第一章光纤通信技术

1、光纤通信技术光纤通信技术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1.2光纤通信发展的优点光纤通信发展的优点1.3光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成1.4光纤通信发展的应用光纤通信发展的应用 第一章第一章 光纤通信的概述光纤通信的概述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通信是通过某种媒体进行的信息传递。通信是通过某种媒体进行的信息传递。 通信是人与人或人与自然之间通过某种行为或媒介进行的信息交流与传递，从广义上指需要信息的双方或多方在不违背各自意愿的情况下无论采用何种方法，使用何种媒质，将信息从某方准确安全传送到另方。 原始形式的光通信原始形式的光通

2、信:中国古代用中国古代用“烽火台烽火台”通信通信烽火台又称烽燧，俗称烽堠、烟墩、墩台。古时用于点燃烟火传递重要消息的高台，系古代重要军事防御设施，是为防止敌人入侵而建的，遇有敌情发生，则白天施烟，夜间点火，台台相连，传递消息。是最古老但行之有效的消息传递方式。 1.1.1 探索时期的光通信探索时期的光通信 旗语旗语 在古代是一种主要的通讯方式，现在是世界各国海军通用的语言。不同的旗子，不同的旗组表达着不同的意思。 红绿灯红绿灯 红灯停，绿灯行红灯停，绿灯行 不论是烽火台，还是红绿灯、旗语，不论是烽火台，还是红绿灯、旗语，它们都是光通信不同形式，它们都是光通信不同形式， 但是它们有一个共同点，但

3、是它们有一个共同点，就是利用大气来传播可见光，由人眼来接收。就是利用大气来传播可见光，由人眼来接收。也正因为如此，我们才会对它们如此的熟悉，可是这些却也正因为如此，我们才会对它们如此的熟悉，可是这些却不是真正的意义上的光通信，更不是强大的光通信，不是真正的意义上的光通信，更不是强大的光通信，真正强大的光通信应该是光纤通信。真正强大的光通信应该是光纤通信。光纤通信光纤通信则是单纯地依靠光纤作为媒质来传则是单纯地依靠光纤作为媒质来传送信息的通信方式。送信息的通信方式。弧光灯ABMNL送话器光话机光话机 原原 理理 图图 1880年，美国人贝尔年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音的发

4、明了用光波作载波传送话音的“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。贝尔光电话的缺点 传输媒质：大气的不稳定性 光源：太阳光的不稳定性 光检测器：硅光电池的响应问题 容量：单路光纤通信的关键问题：光纤通信的关键问题：1、必须有稳定的、低损耗的传输、必须有稳定的、低损耗的传输媒质；媒质；2、高可靠、长寿命的光源及高响、高可靠、长寿命的光源及高响应的光检测器件；应的光检测器件；3、光测量及光纤连接技术；、光测量及光纤连接技术； 难题之一难题之一:传输介质传输介质 光纤的诞生光纤的诞生 理想光传输介质的寻找理想光传输介质的寻找透明度很高的石英玻璃丝透明度很高的石英

5、玻璃丝 叫做光学纤维叫做光学纤维简称简称“光纤光纤”内窥镜内窥镜 一米衰减损耗很大一米衰减损耗很大光的损耗程度用每千米的分光的损耗程度用每千米的分贝为单位来衡量的。直到贝为单位来衡量的。直到20世纪世纪60年代，每公里年代，每公里1000分分贝以上贝以上 光纤的诞生光纤的诞生 比较复杂的波导结构比较复杂的波导结构 放弃放弃用玻璃纤维通信希望渺茫用玻璃纤维通信希望渺茫?损耗问题如何解决？损耗问题如何解决？ 1.1.2 现代光纤通信现代光纤通信 指明指明 “通过原材料的提纯制造出适合于长距离通信通过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使用的低损耗光纤”这一发展方向这一发展方向1966

6、年年7月月，高锟就光纤传输的前景发表了具有，高锟就光纤传输的前景发表了具有重大历史意义的论文，论文分析了玻璃纤维损耗重大历史意义的论文，论文分析了玻璃纤维损耗大的主要原因。大的主要原因。大胆地预言，只要能设法降低玻璃纤维的杂质，大胆地预言，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每公里就有可能使光纤的损耗从每公里1000分贝降低到分贝降低到20分贝公里，从而有可能用于通信。分贝公里，从而有可能用于通信。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（国际电气工程师学会（国际电气工程师学会 ）授予的奖章授予的奖章获得2009诺贝尔物理学奖“

7、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 世界上第一根低损耗的石英光纤世界上第一根低损耗的石英光纤 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把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。新阶段。 标志着光纤用于通信有了现实的可能性标志着光纤用于通信有了现实的可能性光透过玻璃功率损耗一半（相当于光透过玻璃功率损耗一半（相当于3分贝）的长分贝）的长度：度：普通玻璃普通玻璃 几厘米几厘米高级光学玻璃高级光学玻璃 几米几米光纤（光纤（20dB/Km） 150米米难题之二难题之二:光源光源 1970年贝尔研究所的林严雄等人研制出能

8、够 在室温下连续工作的半导体激光器（寿命短） 里程碑 1977年贝尔研究所和日本的电报电话公司几 乎同时研制出寿命达100万小时的半导体激光 器，从而有了真正实用的激光器。 1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器， 给光通信带来了新的希望。激光器的发明和应用， 使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段。谱宽度窄，方向性极好，亮度极高，以及频率和相 位较一致的良好特性。 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 年成为光年成为光纤通信发展的一个重要里程碑纤通信发展的一个重要里程碑 1 光波波谱光波波谱 光波是电磁波，光波范围包括红

9、外线、可见光、光波是电磁波，光波范围包括红外线、可见光、紫外线，其波长范围为：紫外线，其波长范围为：300m6103m。 可见光由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜可见光由红、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。波长再短就是波长最短。波长再短就是X射线、射线、射线。射线。 电磁波波谱图如图电磁波波谱图如图1.1所示。所示。图图1.1电磁波波谱图电磁波波谱图 2光纤通信的光波波谱光纤通信的光波波谱 光纤通信的波谱在光纤通信的波谱在1.671014Hz3.751014Hz之间，之间，即波长在即波长在0.8m1.

10、8m之间，属于红外波段，将之间，属于红外波段，将0.8m0.9m称为短波长，称为短波长，1.0m1.8m称为长称为长波长，波长，2.0m以上称为超长波长。以上称为超长波长。 各种单位的换算公式如表各种单位的换算公式如表1-1所示。所示。 表表1-1 各种单位的换算公式各种单位的换算公式c3108m/s1MHz（兆赫）（兆赫）106 Hzc/f1GHz（吉赫）（吉赫）109 Hz1m（微米）（微米）106m1THz（太赫）（太赫）1012Hz1nm（纳米）（纳米）109m1PHz（拍赫）（拍赫）1015 Hz1（埃）（埃）1010m 虽然光波和电波都是电磁波，但是频虽然光波和电波都是电磁波，但是

11、频率差别很大。率差别很大。通信容量和载波频率成通信容量和载波频率成正比正比，通过提高载波频率可以扩大通，通过提高载波频率可以扩大通信容量，光波的频率要比无线通信频信容量，光波的频率要比无线通信频率高很多，因此通信容量也要增大很率高很多，因此通信容量也要增大很多多0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 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）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 1.2 光纤

12、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 在光纤通信系统中，作为载波的光波频率比电波频率高得多，而作为传输介质的光纤又比同轴电缆或波导管的损耗低得多，因此，相对于电缆通信或微波通信，光纤通信具有许多独特的优点。 1. 容许频带很宽，传输容量很大容许频带很宽，传输容量很大 目前，单波长光纤通信系统的传输速率一般为2.

13、5 Gb/s和10Gb/s。波分复用和光时分复用极大地增加了传输容量。DWDM最高水平为132个信道，传输容量为20Gb/s132=2640 Gb/s。 Gb/S：数据传输速率数据传输速率 1GB=1024KB 1KB=1024B 波分复用波分复用(WND)：是将两种或多种不同波长的光载波信号（携是将两种或多种不同波长的光载波信号（携带各种信息）在发送端经复用器带各种信息）在发送端经复用器(亦称亦称合波合波器器，Multiplexer)汇合在一起，并耦合到光汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术；在接线路的同一根光纤中进行传输的技术；在接收端，经解复用器收端，经解复用器(亦称亦

14、称分波器或称去复用分波器或称去复用器器，Demultiplexer)将各种波长的光载波分将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。信号。这种在同一根光纤中同时传输两个或这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术，称为波分复用。众多不同波长光信号的技术，称为波分复用。 2. 损耗小，中继距离长损耗小，中继距离长 中继站，将衰减了的信号进行放大，然后接着往下传。 石英光纤在1.31m和1.55m波长，传输损耗分别为 0.50dB/km和0.20dB/km，甚至更低。因此，中继距离长。 3. 重量轻、体积小、便于施工和维修重量

15、轻、体积小、便于施工和维修 光纤重量很轻，直径很小。即使做成光缆，在芯数相同的条件下，其重量还是比电缆轻得多，体积也小得多。4. 抗电磁干扰性能好抗电磁干扰性能好 光纤由电绝缘的石英材料制成，光纤通信线路不受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损坏。无金属光缆非常适合于存在强电磁场干扰的高压电力线周围和油田、煤矿等易燃易爆环境中使用。 5. 泄漏小，保密性能好泄漏小，保密性能好 在光纤中传输的光泄漏非常微弱，即使在弯曲地段也无法窃听。没有专用的特殊工具，光纤不能分接，因此信息在光纤中传输非常安全。 6.原材料来源丰富，潜在价格低廉原材料来源丰富，潜在价格低廉 制造同轴电缆和波导管的铜、铝、铅等为金属材

16、料；而制造光纤的石英(SiO2)在地球上基本上是取之不尽的材料。 总之，光纤通信不仅在技术上具有很大的优越性，而且在经济上具有巨大的竞争能力，因此其在信息社会中将发挥越来越重要的作用。 缺点缺点:光纤质地脆、弯曲半径不易过小、机械强光纤质地脆、弯曲半径不易过小、机械强度低，需要比较好的切割及连接技术、分路、度低，需要比较好的切割及连接技术、分路、耦合比较麻烦等耦合比较麻烦等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。 光纤通信系统

17、的三要素：光纤通信系统的三要素：光发射端机光发射端机光接收端机光接收端机光纤光纤 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半导体发光二极管（LED）半导体激光二极管（或称激光器）（LD）分布反馈激光器（DFB）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。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。调制速率受激光器的

18、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。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，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。信系统中使用。 图图 1.5两种调制方案两种调制方案 (a) 直接调制；直接调制； (b) 间接调制间接调制(外调制外调制) 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(失失真真

19、)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，除杂质吸收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，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”。激光器的发射波长激光器的发射波长和光电二极管的波长响应光电二极管的波长响应，都要和光纤这三个波长窗口相一致。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， 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。3 3、光接收机、光接收机功能功能：（O/EO/E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）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光纤通