光纤通信.第1章

1、第一章第一章 绪绪 论论第一节第一节 光的性质光的性质第二节第二节 光通信及光纤通信光通信及光纤通信第三节第三节 光纤通信系统的组成原理光纤通信系统的组成原理第四节第四节 光纤通信系统的发展光纤通信系统的发展第一节第一节 光的性质光的性质1.1.光的本质光的本质 光波是一种电磁波。 光和电磁波乃是同一实体的属性的表现，光是一种按照电磁定律在场内传播的电磁扰动（振动）。 麦克斯韦电磁场的力学理论 （1865年）2.光波的划分光波的划分1.1 可见光可见光 紫：0.390.43m；靛：0.430.45m；兰：0.450.50m； 绿：0.500.57m；黄：0.570.60m；橙：0.600.63

2、m； 红：0.630.76m；1.2 红外线红外线 近红外：0.7615m；中红外：1525m；远红外：25300m1.3 无线电波无线电波 至高频（亚毫米波）THF：3001000GHz，0.31mm； 极高频（毫米波）EHF：30300GHz，110mm； 超高频（厘米波）SHF：330GHz，110cm； 特高频（分米波）UHF：3003000MHz，110dm； 甚高频（米波）VHF：30300MHz，110m； 高 频（短波）HF：330MHz，10100m； 中 频（中波）MF：3003000kHz，0.11km； 低 频（长波）LF：30300kHz，110km； 甚低频（甚长波

3、）VLF：330kHz，10100km； 特低频（特长波）ULF：3003000Hz，1001000km； 超低频（超长波）：30300Hz，100010000km； 极低频（极长波）：330Hz；10000100000km微波无线电波频段划分表长波中波短波微波无线电波波段和频段名称波段名称波段名称波长范围波长范围波段名称波段名称频率范围频率范围长波101千米低频（LF）30300千赫中波1000100米中频（MF）3003000千赫 短波 10010米高频（HF）330兆赫超短波101米甚高频（VHF）30300兆赫微波 分米波10.1米特高频（UHF）3003000兆赫 厘米波101厘米超

4、高频（SHF）330吉赫 毫米波101毫米极高频（EHF）30300吉赫 亚毫米波10.1毫米至高频（THF）3003000吉赫 自由空间波长，自由空间波长，m频率，频率，Hz通信波段划分及相应传输媒介通信波段划分及相应传输媒介10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015ELF VF VLF LF MF HF VHFUHFSHF EHF电力、电话电力、电话无线电、电视无线电、电视微波微波红外红外可见光可见光双铰线双铰线同轴电缆同轴电缆光纤光纤

5、卫星卫星/微波微波AM无线电无线电 FM无线电无线电频段频段划分划分传传输输介介质质光纤光纤3.光波的传播形式光波的传播形式 任何光均以下述三种波的合成形成传播：任何光均以下述三种波的合成形成传播： TEM波：在传播方向上没有电场和磁场分量，称为横电磁波。 TE波：在传播方向上只有磁场分量，而无电场分量，称为横电波。 TM波：在传播方向上只有电场分量，而无磁场分量，称为横磁波。第二节第二节 光通信及光纤通信光通信及光纤通信1光通信的概念光通信的概念1.1 1.1 光通信的定义光通信的定义 凡是利用光波作为载频的通信方式，均称为光通信。 光波通信的特点光波通信的特点波长短，载频高波长短，载频高带

6、宽宽带宽宽容量大容量大能量集中能量集中器件尺寸小器件尺寸小功耗低功耗低一般的媒质对光传输都产生不利影响一般的媒质对光传输都产生不利影响早期，光波通信没有显示其优点，人们对其兴趣不大！早期，光波通信没有显示其优点，人们对其兴趣不大！1.21.2光通信的发展光通信的发展 最早的光通信可以追溯到古代的烽火通信。早在3000多年前，我国周朝就有利用烽火台的火光传递信息的光通信。 这是一种利用可见光进行的视觉通信。 路漫漫兮路漫漫兮. 1880年贝尔发明的第一台光电话机，如图1-1所示。 它使用弧光灯（或太阳光）作光源，光束通过透镜聚焦在话筒（送话器）的振动镜上。当人对着话筒讲话时，振动片随着话音振动，

7、从而使得反射光的强弱随着话音的强弱作相应的变化，这就将话音信息载荷在光波上（即调制）。在接收端，装有一抛物面接收镜，它把从大气中传送来的载有话音信息的光波反射到硅光电池上，硅光电池将光能转换为电流（即解调）。把电流送到听筒（受话筒），就可以听到从发送端传来的声音。传输距离很短，只有213米。阳光反射镜送话筒振动镜透镜受话器抛物镜硅光电池图1-1 贝尔的光电话2 2光纤通信光纤通信2.12.1光纤通信的定义光纤通信的定义 光纤通信是指采用光导纤维（即光纤）作为传光媒介的通信方式。即在光通信中，传输媒介不是空气，而是光导纤维。2.2光纤通信的特点光纤通信的特点 2.2.1 频率高、频带宽频率高、频

8、带宽 频带的宽窄代表传输容量的大小。载波频率越高，可以传输信号的频带宽度就越宽。 光纤通信使用的频率极高，可见光的频率高达THz，比甚高频频段（VHF）高出百万倍，比特高频频段（UHF）高出十万倍。2.2 光纤通信的特点光纤通信的特点 2.2.2 2.2.2 通信容量大通信容量大 一对光纤的传输能力理论值为20亿路电话和1000万套电视节目。 2.2.3 2.2.3 保密性能好保密性能好 由于光纤的特殊结构，光波只能在光纤中传播，泄露极其微弱，很难窃听光纤中的传输信号，故其保密性能好。且可经过高温、低温和危险地段等。2.2 光纤通信的特点光纤通信的特点 2.2.4 2.2.4 损耗小、中继距离

9、长损耗小、中继距离长 由于光纤的损耗比电缆等传输媒介的损耗小得多，故其中继距离特别长，一般为几百公里，甚至上千公里或上万公里。 2.2.5 2.2.5 抗干扰能力强抗干扰能力强 由于光纤是绝缘体，不怕雷击和高压等电磁干扰。同时，光波的频率极高，而各种干扰频率一般较低，故其抗干扰能力极强。 2.2 光纤通信的特点光纤通信的特点 2.2.6 成本低、寿命长成本低、寿命长 石英玻璃原料丰富，只用数克石英便可拉制出1公里的光纤，重量轻，使用寿命长，一般为25年以上。 光纤通信的优点光纤通信的优点GOOD 损耗低，损耗低，0.2dB/km; 传输容量大，传输容量大，400nm，50THz; 重量轻，体积

10、小，重量轻，体积小，27g/km fiber; 资源丰富，石英资源丰富，石英; 抗电磁干扰，不易串音，抗雷击，通信质量高抗电磁干扰，不易串音，抗雷击，通信质量高; 防爆性能好防爆性能好; . 光纤通信系统一般由电端机（收发）、光发射机、光接收机、光中继器以及光缆等组成。 如图1-2所示 电端机发送光发射机电端机接收光中继器光接收机光纤光纤图1-2 光纤通信系统的组成原理框图第三节第三节 光纤通信系统的组成光纤通信系统的组成光纤通信示意图1.发送电端机 发送电端机主要完成电信号的处理工作，如调制等，然后送往光发射机。电端机既可以送出模拟信号，也可以送出数字信号。输出模拟信号的电端机一般是载波机或

11、电视发送设备，对应的光纤通信系统称为模拟光纤通信系统。输出数字信号的电端机主要有脉冲编码调制（PCM）设备，对应的光纤通信系统称为数字光纤通信系统。 电端机发送光发射机电端机接收光中继器光接收机光纤光纤图1-2 光纤通信系统的组成原理框图2.光发射机 光发射机是将发送电端机送来的电信号转换为光信号，并送进光缆中进行传输。电光转换主要由光源器件来完成。目前光源器件包括半导体激光二极管和发光二极管。激光二极管发射激光，功率大，波谱窄，适用于大容量、远距离的光纤通信系统。发光二极管发射荧光，功率小，波谱宽，适用于小容量、短距离的光纤通信系统。 电端机发送光发射机电端机接收光中继器光接收机光纤光纤图1

12、-2 光纤通信系统的组成原理框图3.光缆 光缆作为传输媒介，主要任务是传送光信号。光缆是由若干根光纤组成，依据使用的需要，光纤数目可以由几根到数千根不等。通常，一根光纤传送一个方向的光信号，故双向通信需要两根光纤。但采用波分复用技术后，一根光纤便可实现双向传输。电端机发送光发射机电端机接收光中继器光接收机光纤光纤图1-2 光纤通信系统的组成原理框图 4.光中继器 光中继器是将传输一段距离后的光信号进行放大，以实现远距离传输。目前，常用的中继方式是光/电/光再生方式，即首先通过光电转换将接收到的微弱光信号转换为电信号，然后对电信号进行放大处理，最后再经过电光转换器转换为光信号，耦合进光纤中继续传

13、输。 电端机发送光发射机电端机接收光中继器光接收机光纤光纤图1-2 光纤通信系统的组成原理框图5.光接收机 光接收机是将接收到的光信号还原为电信号，然后送到接收电端机。电光转换主要由光电检测器来完成。目前常用的有PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）两种。后者在转换的同时，还可利用雪崩效应对光信号进行放大，有利于提高接收灵敏度。 电端机发送光发射机电端机接收光中继器光接收机光纤光纤图1-2 光纤通信系统的组成原理框图6.接收电端机 接收电端机的作用同发送电端机的作用相反，如解调等。 电端机发送光发射机电端机接收光中继器光接收机光纤光纤图1-2 光纤通信系统的组成原理框图 1880年贝尔发明

14、光电话一直到1960年以前，光通信的发展几乎停滞不前。 困难在哪里？困难在哪里？第四节第四节 光纤通信系统的发展光纤通信系统的发展主要原因有三主要原因有三： 光源问题：采用日光等光源，由于它们为非相干光，方向性不好，不易调制与传输。 传输媒介问题：以空气作传输媒介，损耗很大，无法实现远距离传输，而且通信也极不稳定可靠 。 光电检测器问题：硅光电池作为光电检测器，内部噪声很大，通信质量难以保证。1.光源问题 1960年，美国梅曼（Maiman）发明了红宝石激光器，它发出的是一种谱线很窄、方向性很好、频率和相位一致的相干光，易于调制和传输。它的发明解决了光源问题。但红宝石激光器发出的光束不易耦合进

15、光纤中传输，耦合效率极低。 1962年研制成功镓铝砷（GaAlAs）注入式半导体激光器，优点是发光波长为850nm，与光纤的低衰减窗口一致，易于耦合，体积小。缺点是无法在室温下工作，寿命短。 1970年研制成功了镓铝砷（GaAlAs）双异质结注入式半导体激光器，它可以在室温下连续工作，且寿命长。同一时期又发明了发光二极管，彻底解决了光源问题。 曙光出现了！曙光出现了！2.传输媒介问题 光传输媒介主要是采用光纤。据有文字记载的关于光波导传播光的实验，可追溯到19世纪。 1870年左右，欧洲人廷德尔通过实验证明，光线在自由流下的水流中走的是弯曲路径。 1910年在进行了大量实验之后，人们对光纤传光

16、作出了定量分析，但是由于光纤损耗太大，限制了其传输距离。 1966年，英籍华人科学家高琨（Charles.K.Kao）博士发现了普通二氧化硅玻璃损耗大的原因是由于其中杂质所为，提纯后损耗可降低到每公里20分贝。 1970年8月美国康宁玻璃公司（Corning Glass Co.）拉制成功第一根衰减为20 dB/km的石英玻璃光导纤维。 随后光纤损耗急剧下降，到80年代左右，光纤损耗已降低到0.2dB/km，使光纤成为了理想的传输媒介。 3.光电检测器问题 光电检测器件得到了迅速发展，相继研制成功： 适用于短波长的硅光二极管（Si-PIN）和硅雪崩光电二极管（Si-APD） 适用于长波长的InG

17、aAsP/InP、Ge光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）等。19701970年，光纤诞生！年，光纤诞生！ 康宁玻璃公司康宁玻璃公司1970年首先研制出衰耗年首先研制出衰耗20dB/km的光纤。光纤通信由此开始！的光纤。光纤通信由此开始！4 4. .光纤通信的发展光纤通信的发展 1976年年，美国在亚特兰大（Atlanta）进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验，系统采用GaAlAs激光器作光源，多模光纤作传输介质，速率为44.7Mb/s，传输距离约10km。标志着光纤通信从基础研究发展到了商业应用的新阶段。 1980年年，美国标准化FT-3光纤通信系统投入商业应用，系统采用渐

18、变型多模光纤，速率为44.7Mb/s。随后美国很快敷设了东西干线和南北干线，穿越22个州， 光缆总长达5104km。光纤技术和半导体光电子技术的进光纤技术和半导体光电子技术的进步，促使光纤通信技术飞速发展！步，促使光纤通信技术飞速发展！ 1976年和年和1978年年，日本先后进行了速率为34Mb/s，传输距离为64km的突变型多模光纤通信系统， 以及速率为100Mb/s的渐变型多模光纤通信系统的试验。 1983年年，敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线，全长3400km，初期传输速率为400Mb/s，后来扩容到1.6Gb/s。 1988年年，由美、日、 英、法发起的第一条横跨大西洋 TAT-8海底

19、光缆通信系统建成，全长6400km。 1989年年，第一条横跨太平洋 TPC-3/HAW-4海底光缆通信系统建成， 全长13200km光纤通信经历了四个重要的历史阶段光纤通信经历了四个重要的历史阶段 第一代光纤通信系统： 19661976年，为基础研究到商业应用的开发时期。实现了短波长低速率多模光纤通信，波长为850nm，速率为34Mbit/s或45Mbit/s，每公里衰减为1.5dB，无中继通信距离仅为10公里左右。 第二代光纤通信系统： 19761986年，以提高传输速率和增加传输距离为目标。采用1310nm和1550nm波长，单模光纤，速率为140565Mbit/s，每公里衰减为0.85

20、dB，无中继通信距离仅为60公里左右。 第三代光纤通信系统： 19861996年，以超大容量超长距离为目标。采用1550nm的长波长（也称超长波长）激光器，单模光纤，每公里衰减为0.4dB，无中继通信距离可达200公里，速率可达2.510Gbie/s。第四代光纤通信系统： 光波分复用系统 超高速系统 全光通信系统 等等 5.我国光纤通信的发展 当1970年国外低损耗光纤取得突破性进展后，我国立即开始了光通信的研究工作。 70年代末期，已能制造多模光纤（衰减为4dB/km，波长为1300nm）和发光二极管以及激光器、雪崩光电二极管等。 80年代末期研制出单模光纤。在开展研究的同时，大力建设光纤通

21、信网，主要有跨省的国家一级长途干线、省内长途干线和本地通信网三种。 在九五期间，建设成了“八纵八横”的光缆干线。初步形成了以数字通信为主，多种手段并用，安全可靠，能提供多种业务的现代化数字通信网。 FLAGFiber Optic Link around the Globe架空光缆架空光缆直埋光缆直埋光缆北京北京上海上海至欧洲至欧洲至日本至日本FLAG至韩国至韩国至朝鲜至朝鲜至俄罗斯至俄罗斯我国光缆骨干网分布图我国光缆骨干网分布图至东南亚至东南亚中国四大发展光谷中国四大发展光谷长春：中国光谷长春：中国光谷 中科院长春光电子产业园和长春光电子技术产业园。重点发展光材料、发光器件、光显示、激光技术和

22、光电仪器。武汉：中国光谷武汉：中国光谷 建立在武汉东胡高新技术开发区内，计划在十五期间建成国际一流，国内第一的光电子产业基地，年销售额一千亿元。包括信息光电子、能量光电子、信息存储及传感光电子、软件与电子商务四大领域十六大类项目。重庆：光谷重庆：光谷 重庆光电产业园位于重庆北部新区，是由国家科技部批准列为国家西部开发的重点项目。广东：中国光谷广东：中国光谷 建在广州市东的广州科学城，该项目已列入广东省十五发展规划和2010年的远景规划。 招商引进：光网络通信系统、波分复用技术；光无源器件；宽带光纤放大器、光纤光栅、光调制器；光纤生产；光纤预制棒；光通信维护设备；平板显示器；高清晰度新型平板显示

23、技术等光信息方面十个项目，以及大功率半导体激光器；数控激光切割、焊接；激光医疗仪器等光能量方面三个项目。 本地项目：LED外延片、大功率激光器及激光加工中心、激光光学器件加工基地、激光散射测试仪等十三项。 合作研究：紫外激光器、高功率二极管激光器、光纤激光器、光纤激光器、光纤通信及仪器用镀膜片、窄带滤光镀膜技术等九个项目。6.6.光纤通信的发展趋势光纤通信的发展趋势 光纤通信系统的发展以大容量、远距离传输为目的，以实现五个转变为手段。 从短波长系统（850nm）向长波长系统（1310nm和1550nm）转变 从多模光纤系统向单模光纤系统转变 从低速系统向高速系统转变 从准同步数字系列（PDH）

24、向同步数字系列（SDH）转变 从点对点的长途传输系统向光纤到户网络系统转变。 补充：光纤的发展补充：光纤的发展 最早的光纤于20世纪20年代采用超纯石英玻璃管用气相沉积法高温拉制而成。优点是导光性能好，缺点是衰减太大，约1000dB/km。 1966年年，英籍华人高琨提出解决玻璃纯度和成分就能获得光传输损耗极低的学说，并通过实验解决材料问题，取得举世公认的理论突破。 1970年年8月月，美国康宁玻璃公司的马勒博士领导的研究小组提出研制低损耗光纤的技术方案，并随即拉制成功第一根衰减为20 dB/km的石英玻璃光导纤维。 1972年年，康宁玻璃公司把高纯石英芯多模光纤的损耗降低到4dB/km。 1

25、973年年，美国贝尔实验室把光纤的传输损耗降低到2.5dB/km。 1974年年，该实验室利用改进的汽相沉积法制出的多模光纤的损耗降低到1.1dB/km。 1976年年，日本电报电话公司制造出0.47dB/km的光纤。 1977年年，日本电报电话公司拉制出200km，损耗为0.32dB/km的光纤。 1979年年，利用掺杂的石英系材料制造出长波长单模光纤，最低损耗可达0.2dB/km。 进入80年代中期年代中期为0.16dB/km，达到了实用阶段。 高琨简介 1933年出生于上海。 青年时赴英国伦敦大学接受高等教育，工学、电学博士。 1957年大学毕业，在国际电话电报公司英国标准通信研究所从事

26、信息传输理论的研究。 1965年开始研究光通信系统。 1966年发表“适合于光频率的绝缘介质纤维表面波导”的论文。 由于光纤理论和技术上的突出贡献，被誉为光纤之父。 陆续获得多项院士、会士和著名大学的博士等荣誉称号。 美国国家工程科学院院士、英国皇家工程科学院院士、瑞典皇家工程科学院外籍院士、美国IEEE学会会士、英国IEE学会会士、英国皇家艺术学会会士、香港中文大学理学博士、英国Sussex大学理学博士、日本Soka大学名誉博士、英国Glasgo大学工学博士赵梓森赵梓森：1932年生于上海,武汉邮电科学研究院原院长,中国工程院院士，1977年负责拉制出中国第一根光纤，被称为中国的光纤之父 光

27、学家，科学院和工程院院士。江苏吴县人，1936年毕业于清华大学物理系 。1938年留学英国，获伦敦大学帝国学院技术光学专业硕士学位，后在雪菲尔大学和伯明翰昌斯公司从事光学玻璃研究与开发工作。1948年回国，曾任大连大学应用物理系主任，中国科学院仪器馆馆长，长春光学精密机械研究所所长，中国科学院长春分院院长，中国科学院技术科学部主任，中国科协副主席，中国光学学会理事长，北京市科协主席，中国科学院国防军工科学研究委员会副主任等职。1955年受聘为中国科学院学部委员。1994年当选为中国工程院院士。国际光学工程学会会士，国际宇航科学院院士。是中国现代国防光学技术及光学工程的开拓者和奠基人之一，被称为光电学之父。王大珩王大珩（1915.2.26）叶培大叶培大：中国科学院资深院士，北京邮电大学名誉校长。1915年出身于上海市南汇县；1938年毕业于天津北洋大学；19451946年在美国哥伦比亚大学研究院就读，其间先后到美国国家广播公司和加拿大北方电气公司实习；1955年从天津大学调入北京邮电学院，历任北邮无线系教授及系主任、院长助理、副院长、院长、名誉院长、名誉校长至今，已执教整整60周年。 张煦张煦：信息与通信系统专家。 1