光纤通信原理

1、光纤通信原理周 东电子科技大学通信学院第一章 概述本章内容l什么是光纤通信l光和光波波谱l光纤通信的特点l光纤通信系统的组成l光纤通信的发展与趋势本章重点和难点本章重点l 光纤通信系统的基本组成。l 光纤通信的特点。本章难点l 光纤通信的光波波谱。本章学习的目的和要求l掌握光纤通信的概念。l掌握光纤通信的组成及特点。l了解光纤通信的产生及发展。什么是光纤通信l利用光波作为信息载频、光导纤维作为传输媒介的通信方式，称为光纤通信。l光纤通信技术的发展十分迅速，已经起到了举足轻重的地位，发展前景十分广阔。 1. 光纤通信的光波波谱11 光波波谱l 光波是电磁波，光波范围包括红外线、可见光、紫外线，其

2、波长范围为：300m6103m。l 可见光由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色的连续光波组成，其中红光的波长最长，紫光的波长最短。波长再短就是X射线、射线。l 电磁波波谱图如图1-1所示。图1-1电磁波波谱图1.2 光纤通信的光波波谱l 光纤通信的波谱在1.671014Hz3.751014Hz之间，即波长在0.8m1.8m之间，属于红外波段l0.8m0.9m称为短波长，l1.0m1.8m称为长波长，l2.0m以上称为超长波长。表1-1各种单位的换算公式c3108m/s1MHz（兆赫）106 Hzc/f1GHz（吉赫）109 Hz1m（微米）106m1THz（太赫）1012Hz1nm（纳米）10

3、9m1PHz（拍赫）1015 Hz1（埃）1010m2. 光纤通信的特点2.1 光纤通信的主要优点（1）传输频带宽、通信容量大（2）传输损耗小 中继距离长（3）抗电磁干扰能力强 保密性能好（4）体积小、重量轻（5）原材料来源丰富潜在价格低廉2.2 光纤通信与电通信的比较l通信方式的主干为信息载体和传输媒介l光纤通信用光作为传输信号，即光作为信息载体；而电通信以电信号（电磁波）作为信息载体；l光纤通信用光纤/光缆作为传输线路，即光纤作为传输媒介；而电通信以电导线或大气空间作为传输媒介；3. 光纤通信系统的基本组成3.1 强度调制直接检波通信系统的组成这是目前最常采用的光纤通信方式。优点是结构简单

4、，由光发射机、光纤和光接收机组成。l信息采用数字编码；l编码后的电信号对光波强度直接调制（光波强度大小或有无对应相应的电信号；l调制光信号经过光纤传输；l接收端对光波强度直接检波（测）恢复出电信号；图1-2 数字光纤通信系统方框图光发射机l光发射机的作用就是进行电/光转换，并把转换成的光脉冲信号码流输入到光纤中进行传输。l光源器件一般是LED和LD。光接收机l光接收机的作用就是进行光/电转换。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l光收器件一般是PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管。3.2 调制方式l电信号对光调制的实现方式l直接调制直

5、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，使输出光随电信号变化而实现的。分为模拟和数字信号的直接调制l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输出光而实现的。模拟调制和数字调制l模拟调制 用连续变化（参数取值连续）的模拟信号对光进行调制，使输出光功率大小随模拟信号而变化。强调的是变换过程中信号和信息之间的线性关系。l数字调制 用（参数取值离散，如脉冲的有和无、电平的高和低等代表信息）的数字信号对光进行调制，使输出光功率以“大”和“小”、“有”和“无”来表示对应的数字脉冲信号。强调的是信号和信息之间的一一对应关系；3.3 光纤线路 损耗和传输带宽l光纤损

6、耗：单位长度光纤对传输光强度的衰减量，单位：dB/km普通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。有三个损耗很小的波长“窗口”l0.85m 2dB/km 光纤通信短波波长l1.31m 0.5dB/km和1.55 m 0.2dB/km 光纤通信长波波长普通单模光纤损耗随波长变化示意图0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5损耗（损耗（dB/km）第一窗口第一窗口第二窗口第二窗口波长波长（m）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波段波段光纤传输带宽l光纤传输带宽：单位长度光

7、纤传输带宽；反应的是光纤通信系统的传输容量，即光纤传输距离（无中继）与传输信号带宽（速率）之间的约束关系。单位MHzkml光纤传输带宽确定后，传输距离越长、传输带宽越小。4. 光纤通信的发展与趋势l 1966年，英籍华裔学者英籍华裔学者高锟高锟(C.K.Kao)和和霍克哈姆霍克哈姆(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光纤通信信的基础。 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

8、向光纤通信发明家高锟高锟光纤通信发明家光纤通信发明家高锟高锟(左左)1998年在英国接受年在英国接受IEE授予的奖章授予的奖章光纤光纤研制研制l1970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。l1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/km。l1973 年，美国贝尔(Bell)实验室的光纤损耗降低到2.5dB/km。1974 年降低到1.1dB/km。l1976 年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到0.47 dB/km(波长1.2m)。l在以后的 10 年中，波长为1.55 m的光纤损耗：1979 年是

9、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。 光纤通信用光源光源l1970年，美国贝尔实验室、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。l1973 年，半导体激光器寿命达到7000小时。 l1976年，日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3 m的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器。l1977 年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时。l1979年美国电报电话(

10、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。 实用光纤通信系统光纤通信系统的发展l1976 年，美国在亚特兰大(Atlanta)进行了世界上第一世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验个实用光纤通信系统的现场试验。l1980 年，美国标准化FT - 3光纤通信系统投入商业应用。l1976 年和 1978 年，日本先后进行了速率为34 Mb/s的突变型多模光纤通信系统， 以及速率为100 Mb/s的渐变型多模光纤通信系统的试验。l1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。l随后，由美、日、 英、法发起的第一条横跨大西洋 TAT-8海底光缆通信系统

11、于1988年建成。l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。实用光纤通信系统光纤通信系统的发展l1990年，工作于2.4Gb/s，1.55m的第三代光波系统已能提供通信商业业务。l第四代光波系统以采用光放大器(OA)增加中继距离和采用频分与波分复用(FDM与WDM)增加比特率为特征。l第五代光波通信系统的研究与发展也经历了20多年历程，已取得突破性进展。它基于光纤非线性压缩抵消光纤色散展宽的新概念产生的光孤子，实现光脉冲信号保形传输。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 19920.8m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）光纤通信网l第一代为纯电信网l第二代通信网仅仅是用光纤代替铜线，使通信网的性能得到了某种改善，而网络的拓扑骨架基本上之前的模式，光波通信的潜力尚未完全发挥。l第三代通信网为全光通信网。19