第一章光纤通信

许海燕xuhaiyan11@物联网工程学院光纤通信着重介绍光纤通信的基础知识，从光纤的基本原理、构造和加工方法出发，全面阐述光纤通信系统的基本构成及功能，以及光纤通信系统中主要器件和功能模块的结构和工作原理。课程介绍一、课时分配理论课时：32学时

实验课时：8学时

二、成绩比例

考试70%实验20%作业10%

参考教材光纤通信刘增基西安电子科技大学Fiber-opticCommunicationsTechnologyDjafarK.Mynbaev科学出版社光纤通信顾畹仪人民邮电出版社光纤光学廖延彪清华大学出版社GerdKeiser,OpticalFiberCommunications,4thEdition,电子工业出版社，2011.课程主要内容：1、光纤通信系统的基本组成2、光纤光缆的结构和类型，光纤的传输原理和特性，光纤特性的测量3、光源、探测器和无源器件的类型、原理和性质；4、光端机的组成和特性5、数字光纤通信系统6、模拟光纤通信系统7、光纤通信的若干新技术8、光纤通信网络课程主要内容：第一节光纤通信发展历史和现状第二节光纤通信的优点和应用第三节光纤通信系统第一章光纤通信概论第一节光纤通信发展历史和现状为什么要光纤通信？通信（telecommunications）含义?–Tele:一定的距离–Communications:信息交换----声音,视频,数据。–Telecommunications利用某种设备实现的一定距离的信息交换。原始光通信–“光”—“火”–烽火台:~780BC,周幽王;–中世纪(500-1000AD),俄国第一节光纤通信发展历史和现状电通信:1837年---摩尔斯电磁式有线电报1876年---贝尔发明有线电话1895年---俄罗斯波波夫发出第一份无线电报1895年---意大利马可尼在英国取得无线电专利权，成为无线电的创始人。Telegraph(电报1837):–Carriers:current,EMwaves–Coding:MorseCodeTelephony(电话1876):–Voice-Electricpulses–AnalogsignalsInformation:–Voice–Video–DataMedia:Cooperwire,coaxialcable,air,opticalfiberModernCommunications:Conversion—Modulation—Transmission----Demodulation第一节光纤通信发展历史和现状Thecapacitylimit–Shannon-Hartleytheorem:–Bndwidth:therangeoffrequencieswithinwhichthesignalscanbetranmittedwithoutsubstantialattenuation–Thehigherthecarrier’sfrequency,thegreaterthechannelbandwidthandthehighertheinformation-carriercapacity.Cooperwire:1MHzCoaxialcable:100MHzRadiofrequency:500KHz~100MHzMicrowave:100GHz(Satellites,Radiooverfiber)Opticalfiber:50THz!第一节光纤通信发展历史和现状Whatwewantfrommoderntelecommunications?–Capacity,capacity,andmorecapacity!–Information-carryingcapacityistheabilityofacommunicationlinktotransmitacertainamountofinformationperunitoftime.Moreinformationisproduced–Postindustrialera-Informationera–Internet,telephone,mobile,creditcard,onlinebank,onlineTV,movie,………Analog&Digital–Analog:amplitude,frequency,phase–Digital:bits“0”and“1”–Morereliable!–Requiremorechannelcapacity!第一节光纤通信发展历史和现状探索时期的光纤通信1.1880年，美国人贝尔发明了光电话。实现了用光载波传送话音。证明了用光载波传送信息的可行性。2.激光器的发明激光是高度相干光，具有波谱宽度窄、方向性极好、亮度极高频率和相位较一致的良好特性。是一种理想的载波。－1960年，美国人梅曼发明了第一台红宝石激光器。－氦－氖激光器、二氧化碳激光器相继出现，并投入应用－麻省理工学院进行了大气激光通信实验证明了：•用激光作为载波实现点对点的通信是可行的。•通信能力和质量受气候的影响十分严重。大气的吸收、散射使光波的能量损耗很大大气密度、温度的变化，造成折射率的变化，使光束发生偏移。大气激光通信的距离和稳定性受到了极大的限制。1.1.2现代光纤通信

1966年，高锟和霍克哈姆提出了利用光纤进行通信的可能性和技术途径。奠定了现代光通信－光纤通信的基础。－当时石英纤维损耗高达1000dB/km是杂质吸收产生的－材料的本征损耗由瑞利散射决定，与波长的4次方成反比，实际很小。－通过材料的提纯可制造低损耗光纤光纤的研制进程1970年，美国康宁(Corning)公司就研制成功损耗20dB/km的石英光纤。1972年，康宁公司高纯石英多模光纤将损耗降低到4dB/km。1973年，美国贝尔(Bell)实验室将光纤损耗降低到2.5dB/km。1974年降低到1.1dB/km。1976年，日本电报电话(NTT)公司等单位将光纤损耗降低到0.47dB/km(波长1.2μm)。1986年是0.154dB/km，接近了光纤最低损耗的理论极限。光纤通信用激光器的发展进程1970年，美国、日本和前苏联先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。1973年，半导体激光器寿命达到7000小时。1977年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时(约11.4年)，外推寿命达到100万小时，完全满足实用化的要求。在这个期间：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。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。光纤通信发展的三个阶段第一阶段(1966－1976年)，这是从基础研究到商业应用的开发时期。在这个时期，实现了短波长(0.85μm)低速率(45或34Mb/s)多模光纤通信系统，无中继传输距离约10km。第二阶段(1976－1986年)，这是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标并大力推广应用的大发展时期。在这个时期，光纤从多模发展到单模，工作波长从短波长(0.85μm)发展到长波长(1.31μm和1.55μm)，实现了工作波长为1.31μm、传输速率为140－565Mb/s的单模光纤通信系统，无中继传输距离为100－50km。第三阶段(1986－1996年)，这是以超大容量、超长距离为目标，全面深入开展新技术研究的时期。在这个时期，实现了1.55μm色散移位单模光纤通信系统。采用外调制技术，传输速率可达2.5－10Gb/s，无中继传输距离可达150－100km。实验室可以达到更高水平。目前，正在开展研究的光纤通信新技术，例如，超大容量的波分复用(WDM)光纤通信系统（实现）和超长距离的光孤子(Soliton)通信系统。我国光纤通信的开发里程

1977年，第一根短波长(0．85mm)阶跃型石英光纤问世，长度为17m，衰减系数为300dB/km。1978年，研制出短波长多模梯度光纤，即G.651光纤。1979年，研制出多模长波长光纤，衰减为1dB/km。建成5.7km、8Mb/s光通信系统试验段。1980年，1300nm窗口衰减降至0.48dB/km，1550nm窗口衰减为0.29dB/km。

1984年，武汉、天津34Mb/s市话中继光传输系统工程建成(多模)。

1988年，全长245km的武汉－长沙市34Mb/s多模光缆通信系统工程通过邮电部鉴定验收。1989年，汉阳——汉南40Mb/s单模光传输系统工程通过邮电部鉴定验收。1991年，研制出G.653色散位移光纤。最小衰减达0.22dB/km。合肥——芜湖40Mb/s单模光传输系统工程通过国家鉴定验收。

1993年，在掺铒光纤放大器的研究上取得突破性进展，小信号增益达25dB。上海——无锡65Mb/s单模光传输系统工程通过邮电部鉴定验收。1997年，研制出G.655非零色散位移光纤。成都——攀枝花22Mb/sSDH光传输工程通过邮电部鉴定验收。1998年，海口——三亚5Gb/s光传输系统工程通过邮电部鉴定验收，该工程全长322km，仅在万宁设一个中继站，海口——万宁的中继距离为172km。1999年，8×2.5Gb/sDWDM系统通过国家验收。1.1.3国内外光纤通信发展的现状光纤通信技术发展历程：光纤从多模发展到单模，工作波长从0.85μm发展到1.31μm和1.55μm，传输速率从几十Mb/s发展到几十Gb/s。另一方面，随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不断下降，应用范围不断扩大：从初期的市话局间中继到长途干线进一步延伸到用户接入网，从数字电话到有线电视(CATV)，从单一类型信息的传输到多种业务的传输。目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统成为国家信息基础设施的支柱1.2.1光纤通信的优点一、频带宽，传输容量大激光的频率约为100THz,微波的频率为10GHz。从理论上讲，用光传输信息，通信容量比微波通信容量大一万倍！二、损耗小，中继距离长dBm/km第二节光纤通信的优点和应用三、重量轻、体积小，便于施工四、抗干扰能力强，保密性能好光纤不受强电干扰、电气化铁道干扰和雷电干扰，抗电磁脉冲能力也很强，保密性好五、耐腐蚀、耐高温，可在恶劣环境中工作六、节约金属材料，有利于资源的合理利用光纤的主要成分是SiO2资源十分丰富。电缆的主要成分是Cu,Al等有色金属，资源有限。1.2.1光纤通信的优点图1.3各种通信系统相对造价与传输容量的比较提纯工艺的发展几百公里无中继传输

电缆的损耗随频率按f的规律增加，光纤通信的带内损耗不随频率变化。如：数字接收机的灵敏度很高，可达－30dB/km。那么发送1mw的光功率，光纤损耗为0.2dB/km时，光从损耗方面考虑，传输距离可达100km以上（150km)。除上述优点之外，光纤本身也有一些缺点。如光纤质地脆、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。1.2.2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、接入网发展迅速，是当前研究开发应用的主要目标。1.2.2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光纤局域网光纤传感器、医疗设备、信号显示处理等

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宽带综合业务光纤接入系统拓扑结构作为校园网的骨干传输网第三节光纤通信系统信源电发射机光发射机光中继光接收机电接收机信宿光纤通信系统的组成包括发射、接收和作为广义信道的基本光纤传输系统。

一、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LD；LED;DFB电信号对光的调制的实现方式

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的。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。

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的。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。

图1.5两种调制方案

(a)直接调制；(b)间接调制(外调制)2、光接收机功能：是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号组成部分：耦合器，光电检测器，解调器组成框图：电子电路光输入耦合器光电检测器解调器电信号输出2、光接收机结构参数：接收机灵敏度：表征光接收机调整到最佳工作状态时，光接收机接收微弱光信号的能力。定义：在保证达到所要求的误比特率的条件下，接收机所需要的最小输入光功率，一般用dBm表示，是以1mw光功率为基础的绝对功率。Pr=10log（Pmin/10-3）影响接收机灵敏度的主要因素：噪声；接收信号的波形；传输信号的码率。检测方式：直接检测和外差检测光探测器：响应度高，噪声低，高可靠性、高性价比和响应速度快PIN-PD；APD

3.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。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。

1.01.41.5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

C波段1525~1565nm1.571.62L波段有效性：指信息的传输速度可靠性：指信息的传输质量适应性：环境使用条件标准性：元件的标准性、互换性经济性保密性使用维修是否方便二、光纤通信系统的评价根据电端机送入光端机信号性质的不同，可分为模拟和数字光纤通信系统。二、光纤通信系统的分类1、第一代：20世纪70年代末。光源：0.85微米，多模光纤，应用低速率、短距离通信。2、第二代：80年代初，光源：1.3微米，多模光纤，无中继距离20公里，140Mbit/s。3、第三代：80年代末，光源：1.55微米，色散位移光纤，超高速，长距离，无中继传输大于100公里，565Mbit/s，622Mbit/s，2.5Gbit/s。4、第四代：波分复用技术，90年代中期商用。160X10Gbit/s。5、第五代：光孤子通信。二、光纤通信系统的演进传输容量：2.5Gbit/s，10Gbit/s，40Gbit/s，大量采用WDM系统提高中继距离：上千公里的无电中继距离。展望：1、传输速率高速化2、用户网的光纤化3、光交换节点取得电交换节点4、相干光通信5、孤子通信、全光通信。二、光纤通信系统现状展望光纤通信系统的拓扑结构：光纤通信系统的拓扑结构(a)点对点系统(b)一点对多点系统（c）光纤网

我们目前实际只用了光纤巨大潜力的1/1000。为了充分发挥光纤的带宽潜力，克服光纤损耗及色散的影响、延长中级距离、扩大传输容量及降低成本，人们不断地开发新技术。主要有：1、光器件的集成化及模块化提高速率与性能，简化结构，降低成本2、波分复用——什么叫“波分复用”？所谓波分复用就是让不同波长的光信号同在一根光纤上传输而互不干扰。

光纤通信中的新技术

因为目前光通信的光源在光通信的“窗口”上只占用了很窄的一部分，还有很大的范围没有利用。如果利用多个波长适当错开的光源同时在一根光纤上传送各自携带的信息，就可以大大增加所传输的信息容量。由于是用不同的波长传送各自的信息，因此即使在同一根光纤上也不会相互干扰。在接收端转换成电信号时，可以独立地保持每一个不同波长的光源所传送的信息。这种方式就叫做“波分复用”。如果在光纤的工作窗口上安排100个波长不同的光源，同时在一根光纤上传送各自携带的信息，就能使现在的光纤通信系统的容量提高100倍。光纤上各路光载波的波长间隔大部分减至0.8nm，少数已达到0.4nm光纤的频带资源3、光放大技术由于光信号在光纤中传输时要受到损耗，因此每隔几十千米，就要设置一个“再生中继器”。光电光随着光纤通信系统传输容量的增大，需要速率极高的电子器件。能否去掉这种复杂的光电转换过程直接在光纤线路上对光信号进行放大，也就是用一个全光方式的放大器来代替现在的这种光电光型的再生中继器，即“光纤放大器”？——掺饵光纤放大器是利用在光纤中掺杂了稀土元素饵来实现光放大的。当用高能量的泵浦激光器激励掺饵光纤时，饵离子会发出频谱很宽的荧光带，这时光信号通过掺饵光纤时，荧光带的能量会转移到信号光上，使信号光得到增强和放大。掺饵光纤放大器的研制成功，使进入90年代的光纤通信容量又提高了一个数量级。随着技术的发展和改进，掺饵光纤放大器必将渗透到光纤通信的各个领域，从而使光纤通信从发送端到接收端可以实现“全光传输”。这是光纤通信发展史的一个新的里程碑。4、光孤子技术

什么叫“光孤子”？光孤子是一种能在光纤中传播的长时间保持形态、幅度和速度不变的光脉冲。光纤通信中，限制传输距离和传输容量的主要原因是“损耗”和“色散”。

“损耗”使光信号在传输时能量不断减弱。

“色散”则是使光信号的脉冲在传输中逐渐展宽，从而使信号畸变失真。现在随着光纤制造技术的发展，光纤的损耗已经降低到接近理论极限值的程度，色散问题就成为实现超长距离和超大容量光纤通信的主要问题。

光纤的色散是使光信号的脉冲展宽，而光纤中还有一种非线性的特性，这种特性会使光信号的脉冲产生压缩效应。光纤的非线性特性在光的强度变化时使频率发生变化，从而使传播速度变化。在光纤中这种变化使光脉冲后沿的频率变高、传播速度变快；而前沿的频率变低、传播速度变慢。这就造成脉冲后沿比前沿运动快，从而使脉冲受到压缩变窄。如果有办法使光脉冲变宽和变窄这两种效应正好互相抵消，光脉冲就会像一个一个孤立的粒子那样形成光孤子，能在光纤传输中保持不变，实现超长距离、超大容量的通信。孤子源调制信号源EDFA探测器EDF