浙江传媒学院光纤通信课件

光纤通信课程基本情况学时：(课堂授课)课程类型：考试课考核方式：笔试(闭卷)成绩构成：平时成绩(20%)考试成绩(80%)教材：《光纤通信》聂兵北京理工大学出版社参考书目：刘增基:《光纤通信》李玉权:《光波导理论与技术》先修课程：信号与系统概率论与随机过程通信原理电磁场与微波技术数字与模拟电路计算机网络课程准备课程主要内容光纤通信系统是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统。主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。本课程将系统讲叙它们的基本原理和关键技术。内容

□光纤光缆，光无源器件

□光发射机

□光接收机

□光纤系统,系统设计

□新技术

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章概论光通信的相关定义光通信：指一切运用光作为载体而传送信息的所有通信方式的总称。包括：大气、光波导。早期的光通信通信方式中国古代用“烽火台”报警通过手势传递信息1.1光纤通信的发展与现状1.1.1探索时期的光通信缺点低数据速率误码率高集成度低

1.1.2现代光纤通信现代光通信要求对光波进行高速调制，使其承载高速数据信息。1960年美国物理学家梅门（TheodoreHaroldMaiman）成功地使红宝石振荡产生「雷射光，发明了激光器；1960年~1970年，许多应用考虑采用激光器；其中之一是以可见光为载体，以大气为传输媒质进行无线通信。这个提议遇到的困难是：(1)只有在清澈的大气条件下才能进行高效的传输；(2)传输范围在视距范围内。面对无线光通信遇到的难题，人们把视线转向了有线光通信，但路经损耗是限制早期光纤通信投入使用的最大障碍，而光通信一度因没找到稳定合适的传输介质，发展进入瓶颈。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。

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。

1.1.2现代光纤通信

高锟：1933年生于上海，人称“光纤之父”，曾任香港中文大学校长。1966年，在英国标准电信研究所工作的高锟提出了用石英玻璃代替铜线的大胆设想：利用玻璃清澈、透明的性质，使用光来传送信号，高锟经过深入的理论研究，充分论证了光导纤维的可行性。光纤通信发明家高锟(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-----光纤衰减

•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。1.1.2现代光纤通信

1970年，光纤通信在光器件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。1.1.2现代光纤通信

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

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年铺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。当今世界范围的光纤通信系统海底光缆及洲际通信网光纤通信发展现状国际整个行业2003年起全面复苏大量新技术出现及进入实用全球已敷设5亿公里光缆国内□90年代已实现大的网络布局(“八纵”,“八横”)□2006年西藏实现“镇镇通光缆”□已铺设5千万公里光缆□国内厂商纷纷国外“拿单”。光纤通信的分类和组成分类按传输信号类型分光纤模拟通信系统光纤数字通信系统按光波长和光纤类型分短波长（850nm）多模光纤通信系统长波长（1310nm）多模光纤通信系统长波长（1310nm）单模光纤通信系统长波长（1550nm）单模光纤通信系统按调制方式分直接强度调制光纤系统外调制光纤系统光纤通信的支撑技术光放大器直接对光进行放大，简化系统使中继成本下降。WDM复用技术原理：波分复用是在一根光纤中耦合多个略为不同的波长，从而提高每根光纤的总带宽，应用WDM技术，可以充分利用光纤的有效带宽，降低线路投资以节约成本。优势：采用WDM技术提高带宽，比在单个波长上提高传输速率更加容易实现，因为随着单个波长传输速率的不断提高，许多光电器件的性能已明显不足，而WDM技术可降低这些器件在性能上的极高要求。1.2光纤通信的优点和应用光纤通信的优点成本低；玻璃光纤的原材料是二氧化硅，地球上含量丰富。体积小，重量轻；强度大；光纤和光缆具有惊人的机械强度，而且十分柔软。容量大；10Gbit/s的一对光纤可传送12万多路电话。损耗低；不易受温度变化影响；绝缘体；无电流、无泄漏、无耦合、可位于高功率传输线旁。抗干扰能力强；RFI、EMI、EMP。保密性能好；不易被监听。兼容性好；可与传统电子设备兼容。抗腐蚀；1.2.1光纤通信的优点1.光纤的容量大——“超高速公路”

马路越宽，容许通过的车辆越多，交通运输能力也越大。如果把通信线路比作马路，那么应该说是通信线路的频带越宽，容许传输的信息越多，通信容量就越大。载波频率越高，频带宽度越宽。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。一些数值的定义字首符号倍数因数太T1012吉G109兆M106千k103分c10-2毫m10-3微μ10-6纳n10-9皮p10-12飞f10-15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。目前的光纤容量已经达到十多个Tbit/s2.损耗低、中继距离长——“长跑健将” 信号在传输线上传输，由于传输线本身的原因，强度将逐渐变弱，而且随着传输距离的增加，这种衰减会越来越严重。因此，长距离传输信息必须设立中继站，把衰减了的信号放大以后再转输。中继站越多，传输线路的成本越高，维护越不方便，运行越不可靠。中继站的多少取决于中继距离的长短，中继距离的长度又受传输线路损耗的限制。1.2.1光纤通信的优点 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。那在许多情况下，通信线路中就可以不设中继站了。这对越洋通信意义尤其重大，因为在海底设立中继站，不仅使线路成本大为提高，也大大增加了维修工作的困难。1.2.1光纤通信的优点

3.抗电磁干扰能力强

我们知道，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。任何通信系统都应具有一定的抗干扰能力，否则无法保证通信工作的可靠和稳定。最主要的干扰是电磁干扰。天然的电磁干扰包括雷电干扰、电离层的变化和太阳核子活动引起的干扰，人为的电磁干扰有电动机、高压电力线造成的干扰等。这些干扰都必须认真对待。现有的电通信系统无法令人满意地解决这个问题。

1.2.1光纤通信的优点光纤通信具有怎么样的抗干扰能力呢？第一个原因是光纤属绝缘体，不怕雷电和高压；另一个原因是光纤中传输着频率极高的光波，各种干扰源的频率一般都比较低，干扰不了频率比它们高得多的光。还有一种重要的干扰源是原子辐射。据专家们测算，如果在美国本土中心上空463千米处爆炸一颗原子弹，1秒钟内即可使全美国未暴露的通信电缆，包括地面、飞机、舰艇等上面的通信电缆全部失效，通信中断，但光纤通信线路却照样畅通无阻，基本不受影响。4.保密性能好——“安全保密员”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，因为无线电波在大气中传播，甚至充斥全球，很容易被人窃听。即使用了加密往往也无济于事，因为密码分析或密码破译已成为一门科学。光纤通信是保密性能最好的通信方式之一，这是因为光在光纤中传输时不会跑出光纤和向外辐射电磁波。即使在拐弯非常厉害的地方，漏出的光也微乎其微，而且如果在光纤表面再涂上一层吸光剂，那连这样的“漏网之鱼”也休想溜走。任凭你采用什么办法，也不能在光纤外面搜集到光纤里面的“情报”。光纤通信真是一位“守口如瓶”、“滴水不漏”的“保密员”。5.体积小，重量轻1千克高纯度石英玻璃可以拉制成千上万千米光纤，而制造1000千米的8管同轴电缆却需要消耗120吨铜和500吨铅。18管同轴电缆每米重11千克，100芯铅皮对称电缆每米重2.9千克，而同等容量的光缆每米只有90克重。光纤不仅体积小、重量轻，而且很柔软，可以自由弯曲，铺设非常方便。可广泛应用于航天航空、汽车电子等领域。6.节省有色金属和原材料电线要用铜、铅等有色金属材料来制作，制作光纤的原材料却是普普通通的石英砂。铜是一种很重要的战略金属，地球上的储量按目前的开采速度估计，只够使用50年左右。而二氧化硅，在地壳的化学成分中占了一半以上，真正可以说是取之不尽、用之不竭的。光纤还有其他一些优良特性，也为普通金属导线所不及。它不怕潮湿和腐蚀，可以架在空中，也可埋入地下；它有较高的抗拉强度，与铁接近，比铜还高得多；它有较强的耐高低温能力，从-65~200°C，在一般的飞机、舰艇和车辆上都可使用；它可实现多功能传输，同时传递话音、数据、传真、图像等各种信息。

7.其它

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通信网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（公共交换电话网络）/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典型应用之二：作为校园网的骨干传输网能源、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，观测装置由检测器、光纤和观测记录仪等组成。雷击时位于铁塔上的检测器产生瞬间高电压，由于是光纤传输，对观测记录仪不会造成影响。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。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。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。机车电子1.3光纤通信系统的基本组成下图示出一个一般的光纤通信系统的组成。具有三个最主要的组成：发送机、信道、接收机。信源调制器载波源信道耦合器发送机光纤信道光纤放大器光中继器检测器放大器处理接收机信宿1.3.1发射和接收如上图所示，信源把用户信息转换为原始电信号，这种信号称为基带信号。对于数字电话传输，电话机把语音转换为频率范围为0.3~3.4kHz的模拟基带信号，电发射机把这种模拟信号转换为数字信号，并把多路数字信号组合在一起。模/数转化目前普遍采用脉冲编码调制（PCM）方式，这种方式是通过对模拟信号进行抽样、量化和编码而实现的。一路话音转换成传输速率为64kb/s的数字信号，然后用数字复接器把24路或30路PCM信号组合成1.544Mb/s或者2.048Mb/使得一次群甚至告辞群的数字系列，最后输入光发射机。对于模拟电视传输，则用摄像机把图像转换为6MHz的模拟基带信号，直接输入光发射机。为提高传输质量，通常把这种模拟基带信号转换为频率调制（FM）、脉冲频率调制（PFM）或者脉冲宽度调制（PWM）信号，最后把这种一条信号输入光发射机。还可以采用频分复用（FDM）技术，用来自不同信息源的视频模拟基带信号（或数字基带信号）分别调制指定的不同频率的射频（RF）电波，、然后把多个这种带有信息的RF信号组合成多路宽带信号，最后输入光发射机，由光载波进行传输。在这个过程中，受调制的RF电波称为副载波，这种采用频分复用的多路电视传输技术，称为副载波复用（SCM）。不管是数字系统，还是模拟系统，输入到光发射机带有信息的电信号，都通过调制转换为光信号。光在波经过光纤线路传输到接收端，再由光接收机把光信号转换为电信号。电接收机的功能和电发射机的功能相反，它把接收的电信号转换为基带信号，最后由信宿恢复用户信息。在整个通信系统中，在光发射机之前和光接收机之后的电信号段，光纤通信所用的技术和设备与电缆通信相同，不同的只是由光发射机、光纤线路和光接收机所组成的基本光纤传输系统代替了电缆传输。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载波源光源光谱特性：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。激光源驱动器光纤光信号输出电信号输入(a)直接调制；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。激光源调制器驱动和控制电信号输入光纤光信号输出(b)间接调制(外调制)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、光纤连接器、光纤放大器和中继器等

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，都要和光纤这三个波长窗口相一致。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（μ