光纤通信刘增基版第一章

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 光通信：利用光波作为载波来传递信息。 光纤通信：用光纤作为传输介质的光通信光通信与光纤通信的概念光通信与光纤通信的概念 数字通信与模拟通信相比，有占用信道频带宽的缺点，数字通信所需信道带宽远比模拟通信的大。 无论是采用金属双绞线、同轴电缆还是采用微波，都不能充分发挥数字通信的优点。 自光纤通信迅速发展并得到普及应用以来，数字通信找到了理想的传输媒介。优越的数字通信方式与理想的光纤传输媒介相结合，使得数字通信的发展更加迅速。光纤通信在通信网中的地位应用层应用层业务网业务网传送网传送网支撑网支撑网 通信基础网是一个以通信基础网是一个以光纤通信光纤通信、微波接力和卫星传输构成、微波接力和卫

3、星传输构成的传输网络。的传输网络。 在传输网基础上，根据业务节点设备类型的不同，可以构在传输网基础上，根据业务节点设备类型的不同，可以构建成不同类型的业务网。建成不同类型的业务网。传送网的作用传送网的作用传送网是基础网传送网是基础网传送网随业务发展而发展传送网随业务发展而发展传送网是网络建设的先行者传送网是网络建设的先行者传送网传送网-信息高速公路的传输平台。信息高速公路的传输平台。用户环路交换设备电复接设备卫星通信微波通信光纤通信移动通信发送机接收机传输系统用户终端用户终端信息信息用户终端用户终端用户环路交换设备电复接设备信息信息 现代通信方式示意图现代通信方式示意图用户终端用户终端交换设备

4、交换设备接入网接入网电复接设备电复接设备传输系统传输系统用户环路交换设备电复接设备卫星通信微波通信光纤通信移动通信发送机接收机传输系统用户终端用户终端信息信息用户终端用户终端用户环路交换设备电复接设备信息信息 现代通信方式示意图现代通信方式示意图光网络层次光网络层次本地网城域网城域网本地网本地网i省际长途传输；i省内长途传输；i本地网：本地市、县乡之间的网络；i城域网：城区大容量及综合业务传输；i接入网：端局到用户终端之间。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：原始形式的光通信：中国古代用中国古代用“烽火台烽火

5、台”报警；报警； 欧洲人用旗语传送信息。欧洲人用旗语传送信息。 公元前公元前11世纪，西周王朝，烽火台世纪，西周王朝，烽火台白天点狼粪，晚上燃柴火白天点狼粪，晚上燃柴火“狼烟四起狼烟四起”古老的光通信设备古老的光通信设备-烽火台烽火台广义地说，用光传递信息广义地说，用光传递信息并不是什么新鲜的事。早并不是什么新鲜的事。早在公元两千多年以前，我在公元两千多年以前，我们的祖先就在都城和边境们的祖先就在都城和边境堆起一些高高的土丘，遇堆起一些高高的土丘，遇到敌人入侵，就在这些土到敌人入侵，就在这些土丘上燃起烟火传递受到入丘上燃起烟火传递受到入侵的信息，各地诸侯看见侵的信息，各地诸侯看见烟火就立刻领兵

6、来救援。烟火就立刻领兵来救援。其中还有著名的其中还有著名的“周幽王周幽王烽火戏诸侯烽火戏诸侯”的故事。的故事。这种土丘就叫烽火台，它这种土丘就叫烽火台，它就是一种古老的光通信设就是一种古老的光通信设备。备。 1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音的“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。现代光通信的开端：第一个光电话系统现代光通信的开端：第一个光电话系统1880年贝尔发明了第一个光电话系统，通话距离年贝尔发明了第一个光电话系统，通话距离213米米光源不行：普通光源强度和纯度都成为制约光通信发展的因素光源不行：普通光源强度和纯度都成为制约光通信

7、发展的因素现代光通信的开端：第一个光电话系统现代光通信的开端：第一个光电话系统 在这个时期，美国麻省理工学院利用He - Ne激光器和CO2激光器进行了大气激光通信试验大气激光通信试验。由于没有找到稳定可靠稳定可靠和低损耗的传输介质低损耗的传输介质， 对光通信的研究曾一度走入了低潮。 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，激光器的发明和应用， 使沉睡了使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段年的光通信进入一个崭新的阶段。 1.1.2 现代光纤通信现代光纤通信 但是到了上世纪六十年代中期，情况就发生了根本的变化。但是到了上世

8、纪六十年代中期，情况就发生了根本的变化。 引起该变化的人被称为引起该变化的人被称为“光纤之父光纤之父”。 此人获得了此人获得了2009年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。 这个人是一位中国人，他就是高锟！这个人是一位中国人，他就是高锟！ 1.1.2 现代光纤通信现代光纤通信高锟提出光纤通信高锟提出光纤通信 早在早在1966年，英籍华人高锟发表了关于通信传输年，英籍华人高锟发表了关于通信传输新介质的论文，当时他还是一个在英国工作的年新介质的论文，当时他还是一个在英国工作的年轻工程师，他指出利用光导纤维进行信息传输的轻工程师，他指出利用光导纤维进行信息传输的可能性和技术途径，从而奠定了光纤通信的基

9、础。可能性和技术途径，从而奠定了光纤通信的基础。 在高锟早期的实验中，光纤的损耗约为在高锟早期的实验中，光纤的损耗约为3000 dB/km，他指出这么大的损耗不是石英纤维本身的，他指出这么大的损耗不是石英纤维本身的固有特性，而是由于材料中的杂质离子的吸收产固有特性，而是由于材料中的杂质离子的吸收产生的。生的。高锟提出光纤通信高锟提出光纤通信 高锟指出，如果把材料中金属离子含量高锟指出，如果把材料中金属离子含量的比重降低到的比重降低到10 6以下，光纤损耗就可以以下，光纤损耗就可以减小到减小到 20 dB/km。 再通过改进制造工艺，提高材料的均匀再通过改进制造工艺，提高材料的均匀性，可进一步降

10、低光纤的损耗。性，可进一步降低光纤的损耗。 这种想法很快就变成了现实。这种想法很快就变成了现实。高高 锟锟-光纤之父光纤之父 1966年英国标准电信研究所年英国标准电信研究所高高 锟锟-光纤之父光纤之父香港中文大学原校长高锟香港中文大学原校长高锟1996年在年在“高锟星高锟星”命名典礼上命名典礼上 高高 锟锟-光纤之父（左）光纤之父（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 1970年，年，光纤光纤研制取得了重大突破研制取得了重大突破 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新阶段。把光纤通信的研究开发

11、推向一个新阶段。 1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/km。 1973 年，美国贝尔(Bell)实验室的光纤损耗降低到2.5dB/km。1974 年降低到1.1dB/km。 1976 年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到0.47 dB/km(波长1.2m)。 在以后的 10 年中，波长为1.55 m的光纤损耗： 1979 年是0.20 dB/km，1984年是0.157 dB/km，1986 年是0.154 dB/km， 接近了光纤最低损耗的理论极限光纤最低损耗的理论极限。 1970 年，光纤通信用年，光纤通信用光源光源取得了实质性的进展取得了实质性的进展 197

12、0年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联，先后研制成功室温下连续振荡室温下连续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结(短波长,0.85m)。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础。 1973 年，半导体激光器寿命达到7000小时。 1976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(InGaAsP)激光器。 1977 年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时。 1979年美国电报电话(AT&T)公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为1.55 m的连续振荡半导体激光器。 由于由于光纤光纤和和半导体激光器半导体激光器的技术进步，使的技

13、术进步，使 1970 年成为年成为光纤通信发展的一个重要里程碑光纤通信发展的一个重要里程碑 光检测器光检测器技术的发展： 相应的，光电检测器PIN、APD也在这个时期研制出来。 光发送机光源 光纤 光接收机光电检测器1976年，美国在亚特兰大进行世界上第一个实用光纤通信系统 的现场试验1976年，日本进行了 34 Mb/s 的阶跃多模光纤通信系统试验1978年，日本进行了100 Mb/s的渐变型多模光纤通信系统试验1980年，美国标准化FT - 3光纤通信系统投入商业应用1983年，敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线1988年，美日英法建成第一条横跨大西洋海底光缆通信系统1989年，建成第一条横

14、跨太平洋 海底光缆通信系统 实用光纤通信系统的发展实用光纤通信系统的发展每秒钟传输的比特数目。每秒钟传输的比特数目。 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 通信系统的传输容量传输容量取决于对载波调制的频带宽度频带宽度，载波频率越高，频带宽度载波频率越高，频带宽度越宽越宽。 光通信的主要特点光通信的主要特点 载波频率高，频带宽度宽载波频率高，频带宽度宽发送信号的频率越高 (波长越短)，可载送的信息量就越多在电磁波谱中，光波范围包括红外线、可见光、紫外线，其波长范围为：300 mm 6

15、103 mm。常用通信光载波频率190 THz电磁波谱电磁波谱图 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得光纤，可以在宽波长范围内获得很小的损耗很小的损耗。 （图 1.2 ） 1.2.2 光纤通信的光纤通信的优点优点 容许频带很宽，容许频带很宽，传输容量很大传输容量很大 损耗很小损耗很小， 中继距离很长且误中继距

16、离很长且误码率很小码率很小 不受电磁干扰，保密性好不受电磁干扰，保密性好 泄漏小，泄漏小， 保密性能好保密性能好 光纤材料来源丰富，可节约大光纤材料来源丰富，可节约大量有色金属量有色金属(如铜、铝如铜、铝)，且直径小、，且直径小、重量轻。重量轻。光纤与电话双绞线对比图光纤通信的缺点光纤通信的缺点1. 容易折断 (比如经常被挖断)2. 光纤连接困难 (断面是否垂直、焊接点是否有气泡等)3. 光纤怕弯曲 (导致损耗增加) 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， 都得到了广泛应用。光纤宽带干线

17、传送网和接入网发展迅速， 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： 电信网电信网 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Q3100/1000ME1/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基金委基金委北航北航北邮北邮中科院中科院北

18、大北大Internet2清华清华Working/protectionWorking/protectionOADMOADMOADM说明：说明：NSFCnet由六个节点组成由六个节点组成，以清华为汇接点构成两个环行拓扑结构，以清华为汇接点构成两个环行拓扑结构，清华、北大和中清华、北大和中科院三点构成二纤双向自愈环采用科院三点构成二纤双向自愈环采用WDM传输技术，传输技术，在清华和北大之间通过在实验室中加光在清华和北大之间通过在实验室中加光纤进行纤进行400公里广域网模拟试验公里广域网模拟试验；在其它节点构成的环中采用单路；在其它节点构成的环中采用单路SDH/SONET传输技术。传输技术。通信机房通

19、信机房大学里的光通信大学里的光通信实验室（研究）实验室（研究）光通信设备光通信设备电力、煤炭系统的监视、控制和管理抗干扰能力强无源传感、宽带传输光纤的其它应用：光纤的其它应用：光纤制导武器光纤制导武器：光纤制导导弹、光纤制导鱼雷需要获得实时的目标图像同时要求控制线轻巧水下通信系统水下通信系统是扫雷舰与浮游载体之间的数据传输线路。 1. 浮游载体需要传回声纳信号和遥测信号(都是视频信号) 2. 舰体对浮游载体进行控制雷达雷达：要求保证雷达室与作战情报中心之间信息传输的抗干扰能力和保密性，要能保证作战情报中心的安全(长途控制)军事内窥镜医疗器械激光手术中，有时需要手术的部位在人体腔道内，这就要求激

20、光能拐弯。目前大多数医疗激光可以通过石英光纤来实现拐弯，因此激光手术刀又叫光纤手术刀。 激光手术刀机载电子1.3 光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成高折射率(纤芯)低折射率(包层)光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射电端机电端机调制调制信源信源光调制光调制光解调光解调解调解调信宿信宿光端机光端机电端机电端机光端机光端机光纤光纤光纤通信系统的构成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，包括发射发射、接收接收和光纤光纤。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

21、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)( 1)(lg10)(mwmwpdBmp电信号对光的调制的两种实现方式电信号对光的调制的两种实现方式 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。 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。 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)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 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。 外调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，

22、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。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，以尽可能小的是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变畸变(失失真真)和和衰减衰减传输到光接收机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。激光器）的发射波长激光器）的发射波长和光电二极管）的波光电二极管）的波长响应长响应，都要和光纤的波长窗口窗口相一致。 目前在实验室条件下，1.55 m的损耗已达到0.154 dB/km， 接近石英光纤损