第1章光纤通信概述

光纤通信原理与系统CommunicationandInformationSchoolShanghaiUniversity

ZouXuemeizxm@2/1/2023第一章光纤通信概论第二章

光纤第三章

光源与光发送机第四章

光检测器与光接收机第五章

光放大器第六章

光纤通信系统目录

2/1/2023第一章光纤通信概论光纤通信的发展历程和光网络的概况通信发展历程为什么是光纤光纤通信的发展光纤通信的支撑技术光纤通信系统的应用2/1/2023

1.通信的发展历程1873年，美国人莫尔斯发明了电报，用电传输了文字信息；1876年，美国人贝尔发明了电话，用电传输了声音；1924年，英国人贝尔德发明了电视机，用电传输了图像；1946年，美国美国宾夕法尼亚大学，电子计算机。电报、电话和电视都是用无线电或有线电传输信息，电通信作为信息传输的有效通道，一直沿用了一个多世纪。

20世纪----电子世纪21世纪----光子世纪,光子技术将带来一场超过电子技术的产业革命.光子技术的应用:（1）作为光子发生与控制的激光技术和产业。（2）运算速度更快的光子计算机。（3）存储量大的光存储技术。（4）代替现行通信方式的光通信。（5）全息光技术。2/1/2023

什么是光纤通信？光纤通信：利用光纤光缆传输光波信号的通信方式。优点：价格便宜，线路损耗低、频带宽。是现代通信网的骨干。传输媒介无线通信：微波、卫星……有线通信:铜线电缆、光纤光缆通信系统：将信息从一处传到另一处的全部技术设备和信道（传输媒介）的总和。2/1/2023电磁波——交变的电场会产生交变的磁场，交变的磁场又会激起交变的电场，这种电场、磁场无限地交变产生，合称电磁场。这种交变的电磁场会在空间以波的形式由近及远地传播开去，这就是电磁波。——光也是电磁波电磁波麦克斯韦1865年发表电磁场理论赫兹1888年实验证实电磁波存在2/1/2023通信传输媒介分类及相应波段划分10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015ELFVFVLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF自由空间波长，m频率，Hz电力、电话无线电、电视微波红外可见光双铰线同轴电缆光纤卫星/微波AM无线电FM无线电频段划分传输介质有线：光纤（频率很高1014，载波能力强）铜线（同轴线、屏蔽与非屏蔽双绞铜线）无线：微波、无线电2/1/2023电磁频谱：电磁波的波长范围发送信号的频率越高（波长越短），可载送的信息量就越多光波是电磁波，光波范围包括红外线、可见光、紫外线，其波长范围为：300μm～6×10−3μm。2/1/2023光纤通信的光波波谱光纤通信的波谱在1.67×1014Hz～3.75×1014Hz之间，即波长在0.8μm～1.8μm之间，属于红外波段，将0.8μm～0.9μm称为短波长，1.0μm～1.8μm称为长波长，2.0μm以上称为超长波长。

表1-1 各种单位的换算公式c＝3×108m/s1MHz（兆赫）＝106Hzλ＝c/f1GHz（吉赫）＝109Hz1μm（微米）＝10−6m1THz（太赫）＝1012Hz1nm（纳米）＝10−9m1PHz（拍赫）＝1015Hz1Å（埃）＝10−10m2/1/20232.Why

fiber？(光纤的优点)近乎无限的带宽（没有光纤就没有当今的信息高速公路)低损耗（<0.2dB/km)，（传输距离远）无电磁干扰，信号传输质量高，保密性好耐化学腐蚀光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设；低价（光纤是石英玻璃拉制成形,原材料来源丰富，并节约了大量有色金属）2/1/2023高速宽带DWDM光传输的容量潜力15301675nm

1260

(无水峰)单纤全部可用频段为400nm，约50THz

〖频谱效率〗为0.4bit/s/Hz(说明…)则【可用容量上限】为50THz0.4bit/s/Hz＝20Tb/s

若每波长信道速率40Gb/s,单根纤芯可传500个波长500路x40Gb/s=20Tb/s0.2dB0.3dB2/1/202310Gb/s能作什么？

1.

ASCIICharacter

(8bit)109Char./s(1000books)2.

VoiceChannel

(64Kb/s)155,000Channels3.

HDTV

(60Mb/s)160Channels

Compressed

(20Mb/s)500Channels4.

GigabitEthernet

(1Gb/s)8Channels2/1/2023电信号输入半导体激光器光探测器电信号输出fiberE E/OO/E E3.光通信的发展激光的发明主要是半导体激光器（60年代-）光导纤维技术的发展（70年代--）半导体探测器（60年代--）WDM技术的出现（90年代--）光放大技术（90年代---）几个里程碑：2/1/20233.1早期的光通信公元前11世纪，西周王朝，烽火台白天点狼粪，晚上燃柴火——“狼烟四起”2/1/2023图1.1贝尔电话系统

在这里，将弧光灯的恒定光束投射在话筒的音膜上，随声音的振动而得到强弱变化的反射光束，这个过程就是调制。到了1880年，贝尔发明了第一个光电话，这一大胆的尝试，可以说是现代光通信的开端。2/1/2023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，它具有亮度高、谱线窄、方向性好，但通信不稳定。

1960年，大气光波通信图1.2红宝石激光器[美国梅曼(Maiman)，1960]2/1/2023光波地下传输在大气光通信受阻之后，人们将研究的重点转入到地下光波通信的实验，先后出现过反射波导和透镜波导等地下通信的实验。图1.3反射波导和透镜波导2/1/2023

——红宝石激光器、贝尔光电话和烽火报警一样，都是利用大气作为光通道，光波传播易受气候的影响，在大雾天气，它的可见度距离很短，遇到下雨下雪天也有影响。

——反射波导和透镜波导造价昂贵，调整、维护困难。

由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质，对光通信的研究曾一度走入了低潮。2/1/20231870年，英国物理学家廷德尔在实验中观察到，把光照射到盛水的容器内，从出水口向外倒水时，光线也沿着水流传播，出现弯曲现象，这好象不符合光只能直线传播的定律。1955年光纤才得到实际应用。当时在英国伦敦学院工作的卡帕尼博士，发明了用极细的玻璃制做的光导纤维。芯层+包层。芯层的折射率大于包层，光在其中做全反射。1960年左右，最好的光纤损耗也在1000分贝/公里(dB/km)。由于，损耗很大，它最初被用于医疗，如内窥镜。3.2光纤的发展2/1/20231966年高锟提出光纤波导的概念，当时最好光纤的损耗1000dB/km，但他推测出小于20dB/km的损耗是可以做到的并可进入商用。1974年美国康宁公司的French采用MCVD方法制出损耗小于4dB/km的石英光纤，从此石英光纤正式登上光通信的宝座。2/1/2023

高锟(K.C.Kao)博士深入研究了光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题，发现这种玻璃纤维引起光损耗的主要原因是其中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属离子和其他杂质，其次是拉制光纤时工艺技术造成了芯、包层分界面不均匀及其所引起的折射率不均匀，他还发现一些玻璃纤维在红外光区的损耗较小。光纤之父：英籍华人高锟(K.C.Kao)博士工作地点：英国标准电信研究所2/1/20231966年，高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文《用于光频的光纤表面波导》,指明通过“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”这一发展方向,奠定了现代光通信——光纤通信的基础。高锟(左)从瑞典国王手中接过2009诺贝尔物理学奖2/1/20231970年起，光纤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。1972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(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0.47dB/km(波长1.2μm)。目前，波长为1.55μm的光纤损耗<0.2dB/km，已接近了光纤最低损耗的理论极限。2/1/20233.3半导体激光器的发展1960年美国休斯公司实验室的西奥多梅曼发明红宝石激光

这就是在光频下发明了连续波的振荡器。1961年出现He—Ne激光器之后，便开始了光通信的研究(自由空间与透镜波导)。半导体双异质结激光器

1969年研究成功GaAlAs在室温下，连续工作的半导体激光器。由于半导体激光器体积小，发光谱线窄以及与光纤的耦合效率高、价格低廉等优点，已成为光通信不可缺少的光源器件。2/1/20231970年，光纤通信用光源取得了实质性的进展

1970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的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器(短波长)。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1.3μm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1.55μm的连续振荡半导体激光器。由于光纤和半导体激光器的技术进步，使1970年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。2/1/2023半导体光电探测器的进步1970年代半导体光电探测器的技术已很成熟当时的PIN二极管，入射一个光子可产生一个电子。雪崩光电二极管(APD)入射一个光子则可产生10~100个电子。3.4光电探测器的发展由于光源、光探测器及光纤均已成功。所以在70年代后期光纤通信便正式登上通信的舞台。2/1/20233.5实用光纤通信系统的发展1976年，美国在亚特兰大(Atlanta)进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验。1980年，美国标准化FT-3光纤通信系统投入商业应用。1976年和1978年，日本先后进行了速率为34Mb/s的突变型多模光纤通信系统，以及速率为100Mb/s的渐变型多模光纤通信系统的试验。1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。1988年由美、日、英、法发起的第一条横跨大西洋TAT-8海底光缆通信系统建成。1989年第一条横跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光缆通信系统建成。从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全球通信网的发展。2/1/2023当今世界范围的光纤通信系统海底光缆及洲际通信网2/1/20233.6光通信容量发展的五个阶段：0.8微米短波长(多模,GaAs,0.85um)1.3微米长波长(单模,GaAlAs,1.3um)1.5微米(单模)1.5微米相干光通信(未实用)1.5微米EDFA+WDM。2/1/2023光通信容量的发展1977年，世界上第一条光纤通信系统在美国芝加哥投入商用，速率为45Mb／s。1979年，我国在上海也率先进行了光纤通信的实验。120路的光纤电话并入从四川路局到海宁路局(1.8km)的市话网。2/1/2023单纤传输容量:？74~94：一个数量级/4年95~

：指数增长，数量级/6个月>摩尔定律（数量级/18month.)2/1/2023信源信源编码TDM信道编码调制信源解码TDM信道解码调制光纤PCM电端机光接收机光发射机PCM解调信源语音图象数据信源数字光通信系统构成2/1/2023(1)传统的电传输系统EMUX电端机再生中继再生中继EDMUX电复用电解复用电端机同轴电缆、微波……O/E/O光缆EMUX再生中继再生中继EDMUX电复用电解复用光接收(2)光电混合型光纤传输系统光发送4.光纤通信的支撑技术---OAMP+DWDM2/1/2023(3)DWDM光纤传输系统OMUXOAOAOA光发送光发送光发送λ１λ２λΝλ１，λ２……λΝ光接收光接收光接收λ１λ２λΝODMUX2/1/2023TXTXTXTXTXTXTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX40km40km40km40km40km40km40km40km40km1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXMUX120km120km120kmWDM+EDFA革新了光纤传输DEMWDM+EDFA革新了光纤传输EDFAEDFA2/1/20235.1光纤通信网光纤公用电信网：核心网、城域网我国市内电话光缆传输试验从1978年开始。目前，公用电信网的传输线基本上均是采用光纤光缆连接。光纤局域网光纤宽带网光纤接入网无线通信网海底光缆及洲际通信网

5.光纤通信系统的应用2/1/20235.2能源、交通和其他电力系统的监视、控制和管理：由于使用了光纤，不受强电磁干扰，不仅信息传输量增大，而且工作更加可靠。传输信息用的光纤，可以放在输电线、地线的中心，不受干扰，施工方便。用电设备观测雷击很困难，因为雷击对电设备也可能造成破坏。而用光纤却可以直接观测雷击现象。

煤炭系统的监视、控制和管理：电监控系统信号均为电信号，在含瓦斯高的矿井中容易引起爆炸。因此，如果考虑安全因素，电信号功率不能太大，这又导致传输距离受限。而如果采用光纤系统，很多设备可以无源化，即保证了安全，又能实现远距离监控。2/1/2023铁路通信网

铁路通信网是直接为铁路运输调度服务的独立通信网。它具有结点多，分支、插入话路频繁，通信容量有大有小，通信距离长短不一，组网方式多种多样，传输信号种类各异等特点。电气化铁路对通信要求：通信容量要大，不受电力机车强电磁干扰，传输电话、数据以外还要传输列车运行的长距离无人监控图像信号。除了光纤通信，没有哪一种通信方式能满足这些要求。地铁控制系统高速公路监控系统2/1/20235.3军事战术通信主要有两种系统：一种是本地分配系统，包括战地指挥所的布线，兵器之间的连接，野战计算机的互连，以及基地信息传输系统等；一种是长距离战术通信系统，一般通信距离超过1千米。水下通信系统是扫雷舰与浮游载体之间的数据传输线路。扫雷舰的主要任务是清扫航道上的水雷，而利用浮游载体扫雷最为安全而可靠。扫雷舰与浮游载体之间连着3根光纤：一根光纤把水下浮游载体探测到的声纳信号和遥测信号（都是视频信号）传给舰船；另一根光纤用来传输舰船给水下浮游载体的控制信息；第三根光纤备用。光纤反潜战网络，也就是把光纤传输线路与水听器相连，把监测到的敌潜声音信号通过光纤传输到舰上或岸上信息处理中心，以便确定作战方案。光纤用于水下通信，探测的灵敏度高，传输的信息量大，抗各种干扰的能力强，而且重量轻、浮力大。2/1/2023航空母舰：机载通信、舰载通信。雷达：在雷达室与作战情报中心之间传输信息，不仅改善了抗干扰能力和保密性能，而且还能更好保证作战情报中心的安全。光纤制导武器主要包括光纤制导导弹和光纤制导鱼雷。它用光纤传输目标图像，制导精度高，导弹射程远，而且更安全可靠，是一种由射击手控制的人工智能武器。2/1/20235.4医学应用利用传光束的照明器和测氧计利用传像束的内窥镜激光手术刀。2/1/20235.5机车电子2/1/20235.6宽带应用－三网融合三重播放业务的驱动(3Play:数据＋IP视频＋宽带语音):带宽需求大量增长支持单播业务和组播业务的高效率传送支持接入技术的不断演进

(例如：ATM转向Ethernet)对语音和视频业务提供高可靠性的传送保障商业用户业务的演进：IP-VPN,以太网VPNs,存储区域网络SAN高带宽的业务需求提供网络高可用性和高安全性业务的快速提供和端到端管理及故障定位固定/移动网络的融合:公共的网络汇聚层

(在网络L2/L1/L0提供业务疏导)支持接入技术的不断演进(e.g.,TDMtoEthernetforWiMAX)减少独立的骨干网络数量，优化网络结构，降低网络建设维护成本卓越的多层业务OAM，提供高可用性和可恢复的网络支持2/1/2023目前叠加的城域传送网汇聚Aggregate接入/Access边缘Edge/核心Core城域传送MetroTransmission核心传送CoreNetworkTransmissionFEWirelessIP/MPLS业务路由器ServiceRouter3G核心网3GCoreNetwork传送节点Node-BWiMAXE1语音/VoiceSTM/OCIP-DSLAMNxGEFTTxGEDSL视频/Video数据/DataGEE1RNCSGSNGGSN传送节点TransmissionNodeSDH环SDH以太网交换机EthernetSwitch端局COSDH/环SDHRingSDH/MSTPSDHB