光通信原理与技术第1章

光通信原理与技术绪论电子信息科学与技术教研室成绩评定课程性质：专业任选课（考查）课程学时:42学时考核方式：考试平时成绩50分；期末考试50分。答疑时间：每周三下午（实验楼539）

课程内容光纤传输原理光纤通信几何光学波导光学发送传输接收课程目的掌握光纤通信的基本概念，基本理论和基本技术，了解光纤通信的发展现状，更好地适应社会需要。

参考教材《光纤通信》，王江平等译，电子工业出版社《光通信技术与应用》，陈根祥等译，电子工业出版社《光波导与光纤通信基础》，丁么明，高教出版社概念通信信息的传递：发送—传输—接收光通信用光波载运信息，实现通信光纤通信用光波载运信息，以光纤作传输媒体，实现通信大气激光通信无纤光通信。用光波载运信息，以大气作传输媒体，实现通信绪论光通信的发展远古时代；烽火台，狼烟传讯

近代：旗语，灯光雏形：目视通信现代光通信1960-1965各类激光器1977贝尔实验室CaAlAs激光器1910-1966介质波导研究理论，传光用玻璃纤维研究1970-1972低损耗光纤的研究问世光源：能否制造出室温下连续工作的激光器？媒质：能否找到损耗足够低的传输媒质？光源发展：1960年7月8日，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，使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段。1961年，贝尔实验室发明了氦-氖激光器1965年，二氧化碳激光器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。1977年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到100万小时。为光纤通信的商用化奠定了基础。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。传光介质发展1910年，Debye等人开始了介质波导的理论研究1920年，进行了介质波导的实验1951年，出现了光用玻璃纤维，由于传输损耗太大，用于一些医疗设备，并不用于通信。1966年，英籍华裔学者高锟(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，指出了利用光纤(OpticalFiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信——光纤通信的基础。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。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。并在1972年，又把光纤损耗降到4dB/km。

1970：光纤通信实用化的开端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)。在以后的10年中，波长为1.55μm的光纤损耗：1979年是0.20dB/km，1984年是0.157dB/km，1986年是0.154dB/km，接近了光纤最低损耗的理论极限。光纤通信实验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。随后，由美、日、英、法发起的第一条横跨大西洋TAT-8海底光缆通信系统于1988年建成。第一条横跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光缆通信系统于1989年建成。2002年，光纤通信单通道传输速率达到40Gb/s,DWDM传输光通信容量达10Tb/s；2002年后，光通信开始向最后一站——用户接入网迈进。到如今，光纤通信已经发展到以采用光放大器(OpticalAmplifier，OA)增加中继距离和采用波分复用(WavelengthDivisionMultiplexing，WDM)增加传输容量为特征的系统。光通信的发展高速率发展光通信复接体制的发展（PDH/SDH）新技术的发展

10G-40G的电时分复用ETDMDWDM波分复用

EDFA掺铒光纤放大器光纤通信的主要特性光纤通信的优点1.光纤的容量大光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统，其载波—光波具有很高的频率(约1014Hz)，因此光纤具有很大的通信容量,可用带宽一般在10THz以上。2.损耗低、中继距离长实用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光纤，此类光纤在1.55μm波长区的损耗可低到0.18dB/km，比已知的其他通信线路的损耗都低得多，因此，由其组成的光纤通

信系统的中继距离也较其它介质构成的系统长得多。如果今后采用非石英光纤，并工作在超长波长(＞2μm)，光纤的理论损耗系数可以下降到10-3～10-5dB/km，此时光纤通信的中继距离可达数千，甚至数万公里。3.抗电磁干扰能力强电话线和电缆一般是不能跟高压电线平行架设的，也不能在电气铁化路附近铺设。光纤的材料是玻璃或塑料，都不导电；而且由于有很厚的光包层，避免了光纤中的光泄漏，所以不存在相互间的电磁干扰，也不怕外界噪声。4.保密性能好对通信系统的重要要求之一是保密性好。然而，随着科学技术的发展，电通信方式很容易被人窃听：只要在明线或电缆附近(甚至几公里以外)设置一个特别的接收装置，就可以获取明线或电缆中传送的信息。更不用去说无线通信方式。5.节省有色金属和原材料

制造通常的电缆需要消耗大量的铜和铅等有色金属。以四管中同轴电缆为例，1km四管中同轴电缆约需460kg铜，而制造1km光纤，只需几十克石英。制造光纤的石英（主要成分为SiO2）原材料丰富而便宜，几乎取之不竭。6.体积小，重量轻，易于施工在传输同一信息量时，光缆的重量比其他通信电缆重量要轻得多。每根光纤的直径很小，制成光缆后可充分利用地下管道。有二次套塑的光纤，即使以几厘米的曲率半径弯曲也不会断，施工时可以采用与电缆相同或类似的敷设技术进行敷设。通信设备的重量轻和体积小，对军事、航空航天等特殊的应用环境具有特别重要的意义。光纤通信的缺点事物都是一分为二的，光纤通信有许多优点，因而发展很快，但光纤通信也有以下缺点。抗拉强度低光纤连接困难光纤怕水光通信未来发展的热点向超高速系统的发展向超大容量WDM系统的演进实现光联网开发新一代光纤IPoverSDH与IPoverOptical光接入网——解决全网瓶颈向超高速系统的发展

目前，10Gbps系统已开始大批量装备网络，超高速系统在北美，在欧洲、日本和澳大利亚也已开始大量应用。但是，10Gbps系统对于光缆极化模色散比较敏感，而已经铺设的光缆并不一定都能满足开通和使用10Gbps系统的要求，需要实际测试，验证合格后才能安装开通。它的比较现实的出路是转向光的复用方式。光复用方式有很多种，但目前只有波分复用(WDM)方式进入了大规模商用阶段，而其他方式尚处于试验研究阶段。向超大容量WDM系统的演进

采用电的时分复用系统的扩容潜力已尽，然而，光纤的200nm可用带宽资源利用率不到1％，还有99％的资源尚待发掘。如果将多个发送波长适当错开的光源信号同时在一级光纤上传送，则可大大增加光纤的信息传输容量，这就是波分复用的基本思路。基于WDM应用的巨大好处及近几年来技术上的重大突破和市场的驱动，波分复用系统发展十分迅速。目前全球实际铺设的WDM系统已超过3000个，而实用化系统的最大容量已达320Gbps，阿尔卡特朗讯公司已宣布将推出80个波长的WDM系统，其总容量可达200Gbps。实验室的最高水平则已达到2.6Tbps。预计不久的将来，实用化系统的容量即可达到1Tbps的水平。实现光联网

上述实用化的波分复用系统技术尽管具有巨大的传输容量，但基本上是以点到点通信为基础的系统，其灵活性和可靠性还不够理想。如果在光路上也能实现类似SDH在电路上的分插功能和交叉连接功能的话，无疑将增加新一层的威力。由于光联网具有巨大的潜在优势，美国、日本及欧洲等发达地区投入了大量的人力、物力和财力进行预研，特别是美国国防部预研局资助了一系列光联网项目。光联网已经成为继SDH电联网以后又一新的光通信发展高潮。开发新一代光纤

传统的G.652单模光纤在适应上述超高速长距离传送网络的发展需要方面已暴露出力不从心的态势，开发新型光纤已成为开发下一代网络基础设施的重要组成部分。目前，为了适应干线网和城域网的不同发展需要，已出现了两种不同的新型光纤，即非零色散光(G.655光纤)和无水吸收峰光纤(全波光纤)。其中，全波光纤将是以后开发的重点，也是现在研究的热点。从长远来看，XPON技术无可争议地将是未来宽带接入技术的发展方向。但从当前技术发展、成本及应用需求的实际状况看，它距离实现广泛应用于电信接入网络这一最终目标还会有一个较长的发展过程。IPoverSDH与IPoverOptical

以lP业务为主的数据业务是当前世界信息业发展的主要推动力，因而能否有效地支持IP业务已成为新技术能否有长远技术寿命的标志。目前，ATM和SDH均能支持lP，分别称为IPoverATM和IPoverSDH，两者各有千秋。但从长远看，当IP业务量逐渐增加，需要高于2．4吉位每秒的链路容量时，则有可能最终会省掉中间的SDH层，IP直接在光路上跑，形成十分简单统一的IP网结构(IPoverOptical)。三种IP传送技术都将在电信网发展的不同时期和网络的不同部分发挥自己应有的历史作用。但从面向未来的视角看，IPoverOptical将是最具长远生命力的技术。特别是随着IP业务逐渐成为网络的主导业务后，这种对IP业务最理想的传送技术将会成为未来网络特别是骨干网的主导传送技术。光接入网——解决全网瓶颈

近几年，网络的核心部分发生了翻天覆地的变化，无论是交换还是传输，都已更新了好几代。一方面，网络的这一部分将成为全数字化的、软件主宰和控制的、高度集成和智能化的网络；而另一方面，现存的接入网仍然部分是双绞线铜线主宰的、原始落后的模拟系统。两者在技术上存在巨大的反差，制约全网的进一步发展。为了能从根本上彻底解决这一问题，必须大力发展光接