情境1认识光纤

光纤通信2009年10月6日，瑞典皇家科学院宣布，将2009年诺贝尔物理学奖授予英国华裔科学家高锟以及两位美国科学家。高锟获奖，是因为他在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”做出了突破性成就。《Asiaweek》回顾影响20世纪的5位亚洲人时，他和邓小平、黑泽明、甘地、盛天昭夫并列，各自在不同的领域塑造了整个世界的面貌。光纤之父情境1认识光纤

通信技术简史

按时代划分，通信技术经历了三大飞跃光纤通信电通信光通信

电通信（electricalcommunication）广义的电通信是指一切运用电波作为载体而传送信息的所有通信方式的总称，而不管传输所使用的介质是什么。电通信又可分为有线电通信和无线电通信。光通信（opticalcommunication）广义的光通信是指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，而不管传输所使用的介质是什么。光通信也可分为利用大气进行通信的无线光通信和利用石英光纤或塑料光纤进行通信的有线光通信。1.1什么是光纤通信1.1什么是光纤通信利用光导纤维传输光波信号的通信方式，称为光纤通信。光纤通信是工作在近红外区，其波长是0.8～1.8μm，对应的频率为167～375THz。光纤通信技术的发展十分迅速，已经起到了举足轻重的地位，发展前景十分广阔。制作：计算机学院邵黎光纤通信的基本概念

光纤通信是以光波为载频，以光导纤维为传输媒介的通信方式。即利用光导纤维传输携带信息的光波信号的通信方式。

光通信光纤通信人们通常把应用石英光纤的有线光通信简称为光纤通信（opticalfibercommunication）≠1.1什么是光纤通信1.2光纤通信的发展史

难忘烽火台新疆呼图壁县境内的烽火台烽火台通信，源于奴隶制国家在政治和军事方面对通信的需要。烽火台筑在边疆沿线的险要处和交通要道上。一旦发现敌情，便立刻发出警报：白天点燃掺有狼粪的柴草，使浓烟直上云霄；夜里则燃烧加有硫磺和硝石的干柴，使火光通明，以传递紧急军情。

光通信可以上溯西周时期建立的烽火台作为军事报警设施，下及当今指挥城市交通的信号灯和航海中使用的灯塔。

光通信可以上溯西周时期建立的烽火台作为军事报警设施，下及当今指挥城市交通的信号灯和航海中使用的灯塔。F1方程式赛车旗语

目视光通信反射望远镜折射望远镜17世纪中叶，人们发明了望远镜，它使得人们可以看得更远了。到1791年，法国人发明了灯信号，此后“灯语”通信在欧洲风靡一时。直到今天，信号灯、旗语、望远镜等目视光通信的手段仍在使用，但是这一切还是最原始的光通信，不能算作是真正的光通信。不过，这些原始的光通信由于方便、可靠至今仍在使用。1.2光纤通信的发展史

传输距离短光通信的缺点传递信息量少

为了使光通信延长传输距离和增加传递信息内容，1792年，法国工程师ClaudeChappe（却柏）发明了采用机械臂编码来传输信息的光电报，利用中间接续站（现在通信术语称为中继站）可以实现超过100km的通信。

1794年，世界上第一个光电报在法国的两个城市巴黎和里尔投入商用，从而实现了相距200km的通信。图1-1给出了ClaudeChappe及其发明的光电报的示意图。从中可以看到这个光电报通过转动机械臂角度发出了一条由CH、A、P、P、E5个字母组成的消息。这个非常有趣的消息恰好就是光电报发明人的名字—Chappe。自1794年到1830年为止，法国光电报系统从巴黎延伸到意大利、德国、比利时的边界。光电报系统是一种视距通信，其系统十分简单、传输距离和传递信息量少，而且保密性差。

光电话1.2光纤通信的发展史贝尔亚历山大·贝尔1876年发明电话1880年成功进行了光电话的实验，通话距离最远达到了213米1881年贝尔的《关于利用光线进行声音的产生与复制》论文，报导了他的光电话装置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”,通话距离达到213米。贝尔的光电话光电话原理图光源

透镜送话器反射镜震动片光敏电池贝尔用弧光灯或者太阳光作为光源，光束通过透镜聚焦在话筒的震动片上。当人对着话筒讲话时，震动片随着话音震动而使反射光的强弱随着话音的强弱作相应的变化，从而使话音信息“承载”在光波上（这个过程叫调制）。在接收端，装有一个抛物面接收镜，它把经过大气传送过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成电流（这个过程叫解调）。电流送到听筒，就可以听到从发送端送过来的声音了。

接收镜贝尔光电话是现代光通信的雏型光通信的三要素：光源传输介质光检测光电话的苦恼太阳光、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“噪声”的光。也就是说，这些光的频率不稳定、不单一，光的性质也很复杂；一句话，就是光不纯。光在大气中的传送要受到气象条件的很大限制（传输介质是“大气”，损耗大，如果碰上雨、雪甚至雾霾天气，信号甚至可能会中断。）因此，真要用光来通信，必须要解决两个最根本的问题：一是必须有稳定的、低损耗的传输媒质；另一个问题是必须要找到高强度的、可靠的光源。光“走弯路”

1870年，英国物理学家廷德尔在实验中发现光线可以沿着水流传播，如果这股水流弯曲了，水流中的光线也随着“弯曲”，这些发现为以后光纤的发明奠定了基础。

受英国物理学家JohnTyndall（约翰）在1870年做的”光可以在水流柱里传输”的影响，在1920-1950期间,人们发现在纤细的、有柔韧性的玻璃中和塑料光纤可以用于导光。

终于在1950年，有人采用“玻璃纤维”传输光，但损耗达到了1000dB/Km，即在1Km的长度上传输，损耗达到10100倍，这个数值显然是太大了。真正的奇迹是在1966年才出现。1955年英国伦敦英国学院工作的卡帕尼博士，发明了具有实际意义的玻璃光纤，并由此产生了纤维光学这一新的学术领域。医用内窥镜光导纤维的前身1960年7月8日，美国科学家梅曼发明了红宝石激光器，从此人们便可获得性质和电磁波相似而频率稳定的光源。世界第一台激光器视频激光器和光纤的发明，使人们看到了光通信的曙光。而要实现光纤通信，还需要在激光器和光纤的性能上有重大的突破。特别是光纤的损耗要达到可用于通信的要求。两个关键问题：一是合适的光源，二是理想的传光媒介。一直到60年代，用当时最好的光学玻璃做成的光学纤维其损耗也高达1000dB/km。理想光传输介质的寻找

1966年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)及其同事霍克哈姆(C.A.Hockham)在其发表的研究论文中指出，“玻璃纤维”的严重损耗是由其里面所含杂质（如铜、铁、铬等金属离子）太多及石英玻璃拉制工艺的不均匀性产生的。论文《介质纤维表面光频波导》明确提出：1、如果能将光纤中过渡金属离子减少到最低限度，并改进制造工艺，有可能使光纤损耗降到最低（预见可减小到20dB/km以下）；2、光纤可以实现高速通信；3、给出了光纤原始结构。高锟(C.K.Kao)博士上述发现的重要意义在于：指出了光纤高损耗的真正来源以及研制通信光纤的正确方向。这一发现直接导致了在其后数年内通信光纤制造领域所发生的质的飞跃，以及光纤通信产业的迅速兴起。光纤通信发明家高锟(左)

1998年在英国接受IEE授予的奖章；并于2009年，获得诺贝尔物理学奖。1966年7月，英籍华裔学者高锟（C.K.Kao）和霍克哈姆（C.A.Hockham）就光纤传输的前景发表了具有重大历史意义的论文《用于光频的光纤表面波导》，论文分析了玻璃纤维损耗大的主要原因，大胆地预言，只要能设法降低玻璃纤维的杂质，就有可能使光纤的损耗从每公里1000分贝降低到20分贝／公里，从而有可能用于通信。这篇论文使许多国家的科学家受到鼓舞，加强了为实现低损耗光纤而努力的信心。高锟理论预言“光纤之父”高锟博士在英国STL的早期关于光纤的实验高锟理论预言高锟理论预言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它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1970年，美国康宁玻璃公司的卡普隆（Kapron）博士等拉制出当时世界上第一根超低损耗光纤，损耗仅为20dB/km。光纤通信发展的实质性突破1970年成为光纤通信发展的一个重要里程碑1970年，光纤研制取得了重大突破美国康宁玻璃公司1970年首先研制出衰耗20dB/km的光纤。光纤通信正式开始！据说康宁公司花费3000万美元，得到30米光纤样品，认为非常值得。这一突破，引起整个通信界的震动，世界发达国家开始投入巨大力量研究光纤通信。自1970年以后，光纤损耗逐年降低。1970年：20dB/km；1972年：4dB/km；1974年：1.1dB/km；1976年：0.5dB/km；1979年：0.2dB/km；1990年：0.14dB/km，已经接近石英光纤的理论损耗极限值0.1dB/km。光纤之路光纤通信是由光通信逐步发展演变而来。整个光通信的发展史为：烽火台火光→光电话→半导体激光器→玻璃制光导纤维→石英光纤光通信发展史1974年开始了低损耗光纤和光通信的研究工作70年代中期研制出低损耗光纤和室温下可连续发光的半导体激光器1979年分别在北京和上海建成了市话光缆通信试验系统1987年前在市话中继线路上应用光纤通信1987年开始在长途干线上应用光纤通信，铺设了多条省内二级光缆干线从1988年起，我国的光纤通信系统由多模向单模发展光纤通信在中国1991不再建长途电缆通信系统1993年12月15日，中国的第一条海底光缆——从上海南汇至日本九州宫崎、全长1252公里的中日海底光缆正式开通1998年12月，贯穿全国的“八纵八横”光纤骨干网建成，网络覆盖全国省会以上城市和70%的地市，全国长途光缆达到20万千米光纤通信在中国实用光纤通信系统的前期发展

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（GaALAsLD、多模光纤、10Km、44.7Mbps）。

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34Mbps的突变型多模光纤通信系统，以及速率为100Mbps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。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。

因此，全球通信界业一直公认，1976年是光纤通信的元年。1978年，模拟蜂窝移动通信系统投入使用（未商用）。1980年，有线电视和综合业务数字业务。1988年，宽带综合业务数字网。1991年，全球移动通信系统进入商用。1995年，美籍华裔科学家历鼎毅倡导利用波分复用技术，即利用简单的光器件就可以在单根光纤中实现了大容量的传输，进而大大地降低了传输系统的成本。1998年，美国开通了数字电视业务，进一步提高电视业务清晰度和服务质量。1999年，具有宽带综合业务能力的第三代移动通信系统投入应用。

2010年1月13日，在国务院常务会议上提出了电信网、电视网和因特网三网融合。

统一通信概念：使任何人在任何时间、任何地点都可以通过任何设备、任何网络，与任何人进行语音、数据和图像的自由通信。

个人化数字化综合化移动化宽带化统一通信未来通信发展趋势1.3光纤通信的特点1.光纤通信的地位本世纪30年代，有人提出这样的观点：“总有一天光通信会取代有线和微波通信而成为通信主流”。今天，光纤通信已是各种通信网的主要传输方式。现在不少发达国家又把光缆铺设到住宅前，实现了光纤到办公室、光纤到家庭。2.光纤通信的优点（1）允许频带宽，传输容量大

实验室中光纤的传输速率已达7Tbit/s1.3光纤通信的特点汗牛充栋通信中，信道的带宽和信道的容量遵所谓的香农公式：C=BxLog2(1+S/N)其中，B是信道频带宽度（简称带宽）

S是信号功率谱密度

N是信道噪声功率谱密度

C是信道容量由于任何信道都无法避免地会有各种噪声，而信号的功率也不可能太高，所以信道的容量不可能达到无穷。香农公式（2）损耗低，传输距离远石英光纤损耗为0.2dB/km（1550nm窗口）和0.35dB/km（1310nm窗口）中继站，将衰减了的信号进行放大，然后接着往下传特快列车1.3光纤通信的特点（3）抗干扰能力强，保密性好光纤是绝缘体，不怕雷电和高压，不受电磁干扰光纤中传输的是频率很高的光波，而各种干扰的频率一般都比较低，所以它不能干扰频率比它高的多的光波。光纤的外泄光能很少，难以窃听百毒不侵1.3光纤通信的特点（4）重量轻轻、体积小，敷设方便在传输相同信息量时，光缆的质量为电缆质量的1/30—1/10施工时可以采用与电缆相同的敷设技术进行敷设瘦身专家1.3光纤通信的特点（5）耐腐蚀，寿命长，节约有色金属光纤的主要构成材料是石英（主要成分是二氧化硅），说得更通俗一点就是随处可见的砂子石英玻璃耐腐蚀光纤接头处不产生放电、没有火花光纤具有更适应环境变化的能力随处可见1.3光纤通信的特点3.光纤通信的缺点光纤质地脆、机械强度低、需要比较好的切割及连接技术，分路、耦合比较麻烦。1.3光纤通信的特点白玉微瑕1.4光纤通信的应用用于市话中继线用于长途干线通信用于高质量彩色电视传输用于工业生产现场监视和调度用于交通监视控制指挥CATV光纤局域网基带模拟信号的传输（雷达信号；音频信号）光纤通信系统有多种不同的应用形式，可以按照不同分类方法进行分类根据传输信号类型划分根据光纤的传导模数量划分根据系统的工作波长划分根据光源调制方式划分1.5光纤通信系统的分类1．按照传输信号类型划分

模拟光纤通信系统用模拟电信号对光源强度调制，即传输的是模拟信号；如广播电视节目、工业和交通监控信号等数字光纤通信系统采用PCM电信号对光源强度调制，即传输的是数字信号；如长途骨干网、城市环网等1.5光纤通信系统的分类2．按照光纤的传导模数量划分

多模光纤通信系统多模光纤通信系统是早期采用的光纤通信系统，目前主要用于计算机局域网当中。单模光纤通信系统单模光纤通信系统是目前广泛应用的光纤通信系统，它具有传输衰减小、传输带宽大等特点。1.5光纤通信系统的分类3．按照系统的工作波长划分

短波长(0.8～0.9μm)光纤通信系统通常速率低于34Mb/s，中继距离在10km内长波长(1.0～1.7μm)光纤通信系统中继距离小于或等于10km

超长波长(2μm以上)光纤通信系统中继距离大于100km1.5光纤通信系统的分类光纤通信的光波波谱光纤通信的波谱在1.67×1014～3.75×1014Hz之间，即波长在0.8～1.8μm之间，属于红外波段，将0.8～0.9μm称为短波长，1.0～1.8μm称为长波长，2.0μm以上称为超长波长。应用于光纤通信的波长是0.85μm（短波长窗口）、1.31μm和1.55μm（长波长窗口）。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）＝10−10m各种单位的换算公式1.5光纤通信系统的分类4．按照光源调制方式划分

直接强度调制光纤通信系统直接调制光纤通信系统具有设备简单的特点，因此在目前的光纤通信中得到了广泛的应用。间接调制光纤通信系统间接调制光纤通信系统具有调制速率高等特点，所以是一种有发展前途的光纤通信系统，在实际中已得到了部分应用。1.5光纤通信系统的分类5．其它分类方式公用光纤通信系统和专用光纤通信系统PDH光纤通信系统和SDH光纤通信系统1.5光纤通信系统的分类补充概念

通信基本概念1.5.1通信

什么是“通信”?“通”就是传输和交换；“信”就是信息（话音、图像、数据）

通信就是信息的传输和交换，通过电信号或者光信号形式将信息由一方传输到另一方。

图1-2给出了一个最简单的通信系统的模型。在这个过程中，通话的内容是由图中的“处理层”完成的。信息的传输是由图中的“物理层”完成的。在现代通信中，通信一般包括：信号的产生、传输和接收三个过程。

什么是“电信”？

电信是利用有线、无线、光或者其它电磁系统传输、发送或者接收代表符号、书写、影像和声音或者其他任何性质情报的信号。

通信和电信的区别：

通信是按照约定传递信息；

电信是利用电磁系统（广义泛指）传递代表媒体的信号，电磁系统完成信号传递功能。

通信是一个广义的概念，而电信则是一个狭义的概念。图1-3揭示了通信涵盖了电信之间的关系。1.5.2信号

1.信号及其分类

信号是消息的物理载体。

消息则是信息的物理表现形式，如语音、文字、符号、数据和图像等。

信息、消息和信号三者存在着十分紧密的关系。

信息是通过消息来表达，消息通过信号来传输。在科学研究中，通常是将“信号”做为研究对象。

信号具有强度、频率、相位、能量等基本特征，信号可以表示为时间的函数。

按照信号在时间坐标呈现连续变化或者阶跃变化，信号可以分为模拟信号和数字信号。

模拟信号是幅度连续时变的信号。模拟信号又称为连续信号，如图1-5（a）所示连续信号的取值可用连续的时间函数表示。

1.5.3光信号

1.光的波/粒特性2.波长

3.频率

在光纤通信中，常用的频率单位有：

千赫（1KHz=103Hz）兆赫（1MHz=106Hz）吉赫（1GHz=109Hz）太赫（1THz=1012Hz）

1.5.4信号调制

1.调制作用

为什么要进行调制？

调制的作用就是要将传输的信号变换成适合信道传输的信号（调制信号）。

2.调制方法

由式（1-4）得知，可以选择的调制方法有：

调制幅度A、调制载波频率ω、调制相位φ。

按照调制的信号形式可以分为模拟调制和数字调制。

模拟调制对应的三种调制方法分别被称为：

幅度调制（AmplitudeModulation，AM）

频率调制（FrequencyModulation，FM，）

相位调制（PhaseModulation，PM，）

在数字调制中，对应三种调制方法分别为：

幅移键控（AmplitudeShiftKeying，ASK）

频移键控（FrequencyShiftKeying，FSK）

相移键控（PhaseShiftKeying，PSK）电通信光通信1.6光纤通信系统的基本组成1.6光纤通信系统的基本组成光纤通信是以光波作为信息载体，以光纤作为传输介质的一种通信方式。光纤通信系统主要组成部分包括光纤光接收机光中继器光发射机光纤通信系统示意图1.光发射端机光发射机包括光源和光调制器。它主要是提供沿着光纤传输信息所需要的光能量。它的光源既可以是发光管也可以是激光器。作用是将电信号转换为光信号（E/O变换），并将生成的光信号注入光纤。光端机由光源、驱动器和调制器组成。

光源是核心1.6光纤通信系统的基本组成输出功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，器件寿命长。1.6光纤通信系统的基本组成对光源的要求？半导体发光二极管（LED）半导体激光二极管（或称激光器）（LD）光源1.6光纤通信系统的基本组成2.光接收端机作用是将光信号转换为电信号，并通常有放大、再生等功能。光接收机由光检测器、放大器和相关电路组成。光检测器是核心1.6光纤通信系统的基本组成对光检测器的要求？响应度高、噪声低、高可靠性、高性价比和响应速度快。PIN光电二极管雪崩光电二极管（APD）光检测器3.光纤光纤线路是光信号的传输媒介。光纤线路包括光纤、光纤接头和光纤连接器。光纤基本特性参数：损耗（dB/kmdB/km）：直接影响通信距离。色散（psps/nm.km/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。1.6光纤通信系统的基本组成为实现高速长距离传输，要求光纤的传输衰减和色散尽可能小A.光纤的损耗光纤的重要参数目前使用的光纤均为石英光纤，其损耗－波长特性中有三个低损耗区（三个窗口）。0.85µm1.31µm1.55µm光纤的重要参数2dB/km0.4dB/km0.2dB/kmB.光纤的色散色散是指光纤中，由于光波的不同频率成分和模式成分传输速度不同而使信号散开的现象，它使脉冲在光纤中传输时随着距离的增加而发生展宽。色散越小，带宽就越大，所产生的脉冲展宽就越小；在光纤通信中，色散和带宽是一对矛盾。光纤的重要参数制作：计算机学院邵黎84

光纤通信系统的组成对于长距离的光纤通信系统，每隔一定距离需要接入光中继器。4.光中继器远距离的光纤通信系统还需要采用光中继器，光中继器的作用是补偿光能的衰减，恢复信号脉冲的形状。1.6光纤通信系统的基本组成

光纤通信也可分为模拟通信和数字通信两种。模拟光通信中的光信号强度随电信号的变化而线性变化，通俗地讲，就是光线有“明”“暗”之分。数字光通信中的光信号与数字电信号相似，只有两种状态：“亮”和“灭”。1.光纤通信的现状（1）第一代光纤通信系统七十年代后期进入商用，由0.85微米的光源和多模光纤构成。光纤损耗大，多模光纤的传输带宽有限应用在低速率、短距离条件，无中继距离为10km以内1.7光纤通信现状和展望1976年亚特兰大安装的商