第六课光通信(上)_4.10_最新带作业豪华版

1、第六课光通信(上)2022-6-26 主要内容主要内容4.1通信知识简介通信知识简介4.2 光纤通信概论光纤通信概论4.3光纤通信中的光电子器件光纤通信中的光电子器件2022-6-26 4.1 通信知识简介通信知识简介2022-6-26 4.1 通信知识简介通信知识简介 自古以来，通信就是人们的基本需求之自古以来，通信就是人们的基本需求之一，这种需求促使人们设法发明能将信息从一，这种需求促使人们设法发明能将信息从一个地方传送到另一个遥远地方的系统。一个地方传送到另一个遥远地方的系统。 古代，人们通过驿站、飞鸽传书、烽火古代，人们通过驿站、飞鸽传书、烽火报警等方式进行信息传递。到了今天，随着报警

2、等方式进行信息传递。到了今天，随着科学水平的飞速发展，相继出现了无线电，科学水平的飞速发展，相继出现了无线电，固定电话，移动电话，互联网甚至可视电话固定电话，移动电话，互联网甚至可视电话等各种通信方式。等各种通信方式。2022-6-26 通信的定义通信的定义 国际电信联盟（国际电信联盟（ITU-TITU-T）把通信定义为）把通信定义为“按按照一致同意的协定以照一致同意的协定以某种方式某种方式经过经过某种途径某种途径将将信息信息从从发出者发出者传递给传递给接受者接受者的全过程的全过程”。n什么是通信？什么是通信？n“通通”传送传送，“信信”信息信息；信息的传送信息的传送信息信息 关于关于“什么是

3、信息什么是信息”这样一个最基本的问题，是一这样一个最基本的问题，是一个十分困难的问题，目前并没有定论。个十分困难的问题，目前并没有定论。 信息论奠基人香农（信息论奠基人香农（ShannonShannon）认为）认为“信息是用来消除随机信息是用来消除随机不确定性的东西不确定性的东西”。 控制论创始人维纳（控制论创始人维纳（Norbert WienerNorbert Wiener）认为）认为“信息是人们在信息是人们在适应外部世界，并使这种适应反作用于外部世界的过程中，适应外部世界，并使这种适应反作用于外部世界的过程中，同外部世界进行互相交换的内容和名称同外部世界进行互相交换的内容和名称”。 经济管

4、理学家认为经济管理学家认为“信息是提供决策的有效数据信息是提供决策的有效数据”。 最广义的概念：最广义的概念：信息是事物的特征、状态和与其他信息是事物的特征、状态和与其他事物的关联事物的关联。 信息的特性：可传递性，可度量性，可加工性等。信息的特性：可传递性，可度量性，可加工性等。信息的度量信息的度量 信息量仅与消息中包含的不确定度有关，也就是说消息中信息量仅与消息中包含的不确定度有关，也就是说消息中所含信息量与消息发生的概率密切相关。所含信息量与消息发生的概率密切相关。消息发生概率愈消息发生概率愈小，愈使人感到意外和惊奇，则此消息所含的信息量愈大小，愈使人感到意外和惊奇，则此消息所含的信息量

5、愈大。在信息论中，消息所含的信息量在信息论中，消息所含的信息量I与消息与消息x出现的概率出现的概率P(x)的关系式为：的关系式为：)(log)(1logxpxpIaa信息量的单位由对数底的取值信息量的单位由对数底的取值a决定。决定。若对数以若对数以2为底时单位是为底时单位是“比特比特”（二进制数）；（二进制数）；若以若以e为底时单位是为底时单位是“奈特奈特”；通常采用通常采用“比特（比特（bit）”作为信息量的实用单位。作为信息量的实用单位。用用“比特率（比特率（bps）”来衡量信息传递的速度。来衡量信息传递的速度。通信系统的基本组成通信系统的基本组成 任何一种通信系统都是将用户的信息（例如语

6、言、图像和任何一种通信系统都是将用户的信息（例如语言、图像和数据等）数据等）调制调制到载送信息的到载送信息的载波载波（电磁波）上，然后经（电磁波）上，然后经传传输介质输介质传送到收信方，收信方再用传送到收信方，收信方再用解调解调手段，从载有信息手段，从载有信息的载波中将用户的信息取出，达到通信的目的。的载波中将用户的信息取出，达到通信的目的。 通信系统：通信系统：发送机发送机，信道信道（传输媒介），（传输媒介），接收机接收机。 电磁波：无线电波，微波，光波（可见光与红外），电磁波：无线电波，微波，光波（可见光与红外），x x射线等。射线等。 载波是光波的通信方式称为光通信。载波是光波的通信方式

7、称为光通信。各种通讯技术对电磁波的使用各种通讯技术对电磁波的使用2022-6-26 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 自由空间波长自由空间波长/m频率频率/Hz10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015ELFVF VLFLFMF HFVHF UHF SHF EHF电力、电话电力、电话电波（无线，有线）电波（无线，有线）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卫星通信卫星通信/移动通信移动通信AM无

8、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大气大气TV光纤光纤通信通信2022-6-26 4.2 光纤通信概论光纤通信概论4.2 光纤通信概论2022-6-26 4.2.1 光纤通信的定义光纤通信的定义4.2.2 光通信的发展历史光通信的发展历史4.2.3 光纤简介光纤简介4.2.4 光纤通信的五个发展阶段光纤通信的五个发展阶段4.2.5 光纤通信的特点光纤通信的特点4.2.6 光纤通信系统的组成光纤通信系统的组成4.2.1 光纤通信的定义光纤通信的定义2022-6-26 光通信光通信指的是一切运用光波作为载体而传送指的是一切运用光波作为载体而传送信息的所有通信方式的总称。信息

9、的所有通信方式的总称。 光纤通信光纤通信就是就是以以光波光波作为作为载波载波和和以以光纤光纤作为作为传输媒介传输媒介的一种通信方式的一种通信方式。4.2.2 光通信的发展历史光通信的发展历史2022-6-26 古代的光通信古代的光通信烽火烽火旗语旗语信号弹信号弹 近代的光通信近代的光通信光电话光电话 (Bell) 现代的光通信现代的光通信光纤通信（激光光源和光纤传输）光纤通信（激光光源和光纤传输）古代的光通信古代的光通信2022-6-26 最早的光通信可以追溯到古最早的光通信可以追溯到古代的代的烽火通信烽火通信。早在。早在30003000多年前，多年前，我国周朝就有利用烽火台的烟火我国周朝就有

10、利用烽火台的烟火传递信息的光通信（军事用途）。传递信息的光通信（军事用途）。 这是一种利用可见光进行的这是一种利用可见光进行的视觉通信，称为视觉通信，称为目视光通信目视光通信。 旗语旗语产生于西方的大航产生于西方的大航海时代，舰船之间通过旗语海时代，舰船之间通过旗语来进行联络；直到现在，各来进行联络；直到现在，各种信号旗仍然在船舶上悬挂。种信号旗仍然在船舶上悬挂。古代光通信古代光通信：信息量少，距离有限信息量少，距离有限近代的光通信近代的光通信2022-6-26 用烽火、旗语等传递信息的方法都是用可见光进行用烽火、旗语等传递信息的方法都是用可见光进行的视觉通信，是非常原始的光通信方式，不能称得

11、的视觉通信，是非常原始的光通信方式，不能称得上是完全意义上的光通信。上是完全意义上的光通信。 近近100多年中，人们仍然没有对光通信失去兴致，多年中，人们仍然没有对光通信失去兴致，就连大发明家贝尔也尝试着用光来打电话（称为光就连大发明家贝尔也尝试着用光来打电话（称为光电话），电话），光电话光电话的发明被认为是的发明被认为是近代光通信近代光通信的开始。的开始。光电话光电话2022-6-26 1880年年Bell发明光电话，传输距离发明光电话，传输距离213m。 它使用它使用弧光灯弧光灯（或（或太阳光太阳光）作光源，光束通过透镜聚焦在）作光源，光束通过透镜聚焦在话筒话筒（送话器）的振动镜上。（送话

12、器）的振动镜上。当人对着话筒讲话时，振动片随着话音振动，从而使得反射光的强弱随着话音的强弱作相应当人对着话筒讲话时，振动片随着话音振动，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（即的变化，这就将话音信息载荷在光波上（即调制调制）。在接收端，装有一抛物面接收镜，它把）。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（即解调解调）。把电流送到）。把电流送到听筒听筒（受话筒），就可以听到从发送端传来的声音。（受话筒），就可以

13、听到从发送端传来的声音。光电话光电话2022-6-26 18801880年贝尔发明光电话一直到年贝尔发明光电话一直到19601960年以前，年以前，光通信的发展几乎停滞不前。光通信的发展几乎停滞不前。 光电话存在的问题光电话存在的问题2022-6-26 主要原因有三主要原因有三： 光源问题光源问题：太阳光、灯光等普通的可见光源，都不适合作为太阳光、灯光等普通的可见光源，都不适合作为通信的光源，因为从通信技术上看，这些光都是带有通信的光源，因为从通信技术上看，这些光都是带有“噪声噪声”的光。也就是说，这些光的频率不稳定、不单一。的光。也就是说，这些光的频率不稳定、不单一。 必须要找到高强度、单色

14、性好、方向性好的可靠光源必须要找到高强度、单色性好、方向性好的可靠光源 传输媒介问题传输媒介问题：以大气作传输媒介，损耗很大，无法实现：以大气作传输媒介，损耗很大，无法实现远距离传输，而且通信条件也极不稳定可靠远距离传输，而且通信条件也极不稳定可靠 。 必须要找到稳定的、低损耗的传输媒质必须要找到稳定的、低损耗的传输媒质 光电检测器问题光电检测器问题：硅光电池作为光电检测器，内部噪声很：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。大，通信质量难以保证。 必须要找到高效率、低噪声的光电探测器件必须要找到高效率、低噪声的光电探测器件光源问题 19601960年，美国梅曼（年，美国梅曼（

15、MaimanMaiman）发明了）发明了红宝石激光器红宝石激光器，它发，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光纤中传输，耦合效率极低。激光器发出的光束不易耦合进光纤中传输，耦合效率极低。 19621962年研制成功年研制成功镓铝砷（镓铝砷（GaAlAsGaAlAs）注入式半导体激光器）注入式半导体激光器，优点是发光波长为优点是发光波长为850nm850nm，与光纤的低衰减窗口一致，易于，与光纤的

16、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。耦合，体积小。缺点是无法在室温下工作，寿命短。 19701970年研制成功了年研制成功了镓铝砷（镓铝砷（GaAlAsGaAlAs）双异质结注入式半导）双异质结注入式半导体激光器体激光器，它可以在室温下连续工作，且寿命长。同一时期，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。又发明了发光二极管，彻底解决了光源问题。 19601960年年，曙光出现了！，曙光出现了！现代光通信现代光通信光电检测器问题 随着半导体技术的发展，随着半导体技术的发展，光电检测器件得到了迅速光电检测器件得到了迅速发展，新

17、型检测器件相继研制成功：发展，新型检测器件相继研制成功： 适用于短波长的适用于短波长的硅光二极管硅光二极管（Si-PIN）和）和硅雪崩硅雪崩光电二极管光电二极管（Si-APD） 适用于长波长的适用于长波长的InGaAsP/InP、Ge光电二极管光电二极管（PIN）和）和雪崩光电二极管雪崩光电二极管（APD）等。）等。传输媒介问题光纤！光纤！4.2.3 光纤简介光纤简介 光纤光纤(optical fiber)：光导纤维光导纤维的简称，是的简称，是一种介质圆柱一种介质圆柱光波导光波导，它能够约束并引导，它能够约束并引导 光波在其内部或表面附近沿其轴线方向向光波在其内部或表面附近沿其轴线方向向前传播

18、。前传播。2022-6-26 光纤的基本结构光纤的基本结构 光纤是高度透明的玻璃丝，具有三层结构光纤是高度透明的玻璃丝，具有三层结构: 纤芯纤芯：SiO2(99.9999%),少量掺少量掺GeO2 包层包层：纯：纯SiO2，或少量掺，或少量掺Be硼，折射率略低于纤芯硼，折射率略低于纤芯 涂覆层涂覆层：环氧树脂、硅橡胶等高分子材料：环氧树脂、硅橡胶等高分子材料,保护作用保护作用光纤传光原理简介光纤传光原理简介n1n2全反射全反射当光从折射率高当光从折射率高(n1)的媒质的媒质入射到折射率低入射到折射率低(n2)的媒质，的媒质，入射角超过入射角超过临界角临界角时，光线时，光线在两种媒质的界面上不发

19、生在两种媒质的界面上不发生折射现象，只有反射。折射现象，只有反射。临界角临界角：c=arcsin( n2 / n1)2022-6-26 18701870年，英国物理学家廷德尔把年，英国物理学家廷德尔把光照射到盛水的容器内，从出水光照射到盛水的容器内，从出水口向外倒水时，光线也沿着水流口向外倒水时，光线也沿着水流传播，出现弯曲现象，光是以折传播，出现弯曲现象，光是以折线方式前进的。线方式前进的。 光可以光可以“走弯路走弯路”：全反射全反射。 能够引导光传播的媒介称为能够引导光传播的媒介称为光波光波导导。 一直以来人类从未放弃过对理想光波导的寻找，经过不一直以来人类从未放弃过对理想光波导的寻找，经

20、过不懈的努力，人们发现了透明度很高的懈的努力，人们发现了透明度很高的石英玻璃纤维（石英玻璃纤维（SiO2光光纤）纤）可以传播光。可以传播光。光纤的发展光纤的发展光纤的发展光纤的发展2022-6-26 纯纯SiOSiO2 2是已知的对光损耗最小的材料！是已知的对光损耗最小的材料！对导光材对导光材料的研究集中在料的研究集中在石英玻璃纤维石英玻璃纤维上！上！ 先制成先制成无包层玻璃光纤无包层玻璃光纤，可以用于光线和图象的短距，可以用于光线和图象的短距离传输离传输 后后发现使用包层能够改善光纤的特性发现使用包层能够改善光纤的特性 光纤在光纤在2020世纪世纪5050年代进入实用年代进入实用 主要用于医

21、疗，如胃镜，只能短距离成像，损耗很大主要用于医疗，如胃镜，只能短距离成像，损耗很大 到到2020世纪世纪6060年代中期，光纤损耗仍在年代中期，光纤损耗仍在1000dB/km1000dB/km以上以上 很多人对光纤通信丧失了信心很多人对光纤通信丧失了信心 dB/km10lginoutLP P光纤损耗分贝（光纤损耗分贝（dBdB）表示：）表示：20dB20dB的衰减表示输出功率仅剩的衰减表示输出功率仅剩1 1，1000dB/km1000dB/km的损耗意味着的损耗意味着这种光纤根本无法用于信号传输这种光纤根本无法用于信号传输!衰减为衰减为 1000 dB/km1000 dB/km, , 远远达不

22、到实用的水平远远达不到实用的水平, ,如何如何降低衰减降低衰减, ,从而达到实用的水平（从而达到实用的水平（20dB/km20dB/km）? ?dB 10lginoutP P 19661966年，英籍华人年，英籍华人高锟高锟（Charles Kao,1933Charles Kao,1933年生于上海年生于上海) )发表堪称光纤通信开山之作的论文发表堪称光纤通信开山之作的论文(“Dielectric-(“Dielectric-fibre Surface Waveguides for Optical fibre Surface Waveguides for Optical Frequencies”

23、)Frequencies”)文章从理论角度指出：文章从理论角度指出： 玻璃损耗太高主要由其中的杂质离子导致玻璃损耗太高主要由其中的杂质离子导致； 利用带有包层的石英玻璃纤维，可望将损耗降低利用带有包层的石英玻璃纤维，可望将损耗降低到到20dB/km(20dB/km(达到电缆水平达到电缆水平) )； 通过进一步降低杂质浓度，可以获得远远低于通过进一步降低杂质浓度，可以获得远远低于20dB/km20dB/km的损耗值！的损耗值！转折点转折点高锟的伟大预言！高锟的伟大预言！ 指明通过指明通过“原材料的提纯制造出适合于长距离通信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

24、展方向。这一发展方向。2022-6-26 一篇文章奠定了整个光纤通信产业的基础！一篇文章奠定了整个光纤通信产业的基础！高锟也因此被世界誉为高锟也因此被世界誉为“光纤之父光纤之父”光纤之父光纤之父高锟高锟 1933年，出生于中国上海，先后于年，出生于中国上海，先后于1957年和年和1965年在伦敦大学获得电机工程学士和博士学年在伦敦大学获得电机工程学士和博士学位。位。 1987年，担任香港中文大学校长。年，担任香港中文大学校长。 1990年，获选美国国家工程院院士，年，获选美国国家工程院院士，1996年年当选为中国科学院外籍院士。当选为中国科学院外籍院士。 2009年，由于在年，由于在“有关光在

25、纤维中的传输以用有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面于光学通信方面”取得了突破性成就，获得取得了突破性成就，获得。19981998年高锟在英国接受年高锟在英国接受IEEIEE授予的奖章授予的奖章光纤之父光纤之父高锟高锟20092009年高锟在瑞典接受瑞典年高锟在瑞典接受瑞典国王颁发的诺贝尔奖章国王颁发的诺贝尔奖章 1970年美国康宁年美国康宁(Corning)玻璃公司宣布玻璃公司宣布制作出了损耗为制作出了损耗为20dB/km（0.85um）的）的石英光纤。石英光纤。 以纯石英为主体，掺杂不同氧化物获得所需以纯石英为主体，掺杂不同氧化物获得所需要的折射率分布；要的折射率分布； 以气相沉积工艺制

26、作预制棒，拉制出光纤。以气相沉积工艺制作预制棒，拉制出光纤。上述两个思路直到现在仍是光纤制作基础上述两个思路直到现在仍是光纤制作基础 目前的实用化水平：目前的实用化水平：0.2dB/km19701970光纤通信元年！光纤通信元年！光纤通信时代正式到来！光纤通信时代正式到来！恰恰也是恰恰也是19701970年，美国贝尔实年，美国贝尔实验室成功地研制出能在室温下验室成功地研制出能在室温下连续工作的半导体激光器连续工作的半导体激光器低损耗光纤的研制低损耗光纤的研制1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4dB/km。1973年，美国贝尔年，美国贝尔(Bel

27、l)实验室的光纤损耗降低到实验室的光纤损耗降低到2.5dB/km。1974 年降低到年降低到1.1dB/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到公司将光纤损耗降低到0.47 dB/km(波长波长1.2m)。 在以后的在以后的 10 年中，波长为年中，波长为1.55m的光纤损耗：的光纤损耗：1979年是年是0.20dB/km，1984年是年是0.157dB/km，1986年是年是0.154 dB/km， 接近了光纤最低损耗的理论极限。接近了光纤最低损耗的理论极限。 低损耗光纤的研制低损耗光纤的研制目前，波长为目前，波长为1.55um的标准光纤损耗为的标准光纤损

28、耗为0.2dB/km*35 光纤通信常用的三个低损耗窗口：光纤通信常用的三个低损耗窗口：0.85 0.85 m m 、1.31 1.31 m m 、1.55 1.55 m m0.2dB/km0.2dB/km0.5dB/km0.5dB/km2dB/km2dB/km第一代：第一代：19661979 (从基础研究到商业应用的开发时期从基础研究到商业应用的开发时期)激光器激光器(GaAlAs/GaAs)，波长，波长0.85m，多模光纤，多模光纤，Si光电探测器。光电探测器。最大中继距离最大中继距离10km (当时的同轴电缆系统中继距离为当时的同轴电缆系统中继距离为1km)，比，比特率为特率为10100

29、Mb/s。多模色散多模色散和和损耗损耗是限制中继距离的关键。是限制中继距离的关键。4.2.4 光纤通信的五个发展阶段光纤通信的五个发展阶段第二代：上世纪第二代：上世纪80年代早期年代早期 (减小了光纤色散减小了光纤色散)激光器激光器(InGaAsP/InP)，波长，波长1.3m，单模光纤，单模光纤，Ge，InGaAs探测器，最大中继距离探测器，最大中继距离50km，比特率为，比特率为2.0Gb/s。光纤的。光纤的损耗损耗(0.5 dB/km)限制了中继距离。限制了中继距离。光纤通信的五个发展阶段光纤通信的五个发展阶段第三代：上世纪第三代：上世纪80年代后期初年代后期初90年代初年代初 (降低了

30、光纤损耗降低了光纤损耗)激光器激光器(InGaAsP)波长波长1.55m，单模，单模(色散位移色散位移)光纤，比特率光纤，比特率为为2.510Gb/s，最大中继距离，最大中继距离100km。这个阶段的缺点是。这个阶段的缺点是采用采用电的方式中继电的方式中继。光纤通信的五个发展阶段光纤通信的五个发展阶段第四代：上世纪第四代：上世纪90年代之后年代之后 (引入了引入了WDM和全光放大技术和全光放大技术)激光器激光器(InGaAsP)波长波长1.55m，单模光纤，采用，单模光纤，采用波分复用技术波分复用技术和和光放大技术光放大技术，单波长信道比特率为，单波长信道比特率为2.510Gb/s，传输距离，

31、传输距离14000 km，并提出光通信智能化的概念，并提出光通信智能化的概念光纤通信的五个发展阶段光纤通信的五个发展阶段WDM技术出现第五代：上世纪第五代：上世纪90年代末年代末(新技术的应用新技术的应用)第五代光纤通信系统是为了克服光纤色散的影响而发展起来第五代光纤通信系统是为了克服光纤色散的影响而发展起来的，的，光孤子技术光孤子技术被认为是最终解决方案。被认为是最终解决方案。光孤子技术是基于光孤子技术是基于光纤的非线性压缩与光纤色散引起的展宽相互抵消的机理来光纤的非线性压缩与光纤色散引起的展宽相互抵消的机理来实现脉冲在无损耗光纤中的无变形传输。实现脉冲在无损耗光纤中的无变形传输。96年利用

32、光孤子环年利用光孤子环路通信实现路通信实现7路路10Gbit/s传输传输9400km。光纤通信的五个发展阶段光纤通信的五个发展阶段Fifth Generation 光纤通信技术的三次飞跃光纤通信技术的三次飞跃(1)(1) 20世纪世纪60年代年代。1962年第一台年第一台半导体激光器半导体激光器诞生，随后半导体诞生，随后半导体光检测器光检测器也研究成功。特也研究成功。特别是别是1966年英籍华人科学家高锟与年英籍华人科学家高锟与Hockham提出用玻璃可以制成衰减为提出用玻璃可以制成衰减为20dB/km的通信的通信光光导纤维导纤维，1970年美国康宁公司首先制出了年美国康宁公司首先制出了20d

33、B/km的光纤，的光纤，这标志着光纤通信系统的实这标志着光纤通信系统的实际研究条件得以具备际研究条件得以具备。 20世纪世纪70年代年代。1970年发明了年发明了LD的双异质结构，的双异质结构，使得光源与光检测器的寿命都达到了使得光源与光检测器的寿命都达到了10万小时万小时的实用化水平。的实用化水平。1979年发现了光纤年发现了光纤1310nm和和1550nm新的低损耗窗口，紧接着新的低损耗窗口，紧接着单模光纤单模光纤问世。问世。光纤的衰减系数一下降到光纤的衰减系数一下降到0.5dB/km。这使得光。这使得光纤通信迈进了纤通信迈进了实用化阶段实用化阶段，从，从80年代初开始光年代初开始光纤通信

34、便大步地迈向了市场。纤通信便大步地迈向了市场。光纤通信技术的三次飞跃光纤通信技术的三次飞跃(2)(2) 20世纪世纪90年代初年代初。1989年年掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器EDFA的研制成功是光纤通信新一轮突破的开的研制成功是光纤通信新一轮突破的开始。始。EDFA的应用不仅解决了光纤传输衰减的的应用不仅解决了光纤传输衰减的补偿问题，而且为一批光网络器件的应用创补偿问题，而且为一批光网络器件的应用创造了条件。使得光纤通信的数字造了条件。使得光纤通信的数字传输速率迅传输速率迅速提高速提高，促成了波分复用技术的，促成了波分复用技术的实用化实用化。光纤通信技术的三次飞跃光纤通信技术的三次飞跃(3)(

35、3)2022-6-26 光纤通信的发展工作波长光纤激光器比特率中继距离L第一代70年代0.85 um多模多模10100Mb/s10Km第二代80年代初1.30 um多模单模多模100Mb/s1.7Gb/s20Km50Km第三代80年代中90年代初1.55 um单模单模2.5Gb/s10Gb/s100Km第四代90年代1.55 um单模单模100Gb/s21000Km（Loop）1500Km （line）第五代1.55 um单模单模单路速率:40,160,640Gb/s信道数:8,16,64,128,102227000Km(Loop) 6380(Line)目前研究内容WDM光网络；全光分组交换；

36、光时分复用；光孤子通信；新型的光器件4.2.5 光纤通信的特点光纤通信的特点2022-6-26 光纤通信：以光纤通信：以光波光波作为作为载波载波；以；以光纤光纤作为作为传输媒介传输媒介1. 频率高、频带宽、容量大频率高、频带宽、容量大 频带的宽窄代表传输容量的大小。载波频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，传率越高，可以传输信号的频带宽度就越宽，传输的容量也就越大（输的容量也就越大（香农定理香农定理）。）。2022-6-26 2. 损耗小，中继距离长损耗小，中继距离长 目前常用光纤损耗为目前常用光纤损耗为0.2dB/km，甚至更低，直，甚至更低，直观地说，

37、就是光传送观地说，就是光传送15公里，其强度还有原来公里，其强度还有原来的一半。的一半。 中继距离长中继距离长:一般光纤通信系统的中继距离为几十公一般光纤通信系统的中继距离为几十公里，有的达一百多公里。而电缆通信系统中，中继距里，有的达一百多公里。而电缆通信系统中，中继距离为几公里。所以离为几公里。所以光纤通信适合于长距离干线通信光纤通信适合于长距离干线通信，特别是对于跨洋通信来说，具有重大意义特别是对于跨洋通信来说，具有重大意义 单模光纤最大中继距离可达上百公里，如果再加上光单模光纤最大中继距离可达上百公里，如果再加上光纤放大器，则可以直通上万公里而不需要再生中继。纤放大器，则可以直通上万公

38、里而不需要再生中继。2022-6-26 3. 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传播，泄露极其微弱，很难窃听光纤中的传输信号。另外，光纤中传输的激光，频率极高，信号。另外，光纤中传输的激光，频率极高，不易被拦截、窃听。因此光纤通信是当前最具不易被拦截、窃听。因此光纤通信是当前最具保密性的战略通信手段之一保密性的战略通信手段之一 。4. 4. 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，而各种干扰磁干扰。同时

39、，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。频率一般较低，故其抗干扰能力极强。 2022-6-26 5. 原料丰富、成本低、重量轻、寿命长原料丰富、成本低、重量轻、寿命长 制造光纤的原材料是石英玻璃（制造光纤的原材料是石英玻璃（SiO2），它在大自然），它在大自然界中几乎是取之不尽、用之不竭的。界中几乎是取之不尽、用之不竭的。 1公斤高纯度的石英玻璃可以制成上万公里的光纤，而公斤高纯度的石英玻璃可以制成上万公里的光纤，而制造制造1公里公里18管的同轴电缆需管的同轴电缆需120公斤的铜，或公斤的铜，或500公斤公斤的铅。的铅。 石英玻璃重量轻，使用寿命长，一般为石英玻璃重量轻，

40、使用寿命长，一般为25年以上。年以上。 6. 耐高温、耐高压、抗腐蚀、性能稳定、可靠性高耐高温、耐高压、抗腐蚀、性能稳定、可靠性高 2022-6-26 超高速大容量长距离网络化一根光纤中可同时传输一百多路信号，采用特殊技术甚至可以同时传输1022路单路速率不断提升，已达到10、20、40Gb/s采用OTDM技术甚至可达640Gb/s各种通信技术的快速发展使上千甚至上万公里的长距离传输成为可能全光网成为目前光通信领域最热门的话题之一保密性好耐高温、高压抗腐蚀材料丰富光纤通信的优点 光纤通信系统一般由光纤通信系统一般由电端机电端机( (收发收发) )、光发射机光发射机、光接收机光接收机、光中继器光

41、中继器以及以及光缆光缆等组成。等组成。 此外还包括一些此外还包括一些互连互连与与光信号处理光信号处理器件，如光纤连接器、器件，如光纤连接器、隔离器、调制器、滤波器、光开关及路由器、分插复用器隔离器、调制器、滤波器、光开关及路由器、分插复用器ADM等。等。4.2.6 4.2.6 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。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

42、载波机或电视发送设备，对应的光纤通信系统称为模号的电端机一般是载波机或电视发送设备，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（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。设备，对应的光纤通信系统称为数字光纤通信系统。 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。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

43、光二极管发射激光，功率大，波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。，功率小，波谱宽，适用于小容量、短距离的光纤通信系统。 3.光缆 光缆作为传输媒介，主要任务是传送光信号。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

44、向通信需要两根光纤。但采用波分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。复用技术后，一根光纤便可实现双向传输。 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。传输。目前，常用的中继方式是光目前，常用的中继方式是光/ /电电/ /光再生方式，即首先通过光电转光再生方式，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，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

45、续传输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输。 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光电二极管和光电二极管和雪崩光电二极管（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）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。对光信号进行放大，有利于提高接收灵敏度。 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，如解接收电端机的作用同发送

46、电端机的作用相反，如解调等。调等。 2022-6-26 习题与思考题 1、从通信波长、传输速率、中继距离等方面说明各代光纤通信系统的主要特点。 2、光纤通信的主要优点有哪些？ 3、光纤通信系统的主要组成部分？ 4、分别计算光信号在衰减系数为0.2dB/km、20dB/km与1000dB/km的光纤通信系统传输1km，5km以及20km距离后输出光功率与输入光功率的比值。 5、分别计算光信号在衰减系数为0.2dB/km、20dB/km与1000dB/km的光纤通信系统中传输时，光功率衰减一半所需要的传输距离。 6、简述光纤通信发展所经历的三次技术飞跃。 7、光纤通信常用的低损耗窗口有哪些？它们的

47、最低损耗系数分别是多少？2022-6-26 本节主要参考资源 顾畹仪 编著 光纤通信系统北京邮电大学出版社 1999 Govind P. Agrawal， “Fiber-Optic Communications Systems（Third Edition） ” Wiley-Interscience， 2002 王建萍，光纤通信技术，清华大学讲义，2006谢谢！附录：我国光纤通信的发展 当当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。光通信的研究工作。 70年代末期，已能制造多模光纤（衰减为年代末期，已能制造多模光纤（

48、衰减为4dB/km，波长为，波长为1300nm）和发光二极管以及激光器、雪崩光电二极管等。）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纤通信网，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。网三种。 在九五期间，建设成了在九五期间，建设成了“八纵八横八纵八横”的光缆干线。初步形成了的光缆干线。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以数字通信为主，多种手段并用，安全可靠，能提供多

49、种业务的现代化数字通信网。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赵梓森赵梓森：19321932年生于上海年生于上海, ,武汉邮电科学研究院原院长武汉邮电科学研究院原院长, ,中国工程院院士，中国工程院院士，19771977年负责拉制出中国第一根光纤，被称为中国的光纤之父年负责拉制出中国第一根光纤，被称为中国的光纤之父. . 光学家，科学院和工程院院士。江苏吴县人，光学家，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年毕业于清华大学物理系 。1938年留学英国，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。究与开发工作。1948年回国，曾任大连大学应用年回国，曾任大连大学应用物理系主任，中国科学院仪器馆馆长，