光纤通信刘增基版第一章

1·1光纤通信发展的历史和现状

1.1.1探索时期的光通信

1.1.2现代光纤通信

1.1.3国内外光纤通信发展的现状1·2光纤通信的优点和应用

1.2.1光通信与电通信

1.2.2光纤通信的优点

1.2.3光纤通信的应用1·3光纤通信系统的基本组成

1.3.1发射和接收

1.3.2基本光纤传输系统

1.3.3数字通信系统和模拟通信系统第1章概论返回主目录光通信：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

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业务网传送网支撑网通信基础网是一个以光纤通信、微波接力和卫星传输构成的传输网络。在传输网基础上，根据业务节点设备类型的不同，可以构建成不同类型的业务网。传送网的作用※传送网是基础网※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---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用户终端交换设备接入网电复接设备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光纤通信经过40年的技术发展，已经称为最主要的传输手段光网络层次本地网城域网城域网本地网本地网省级干线国家干线省际长途传输；省内长途传输；本地网：本地市、县乡之间的网络；城域网：城区大容量及综合业务传输；接入网：端局到用户终端之间。本地（城域）网1.1光纤通信发展的历史和现状

1.1.1探索时期的光通信

•原始形式的光通信：中国古代用“烽火台”报警；欧洲人用旗语传送信息。

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”古老的光通信设备---烽火台广义地说，用光传递信息并不是什么新鲜的事。早在公元两千多年以前，我们的祖先就在都城和边境堆起一些高高的土丘，遇到敌人入侵，就在这些土丘上燃起烟火传递受到入侵的信息，各地诸侯看见烟火就立刻领兵来救援。其中还有著名的“周幽王烽火戏诸侯”的故事。这种土丘就叫烽火台，它就是一种古老的光通信设备。•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。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213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。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。•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，使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段。

1.1.2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。引起该变化的人被称为“光纤之父”。此人获得了2009年诺贝尔物理学奖。这个人是一位中国人，他就是高锟！

1.1.2现代光纤通信

－高锟提出光纤通信早在1966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础。在高锟早期的实验中，光纤的损耗约为3000dB/km，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生的。高锟提出光纤通信高锟指出，如果把材料中金属离子含量的比重降低到106以下，光纤损耗就可以减小到20dB/km。再通过改进制造工艺，提高材料的均匀性，可进一步降低光纤的损耗。这种想法很快就变成了现实。光纤通信是人类历史上的重大突破，现今的光纤通信已成为信息社会的神经系统高锟----光纤之父 1966年英国标准电信研究所高锟----光纤之父香港中文大学原校长高锟1996年在“高锟星”命名典礼上

高锟----光纤之父（左） 1998年在英国接受IEE授予的奖章1970年，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。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。

•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)。

•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。

1970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,0.85μm)。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－光电检测器早期光纤通信器件的发展过程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34Mb/s的阶跃多模光纤通信系统试验1978年，日本进行了100Mb/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，建成第一条横跨太平洋海底光缆通信系统实用光纤通信系统的发展

光纤通信系统的发展历程光纤通信追求目标:大容量、长距离技术发展：短波长-长波长、多模光纤-单模光纤、多模激光器-单模激光器通信系统容量：比特率-距离积BL，B比特率，

L中继距离每秒钟传输的比特数目。光纤通信技术的发展大体上可分为：工作波长光纤激光器比特率B中继距离L第一代70年代850nm多模多模10～100Mb/s10Km第二代80年代初1300nm多模单模多模100Mb/s1.7Gb/s20Km50Km第三代80年代中～90年代初1550nm单模单模2.5Gb/s～10Gb/s100Km光纤通信技术的发展大体上可分为:（续）工作波长光纤激光器比特率B中继距离L第四代90年代1550nm单模单模2.5Gb/s10Gb/s21000Km（环路）1500Km光放大系统第五代1550nm单模单模波分复用WDM单路速率:40,160,640Gb/s信道数:8,16,64,128,1022超长传输距离:27000Km(Loop)6380(Line)目前研究内容WDM光网络；ASON；PTN；全光分组交换；光时分复用；光孤子通信；新型的光器件等等光纤通信技术的三次飞跃(1)20世纪60年代。1962年第一只半导体激光器诞生，随后半导体光检测器也研究成功。特别是1966年英籍华人科学家高锟与Hockham提出用玻璃可以制成衰减为20dB/km的通信光导纤维，1970年美国康宁公司首先制出了20dB/km的光纤，这标志着光纤通信系统的实际研究条件得以具备。20世纪70年代。1970年发明了LD的双异质结构，使得光源与光检测器的寿命都达到了10万小时的实用化水平。1979年发现了光纤1310nm和1550nm新的低损耗窗口，紧接着单模光纤问世。光纤的衰减系数一下降到0.5dB/km。这使得光纤通信迈进了实用化阶段，从80年代初开始光纤通信便大步地迈向了市场。光纤通信技术的三次飞跃(2)20世纪90年代初。1989年掺铒光纤放大器EDFA的研制成功是光纤通信新一轮突破的开始。EDFA的应用不仅解决了光纤传输衰减的补偿问题，而且为一批光网络器件的应用创造了条件。使得光纤通信的数字传输速率迅速提高，促成了波分复用技术的实用化。光纤通信技术的三次飞跃(3)1.1.3国内外光纤通信发展的现状三种网络的不同要求三种网络设备有着不同的性质决定了这三种网络中设备开发的不同考虑：

Long-haul:CapacityMetro:SmartAccess:Cost新的传输技术层出不穷色散管理技术L波EDFA，RAFEC技术色散与色散斜率的补偿PMD补偿技术OTDM技术与光孤子技术关键原材料光纤预制棒网络管理系统测试设备光纤光缆光传输/交换设备光无源器件光有源器件运营商网络集成商光纤通信的产业链全球光纤通信主要供应商1.2光纤通信的优点和应用1.2.1光通信与电通信

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。光通信的主要特点

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：300mm~6×10−3

mm。常用通信光载波频率~190THz电磁波谱图1.2各种传输线路的损耗特性光通信利用的传输媒质-光纤，可以在宽波长范围内获得很小的损耗。（图1.2）

1.2.2光纤通信的优点

•容许频带很宽，传输容量很大•损耗很小，中继距离很长且误码率很小•不受电磁干扰，保密性好•泄漏小，保密性能好•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。光纤与电话双绞线对比图光纤通信的缺点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：①电信网②构成因特网的计算机局域网和广域网③有线电视网的干线和分配网④综合业务光纤接入网

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NSFCnet网络的拓扑结构说明：NSFCnet由六个节点组成，以清华为汇接点构成两个环行拓扑结构，清华、北大和中科院三点构成二纤双向自愈环采用WDM传输技术，在清华和北大之间通过在实验室中加光纤进行400公里广域网模拟试验；在其它节点构成的环中采用单路SDH/SONET传输技术。通信机房大学里的光通信实验室（研究）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：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调制信源光调制光解调解调信宿光端机电端机光端机光纤光纤通信系统的构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、接收和光纤。

基本光纤传输系统的三个组成部分1、光发送机组成框图：

光源调制器通道耦合器电信号输入光输出驱动电路结构参数：发送功率，dbm概念光源光谱特性：输出光功率足够大，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，器件寿命长电信号对光的调制的两种实现方式

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。电信号对光的调制的实现方式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，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。2.光纤线路

功能：是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失真)和衰减传输到光接收机

组成:光纤、光纤接头和光纤连接器

低损耗“窗口”：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0.85μm、1.31μm和1.55μm有三个损耗很小的波长“窗口”，见后图。

光源（激光器）的发射波长和光检测器（光电二极管）的波长响应，都要和光纤的波长窗口相一致。目前在实验室条件下，1.55μm的损耗已达到0.154dB/km，接近石英光纤损耗的理论极限。0.70.80.91.01.11.21.31.41.5衰减（dB/km）第一窗口第二窗口波长——λ（μm）普通单模光纤的衰减随波长变化示意图6543210。40。2第三窗口