第1章 绪论电子通信专业

光纤通信

(OpticalFiberCommunications)张树东zhangsd2@126.com光信息科学与技术曲阜师范大学物理工程学院《光纤通信原理与应用》方志豪电子工业出版社

《光纤通信》原荣编著电子工业出版社《OpticalFiberCommunications》GerdKeiser高等教育出版社《光纤通信导论》邱昆编著电子科技大学出版社《光纤通信系统》杨祥林编著国防工业出版社《光纤通信》刘曾基等编著电子科技大学出版社参考书目第一章光纤通信概述

第二章光纤与光缆

第三章光无源器件

第四章光源与光发射机

第五章光探测器和光接收机

第六章数字光纤通信系统

第七章模拟光纤通信系统

第八章光纤通信新技术

第九章光纤通信网络内容第一章光纤通信概述

(OverviewofOpticalFiberCommunications)光纤通信第一章光纤通信概述

(OverviewofOpticalFiberCommunications)1.1光纤通信技术的发展史及现状1.2光纤通信系统组成1.3光纤通信的分类1.4光纤通信系统的主要性能指标1.1光纤通信技术的发展史及现状1.通信“通”传送，“信”信息；信息的传送基本组成：发送、传输、接收2.光纤通信以光波为载体(l=800~1600nm),以光纤为传输媒质,将信号从一处传输到另一处的通信手段.电通信:Electricalcommunications以电波为载波，如电缆通信和微波通信3.现代通信方式示意图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1.1光纤通信技术的发展史及现状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用户终端交换设备接入网电复接设备传输系统4.光纤通信技术的主要优缺点1.1光纤通信技术的发展史及现状通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带宽度，载波频率越高，频带宽度越宽。各种传输线路的损耗特性光纤通信优点:宽频带:光波频率很高，光纤传输的频带很宽，故传输容量很大，理论上可通上亿门话路或上万套电视，可进行图像、数据、传真、控制等多种业务；低损耗:中继距离长且误码率低;抗干扰:不受电磁干扰，保密性好；低成本:光纤材料来源丰富，可节约大量有色金属(如铜、铝)，且直径小、重量轻。1.1光纤通信技术的发展史及现状光纤通信缺点:弯曲受限:敷设光纤/光缆的弯曲半径不能太小，否则导致弯曲辐射损耗增加；连接困难:要求较好的切断、连接技术;分路困难:光纤的分路、耦合较麻烦；不能传送电力:远处的再生设备需要电能；器件昂贵:如激光器、放大器等。1.1光纤通信技术的发展史及现状5.光纤通信器件的发展过程1.1光纤通信技术的发展史及现状雏形：古代烽火、手旗、灯光1880年贝尔的光电话激光器(发送源）光纤(传输介质)1960Maiman发明红宝石激光器1962半导体激光器诞生(GaAs870nm)70年代室温工作LD(GaAsAI850nm)1300、1550nm多模LD单模LD1951医用玻璃纤维(损耗1000dB/km)1966高锟理论预言1970康宁制出低损耗光纤(20dB/km)1300(0.5dB/km),1550nm(0.2dB/km)低损耗窗口光纤开发单模光纤聚焦在话筒震动片的光束随着话音震动而使反射光的强弱变化光纤通信发明家高锟(左)1998年在英国接受IEE授予的奖章光纤通信发明家高锟(左)2009年获诺贝尔物理学奖6.光纤通信技术的发展阶段1.1光纤通信技术的发展史及现状光纤+光源+放大器+探测器发展围绕光纤通信的四个关键因素展开:阶段特征第一阶段(1966-1976)开发时期(由基础研究到商业应用)：短波长(0.85um)低速率(45Mb/s)多模光纤系统(G.651)第二阶段(1976-1986)发展时期(提高传输速率和距离)：长波长(1.31um,1.55um)中速率(140-565Mb/s)单模光纤系统(G.652)第三阶段(1986-1996)新技术研究时期:色散位移光纤系统，外调制技术等第四阶段(1996-至今)大容量和光网络时期：波分复用(WDM)光纤系统及光网络，超长距离的光孤子通信中国科技网讯2012年12月16日，武汉邮科院牵头承担的国家973项目“超高速超大容量超长距离光传输基础研究”取得T比特级超长距离光传输新纪录，通过采用高谱效率调制、高性能前向纠错编码和特有的非线性补偿技术，完成了单通道1.031Tbit/s普通标准单模光纤12160公里的传输系统实验。目前国际上已报道的最高水平是单通道1Tbit/s传输1万公里。7.光纤通信的应用1.1光纤通信技术的发展史及现状光纤宽带干线传输网和接入网是目前应用开发的主要目标。各种应用可概括如下：①通信网包括全球通信网、各国的公共电信网、各种专用通信网、特殊通信手段等1.1光纤通信技术的发展史及现状②计算机局域网和广域网如光纤以太网③有线电视网的干线和分配网如工业电视系统、自动控制系统的数据传输④综合业务光纤接入网实现电话、数据、视频、多媒体业务综合接入核心网，提高各种社区服务

ATMInternet骨干网DDN/FRPSTN/ISDNTV业务分配节点(COT)业务接入节点（RT）网管SNMP与电信网管中心相连Q3100/1000ME1/BRA/PRA155M622MSDH典型应用之一：宽带综合业务光纤接入系统拓扑结构PSTN(PublicSwitchedTelephoneNetwork)ISDN(IntegratedServiceDigitalNetwork)DDN(DigitalDataNetwork)FR(FrameRelay)ATM(AsynchronousTransferModel)SNMP(SimpleNetworkManagementProtocal)典型应用之二：作为校园网的骨干传输网1.1-练习1、什么是光纤通信?2、光纤通信的优点有哪些?3、光纤通信的各发展阶段的特征是什么?4、光通信系统工作波长为0.88um,1.3um和1.55um，计算载波频率及单个光子能量。5、假设数字通信系统能够在高达1%的载波频率下工作，试问在5GHz的微波载波和1.55um的光载波上能传输多少64kb/s的话路？第一章光纤通信概述1.1光纤通信技术的发展史及现状1.2光纤通信系统组成1.3光纤通信的分类1.4光纤通信系统的主要性能指标1.2光纤通信系统组成单向传输的光纤通信系统，包括发射、接收和作为广义信道的基本光纤传输系统。基带信号：由信息源转换的用户原始电信号电发射机将基带信号转换为适合信道传输的信号，转换如果需要调制，则称为已调信号组成基本单元:光发射机、光纤光缆、中继器与光接收机光源调制器驱动电路光发射机放大器光电二极管判决器光接收机光纤光纤中继器1.2光纤通信系统组成互连与光信号处理器件: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ADM等。【例1-1】基群光纤通信系统

基群光纤通信系统【例1-2】二次群光纤通信系统

二次群光纤通信系统光发射机(Transmitter)1.2光纤通信系统组成将带有信息的电信号转换成光信号的转换装置和将光信号送入光纤的传输装置光源是核心,须满足:1.波长须在传输光纤的低损耗窗口波段2.光源的发射功率要大3.调制特性和发光／消光（响应速度）特性要好4.可靠性要高，寿命要长光发射机由光源、调制器和信道耦合器组成。2.光纤(Fiber)1.2光纤通信系统组成光纤通信系统光波传输的媒体,由高折射率的纤芯和低折射率的包层和塑套构成，将光信号从光发射机无失真地传送到光接收机.基本特性参数：损耗（dB/km）：直接影响通信距离。色散（ps/nm.km）：将引起光脉冲信号展宽和码间串扰，影响通信距离和容量。为实现高速长距离传输，要求光纤具有低损耗和低色散特性。光纤光纤损耗(attenuation),色散(dispersion),失真(distortion)光纤损耗曲线及三个通信窗口1.2光纤通信系统组成850nm1310nm1550nm3.光放大器(Opticalamplifier)1.2光纤通信系统组成由于光纤的损耗致使光功率减弱，要使光波继续向前传播，必须对光波进行放大放大方式:光纤光纤中继器光-电-光(O-E-O)放大器掺铒光纤放大器(EDFA):1.55um掺镨光纤放大器(PDFA):1.31um掺铥光纤放大器(TDFA):1.40um全光波段的拉曼光纤放大器(RFA):1.27um-1.67um光纤放大器(FA)Erbium(Er)Praseodynium(Pr)Thulium(Tm)EDFA:Erbium-DopedFiberAmplifier4.光接收机(Receiver)1.2光纤通信系统组成将光信号转换成电信号的装置，由光电探测器和放大处理电路组成。光电探测器是核心,须满足:1.高的灵敏度2.低的噪声3.快的响应速度4.足够的带宽5.对温度变化不敏感6.尺寸小并能与光纤匹配7.价格合理，寿命长5.光无源器件(Passivecomponents)1.2光纤通信系统组成光纤通信系统中不需要通电即可工作的器件,是通信系统构成、功能扩展、性能提高的不可缺少的器件，包括：光耦合器(Coupler)常用于需要传输的光分路、光合路以及光耦合光隔离器(Isolator)在光通路中防止光反射回光源，即只允许光单向传输的无源器件1.2光纤通信系统组成光纤连接器(Connector)各种设备部件与光纤之间的连接。光波分复用器／解复用器(Multiplexer/De-Multiplexer)薄膜滤波器型将多路光信号合成或分开的光无源器件集成光学光波分复用器／解复用器型阵列波导光栅(AWG:ArrayedWaveguideGrating)布喇格光栅(BG:BraggGrating)1.2光纤通信系统组成光开关(Switch)用于光源备份的光路切换，逻辑、数字光通信系统中的光路选择和光交换。光开关分为机械式和非机械式两类：机械开关采用移动光纤或反射镜的方法来转换光路非机械式开关有：电光开关、磁光开关和集成光路光开关1.2-练习1、光纤通信系统由哪几部分组成?简述各部分的作用。2、光纤通信的三个窗口指什么？3、光纤通信中对光源的要求是什么？4、光纤通信中对检测器的要求是什么？第一章光纤通信概述1.1光纤通信技术的发展史及现状1.2光纤通信系统组成1.3光纤通信的分类1.4光纤通信系统的主要性能指标波长短波长:0.85um长波长:1.3um,1.55um传输模式多模光纤通信系统单模光纤通信系统信号方式模拟通信数字通信同步方式准同步(PDH,plesiochronousdigitalhierarchy)同步(SDH,synchronousdigitalhierarchy)1.3光纤通信的分类调制方式直接强度调制外调制传输速率低速通信系统，2Mb/s,8MB/s中速通信系统,34Mb/s,140Mb/s高速通信系统,>565Mb/s应用范围1.3光纤通信的分类公用通信系统，如市话通信系统，长途通信系统专用通信系统,如非邮政部门经营的光纤局域网第一章光纤通信概述1.1光纤通信技术的发展史及现状1.2光纤通信系统组成1.3光纤通信的分类1.4光纤通信系统的主要性能指标比特率也称为信息速率，是信道上每秒钟内所传输的比特数，单位为bit/s，写成b/s或bps，常用符号B表示。光纤输入光脉冲输出光脉冲时间波形光脉冲展宽1011111.比特率(Bitrate):B1.4光纤通信系统的主要性能指标数字光纤通信中，信号“1”、“0”用光脉冲的“有”、“无”来表示.因为光纤色散，光脉冲沿光纤传输会展宽，两个相邻的光脉冲传输一定距离后会发生重叠，从而使接收端设备不能做出正确的判断,从而限制了信道的比特率。光纤色散效应形成的比特率限制模拟信号：带宽是一个频率范围，在这个频率范围之内，信号可以不失真地进行传输，它反映了模拟传输系统运载信息的能力。单位：Hz带宽分为电带宽和光带宽两种表述。2.带宽(Bandwidth)1.4光纤通信系统的主要性能指标3-dBbandwidthpoints光电流1.4光纤通信系统的主要性能指标数字信号：带宽是数字信道所能传送的最高数据率或比特率的同义语。如100M以太网，即传输速率为100Mb/s的以太网。对RZ码，最高频率=B对NRZ码，最高频率=B/2101010传输距离指中继距离，L3.传输距离:L1.4光纤通信系统的主要性能指标光纤的衰减和色散是限制传输距离的两大主要因素。仅考虑光纤损耗，光信号沿光纤传输的最大距离L为a为光纤的损耗，单位为dB/kmPin为光源最大平均输出功率Pout为接收机探测器的最小平均接收光功率功率(mW)1001010.0