光纤课件chap1

1、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 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 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 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 1.3.3 数字通信系统和模拟通信系统数字通信系统和模拟通信系统第第 1 章章 概概 论论返

2、回主目录光纤通信是以光作为信息载体，以光纤光纤通信是以光作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信方式。作为传输媒介的通信方式。光纤通信技光纤通信技术是近术是近30年迅猛发展起来的高新技术，年迅猛发展起来的高新技术，给世界通信技术乃至国民经济、国防事给世界通信技术乃至国民经济、国防事业和人民生活带来了巨大变革。为了对业和人民生活带来了巨大变革。为了对光纤通信的发展历程有个基本了解，现光纤通信的发展历程有个基本了解，现将该技术的进程简要介绍如下。将该技术的进程简要介绍如下。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原始形式的光通信原始形式的光

3、通信:中国古代用中国古代用“烽火台烽火台”报警，报警，欧洲人用旗语传送信息。电灯发明之后，又有了欧洲人用旗语传送信息。电灯发明之后，又有了利用百叶窗和灯光的灯语，望远镜增大了通信距利用百叶窗和灯光的灯语，望远镜增大了通信距离。离。1880年，贝尔年，贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音发明了用光波作载波传送话音的的“光电话光电话”。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。1960年，美国人梅曼年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝发明了第一台红宝石激光器，给光通信带来了新的希望。激光器的石激光器，给光通信带来了新的希望。激光器的发明和应用，使沉睡了发明和应用，

4、使沉睡了80年的光通信进入一个崭年的光通信进入一个崭新的阶段。在这个时期，麻省理工学院利用新的阶段。在这个时期，麻省理工学院利用He - Ne激光器和激光器和CO2激光器进行了大气激光通信试验。激光器进行了大气激光通信试验。由于没有找到由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质稳定可靠和低损耗的传输介质， 对对光通信的研究曾一度走入了低潮。光通信的研究曾一度走入了低潮。1870年，英国物理学家廷德尔在实验中观察到，年，英国物理学家廷德尔在实验中观察到，把光照射到盛水的容器内，从出水口向外倒水时，把光照射到盛水的容器内，从出水口向外倒水时，光线也沿着水流传播，出现弯曲现象，这好象不光线也沿着水流传播

5、，出现弯曲现象，这好象不符合光只能直线传播的定律。实际上，这时光仍符合光只能直线传播的定律。实际上，这时光仍是沿直线传播，只不过在水流中出现了光反全射是沿直线传播，只不过在水流中出现了光反全射现象，因而光是以折线方式前进的。光也可以现象，因而光是以折线方式前进的。光也可以“走弯路走弯路”。廷德尔观察到的现象，直至廷德尔观察到的现象，直至1955年才得到实际应年才得到实际应用。当时在英国伦敦英国学院工作的卡帕尼博士，用。当时在英国伦敦英国学院工作的卡帕尼博士，发明了用极细的玻璃制做的光导纤维。发明了用极细的玻璃制做的光导纤维。这种玻璃丝叫做光学纤维，简称这种玻璃丝叫做光学纤维，简称“光纤光纤”。

6、 但是但是它的衰减损耗很大，只能传送很短的距离。直到它的衰减损耗很大，只能传送很短的距离。直到20世纪世纪60年代，最好的玻璃纤维的衰减损耗仍在年代，最好的玻璃纤维的衰减损耗仍在每公里每公里1000dB以上。以上。 1.1.2 现代光纤通信现代光纤通信 1966年，英籍华裔学者年，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，指出了利发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤用光纤(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信了现代光通信光纤通信光纤通信

7、的基础。的基础。 （1970年离开了研究所，举家返回香港，从事与科学家性年离开了研究所，举家返回香港，从事与科学家性质截然不同的工作质截然不同的工作教育，香港中文大学电子系教授。）教育，香港中文大学电子系教授。） 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光纤通信发明家高锟光纤通信发明家高锟( (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Institution of Electrical Engineers(英国英国)电机工程师协会电机工程师协会1970年，美国康宁年

8、，美国康宁Corning玻璃公司的三名科研人玻璃公司的三名科研人员马瑞尔、卡普隆、凯克成功地制成了传输损耗每员马瑞尔、卡普隆、凯克成功地制成了传输损耗每千米只有千米只有20分贝的光纤。这标志着光纤用于通信有分贝的光纤。这标志着光纤用于通信有了现实的可能性。了现实的可能性。1974年美国贝尔研究所发明了低损耗光纤制作法年美国贝尔研究所发明了低损耗光纤制作法CVD法（汽相沉积法），使光纤损耗降低到法（汽相沉积法），使光纤损耗降低到1 dB/km 。1976 年，日本电报电话年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低公司将光纤损耗降低到到0.47 dB/km(波长波长1.2m)。在以后的在以后的

9、10 年中，波长为年中，波长为1.55 m的光纤损耗：的光纤损耗：1979 年是年是0.20 dB/km，1984年是年是0.157 dB/km，1986 年是年是0.154 dB/km， 接近了光纤最低损耗的理接近了光纤最低损耗的理论极限。论极限。1970年，美国贝尔实验室、日本电气公司年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前和前苏联先后，研制成功室温下连续振荡的镓铝砷苏联先后，研制成功室温下连续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器双异质结半导体激光器(短波长短波长)。虽然寿命。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只有几个小时，但它为半导体激光器的发展奠定

10、了基础。础。1973 年，半导体激光器寿命达到年，半导体激光器寿命达到7000小时。小时。 1976年，日本电报电话公司研制成功发射波长为年，日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3 m的铟镓砷磷的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器。激光器。1977 年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时。万小时。1979年美国电报电话年美国电报电话(AT&T)公司和日本电报电话公公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为司研制成功发射波长为1.55 m的连续振荡半导体激的连续振荡半导体激光器。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

11、激光器的技术进步，使 1970 年成年成为光纤通信发展的一个重要里程碑为光纤通信发展的一个重要里程碑1976 年，美国在亚特兰大年，美国在亚特兰大(Atlanta)进行了世界上进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验。第一个实用光纤通信系统的现场试验。1980 年，美国标准化年，美国标准化FT - 3光纤通信系统投入商业光纤通信系统投入商业应用。应用。1976 年和年和 1978 年，日本先后进行了速率为年，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，的突变型多模光纤通信系统， 以及速率为以及速率为100 Mb/s的渐变型多模光纤通信系统的试验。的渐变型多模光纤通信系统的试

12、验。1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。随后，由美、日、随后，由美、日、 英、法发起的第一条横跨大西英、法发起的第一条横跨大西洋洋 TAT-8海底光缆通信系统于海底光缆通信系统于1988年建成。年建成。第一条横跨太平洋第一条横跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系海底光缆通信系统于统于1989年建成。从此，海底光缆通信系统的建年建成。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。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光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：略地分为三个阶段： 第一阶段第一阶段(19

13、661976年年)，这是从基础研究到商业应用这是从基础研究到商业应用的开发时期。的开发时期。第二阶段第二阶段(19761986年年)，这是以提高传输速率和增加这是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。推广应用的大发展时期。第三阶段第三阶段(19861996年年)，这是以超大容量超长距离为这是以超大容量超长距离为目标、全面深入开展新技术目标、全面深入开展新技术研究的时期。研究的时期。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

14、发展到了商业应用的新阶段。纤通信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：光纤从多模发展到此后，光纤通信技术不断创新：光纤从多模发展到单模，工作波长从单模，工作波长从0.85 m发展到发展到1.31 m和和1.55 m(短波长向长波长），传输速率从几十短波长向长波长），传输速率从几十Mb/s发展发展到十几到十几Tb/s。 随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不断下降，应用范围不断扩大。断下降，应用范围不断扩大。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

15、础设施的支柱。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。民经济中占重要地位。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 光通信与电通信光通信与电通信 通信系统的通信系统的

16、传输容量传输容量取决于对载波调制的取决于对载波调制的频带宽度，频带宽度，载波频率越高，频带宽度越宽。载波频率越高，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（图载波频率高；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获光纤，可以在宽波长范围内获得很小的损耗。得很小的损耗。 （图（图 1.2 ）图 1.1 部分电磁波频谱100 THz10 THz1 THz100 GHz10 GHz1 GHz100 MHz10 MHz1 MHz1 m可见光线10 m100 m1 m m10 m m100 m m1 m10 m100 m中

17、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图 1.2 各种传输线路的损耗特性 10001001010.110 M标准同轴38 mm海底同轴光纤100 M1 G10 G100 G1 T10 T100 T 1000 T频率/HzM：(注)G：T：1061091012传输损耗/(dBkm1)51 mm波导器1.2.2 光纤通信的优点光纤通信的优点容许频带很宽，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

18、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光纤通信同时具有以下缺点：光纤通信同时具有以下缺点：(1)光纤弯曲半径不宜过小；光纤弯曲半径不宜过小；(2)光纤的切断和连接操作技术复杂；光纤的切断和连接操作技术复杂；(3)分路、耦合麻烦。分路、耦合麻烦。 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，系统中，

19、都得到了广泛应用。光纤宽带干线传送网和接入都得到了广泛应用。光纤宽带干线传送网和接入网发展迅速，网发展迅速， 是当前研究开发应用的主要目标。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：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 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

20、/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典型应用之二：作为校园网的骨干传输网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 基本光纤传输系统基本光纤传输系统的三个组成部分的三个组成部分)( 1)(lg10)(mwmwpdBmp 电信号对光的调制的实现方式

21、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。管的驱动电流，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。率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。制激光器的输出光而实现的。 外调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本外调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成

22、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。使用。 图 1.5两种调制方案 (a) 直接调制； (b) 间接调制(外调制) 激光源驱动器光纤光信号输出电信号输入(a)激光源调制器驱动和控制电信号输入光纤光信号输出(b) 2. 光纤线路光纤线路 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(失真失真)和衰减传输到光接收机和衰减传输到光接收机光纤光纤、光纤接头光纤接头和光纤连接器光纤连接器 普通石英光纤在近红外波段，除杂质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，吸收峰外，其损耗随波长的增加而减小，在在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。激光器的发射波长和激光器的发射波长和光电二极管的波长响光电二极管的波长响应，都要和光纤这三个波长窗口相一致。应，都要和光纤这三个波长窗口相一致。 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，