光纤通信教案绪论

1、 深圳市讯方通信技术有限公司深圳市讯方通信技术有限公司 光传输光传输VoIP & Internet大客户专线宽带接入IPTV3GIP SAN2G第一章第一章 光纤通信概述光纤通信概述 早期目视光通信阶段早期目视光通信阶段 很早很早以前，古人就知道利用很早很早以前，古人就知道利用可见光可见光来传递信号来传递信号和信息和信息利用大气来传播可见光，由人眼来接收。利用大气来传播可见光，由人眼来接收。3 3千多年前，中国古代的烽火台千多年前，中国古代的烽火台欧洲人的旗语欧洲人的旗语信号弹信号弹, ,交通灯交通灯 ，狼烟、火把、照明灯。，狼烟、火把、照明灯。v 光电话通信阶段光电话通信阶段 现代光

2、通信的历史，一般都从光电话的发明开现代光通信的历史，一般都从光电话的发明开始算起。始算起。 1880年，美国人贝尔（年，美国人贝尔（Bell）发明发明了用光波作载波传送话音的了用光波作载波传送话音的“光电话光电话”。利用利用太阳光太阳光作光源，成功进行了光电话的实作光源，成功进行了光电话的实验验 ，传输距离，传输距离200多米。多米。说明：利用光波作为载波传送信息是可行的说明：利用光波作为载波传送信息是可行的。要解决两个问题 有稳定的、低损耗的传输媒质 光在大气中的传送要受到气象条件的很大限制，比如在遇到下雨、下雪、阴天、下雾等情况，就会看不远和看不清，这叫做大气的能见度降低，使信号传输受到很

3、大阻碍。 高强度的、可靠的光源 太阳光、灯光等普通的可见光源，都不适合作为通信的光源。 v光源的探索光源的探索阶段阶段 认识一下激光认识一下激光 激光（激光（LASER）：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation-受激辐受激辐射的光放大。射的光放大。 和普通光源相比，激光的和普通光源相比，激光的优点优点 单色性好单色性好 相干性高相干性高 方向性强方向性强 频率稳定，约为频率稳定，约为300THZTHZ。这种光的频率比已经广泛这种光的频率比已经广泛应用的微波（应用的微波（1 1GHzGHz40GHz40GHz）的频率高近万倍

4、。的频率高近万倍。激激光来光来传送信息从理论上来说，通信的容量可以比微波通信的传送信息从理论上来说，通信的容量可以比微波通信的容量也大近万倍！容量也大近万倍！ 1960年年7月月8日，美国科学家梅曼发明了第一台红宝石日，美国科学家梅曼发明了第一台红宝石激光器激光器(LASER) ，给光通信带来了新的希望，研究现，给光通信带来了新的希望，研究现代化光通信的时代开始。（在室温下不能连续工作代化光通信的时代开始。（在室温下不能连续工作 ） 1970年，贝尔研究所的林严雄等人研制出能在室温下年，贝尔研究所的林严雄等人研制出能在室温下连续工作的半导体激光器。连续工作的半导体激光器。 这种激光器只有米粒大

5、小，尽管最初的激光器寿这种激光器只有米粒大小，尽管最初的激光器寿命很短，但它已被认为可以作为光通信的光源。命很短，但它已被认为可以作为光通信的光源。 第一种方式第一种方式:使激光在大气中传输使激光在大气中传输v 通信能力和质量受周围大气环境的影响很大，如雨通信能力和质量受周围大气环境的影响很大，如雨可造成可造成30dB/km的损耗，浓雾衰减可达的损耗，浓雾衰减可达120dB/km 传输光路的探索 10 10dB/kmdB/km的损耗意味着输入的信号传送的损耗意味着输入的信号传送1 1公里后公里后只剩下十分之一只剩下十分之一 20 20dB/kmdB/km的损耗意味着输入的信号传送的损耗意味着输

6、入的信号传送1 1公里后公里后只剩下百分之一只剩下百分之一 30 30dB/kmdB/km的损耗意味着输入的信号传送的损耗意味着输入的信号传送1 1公里后公里后只剩下千分之一只剩下千分之一v第二种方式：把光束限制在特定空间第二种方式：把光束限制在特定空间 透镜波导：在金属管内每隔一定距离安装一个透镜波导：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聚到下一个透透镜，每个透镜把经传输的光束聚到下一个透镜而实现。镜而实现。图图 透镜波导透镜波导 反射镜波导：反射镜波导：用与光束传输方向成用与光束传输方向成4545度角的两度角的两个平行反射镜代替透镜而构成。个平行反射镜代替透镜而构成。

7、首先：现场施工中校准和安装十分复杂；首先：现场施工中校准和安装十分复杂；其次：地面活动对波导影响很大其次：地面活动对波导影响很大 必须把波导深埋或选择在人车稀少的地区使用。必须把波导深埋或选择在人车稀少的地区使用。 光纤即玻璃纤维（透明度很高的石英玻璃丝）光纤即玻璃纤维（透明度很高的石英玻璃丝） ，人们用，人们用它制造了医疗上用的内窥镜，如做成胃镜，可以观察到它制造了医疗上用的内窥镜，如做成胃镜，可以观察到距离体内距离体内1 1米左右的情况。但是它的衰减损耗特别大，只米左右的情况。但是它的衰减损耗特别大，只能传输很短的距离。直到能传输很短的距离。直到2020世纪世纪6060年代，最好的光纤的年

8、代，最好的光纤的损耗仍在损耗仍在10001000dB/kmdB/km以上。这是不能用于通信的。以上。这是不能用于通信的。 现代光纤通信现代光纤通信 光纤的发展光纤的发展1966年年7月，英籍华裔学者月，英籍华裔学者高锟高锟大胆预言：只要能设法大胆预言：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降低玻璃纤维的杂质，就有可能使光纤的损耗从1000dB/km降低到降低到20dB/km，甚至更低，从而可以用于甚至更低，从而可以用于通信通信。v (1) 光通信在大气中进行时，对天气情况十分敏感。光通信在大气中进行时，对天气情况十分敏感。 v (2) 大气的特性决定了它的密度或折射率不均匀，以及

9、大气的特性决定了它的密度或折射率不均匀，以及大气湍流的影响，使光线发生漂移和抖动，致使通信的大气湍流的影响，使光线发生漂移和抖动，致使通信的信噪比变劣、衰减增大、传输不稳定、传输距离也变短信噪比变劣、衰减增大、传输不稳定、传输距离也变短。v (3) 要求大气传输设备设在高处，收发两地直线可见。要求大气传输设备设在高处，收发两地直线可见。这种要求必然使光通信的应用范围受到限制。这种要求必然使光通信的应用范围受到限制。v 与光通信相比，电通信的成熟运用要早的多。从二十世与光通信相比，电通信的成熟运用要早的多。从二十世纪纪30年代开始，无线电载波通信获得迅速的发展，如电年代开始，无线电载波通信获得迅

10、速的发展，如电缆通信微波中继、直至后来的卫星通信等，电通信系缆通信微波中继、直至后来的卫星通信等，电通信系统遍及世界的各个角落。其频域涉及低频到高频的几乎统遍及世界的各个角落。其频域涉及低频到高频的几乎所有频段，由于复用技术的发展，电通信的容量得到了所有频段，由于复用技术的发展，电通信的容量得到了尽可能的利用。尽可能的利用。v 然而电通信的固有缺点，如信道容量受限、投资大、设然而电通信的固有缺点，如信道容量受限、投资大、设备复杂等，使得人们期待着新的通信方式的出现。备复杂等，使得人们期待着新的通信方式的出现。v 1960 年梅曼（年梅曼（T.H.Maiman）发明了红宝石激光器，产）发明了红宝

11、石激光器，产生了单色相干光，使高速的光调制成为可能。他的发明生了单色相干光，使高速的光调制成为可能。他的发明，重新点燃了人们利用光进行通信的希望。美国林肯实，重新点燃了人们利用光进行通信的希望。美国林肯实验室率先利用氦氖激光器通过大气传输了一路彩色电视验室率先利用氦氖激光器通过大气传输了一路彩色电视。随后，越来越多的研究者投入到光通信的试验中。随后，越来越多的研究者投入到光通信的试验中。v 光载波具有极高的频率，高达光载波具有极高的频率，高达1014Hz以上，而一般无线以上，而一般无线电载波的频率最高只有电载波的频率最高只有106108Hz，可见光作载波进行，可见光作载波进行通信，其容量是微波

12、通信方式的万倍以上，具有极大的通信，其容量是微波通信方式的万倍以上，具有极大的吸引力。这就不难理解为什么科学家们在不断探索光通吸引力。这就不难理解为什么科学家们在不断探索光通信的原因。信的原因。v 科学家们发现，要使光通信取得电通信那样的辉煌科学家们发现，要使光通信取得电通信那样的辉煌，仅仅有了红宝石激光器那样的光源还不够，还必，仅仅有了红宝石激光器那样的光源还不够，还必须克服在大气传输中的那些缺欠，即寻找合适的光须克服在大气传输中的那些缺欠，即寻找合适的光信道。为此，有人试验了一种透镜光波导，即利用信道。为此，有人试验了一种透镜光波导，即利用一个很长的管子，管道内置一定数量的透镜，以便一个很

13、长的管子，管道内置一定数量的透镜，以便诱导光的转折，使光在管子内传输，但这种方法安诱导光的转折，使光在管子内传输，但这种方法安装复杂，机械精度要求极高，对环境要求也极为苛装复杂，机械精度要求极高，对环境要求也极为苛刻，故此无法实用。此外，人们还试验过光圈波导刻，故此无法实用。此外，人们还试验过光圈波导、气体透镜波导等，想用它们作为传送光波的媒体、气体透镜波导等，想用它们作为传送光波的媒体以实现通信，但终因衰减过大或者造价昂贵而无法以实现通信，但终因衰减过大或者造价昂贵而无法实用化。实用化。 高锟博士首次从理论上分析证明了用光纤做介质传输作为光通信的可能性。 1966年，英藉华人科学家高锟博士（

14、年，英藉华人科学家高锟博士（C.K.Kao）在）在PIEE 杂志上发表了一篇杂志上发表了一篇十分著名的文章十分著名的文章用于光频的光纤表面波导用于光频的光纤表面波导，阐述了利用玻璃制作通信光，阐述了利用玻璃制作通信光导纤维（即光纤）的可行性，即使用光纤这种玻璃丝引导光波转弯，实现通导纤维（即光纤）的可行性，即使用光纤这种玻璃丝引导光波转弯，实现通信。该文根据介质波导理论，从理论上分析、证明了用光纤作为传输媒体以信。该文根据介质波导理论，从理论上分析、证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性，并设计了通信用光纤的波导结（即阶跃光纤）。实现光通信的可能性，并设计了通信用光纤的波导结（即阶跃光纤）。鉴于高锟博士所作出的巨大贡献，2009年他被授予诺贝尔物理奖v1966年“光纤之父”高锟博士首次提出光纤通信的想法。v1970年贝尔研究所林严雄在室温下可连续工作的半导体激光器。v1970年康宁公司的卡普隆(Kapron) 之作出损耗为20dB/km光纤。v1977年芝加哥第一条45Mb/s的商用线路。v1993年，SDH产品开始商用化 v1997年，10Gb/s的SDH产品进入商用化阶段。v2000年，DWDM密集