第章光纤通信概述

1、1.1 光纤通信的发展史 1光通信的雏形光通信的雏形原始形式的光通信有原始形式的光通信有“烽火台烽火台” 、“旗语旗语”传送信息，传送信息，以及现在使用的交通信号等通信方式以及现在使用的交通信号等通信方式中，光信号本身就信息，但包含的信息非常少，中，光信号本身就信息，但包含的信息非常少，不能称为严格意义上的光通信。不能称为严格意义上的光通信。1.1 光纤通信的发展史 2光通信的早期光通信的早期l 1760年，英国发明第一架光电报机，它是利用日光作为年，英国发明第一架光电报机，它是利用日光作为光源，反光板的不同组合，通过空气作为传输介质，进光源，反光板的不同组合，通过空气作为传输介质，进行信息的

2、传递。行信息的传递。l 1880年，美国贝尔发明了光学电话，它是以日光作为光年，美国贝尔发明了光学电话，它是以日光作为光源，采用话筒的薄膜随着声音的振动而振动来实现声光源，采用话筒的薄膜随着声音的振动而振动来实现声光调制。调制。 l 直到直到1960年以前，光通信的发展几乎停滞不前，主要原年以前，光通信的发展几乎停滞不前，主要原因是碰到光源、光传输介质和光电检测器等技术障碍。因是碰到光源、光传输介质和光电检测器等技术障碍。1.1 光纤通信的发展史 3光纤通信发展的里程碑光纤通信发展的里程碑-就是现代光纤通信就是现代光纤通信1966年，英籍华裔学者高锟年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)和霍克

3、和霍克哈姆哈姆(C.A.Hockham)在在Proc. IEE杂志上发表了一篇杂志上发表了一篇关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤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，进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信奠定了现代光通信光纤通信的基础。光纤通信的基础。1.1 光纤通信的发展史 4光纤通信发展的实质性突破光纤通信发展的实质性突破光源光源：1960年，美国梅曼（年，美国梅曼（Maiman）发明了红宝石）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

4、致的相干光，易于调制和传输；其缺点是耦合率极相位一致的相干光，易于调制和传输；其缺点是耦合率极低，无法在室温下运行，寿命很短，但是它的发明解决了低，无法在室温下运行，寿命很短，但是它的发明解决了光源方面的障碍，加速了光通信的研究和发展。光源方面的障碍，加速了光通信的研究和发展。传输介质传输介质：1970年美国康宁公司根据高锟论文的设想，年美国康宁公司根据高锟论文的设想，用改进型化学汽相沉积法（用改进型化学汽相沉积法（MCVD法）制造出当时世界上法）制造出当时世界上第一根超低损耗光纤，光纤通信的重大实质性突破。第一根超低损耗光纤，光纤通信的重大实质性突破。1.1 光纤通信的发展史 5光纤通信爆炸

5、性的发展光纤通信爆炸性的发展（1）光器件：有光发送器件和光接收器件。）光器件：有光发送器件和光接收器件。光发送器件光发送器件： 1970年，美国贝尔实验室研制出世界年，美国贝尔实验室研制出世界上第一只在室温下连续工作的砷化镓铝半导体激光器；到上第一只在室温下连续工作的砷化镓铝半导体激光器；到性能更好、寿命达几万小时的异质结条形激光器。现在采性能更好、寿命达几万小时的异质结条形激光器。现在采用寿命达几十万小时分布反馈式激光器（用寿命达几十万小时分布反馈式激光器（DFB-LD）和多量）和多量子阱（子阱（MQW）激光器。）激光器。光接收器件光接收器件： 从简单的硅光电二极管发展到量子效从简单的硅光电

6、二极管发展到量子效率达率达90%以上雪崩光电二极管。以上雪崩光电二极管。1.1 光纤通信的发展史 （2）光纤损耗）光纤损耗要更好的实现远距离光传输通信，必须减少光纤的衰要更好的实现远距离光传输通信，必须减少光纤的衰减，降低光纤衰减成为光传输通信的主要因素，方法是在减，降低光纤衰减成为光传输通信的主要因素，方法是在减少减少SiO2中杂质。中杂质。 1970年：年：20dB/km； 1972年：年：4dB/km； 1974年：年：1.1dB/km； 1976年：年：0.5dB/km； 1979年：年：0.2dB/km； 1990年：年：0.14dB/km 最终极限为最终极限为0.1dB/km，其中

7、，其中1979年的年的0.2dB/km，在当，在当时已接近极限值，于是就将其衰减的光波长时已接近极限值，于是就将其衰减的光波长1310nm、1550nm称为两个波长窗口。称为两个波长窗口。1.1 光纤通信的发展史 （3）光纤通信整体发展光纤通信整体发展时间表时间表1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 100000 10000 1000 100 10 1 0.10.8m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）1.1 光纤通信的发展史 （4）光纤通信的标准制定）光纤通信的标准制定由于通信

8、技术的高速发展，移动通信、卫星通信、光由于通信技术的高速发展，移动通信、卫星通信、光纤通信都演变成大容量、高速、综合数字业务，在纤通信都演变成大容量、高速、综合数字业务，在ITU-T的推动下，光纤通信的标准纷纷制定：包括的推动下，光纤通信的标准纷纷制定：包括PDH、SDH、DWDM、AN、B-ISDN等，目前已不断向用户延伸，比如：等，目前已不断向用户延伸，比如：光纤到公寓光纤到公寓FTTA、光纤到大楼、光纤到大楼FTTB、光纤到路边（小区）、光纤到路边（小区）FTTC、光纤到户、光纤到户FTTH，统称为，统称为FTTX。1.2 光波波谱知识（1）电磁波波谱）电磁波波谱100 TH z10 T

9、H z1 TH z100 G H z10 G H z1 G H z100 MH z10 MH z1 MH z1 m可见光线10 m100 m1 m m10 m m100 mm1 m10 m100 m中波 (MF)短波 (H F)米波 (V H F)分米波(U H F)厘米波(SH F)毫米波(EH F)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 在电磁波波谱在电磁波波谱图中，光纤通信都图中，光纤通信都在可见光部分，其在可见光部分，其主要波长窗口有主要波长窗口有850nm,1310nm,1550nm等三个，其等三个，其传输稳定性好，衰传输稳定性好，衰减小，光利用率高减小，光利用率高

10、等特点，因此被称等特点，因此被称为主要光通信窗口。为主要光通信窗口。1.2 光波波谱知识（2）光波速度）光波速度光波与电磁波一样，在真空中的传播速度为光波与电磁波一样，在真空中的传播速度为c=3105Km/s，在均匀介质里边沿直线传播，速度与介质，在均匀介质里边沿直线传播，速度与介质的折射率成反比，即：的折射率成反比，即： v=cn n为介质折射率，真空中光的折射率为为介质折射率，真空中光的折射率为1，其它介质，其它介质里折射率都大于里折射率都大于1，因此传输速度都比真空中小。光在石，因此传输速度都比真空中小。光在石英光纤中的折射率为英光纤中的折射率为1.458，传播速度为，传播速度为v=21

11、05Km/s。 光波波长与频率光波波长与频率f、速度之间的关系是：、速度之间的关系是：c=f或或v=f/n。1.2 光波波谱知识（3）光的折射和反射光在同一均匀介质里边沿直线传播，但在不同介质里传播时，其交界面处就会产生反射和折射现象。n 2n 1112反射定律： 1=1 折射定律：sin 1 / sin 2 = n 2/ n 1 =v 1/ v2 v 1/ v2=n 2 / n 1法线1.2 光波波谱知识（4）光波的全反射光纤的导光原理就是利用光波的全反射完成的，根据折射理论，光从折射率大的介质进入折射率小的介质时，折射角大于入射角，并随入射角的增大而增大，当入射角增大到临界角0时，折射角2

12、=90o，这时光从 1全部反射回去，直到反射光逐渐增大，折射光全部消失。光波发生全反射的条件是：（1）光从光密媒质入射到光疏媒质。（2）入射角大于或等于临界角。1.2 光波波谱知识（4）光的全反射临界角是指刚好发生全反射时的入射角，此时折射角为90o。全反射定律： sin 0 / sin 90o=n 2/ n 1 sin 2 =n2 / n 1n 2n 1112法线1.3 光纤通信系统的基本构成（1）构成所谓光纤通信，就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信的目的。数字光纤通信系统由光发射机、光纤和光接收机组成。光发射机作用是电/光转换，把转换成的光脉冲信号码流输入到光纤中进行传输。光源器件

13、一般是LED和LD。光纤的作用是完成光波的传输。光接收机的作用就是进行光/电转换。光接收器件一般是PIN和APD。1.3 光纤通信系统的基本构成（2）单向光纤通信系统单向传输的光纤通信系统，包括发射发射、接收接收和作为广义信道的基本光纤传输系统光纤传输系统。光纤传输中，光信号本身不带任何信息，但要传输语音等信息，必须将电信号调制到光信号上进行传输。其调制方式分为直接调制和外调制两种方式。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1.3 光纤通信系统的基本构成（3）基本光纤传输系统的三个组成部分)( 1)(lg10)(

14、mvmvpdBmp1.3 光纤通信系统的基本构成（3）基本光纤传输系统的三个组成部分电信号电信号对光的调制的实现方式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，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，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用。 1.3 光纤通信系统的基本构成（3）基本光纤传输系统的三个组成部分激光源驱动器光纤光信号输出电信号输

15、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) 两种调制方案 (a) 直接调制； (b) 间接调制(外调制) 1.3 光纤通信系统的基本构成（3）基本光纤传输系统的三个组成部分光纤线路 l 功能：是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失真)和衰减传输到光接收机l 组成:光纤、光纤接头和光纤连接器l 低损耗 “窗口”：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0.85 m、1.31 m和1.55 m有三个损耗很小的波长“窗口”，见后图。l 光源激光器的发射波长和光检测器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。1.3 光纤通信系统的基本

16、构成（3）基本光纤传输系统的三个组成部分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）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1.3 光纤通信系统的基本构成（3）基本光纤传输系统的三个组成部分：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，经放大和处理后恢复成发射前的电信号：耦合器，光电检测器，解调器：接收机灵敏度，定为BER10-9条件下，所要

17、求的最小平无接收功率。：直接检测和外差检测1.4 光纤通信系统的分类（1）光纤通信系统的分类）光纤通信系统的分类短波长：0.85m左右多模光纤通信系统 长波长1.31m多模光纤通信系统 长波长1.31m单模光纤通信系统 长波长1.55m单模光纤通信系统超长波长光纤通信系统长波长：按传输光波长分：1.4 光纤通信系统的分类（1）光纤通信系统的分类）光纤通信系统的分类按调制信号形式分：模拟光纤通信系统数字光纤通信系统按光纤传导方式分：单模光纤通信系统多模光纤通信系统按传输信号调制方式分：直接调制光纤通信系统间接调制光纤通信系统1.4 光纤通信系统的分类（1）光纤通信系统的分类）光纤通信系统的分类其

18、他方式分：相干光通信系统光波分通信系统频分通信系统时分复用通信系统全光通信通信系统光孤子通信系统量子光通信系统1.4 光纤通信的作用及发展（1）光纤通信的作用光纤在公用电信网间作为传输线。局域网中的应用。光纤宽带综合业务数字网及光纤用户线。作为危险环境下的通信线。诸如发电厂、化工厂、石油库等场所。满足不同网络层面的应用。核心网层面、城域网层面、局域网层面等。应用于专网。光纤通信主要应用于电力、公路、铁路、矿山等通信专网。1.4 光纤通信的作用及发展（2）光纤通信的发展趋势向超高速系统发展向超大容量WDM系统演进向光传送网方向发展向G.655光纤发展向宽带光纤接入网方向发展1.4 光纤通信系统的优缺点（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