光纤通信自制 (第一章)

1、光纤通信光纤通信 主讲教师 刘 敏（讲师） 授课单位 三峡大学理学院 第一章 概述 Advanced Photonics Center Southeast University 课程概况 1. 总学时（40课时）=讲授（32课时）+实验（8课时） 2. 考试=平时成绩（30%）+考试成绩（70%） 3. 开课时间：第5周-第14周 4. 考试时间：第15周周末（具体视情况而定） 5. 授课教师：刘敏QQ：2837045728） 第一章 概述 Advanced Photonics Center Southeast University 讲授（32课时） 第一部分 概述（

2、2课时） 第二部分 光纤与光缆（6课时） 第三部分 光源和光发射机（6课时） 第四部分 光检测器与光接收机（6课时） 第五部分 光无源器件（6课时） 第六部分 波分复用技术（2课时） 第七部分 光网络与测量（2课时） 总复习 （2课时） 第一章 概述 Advanced Photonics Center Southeast University 参考书目 第一章 概述 Advanced Photonics Center Southeast University 第一章 概述 Advanced Photonics Center Southeast University 光纤通信简明教程 原荣 7

3、1.1 光纤通信发展史光纤通信发展史 1.2 光纤通信的优点光纤通信的优点 1.3 光纤通信系统光纤通信系统 1.4 光纤通信网络分类光纤通信网络分类 1.5 均匀介质中的光波均匀介质中的光波光是电磁波光是电磁波 第一章 概述 光纤通信简明教程 原荣 8 1.1.1 古老的光通信设备古老的光通信设备-烽火台烽火台 光通信是利用光波作为载波来传递信息的通信。光通信是利用光波作为载波来传递信息的通信。 广义地说，用光传递信息并不是什么新鲜的事。早在公元两千多年以前，我们的祖先广义地说，用光传递信息并不是什么新鲜的事。早在公元两千多年以前，我们的祖先 就在都城和边境堆起一些高高的土丘，遇到敌人入侵，

4、就在这些土丘上燃起烟火传递就在都城和边境堆起一些高高的土丘，遇到敌人入侵，就在这些土丘上燃起烟火传递 受到入侵的信息，各地诸侯看见烟火就立刻领兵来救援。受到入侵的信息，各地诸侯看见烟火就立刻领兵来救援。 其中还有著名的其中还有著名的“周幽王烽火戏诸侯周幽王烽火戏诸侯”的故事。这种土丘就叫烽火台，它就是一种古的故事。这种土丘就叫烽火台，它就是一种古 老的光通信设备。老的光通信设备。 光纤通信简明教程 原荣 9 1.1.2 中华民族对世界光学事业的贡献中华民族对世界光学事业的贡献 谈到中华民族对世界光学事业的贡献，我们还谈到中华民族对世界光学事业的贡献，我们还 可以追溯到早在公元前三世纪，我国周代

5、就会可以追溯到早在公元前三世纪，我国周代就会 用凹透镜向日取火，可以说是奥林匹克向日取用凹透镜向日取火，可以说是奥林匹克向日取 火的鼻祖，而西方国家直到公元十三世纪才相火的鼻祖，而西方国家直到公元十三世纪才相 传有人用了三年时间，用金属磨成一个凹面镜，传有人用了三年时间，用金属磨成一个凹面镜， 在太阳光下取火，这比我国至少落后十几个世在太阳光下取火，这比我国至少落后十几个世 纪。纪。 还有公元前还有公元前400年，我国先秦时代伟大的学者年，我国先秦时代伟大的学者 墨翟在他的墨翟在他的墨经墨经里就对光的几何性质在理里就对光的几何性质在理 论上作了比较完整的论述，它比欧几里德著的论上作了比较完整的

6、论述，它比欧几里德著的 光学光学也早也早100多年。多年。 光纤通信简明教程 原荣 10 光纤通信史回顾 -古老的光通信 由于人们无法解决光向四面八方散射时，光强由于人们无法解决光向四面八方散射时，光强 减弱和不能通过障碍物的问题，减弱和不能通过障碍物的问题， 因此，直到上世纪六十年代初，光通信都没有因此，直到上世纪六十年代初，光通信都没有 什么重大的进展。它仅仅作为一种信号灯使用，什么重大的进展。它仅仅作为一种信号灯使用， 如如: 马路上的红绿灯；马路上的红绿灯； 机场上的跑道标志灯；机场上的跑道标志灯； 航标灯。航标灯。 光纤通信简明教程 原荣 11 1.1.3 贝尔（贝尔（Bell）发明

7、了光电话）发明了光电话 1876年，美国人贝尔（年，美国人贝尔（Bell）发明了光电话，）发明了光电话， 他用太阳光或弧光灯作光源，通过透镜把光束他用太阳光或弧光灯作光源，通过透镜把光束 聚焦在送话器前的振动镜片上，使光强度随话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。音的变化而变化，实现话音对光强度的调制。 在接收端，用抛物面反射镜把从大气传送来的在接收端，用抛物面反射镜把从大气传送来的 光束反射到硅光电池上，使光信号变换为电流，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。传送到受话器。 在这种光波系统中，光源是太阳光或弧光灯，在这种光波

8、系统中，光源是太阳光或弧光灯， 接收器是硅光电池，传输介质是大气，如图接收器是硅光电池，传输介质是大气，如图 1.1.2。很显然这种系统传输距离很短，没有实。很显然这种系统传输距离很短，没有实 用价值。用价值。 光纤通信简明教程 原荣 12 图图1.1.2 1876年贝尔（年贝尔（Bell） 光电话实验装置光电话实验装置 光纤通信简明教程 原荣 13 1.1.4 谁发明了激光器谁发明了激光器 1960年，美国人梅曼（年，美国人梅曼（Maiman）发明了第一台红宝石）发明了第一台红宝石 激光器，之后氦激光器，之后氦-氖（氖（He-Ne）气体激光器、二氧化碳）气体激光器、二氧化碳 （CO2）激光器

9、也先后出现，并投入实际应用，给光）激光器也先后出现，并投入实际应用，给光 通信带来了新的希望。通信带来了新的希望。 激光（激光（LASER）是取英文）是取英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的第一个字母组成的缩的第一个字母组成的缩 写词，其意思是受激发射的光放大。写词，其意思是受激发射的光放大。 这种光与燃烧木材和钨丝灯发出的光不一样，它是由这种光与燃烧木材和钨丝灯发出的光不一样，它是由 物质原子结构的本质决定的光，它的频率超过微波一物质原子结构的本质决定的光，它的频率超过微波一 万倍，也就是说它的通信容量要比微波大

10、一万倍。所万倍，也就是说它的通信容量要比微波大一万倍。所 以，光通信很有吸引力。以，光通信很有吸引力。 光纤通信简明教程 原荣 14 1.1.5 最早的光通信系统最早的光通信系统 弧光灯 大气传播 （a） He-Ne 气体 激光器 光电二极管 (c) 雪崩光电 二极管 激光器或 发光二极管 (d) 光导纤维 光电倍增管 (b) 氙灯 透镜阵列 反射镜阵列 雨 云 硅光电池 湍流 光纤通信简明教程 原荣 15 透镜波导和反射镜波导透镜波导和反射镜波导 光波传输系统光波传输系统 实验表明，大气激光通信的性能受空气的质量和气候实验表明，大气激光通信的性能受空气的质量和气候 的影响十分严重，不能实现全

11、天候通信；的影响十分严重，不能实现全天候通信； 为了克服气候对激光通信的影响，在为了克服气候对激光通信的影响，在1960年提出了透年提出了透 镜波导和反射镜波导的光波传输系统，如图镜波导和反射镜波导的光波传输系统，如图1.1.3b和和c。 这两种波导从理论上说是可行的，但是实现起来却非这两种波导从理论上说是可行的，但是实现起来却非 常困难，地上人为的活动会使地下的透镜波导变形和常困难，地上人为的活动会使地下的透镜波导变形和 振动，为此必须把波导深埋或选择在人车稀少的地区振动，为此必须把波导深埋或选择在人车稀少的地区 使用。使用。 由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质，对光通由于没有找到稳定可

12、靠和低损耗的传输介质，对光通 信的研究曾一度走入低潮。信的研究曾一度走入低潮。 光纤通信简明教程 原荣 16 1.1.6 光纤是怎样传光的光纤是怎样传光的 光纤由纤芯和包皮两层组成，它们都是玻璃，只是材料成分稍有不同。光纤由纤芯和包皮两层组成，它们都是玻璃，只是材料成分稍有不同。 一种光纤的芯径只有一种光纤的芯径只有50100 微米，包皮直径约为微米，包皮直径约为120140 微米，一微微米，一微 米等于千分之一毫米，所以光纤很细，比头发丝还细。米等于千分之一毫米，所以光纤很细，比头发丝还细。 假定光线对着纤维以一定入射角射入光纤，当光线传输到芯和皮的交界假定光线对着纤维以一定入射角射入光纤，

13、当光线传输到芯和皮的交界 面上时，会发生类似镜子反射光的现象，当碰到对面的交界面时，又一面上时，会发生类似镜子反射光的现象，当碰到对面的交界面时，又一 次反射回来。当光线传输到光纤的拐弯处时，来回反射的次数就会增多，次反射回来。当光线传输到光纤的拐弯处时，来回反射的次数就会增多， 只要弯曲不是太厉害，光线就不会跑出光纤。光线就是这样在光纤内往只要弯曲不是太厉害，光线就不会跑出光纤。光线就是这样在光纤内往 返曲折地向前传输。返曲折地向前传输。 光纤通信简明教程 原荣 17 1.1.7 光纤通信的鼻祖光纤通信的鼻祖高锟高锟 但是到了上世纪六十年代中期，情况就发生了根本的变但是到了上世纪六十年代中期

14、，情况就发生了根本的变 化。而且这种变化还是由于一位中国人引起的，他就是化。而且这种变化还是由于一位中国人引起的，他就是 高锟！高锟！ 早在早在1966年，英籍华人高锟发表了关于通信传输新介质年，英籍华人高锟发表了关于通信传输新介质 的论文，当时他还是一个在英国工作的年轻工程师，他的论文，当时他还是一个在英国工作的年轻工程师，他 指出利用光导纤维进行信息传输的可能性和技术途径，指出利用光导纤维进行信息传输的可能性和技术途径， 从而奠定了光纤通信的基础。从而奠定了光纤通信的基础。 在高锟早期的实验中，光纤的损耗约为在高锟早期的实验中，光纤的损耗约为3 000 dB/km，他，他 指出这么大的损耗

15、不是石英纤维本身的固有特性，而是指出这么大的损耗不是石英纤维本身的固有特性，而是 由于材料中的杂质离子的吸收产生的。由于材料中的杂质离子的吸收产生的。 光纤通信简明教程 原荣 18 高高 锟锟-光纤通信发明家（左）光纤通信发明家（左） 1998 年在年在 英国英国 接受接受 IEE 授予授予 的的 奖章奖章 光纤通信简明教程 原荣 19 2009年年 高锟高锟 获得获得 诺贝诺贝 尔物尔物 理学理学 奖奖 光纤通信简明教程 原荣 20 高锟提出光纤通信高锟提出光纤通信 高锟指出，如果把材料中金属离子含量的比重高锟指出，如果把材料中金属离子含量的比重 降低到降低到10 6以下，光纤损耗就可以减小

16、到以下，光纤损耗就可以减小到 10 dB/km。 再通过改进制造工艺，提高材料的均匀性，可再通过改进制造工艺，提高材料的均匀性，可 进一步把光纤的损耗减少到几进一步把光纤的损耗减少到几dB/km。这种想。这种想 法很快就变成了现实。法很快就变成了现实。 1970年，光纤进展取得了重大突破，美国康宁年，光纤进展取得了重大突破，美国康宁 （Corning）公司研制成功损耗）公司研制成功损耗20 dB/km的石英的石英 光纤。目前光纤。目前G.654光纤在光纤在1.55 m波长附近仅为波长附近仅为 0.151 dB/km，接近了石英光纤的理论损耗极，接近了石英光纤的理论损耗极 限。限。 光纤通信简明

17、教程 原荣 21 光源光源-半导体激光器也发明了半导体激光器也发明了 作为光纤通信用的光源，半导体激光器也发明作为光纤通信用的光源，半导体激光器也发明 了，并取得了实质性的进展。了，并取得了实质性的进展。 1973 年半导体激光器的寿命是年半导体激光器的寿命是 7 000 小时小时 1977 年贝尔实验室已达到年贝尔实验室已达到 10 万小时，完全满万小时，完全满 足实用化的要求。足实用化的要求。 1979 美国美国 ATT 公司和日本公司和日本 NTT 公司又研制成公司又研制成 功了长波长（功了长波长（1550 nm）连续振荡半导体激光）连续振荡半导体激光 器。器。 低损耗光纤和连续振荡半导

18、体激光器的研制成低损耗光纤和连续振荡半导体激光器的研制成 功，是光纤通信发展的重要里程碑。功，是光纤通信发展的重要里程碑。 光纤通信简明教程 原荣 22 掺铒光纤放大器（掺铒光纤放大器（EDFA）的应用）的应用 20世纪世纪90年代，掺铒光纤放大器（年代，掺铒光纤放大器（EDFA） 的应用迅速得到了普及，用它可替代光的应用迅速得到了普及，用它可替代光-电电- 光再生中继器，同时可对多个光再生中继器，同时可对多个1.55 m波段波段 的光信号进行放大，从而使波分复用的光信号进行放大，从而使波分复用 （WDM）系统得到普及。）系统得到普及。 光通信发展的简史如表光通信发展的简史如表1.1.1所示。

19、所示。 光纤通信简明教程 原荣 23 表表1.1.1 光通信发展简史光通信发展简史 光纤通信简明教程 原荣 24 光纤通信的现状光纤通信的现状 进入进入21世纪，由于多种先进的调制技术、超强世纪，由于多种先进的调制技术、超强 FEC纠错技术、电子色散补偿技术、偏振复用纠错技术、电子色散补偿技术、偏振复用 相干检测技术、扩展到长波段（相干检测技术、扩展到长波段（L波段）的共波段）的共 掺磷和铒放大器（掺磷和铒放大器（P-EDFA）技术、低损耗和大）技术、低损耗和大 有效面积光纤等一系列新技术的突破和成熟，有效面积光纤等一系列新技术的突破和成熟， 以及有源和无源器件集成模块大量问世，出现以及有源和

20、无源器件集成模块大量问世，出现 了以了以40 Gb/s和和100 Gb/s为基础的为基础的WDM系统的系统的 应用。应用。 下一代高速相干光通信系统的目标是每信道传下一代高速相干光通信系统的目标是每信道传 输容量至少超过输容量至少超过100 Gb/s。 光纤通信简明教程 原荣 25 光纤通信的现状光纤通信的现状 光纤通信简明教程 原荣 26 1.2 光纤通信的优点光纤通信的优点 1. 频带宽、传输容量大频带宽、传输容量大 光纤通信简明教程 原荣 27 光纤频带宽、传输容量大光纤频带宽、传输容量大 在光纤通信系统中，作为载波的光波频率在光纤通信系统中，作为载波的光波频率 比电波频率高得多，而作为

21、传输介质的光比电波频率高得多，而作为传输介质的光 纤又比同轴电缆损耗低得多，因此相对于纤又比同轴电缆损耗低得多，因此相对于 电缆或微波通信，光纤通信具有许多独特电缆或微波通信，光纤通信具有许多独特 的优点。的优点。 电缆基本上只适用于数据速率较低的电缆基本上只适用于数据速率较低的LAN， 距离较长的高速局域网（距离较长的高速局域网（ 100Mb/s）和城）和城 域网（域网（MAN）必须采用光纤。）必须采用光纤。 光纤通信简明教程 原荣 28 光纤在光纤在 1 280 nm 1 620 nm的近红的近红 外波段，具有外波段，具有 6个传输窗口，采用密集波个传输窗口，采用密集波 分复用技术，这分复

22、用技术，这 6 个窗口从理论上讲可个窗口从理论上讲可 以提供多达以提供多达 10 000 个信道。个信道。 过去，通信线路是信号传输的技术过去，通信线路是信号传输的技术 瓶颈，但是自从使用光缆后，这个问题瓶颈，但是自从使用光缆后，这个问题 就不复存在了就不复存在了 。 光纤通信简明教程 原荣 29 全波光纤全波光纤 120014001600 衰减 衰减 波长波长 0.1 0.2 0.3 0.5 170015001300 0.4 0.6 窗口窗口O SCL U E (dB/km) ( nm ) 光纤通信简明教程 原荣 30 2. 损耗小、中继距离长损耗小、中继距离长 表表1.1.2给出了电缆和光

23、纤的每千米给出了电缆和光纤的每千米 传输损耗。由表可见，电缆的损耗传输损耗。由表可见，电缆的损耗 通 常 在 几 分 贝 到 十 几 分 贝 ， 而通 常 在 几 分 贝 到 十 几 分 贝 ， 而 1.55 m光纤的损耗通常只有光纤的损耗通常只有0.2 dB， 显然，电缆的损耗明显大于光纤，显然，电缆的损耗明显大于光纤， 有的甚至大几个数量级有的甚至大几个数量级 光纤通信简明教程 原荣 31 3. 重量轻、体积小重量轻、体积小 由于电缆体积和重量较大，安装时还必须慎重处由于电缆体积和重量较大，安装时还必须慎重处 理接地和屏蔽问题。在空间狭小的场合，如舰船理接地和屏蔽问题。在空间狭小的场合，如

24、舰船 和飞机中，这个弱点更显突出。和飞机中，这个弱点更显突出。 然而，光纤重量很轻，直径很小，即使做成光缆，然而，光纤重量很轻，直径很小，即使做成光缆， 在芯数相同的条件下，其重量还是比电缆轻得多，在芯数相同的条件下，其重量还是比电缆轻得多， 体积也小得多。通信设备的重量和体积对许多领体积也小得多。通信设备的重量和体积对许多领 域特别是军事、航空和宇宙飞船等方面的应用，域特别是军事、航空和宇宙飞船等方面的应用， 具有特别重要的意义。具有特别重要的意义。 在飞机上用光纤代替电缆，不仅降低了通信设备在飞机上用光纤代替电缆，不仅降低了通信设备 的成本，提高了通信的质量，而且降低了飞机的的成本，提高了

25、通信的质量，而且降低了飞机的 制造成本。分析表明，每降低制造成本。分析表明，每降低 12 kg，飞机制造成，飞机制造成 本就减少本就减少 27 万美元。万美元。 光纤通信简明教程 原荣 32 4. 抗电磁干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；路不受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损坏； 这些危害可能导致这些危害可能导致 LAN 部件甚至联网计算机部件甚至联网计算机 的损坏。在我国，已有不少的损坏。在我国，已有不少 LAN 遭到雷击导遭到雷击导 致计算机和致计算机和 LAN 部件损坏的情况；部

26、件损坏的情况； 所以无金属加强筋光缆非常适合于存在强电所以无金属加强筋光缆非常适合于存在强电 磁场干扰的高压电力线路周围、油田、煤矿磁场干扰的高压电力线路周围、油田、煤矿 和化工等易燃易爆环境中使用。和化工等易燃易爆环境中使用。 光纤通信简明教程 原荣 33 5. 泄漏小、保密性好泄漏小、保密性好 在现代社会中，不但国家的政治、军事和经济情在现代社会中，不但国家的政治、军事和经济情 报需要保密，企业的经济和技术情报也已成为竞报需要保密，企业的经济和技术情报也已成为竞 争对手的窃取目标。因此，通信系统保密性能是争对手的窃取目标。因此，通信系统保密性能是 用户往往必须考虑的一个问题。现代侦听技术已

27、用户往往必须考虑的一个问题。现代侦听技术已 能做到在离同轴电缆几公里以外的地方窃听电缆能做到在离同轴电缆几公里以外的地方窃听电缆 中传输的信号，可是对光缆却困难得多。因此，中传输的信号，可是对光缆却困难得多。因此， 要求保密性高的网络不能使用电缆。要求保密性高的网络不能使用电缆。 在光纤中传输的光泄漏非常微弱，即使在弯曲地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，因此信息在光纤中传输非常安全，对军事、分接，因此信息在光纤中传输非常安全，对军事、 政治和经济都有重要的意义。政治和经济都有重要的意义。 光

28、纤通信简明教程 原荣 34 6节约金属材料，有利于节约金属材料，有利于 资源合理使用资源合理使用 制造同轴电缆和波导管的金属材料，在制造同轴电缆和波导管的金属材料，在 地球上的储量是有限的；地球上的储量是有限的； 而制造光纤的石英（而制造光纤的石英（SiO2）在地球上是取）在地球上是取 之不尽的。之不尽的。 光纤通信简明教程 原荣 35 结结 论论 总之，由于通信用光纤都用石英玻璃和塑总之，由于通信用光纤都用石英玻璃和塑 料制成，是极好的电绝缘体，而且光信号料制成，是极好的电绝缘体，而且光信号 在光缆中传输时不产生泄漏，所以不存在在光缆中传输时不产生泄漏，所以不存在 电气危害、电磁干扰、接地、

29、屏蔽和保密电气危害、电磁干扰、接地、屏蔽和保密 性差等问题。再加上传输特性好的优点，性差等问题。再加上传输特性好的优点， 使光纤成为迄今为止最好的信息传输媒质。使光纤成为迄今为止最好的信息传输媒质。 因此，在短短的三十几年中，获得了迅速因此，在短短的三十几年中，获得了迅速 的发展，不管是在干线网上，还是在接入的发展，不管是在干线网上，还是在接入 网上。网上。 光纤通信简明教程 原荣 36 1.3 光纤通信系统光纤通信系统 1.3.1 光纤通信系统组成光纤通信系统组成 光纤通信简明教程 原荣 37 图图1.3.1 光纤通信系统的组成光纤通信系统的组成 用光纤传输信息的过程大致是这样的，在发送端，

30、把用户要用光纤传输信息的过程大致是这样的，在发送端，把用户要 传送的信号（如声音）变为电信号，然后使光源发出的光强传送的信号（如声音）变为电信号，然后使光源发出的光强 随电信号变化，这个过程称为调制，它把电信号变为光信号，随电信号变化，这个过程称为调制，它把电信号变为光信号， 最后用光纤把该光信号传送到远方；最后用光纤把该光信号传送到远方； 在接收端，用光电探测器接收光信号，并把光信号还原为携在接收端，用光电探测器接收光信号，并把光信号还原为携 带用户信息（如声音）的电信号，这个过程称为解调，最后带用户信息（如声音）的电信号，这个过程称为解调，最后 再变成用户能理解的信息（如声音）。再变成用户

31、能理解的信息（如声音）。 电信号 光信号调制光源解调 光中 继器 光探 测器 光纤光纤 电信号 光纤通信简明教程 原荣 38 光纤通信系统使用的器件光纤通信系统使用的器件 目前，光源通常用半导体激光器及其光电集成组件。光纤短目前，光源通常用半导体激光器及其光电集成组件。光纤短 距离用多模光纤，长距离用单模光纤。光电探测器用距离用多模光纤，长距离用单模光纤。光电探测器用PIN光光 电二极管或雪崩光电二极管（电二极管或雪崩光电二极管（APD）及其光电集成组件。调）及其光电集成组件。调 制器有使光信号强度随电信号变化的直接调制，这就像调幅制器有使光信号强度随电信号变化的直接调制，这就像调幅 收音机使电载波的幅度随声音的强弱变化一样；而另外一种收音机使电载波的幅度随声音的强弱变化一样；而另外一种 调制方式却不同，它不会使光信号强度随电信号强弱直接变调制方式却不同，它不会使光信号强度随电信号强弱直接变 化，而是使光源发出连续不断的光波，它的强度变化是通过化，而是使光源发出连续不断的光波，它的强度变化是通过 一个外调制器实现的，这种调制方式叫外调制。一个外调制器实现的，这种调制方式叫外