 的发射波长和作为光检测

47、器的光电二极管的波长响应，都要的发射波长和作为光检测器的光电二极管的波长响应，都要 和光纤这三个波长窗口相一致。和光纤这三个波长窗口相一致。 光纤通信课件第1章 3. 3. 光接收机光接收机 功能：把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转功能：把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转 换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。 核心：光检测器。对光检测器的要求是响应度高、核心：光检测器。对光检测器的要求是响应度高、 噪声低和噪声低和 响应速度快。响应速度快。 光纤通信课件第1章 PIN (Positive Intrinsic

48、 Negative)APD (Avalanche photo diodes) 目前广泛使用的光检测器有两种类型：目前广泛使用的光检测器有两种类型： 在半导体在半导体PNPN 结中加入本征层的结中加入本征层的PINPIN光电二极管光电二极管(PIN - PD)(PIN - PD)和雪崩和雪崩 光电二极管光电二极管(APD)(APD)。 光纤通信课件第1章 光接收机把光信号转换为电信号的过程光接收机把光信号转换为电信号的过程( (常简称为光常简称为光/ / 电或电或O/EO/E转换转换) )，是通过光检测器的检测实现的。检测方式，是通过光检测器的检测实现的。检测方式 有直接检测和外差检测两种。直接

49、检测是用检测器直接把有直接检测和外差检测两种。直接检测是用检测器直接把 光信号转换为电信号。这种检测方式设备简单、光信号转换为电信号。这种检测方式设备简单、 经济实用，经济实用， 是当前光纤通信系统普遍采用的方式。是当前光纤通信系统普遍采用的方式。 外差检测要设置一个本地振荡器和一个光混频器，使外差检测要设置一个本地振荡器和一个光混频器，使 本地振荡光和光纤输出的信号光在混频器中产生差拍而输本地振荡光和光纤输出的信号光在混频器中产生差拍而输 出中频光信号，再由光检测器把中频光信号转换为电信号。出中频光信号，再由光检测器把中频光信号转换为电信号。 外差检测方式的难点是需要频率非常稳定，相位和偏振

50、方外差检测方式的难点是需要频率非常稳定，相位和偏振方 向可控制，谱线宽度很窄的单模激光源；优点是有很高的向可控制，谱线宽度很窄的单模激光源；优点是有很高的 接收灵敏度。接收灵敏度。 光纤通信课件第1章 目前，实用光纤通信系统普遍采用直接调制直接检测方 式。外调制外差检测方式虽然技术复杂，但是传输速率和接 收灵敏度很高，是很有发展前途的通信方式。 光接收机最重要的特性参数是灵敏度。灵敏度是衡量光 接收机质量的综合指标，它反映接收机调整到最佳状态时， 接收微弱光信号的能力。灵敏度主要取决于组成光接收机的 光电二极管和放大器的噪声，并受传输速率、光发射机的参 数和光纤线路的色散的影响，还与系统要求的误码率或信噪 比有密切关系。所以灵敏度也是反映光纤通信系统质量的重 要指标。 光纤通信课件第1章 1.3.31.3.3数字通信系统和模拟通信系统数字通信系统和模拟通信系统 数字光纤通信系统比模拟光纤通信系统具有更多的优点，数字光纤通信系统比模拟光纤通信系统具有更多的优点， 也更