光纤通信第1章(禁止上传)

1、课程名称：光纤通信课程名称：光纤通信任课教师：毛昕蓉任课教师：毛昕蓉联系方式：联系方式：考核方式：考试考核方式：考试学时：学时：52 学分：学分：3.0课前准备知识课前准备知识 通信：传输、交换、处理通信：传输、交换、处理 光纤通信：以光纤通信：以光波光波为载波，以为载波，以光导纤维光导纤维为传输为传输媒质的一种通信方式。媒质的一种通信方式。 本课程的特点：专业课（基础课、专业基础课本课程的特点：专业课（基础课、专业基础课的区别）的区别） 要求：提高自学能力、建立总体构架要求：提高自学能力、建立总体构架 前序课程：通信原理、交换技术、电磁场与电前序课程：通信原理、交换技术、电磁场与电磁波磁波

2、学习方法：注意连接词，章节间的关系。记笔学习方法：注意连接词，章节间的关系。记笔记（两本合一），多阅读几本书记（两本合一），多阅读几本书 成绩分布成绩分布： 考核方式：考试考核方式：考试 平时平时30% ，期中，期中20% ，期末，期末50%（闭卷）。（闭卷）。 课程编排：基础理论知识课程编排：基础理论知识 通信用光源通信用光源 光通信信道光通信信道 光检测器与光放大器光检测器与光放大器 光学网络器件光学网络器件 光纤通信系统光纤通信系统 新技新技术术 光纤通信网（接入网、光纤通信网（接入网、SDH传送传送网）网） 空间光通信系统空间光通信系统 公邮：公邮： 密码：密码：201409参参 考考

3、 书书 现代光纤通信与网络教程现代光纤通信与网络教程 张宝富张宝富 人邮人邮 光通信原理与技术光通信原理与技术 李玉权李玉权 科学出版社科学出版社 光网络实用指南光网络实用指南（美）（美） 王廷华译王廷华译 清华清华 光纤通信光纤通信 刘增基刘增基 西电西电 光纤通信光纤通信 顾畹仪顾畹仪 人邮人邮 原荣原荣 解金山解金山 邱昆邱昆第第1 章章 概概 论论第第2 章章 通信用光源通信用光源第第3 章章 光通信信道光通信信道第第4 章章 光检测器与光放大器光检测器与光放大器第第5 章章 光学网络器件光学网络器件第第6 章章 光纤通信系统光纤通信系统第第7 章章 光通信新技术光通信新技术第第8 章

4、章 空间光通信系统空间光通信系统 目目 录录11 光纤通信发展的历史和现状光纤通信发展的历史和现状（回顾）（回顾） 1.1.1 探索时期的光通信探索时期的光通信 1.1.2 现代光纤通信现代光纤通信 1.1.3 国内外光纤通信发展的现状国内外光纤通信发展的现状1 2 光纤通信的优点和应用光纤通信的优点和应用（了解）（了解） 1.2.1 光通信与电通信光通信与电通信 1.2.2 光纤通信的优点光纤通信的优点 1.2.3 光纤通信的应用光纤通信的应用1 3 光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成（掌握）（掌握） 1.3.1 发射和接收发射和接收 1.3.2 基本光纤传输系统基本光纤传输系统

5、第第 1 章章 概概 论论返回主目录14 空间光通信系统空间光通信系统（了解）（了解） 1.4.1 空间光通信概述空间光通信概述 1.4.2 空间光通信的定义空间光通信的定义 1.4.3 空间光通信系统的组成空间光通信系统的组成1 5 空间光通信的关键技术空间光通信的关键技术（了解）（了解）1 6 通信链路分析通信链路分析（了解）（了解） 1.1 光纤通信发展的历史和现状光纤通信发展的历史和现状 1.1.1 探索时期的光通信探索时期的光通信 由于没有找到稳定可靠的光源和低损耗的传输介质稳定可靠的光源和低损耗的传输介质， 对光通信的研究曾一度走入了低潮。 1960年，美国人梅曼(Maiman)发

6、明了第一台红宝石激光器，给光通信带来了新的希望。激光器的发明和应用，激光器的发明和应用， 使沉睡了使沉睡了80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。 1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波光波作载波传送话音的“光电话”。贝尔光电话是现代光通信的雏型贝尔光电话是现代光通信的雏型。 原始形式的光通信:中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传送信息。 1.1.2 现代光纤通信现代光纤通信 1966年，英籍华裔学者英籍华裔学者高锟高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤(Optical Fiber)进

7、行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信光纤通信光纤通信的基础。 指明通过指明通过“原材料的提纯制造出适合于原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤长距离通信使用的低损耗光纤”这一发展方这一发展方向。向。获得2009诺贝尔物理学奖“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”取得了突破性成就 获得了物理学奖一半的获得了物理学奖一半的奖金，共奖金，共500万瑞典克朗万瑞典克朗（约合（约合70万美元）；万美元）；博伊尔和史密斯发明了博伊尔和史密斯发明了半导体成像器件半导体成像器件电电荷耦合器件（荷耦合器件（CCD）图）图像传感器，将分享今年像传感器，将分享今年物理学奖另一半奖金。物理学

8、奖另一半奖金。 1970年，年，光纤光纤研制取得了重大突破研制取得了重大突破 1970年，美国康宁(Corning)公司研制成功损耗20dB/km的石英光纤。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。 1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/km。 1979 年是0.20 dB/km，1984年是0.157 dB/km，1986 年是0.154 dB/km， 接近了光纤最低损耗的理论极限（光纤最低损耗的理论极限（0.148 dB/km ）。 1970 年，光纤通信用年，光纤通信用光源光源取得了实质性的进展取得了实质性的进展 1970年，美国贝尔实验

9、室、日本电气公司(NEC)和前苏联先后，研制成功室温下连续振荡室温下连续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器(短波长)。虽然寿命只有几个小时，但它为半导体激光器的发展奠定了基础。 1979年美国电报电话(AT&T)公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为1.55 m的连续振荡半导体激光器。 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 年成为光纤通信发展的一个重要里程碑年成为光纤通信发展的一个重要里程碑 实用实用光纤通信系统光纤通信系统的发展的发展 1976 年，美国在亚特兰大(Atlanta)进行了世界上第一个实世界上第一个实用光纤通

10、信系统的现场试验用光纤通信系统的现场试验。 第一条横跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系统于1989年建成。从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全球通信网的发展。光纤通信的发展可以粗略地分为四个阶段光纤通信的发展可以粗略地分为四个阶段： 第一阶段(19661976年)，这是从基础研究到商业应用的开发时期。 第二阶段(19761986年)，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。 第三阶段(19861996年)，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。 第四阶段(1996年至今)，实现了超大容量的波分复用（WDM）光纤通

11、信系统及基于WDM好波长选路的光网络；正研究超长距离的光孤子通信系统。光纤通信系统的发展 波长 模式 损耗 中继距离 容量 话路数第一代 78 0.85m MM 2dB/km 10km 50100Mb/s 480第二代 87 1.31m MM 0.30.45 50km 1.7Gb/s 1920第三代 90 1.55m SM 0.2 100km 2.4Gb/s 7680第四代 WDM+EDFA 14300km 5Gb/s 第五代 光孤子通信光孤子通信 光孤子通信解决色散问题：光纤的色散使光脉冲展宽，光纤的非线性效应使光脉冲受到压缩。只需在光纤的非线性和色散效应之间取得平衡，则光脉冲在光纤中传输其

12、形状不变，这样的光脉冲称为光孤子（光脉冲信号保形传输）光孤子（光脉冲信号保形传输）。 1.1.3 国内外光纤通信发展的现状国内外光纤通信发展的现状 1976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从基础研究发展到了商业应用的新阶段。 此后，光纤通信技术不断创新：光纤从多模发展到单模多模发展到单模，工作波长从0.85 m发展到1.31 m和1.55 m(短波长向长波短波长向长波长长），传输速率传输速率从几十Mb/s发展到几十Gb/s。 随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不断下光纤价格不断下降降，应用范围

13、不断扩大。 目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的支柱。 在许多发达国家，生产光纤通信产品的行业已在国民经济在许多发达国家，生产光纤通信产品的行业已在国民经济中占重要地位中占重要地位。光纤通信整体发展时间表光纤通信整体发展时间表1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 100000 10000 1000 100 10 1 0.1 0.8m多模1.3m单模1.55m直接检测光孤子光放大器1.55m相干检测系统性能(Gb/sKm）1.2 光纤通信的优点和应用光纤通信的优点和应用 1.2.1 光通信与电

14、通信光通信与电通信任何通信系统追求的最终技术目标都是要可靠地实现最大最大可能的信息传输容量传输容量和传输距离传输距离。通信系统的传输容量传输容量取决于对载波调制的频带宽度频带宽度，载波载波频率越高，频带宽度越宽频率越高，频带宽度越宽。光通信的主要特点光通信的主要特点 载波频率高；频带宽度宽载波频率高；频带宽度宽（图 1.1 ） 光通信利用的传输媒质光通信利用的传输媒质-光纤，可以在宽波长范围内光纤，可以在宽波长范围内获得很小的损耗。获得很小的损耗。 （图 1.2 ）图 1.1 部分电磁波频谱（1）、（2）100 THz10 THz1 THz100 GHz10 GHz1 GHz100 MHz10

15、 MHz1 MHz1 m可见光线10 m100 m1 m m10 m m100 m m1 m10 m100 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 1.2.2 光纤通信的光纤通信的优点优点 容许频带很宽，传输容量很大容许频带很宽，传输容量很大 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 重量轻、重量轻、 体积小体积小 抗电磁干扰性能好抗电磁干扰性能好 泄漏小，泄漏小， 保密性能好保密性能好 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

16、 光纤通信的光纤通信的缺点缺点： 光纤质地脆，机械强度低光纤质地脆，机械强度低 要求比较好的切断、连接技术（当发生断纤时）要求比较好的切断、连接技术（当发生断纤时） 分路、耦合比较麻烦分路、耦合比较麻烦 1.2.3 光纤通信的光纤通信的应用应用 光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤在通信网、广播电视网与计算机网，以及在其它数据传输系统中， 都得到了广泛应用。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如下： 通信网通信网 构成因特网的计算机局域网和广域网构成因特网的计算机局域网和广域网 有线电视网的干线和分配网有线电视网的干线和分配网

17、 综合业务光纤接入网综合业务光纤接入网 ATMInternet骨干网骨干网DDN/ FRPSTN/ISDNTV业务分配节点业务分配节点 (COT)(COT)业务接入节点（业务接入节点（RTRT）网管网管SNMP与电信网管中心相连Q3100/1000ME1/BRA/PRA155M622M SDH典型应用之一：宽带综合业务光纤接入系统拓扑结构SNMP简单网络管理协议简单网络管理协议典型应用之二：作为校园网的骨干传输网通信系统通信系统将一个用户的信息传送给另一个用户的全部将一个用户的信息传送给另一个用户的全部设备。设备。信信息息源源信信源源编编码码信信道道编编码码信信道道解解码码信信源源解解码码信信

18、息息宿宿调调制制解解调调信道信道光纤通信系统组成：光纤通信系统组成：光发射机光发射机、光接收机光接收机、光纤光纤、各种耦合、各种耦合器等组成的信息传输系统。器等组成的信息传输系统。TR1.3 1.3 光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成 下图示出单向传输的光纤通信系统，包括下图示出单向传输的光纤通信系统，包括发射发射、接收接收和作和作为广义信道的基本为广义信道的基本光纤传输系统光纤传输系统。信息源电发射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 基本光纤传输系统的三个组成部分基本光纤传输系统的三个组成部分1 1、光发送机

19、、光发送机组成框图：组成框图：光源、驱动器、调制器光源、驱动器、调制器 光光 源源调制器调制器通道耦合器通道耦合器电信号输入电信号输入光输出光输出驱动电路驱动电路)( 1)(lg10)(mvmvpdBmp结构参数：结构参数：发送功率，发送功率，dBm概念概念作用：作用：电信号转变成光信号（电信号转变成光信号（E/O转换转换），并将光信号耦合进入传），并将光信号耦合进入传输光纤中。输光纤中。如何实现如何实现E/O转换转换电信号对光的调制的实现方式电信号对光的调制的实现方式 直接调制直接调制 用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使

20、输出光随电信号变化而实现的。使输出光随电信号变化而实现的。 这种方案技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率这种方案技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。受激光器的频率特性所限制。 外调制外调制 把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。输出光而实现的。 外调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高，外调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用 图图 1.5 1.5 两种调制方案两种调

21、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) ) 激光源激光源驱动器驱动器光纤光纤光信号输出光信号输出电信号电信号输入输入(a)(a)激光源激光源调制器调制器驱动和控制驱动和控制电信号输入电信号输入光纤光纤光信号输出光信号输出(b)(b) 2. 光纤线路光纤线路 功能：功能：是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失失真真)和衰减传输到光接收机和衰减传输到光接收机 组成组成:光纤、光纤接头和光纤连接器光纤、光纤接头和光纤连接器 低损耗低损耗 “窗口窗口”：普通石英光纤在近红外波段，除杂质吸收普通

22、石英光纤在近红外波段，除杂质吸收峰外，其损耗随波长的增加而减小，在峰外，其损耗随波长的增加而减小，在0.85 m、1.31 m和和1.55 m有三个损耗很小的波长有三个损耗很小的波长“窗口窗口”，见后图。，见后图。 光源光源激光器的发射波长和激光器的发射波长和光检测器光检测器光电二极管的波长响应，光电二极管的波长响应，都要和光纤这三个都要和光纤这三个波长窗口相一致波长窗口相一致。 目前在实验室条件下，目前在实验室条件下，1.55 m的损耗已达到的损耗已达到0.154 dB/km， 接近石英光纤损耗的理论极限。接近石英光纤损耗的理论极限。0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1

23、.4 1.5衰减（衰减（dB/km）第一窗口第一窗口第二窗口第二窗口波长波长（m）图图1.6 普通单模光纤的衰减随波长变化示意图普通单模光纤的衰减随波长变化示意图6 5 4 3 2 10。40。2第三窗口第三窗口 C 波段波段15251565nm 1.57 1.62 L波段波段 主要传输特性参数主要传输特性参数： 损耗损耗 、色散、色散 （影响光纤通信系统（影响光纤通信系统的传输距离和传输容量）的传输距离和传输容量） 损耗随波长的增加而减少损耗随波长的增加而减少 0.850.85mm、1.31m1.31m、1.55m1.55m 2dB/km 2dB/km、0.4dB/km0.4dB/km、0.

24、2dB/km0.2dB/km 零色散：零色散：石英光纤在石英光纤在1.31m1.31m处，色散为零处，色散为零 若通过光纤设计，将零色散波长移至若通过光纤设计，将零色散波长移至 =1.55m 1.55m 处，可实处，可实现损耗和色散都最小现损耗和色散都最小色散移位光纤色散移位光纤G.653G.6533 3、光接收机、光接收机功能功能：（O/EO/E转换）是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换转换）是把从光纤线路输出、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为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号组成部分：组成部分：耦合器，光电检测器，解调器

25、耦合器，光电检测器，解调器组成框图：组成框图：电子电路电子电路光输入光输入耦合器耦合器光电检测器光电检测器解调器解调器电信号输出电信号输出结构参数：结构参数：接收机灵敏度，定为接收机灵敏度，定为BER10BER10-9-9条件下，所要求的最小平均接收条件下，所要求的最小平均接收功率。用功率。用SrSr（dBmdBm）来表示，）来表示，接收机灵敏度接收机灵敏度是反映光纤通信系统质量好坏的是反映光纤通信系统质量好坏的综合性指标。综合性指标。检测方式：检测方式：直接检测和外差检测直接检测和外差检测1.4 1.4 空间光通信系统空间光通信系统1.4.11.4.1空间光通信概述空间光通信概述 随着通信业

26、务量的大量增加，随着通信业务量的大量增加，“电波窗口电波窗口”日益日益拥挤，卫星通信采用传统的微波通信技术已经不能满拥挤，卫星通信采用传统的微波通信技术已经不能满足未来军事及商业的需要，如果采用较高的光频段作足未来军事及商业的需要，如果采用较高的光频段作为信息载体实现卫星通信将使这一问题得到很好的解为信息载体实现卫星通信将使这一问题得到很好的解决。决。空间光通信与传统的微波通信相比，其显著的优点为：空间光通信与传统的微波通信相比，其显著的优点为： （1）通信容量大通信容量大，载波频率的增加增大了传输带宽，载波频率的增加增大了传输带宽，因此也增加了整个系统的通信容量。因此也增加了整个系统的通信容

27、量。 （2）体积小体积小，短波长的光通信天线尺寸成倍的减少，短波长的光通信天线尺寸成倍的减少，设备体积明显减小。设备体积明显减小。 （3）功耗低功耗低，因为激光的发散角很小，能量高度集中，因为激光的发散角很小，能量高度集中，落在接收机望远镜天线上的功率密度高，发射机的发落在接收机望远镜天线上的功率密度高，发射机的发射功率可大大降低，功耗相对较低。射功率可大大降低，功耗相对较低。 （4）空间光通信系统具有较低的建造经费和维护经费，）空间光通信系统具有较低的建造经费和维护经费，不需要铺设光纤，整个空间光通信系统的不需要铺设光纤，整个空间光通信系统的造价和建设造价和建设经费较低经费较低。 （5）抗干扰和保密性好的优点抗干扰和保密性好的优点，因为光通信的传输光，因为光通信的传输光束非常窄，接收区域很小，所以很难探测到。束非常窄，接收区域很小，所以很难探测到。 正因为空间光通信具有抗电磁干扰和防窃听的突正因为空间光通信具有抗电磁干扰和防窃听的突出特点，可保障出特点，可保障天基综合信息网天基综合信息网的信息安全