第一章 光纤通信概述

1、广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院光纤通信系统光纤通信系统2021-10-1312021-10-132广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信第二章第二章 光纤传输理论光纤传输理论第四章第四章 光源与光发射机光源与光发射机第三章第三章 光光/光纤器件光纤器件第五章第五章 光探测器与光接收机光探测器与光接收机第一章第一章 光纤通信概述光纤通信概述第六章第六章 光放大技术光放大技术第七章第七章 数字光纤通信系统数字光纤通信系统第八章第八章 模拟光纤通信系统模拟光纤通信系统本课程的主要内容本课程的主要内容2021-10-133广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信20

2、21-10-134广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信1-0 光纤通信是光电子学重要分支光纤通信是光电子学重要分支；光纤技术的发展简史光纤技术的发展简史；光纤通信的发展光纤通信的发展；光纤通信系统的基本组成与应用光纤通信系统的基本组成与应用；光纤通信的新发展光纤通信的新发展； 光学软件介绍光学软件介绍； 本章思考题本章思考题。第一章的主要内容第一章的主要内容2021-10-135广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信 光电子学，是研究以光子作为信息载体和能量光电子学，是研究以光子作为信息载体和能量载体的科学，研究光子是如何产生及其运动和转化载体的科学，研究光子

3、是如何产生及其运动和转化的规律，研究光子的产生、传输、控制和探测的科的规律，研究光子的产生、传输、控制和探测的科学技术。学技术。 光纤技术是光纤技术是光电子学光电子学的一个重要分支，于的一个重要分支，于20世世纪纪60年代中期开始发展，并且在年代中期开始发展，并且在光纤通信光纤通信和光纤传和光纤传感等领域得到广泛的应用，以及迅速的发展，已经感等领域得到广泛的应用，以及迅速的发展，已经改变了人类生活的许多方面，成为人类生活不可缺改变了人类生活的许多方面，成为人类生活不可缺少的部分。少的部分。 21世纪是光电子的世纪，光电子产业是世纪是光电子的世纪，光电子产业是21世纪世纪的支柱产业。的支柱产业。

4、光纤通信正在以超摩尔定律的速度发光纤通信正在以超摩尔定律的速度发展，其容量及光电器件的性能每展，其容量及光电器件的性能每9个月就会翻一番。个月就会翻一番。1-0 光纤通信是光电子学重要分支光纤通信是光电子学重要分支2021-10-136广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信光通信：光通信：高速大容量高速大容量光纤通信光纤通信、计算机互联网、自由、计算机互联网、自由空间光通信空间光通信光信息处理：光信息处理：光存储、光显示、复印、打印光存储、光显示、复印、打印光传感：光传感：各种物理量、化学量等检测各种物理量、化学量等检测光电检测光电检测/测量：测量：精密时间、几何量测量，比如激

5、光雷达、光精密时间、几何量测量，比如激光雷达、光遥感、光遥控、制导等遥感、光遥控、制导等（未完，转接下页未完，转接下页）光电子学的应用范畴光电子学的应用范畴1-0 光纤通信是光电子学重要分支光纤通信是光电子学重要分支2021-10-137广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信（下接上页）（下接上页）光能量方面：光能量方面：太阳能、激光加工、激光生物医疗、激光武太阳能、激光加工、激光生物医疗、激光武器等器等照明：照明：传统照明光路的设计、传统照明光路的设计、LED节能低碳照明。节能低碳照明。光学设计：光学设计：光学系统（光学镜头以及实现各种功能的光光学系统（光学镜头以及实现各种功

6、能的光路设计）、光电系统、光机电设备路设计）、光电系统、光机电设备光电子学的应用范畴光电子学的应用范畴1-0 光纤通信是光电子学重要分支光纤通信是光电子学重要分支2021-10-138广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信1880年，贝尔发明了第一个光电话，贝尔光电话年，贝尔发明了第一个光电话，贝尔光电话和烽火报警一样，都是利用大气作为光通道，光和烽火报警一样，都是利用大气作为光通道，光波传播易受气候条件的影响。波传播易受气候条件的影响。光纤技术的发展简史光纤技术的发展简史2021-10-139广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信光纤技术的发展简史光纤技术的发

7、展简史一、起源一、起源 1956年，英国人年，英国人Kapany首创光导纤维（光首创光导纤维（光纤）一词，并把柔性纤维镜应用于医学领域纤）一词，并把柔性纤维镜应用于医学领域（1951年），年），60年代，光导纤维的损耗大于年代，光导纤维的损耗大于1000dB/km。二、发展史与里程碑二、发展史与里程碑 1621年，荷兰的数学教授年，荷兰的数学教授Willebrodvan Roijen Snellius发现了著名的发现了著名的Snell定律。定律。 1870年年,英国皇家学会的英国皇家学会的John Tyndall演示演示了光在一束细水流中进行全内反射传输的现象。了光在一束细水流中进行全内反射传

8、输的现象。2021-10-1310广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信该实验也是证明全内反射现象存在的第一个实验。该实验也是证明全内反射现象存在的第一个实验。光纤技术的发展简史光纤技术的发展简史2021-10-1311广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信光纤技术的发展简史光纤技术的发展简史 从此，人们越来越多地用光导纤维传递光线从此，人们越来越多地用光导纤维传递光线和图像。和图像。问题：问题：光的衰减很厉害！光的衰减很厉害！ 1966年，英籍华人高锟年，英籍华人高锟(Kao C.)发表了具有发表了具有著名历史意义的论文著名历史意义的论文“Dielectric

9、-fibre Surface Waveguides for Optical Frequencies”（光频（光频介质纤维表面波导），理论上证明了玻璃光纤损介质纤维表面波导），理论上证明了玻璃光纤损耗可以降至耗可以降至20dB/km，为光纤通信和光纤的其他，为光纤通信和光纤的其他应用开辟了道路。应用开辟了道路。世界光纤之父：世界光纤之父：高锟高锟(Kao C.)2021-10-1312广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信照明（一）照明（一）照明（二）照明（二）公园夜景装饰公园夜景装饰室内灯光装饰室内灯光装饰世界光纤之父世界光纤之父高锟高锟2021-10-1313广东海洋大学理学

10、院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信光纤技术的发展简史光纤技术的发展简史 1970年，康宁玻璃公司年，康宁玻璃公司(Corning Glass Co.） Robert Maurer率先研制成功损耗低于率先研制成功损耗低于20dB/km 的石英光纤，取得了重要的技术突破；的石英光纤，取得了重要的技术突破；同年，美同年，美国贝尔实验室又成功地研制出能在常温下连续工国贝尔实验室又成功地研制出能在常温下连续工作的半导体激光器作的半导体激光器（GaAlAs）。光纤元年：光纤元年：1970年。年。2021-10-1314广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信光纤通信的发展光纤通信的发展什

11、么是光纤通信？什么是光纤通信？指利用光导纤维做传输介质，用光波来载送信息的指利用光导纤维做传输介质，用光波来载送信息的通信方式。通信方式。一、光纤通信的优点一、光纤通信的优点1. 频带宽，通信容量大；频带宽，通信容量大；2. 损耗小，传输距离长；损耗小，传输距离长；3. 抗电磁干扰：相互之间不会干扰，石英材料抗外抗电磁干扰：相互之间不会干扰，石英材料抗外界电磁干扰、抗雷电损坏；界电磁干扰、抗雷电损坏；2021-10-1315广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信光纤通信的发展光纤通信的发展4. 抗噪声干扰：石英材料抗电机、荧光灯等其他电抗噪声干扰：石英材料抗电机、荧光灯等其他电

12、器的电磁干扰；器的电磁干扰；5. 体积小，重量轻，成本低，便于施工；体积小，重量轻，成本低，便于施工；6. 保密性好，不向外辐射能量即使弯曲地段也无法保密性好，不向外辐射能量即使弯曲地段也无法窃听；窃听；7. 材料源丰富。材料源丰富。2021-10-1316广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信光纤通信的发展光纤通信的发展二、光纤通信的发展阶段二、光纤通信的发展阶段1. 第一代光纤通信系统第一代光纤通信系统 20世纪世纪70年代末投入营运，由年代末投入营运，由0.85 m的光的光源和多模光纤构成。源和多模光纤构成。0.85 m光纤损耗较大，传输带宽有限，因而第光纤损耗较大，传输

13、带宽有限，因而第一代只适用于低速率、短距离的传输。亚特兰大一代只适用于低速率、短距离的传输。亚特兰大第一条：第一条：44Mb/s，约，约10km。2. 第二代光纤通信系统第二代光纤通信系统 20世纪世纪80年代初投入营运，采用年代初投入营运，采用1.3 m的的LED或或LD作为光源，多模光纤作为传输介质。作为光源，多模光纤作为传输介质。2021-10-1317广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信光纤通信的发展光纤通信的发展 多模光纤的色散限制了传输速率，也只能应用多模光纤的色散限制了传输速率，也只能应用于低速率场合。于低速率场合。140Mb/s以下，距离以下，距离20km。3

14、. 第三代光纤通信系统第三代光纤通信系统 20世纪世纪80年代中期开始投入营运。年代中期开始投入营运。（1）1.3m的半导体激光器为光源，的半导体激光器为光源，1.3m的单模的单模光纤作为传输介质。典型的速率光纤作为传输介质。典型的速率140Mb/s，中继距离，中继距离大于大于30km。（2）1.55m激光器作为光源，激光器作为光源，1.55m的单模光纤的单模光纤作为传输介质。典型速率作为传输介质。典型速率565Mb/s、622Mb/s、2.488Gb/s，中继距离大于，中继距离大于100km，上世纪，上世纪80年代后年代后期大量投入使用。期大量投入使用。2021-10-1318广东海洋大学理

15、学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信光纤通信的发展光纤通信的发展4. 第四代光纤通信系统第四代光纤通信系统 特征：（特征：（1）WDM技术，在同一根光纤中同时技术，在同一根光纤中同时传输多个光载波信号；（传输多个光载波信号；（2）光纤放大器）光纤放大器(EDFA)直直接对光信号进行放大。接对光信号进行放大。速率为速率为10Gb/s以上（以上（40Gb/s），已投入营运。），已投入营运。5. 第五代光纤通信系统第五代光纤通信系统 (+第六代第六代,最后最后100米或米或1km) 基于光孤子技术实现超长距离传输。基于光孤子技术实现超长距离传输。光孤子：光孤子：特殊的光波，光脉冲传输很长距离后依

16、然特殊的光波，光脉冲传输很长距离后依然不变形、保持原有形状。光纤非线性压缩抵消光纤不变形、保持原有形状。光纤非线性压缩抵消光纤色散引起的脉冲展宽，实现光脉冲信号在传输过程色散引起的脉冲展宽，实现光脉冲信号在传输过程中保持其形状不变，即非线性效应补偿光纤色散。中保持其形状不变，即非线性效应补偿光纤色散。2021-10-1319广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信2.5Gb/s 10Gb/s 40Gb/s10Gb/s 40Gb/s20Gb/s 80Gb/s80Gb/s 320Gb/s3216841WDM 波长数波长数40Gb/s单波长比特率单波长比特率三、光纤通信的容量演进三、光

17、纤通信的容量演进光纤通信的发展光纤通信的发展2021-10-1320广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信四、光纤通信技术发展的精髓四、光纤通信技术发展的精髓-提高通信系统容量提高通信系统容量光纤通信的发展光纤通信的发展光纤通信知识、技术、招聘最新进展的光纤通信知识、技术、招聘最新进展的跟踪网站跟踪网站： www.c-www.c-; ; . . 2021-10-1321广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信光纤通信系统的基本组成与应用光纤通信系统的基本组成与应用一、光纤通信系统的基本组成一、光纤通信系统的基本组成 光纤通信，就是利用光纤来传输携带信息的光纤通信，

18、就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信的目的。其基本组成如下：光波以达到通信的目的。其基本组成如下：光放大器光放大器2021-10-1322广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信1. 信道（光纤线路）信道（光纤线路） 完成光信号（携带信息）的传输，由光纤完成光信号（携带信息）的传输，由光纤/光缆、光缆、光纤接头、光纤连接器组成，其中光纤具有两个重光纤接头、光纤连接器组成，其中光纤具有两个重要的特性参数：损耗和色散。要的特性参数：损耗和色散。 0.85m的约的约2dB/km，1.31m的约的约0.5dB/km，1.55m的约的约0.2dB/km。2. 光发射机光发射机 功能：

19、完成电信号功能：完成电信号光信号的转换，并把光信光信号的转换，并把光信号流耦合进光纤进行传输；由光源、驱动电路以及号流耦合进光纤进行传输；由光源、驱动电路以及其他辅助电路组成。核心部件：其他辅助电路组成。核心部件：LED或或LD光源。光源。通过电信号对光源的通过电信号对光源的调制调制实现电光转换。实现电光转换。光纤通信系统的基本组成与应用光纤通信系统的基本组成与应用2021-10-1323广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信3. 光接收机光接收机 功能：完成光信号功能：完成光信号(畸变、衰减的微弱光信号畸变、衰减的微弱光信号)电信号的转换；由光电探测器、放大器和相关处理电信号

20、的转换；由光电探测器、放大器和相关处理电路组成。核心部件：电路组成。核心部件：PIN或或APD光电探测器。光电探测器。通过光电探测器对微弱光信号的直接检测实现光电通过光电探测器对微弱光信号的直接检测实现光电转换。转换。驱动电路驱动电路 电信号电信号 光信号光信号直接调制实现电光转换：直接调制实现电光转换：光纤通信系统的基本组成与应用光纤通信系统的基本组成与应用2021-10-1324广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信4. 光放大器光放大器 直接检测微弱光信号实现转换：直接检测微弱光信号实现转换： 电信号电信号 光信号光信号放大器放大器处理处理电路电路中继器中继器 光信号光信

21、号 光信号光信号光纤放大器光纤放大器光纤通信系统的基本组成与应用光纤通信系统的基本组成与应用2021-10-1325广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信二、光纤通信系统的分类二、光纤通信系统的分类根据光纤的传导模数量，光纤通信系统可以分为多根据光纤的传导模数量，光纤通信系统可以分为多模光纤通信系统和单模光纤通信系统。模光纤通信系统和单模光纤通信系统。根据系统的工作波长，光纤通信系统可分为短波长根据系统的工作波长，光纤通信系统可分为短波长光纤通信系统、长波长光纤通信系统和超长波长光光纤通信系统、长波长光纤通信系统和超长波长光纤通信系统。纤通信系统。根据调制信号的类型，光纤通信系

22、统可以分为模拟根据调制信号的类型，光纤通信系统可以分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统。光纤通信系统和数字光纤通信系统。根据光源的调制方式，光纤通信系统可以分为直接根据光源的调制方式，光纤通信系统可以分为直接调制光纤通信系统和间接调制光纤通信系统。调制光纤通信系统和间接调制光纤通信系统。光纤通信系统的基本组成与应用光纤通信系统的基本组成与应用2021-10-1326广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信三、光纤通信的应用三、光纤通信的应用1. 全球电信中的应用。洲际光缆干线、各国公共电全球电信中的应用。洲际光缆干线、各国公共电信网，计算机互联网（局域网、广域网），有线电信网，

23、计算机互联网（局域网、广域网），有线电视网的干线和分配网；视网的干线和分配网；2. 作为危险环境下的通信线。诸如发电厂、化工厂、作为危险环境下的通信线。诸如发电厂、化工厂、石油库等场所；石油库等场所；3. 工业电视系统以及自动控制系统的数据传输。工工业电视系统以及自动控制系统的数据传输。工厂、银行、商场、交通和公安部门的监控。厂、银行、商场、交通和公安部门的监控。光纤通信系统的基本组成与应用光纤通信系统的基本组成与应用2021-10-1327广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信4. 应用于专用通信网。应用于电力、公路、铁路、应用于专用通信网。应用于电力、公路、铁路、矿山等通信

24、专网；矿山等通信专网；5. 满足不同网络层面的应用。骨干网层面、城域网满足不同网络层面的应用。骨干网层面、城域网层面、局域网层面等；层面、局域网层面等；6.光纤宽带综合业务数字网及光纤用户线。实现电光纤宽带综合业务数字网及光纤用户线。实现电话、数据、视频会议话、数据、视频会议/电话和多媒体业务综合接入核电话和多媒体业务综合接入核心网，以及各种各样的社区服务。心网，以及各种各样的社区服务。光纤通信系统的基本组成与应用光纤通信系统的基本组成与应用2021-10-1328广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信光纤通信的新发展光纤通信的新发展光纤通信最具代表性技术光纤通信最具代表性技术

25、WDM和和EDFA2021-10-1329广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信 总的来说，总的来说，BL使光通信向理想化方向发使光通信向理想化方向发展。展。发展趋势中的技术更新发展趋势中的技术更新1. 向超高速系统发展；向超高速系统发展；2. 向超大容量向超大容量DWDM系统演进；系统演进；3. 向光传送网方向发展；向光传送网方向发展；4. 向向G.655光纤发展（开发新型光纤）；光纤发展（开发新型光纤）；5. 光孤子通信；光孤子通信；6. 光纤放大器；光纤放大器；7. 全光通信（两个含义）。全光通信（两个含义）。光纤通信的新发展光纤通信的新发展2021-10-1330广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信超高速超高速大容量大容量长距离长距离网络化网络化一根光纤中可同时传输一百一根光纤中可同时传输一百多路信号，采用特殊技术多路信号，采用特殊技术甚至可以同时传输甚至可以同时传输10221