光纤通信系统-第一章 绪论

光纤通信系统选用教材光纤通信（“十一五”国家级规划教材） 邱昆，王晟，邱琪，张崇富， 电子科技大学出版社，2008

参考书：1）光纤通信系统（修订版），顾畹仪/李国瑞，北京邮电大学出版社2）Fiber-OpticCommunicationsSystems,ThirdEdition,G.P.Agrawal课程内容

涉及光纤通信中的器件、整机、系统和网络。器件：光纤和光缆，光源、光探测器、光放大器；（第2、3章）整机：光发射机和光接收机； （第2章）系统：SDH传输系统和光交换系统；（第4、5章）网络：光网络技术、光纤接入网和光纤以太网。（第6、7和8章）讲授学时：48学时学习方法先修课程：《电磁场与电磁波》，《通信原理》；学习方法：

1）保证课堂效率，实事求是，不懂就问；

2）独立思考和完成作业；

3）课间和课后的交流；

4）阅读相关报道、产品资料和文献。考核方式成绩构成：

1）期末考试：70% 2）出勤：10%；（5次考勤）

3）作业：10%；

4）测验：10%；（5次课堂测验）第一章绪论1.1光纤通信的发展简史1.2光纤通信的特点和应用1.3光纤通信系统构成1.4几个基本概念1.1光纤通信的发展简史传输媒介光纤通信系统：利用光纤光缆传输光波信号的通信方式。无线通信：微波、卫星、激光有线通信：铜线电缆、光纤光缆通信系统：将信息从一处传到另一处的全部技术设备和信道(传输媒介)的总和。电磁波：交变的电场会产生交变的磁场，交变的磁场又会激起交变的电场，这种电场、磁场无限地交变产生，合称电磁场。这种交变的电磁场会在空间以波的形式由近及远地传播开去，这就是电磁波。光也是一种电磁波光通信的基础：电磁波理论麦克斯韦1865年发表电磁场理论赫兹1888年实验证实电磁波存在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。电磁波谱目前使用的光载波频率~190THz

各种单位的换算公式c=3×108m/s1MHz（兆赫）＝106Hzl=c/f1GHz（吉赫）＝109Hz1mm(微米)=10−6m1THz（太赫）＝1012Hz1nm(纳米)=10−9m1PHz（拍赫）＝1015Hz1Å(埃)=10−10m常用的单位和换算100GHz≈？nm0.8最早的光通信公元前11世纪，西周王朝，烽火台古代光通信1880年贝尔发明了第一个光电话系统，通话距离213米弧光灯的恒定光束投射在话筒的音膜上，随声音的振动而得到强弱变化的反射光束，这个过程就是调制。但是，普通光源强度和纯度都成为制约光通信发展的因素。第一个光电话系统：现代光通信的开端•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。现代光通信的标志激光器的发明和应用，光通信进入一个崭新的阶段，它具有亮度高、谱线窄、方向性好但由于大气通信受气象条件的影响，通信不稳定频率为100太赫兹的红宝石激光器[美国梅曼(Maiman)，1960]大气光通信

大气光通信受阻，人们将研究的重点转入到地下光波通信的实验，先后出现过反射波导和透镜波导等地下通信的实验。但反射波导和透镜波导造价昂贵，调整、维护困难。地下光通信没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质对光通信的研究走入了低潮1870年，英国物理学家丁达尔太阳光随着水流发生弯曲

n水

>n空气，光发生全反射光纤的雏形1953年，英国伦敦学院卡帕尼博士首次将丁达尔的观察用于实际，发明了用极细的玻璃制作的光导纤维：芯层+包层。芯层的折射率大于包层，光在其中做全反射。1960年左右，最好的光纤损耗也在1000分贝/公里(dB/km)。由于，损耗很大，它最初被用于医疗，如内窥镜。

早期光纤通信的关键问题1、低损耗的光纤；2、高可靠、长寿命的光源及高响应的光检测器件；3、光测量及光纤连接技术；工作地点：英国标准电信研究所研究对象：光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题损耗原因：1)玻璃纤维中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属 离子和其他杂质；2)拉制光纤工艺造成芯、包层 分界面不均匀及其所引起的折射率不均匀新的发现：一些玻璃纤维在红外光区的损耗较小低损耗光纤的探索1966年，高锟和霍克哈姆发表的《用于光频的光纤表面波导》奠定了现代光通信的基础。高锟被尊为光纤之父。1970年，美国康宁公司研制成功损耗20dB/km的石英光纤。1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4dB/km。1973年，美国贝尔实验室的光纤损耗降低到2.5dB/km。1974年，贝尔实验室将损耗进一步降低到1.1dB/km。1976年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到0.47 dB/km(工作波长1.2mm)。目前波长为1.55mm的标准光纤损耗为<0.2dB/km。

低损耗光纤的研制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砷铝镓(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NTT研制出波长为1.3mm的磷砷镓铟(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NTT研制成功波长为1.55mm的半导体激光器。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。半导体通信光源的探索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年和1978年，日本先后进行了速率为34Mb/s的阶跃多模 光纤通信系统和速率为100Mb/s的渐变型多模光纤通 信系统的试验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，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1989年，第一条横跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光缆通信系统建成光纤通信系统的发展1976年美国在亚特兰大进行的现场试验，标志着光纤通信从基础研究发展到了商业应用的新阶段。

此后，光纤通信技术不断创新：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(短波长向长波长），传输速率从几十Mb/s发展到几十Gb/s。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。目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的支柱。

在许多发达国家，生产光纤通信产品的行业已在国民经济中占重要地位。光纤通信发展的状况当今世界范围的光纤通信系统在70年代国外的低损耗光纤获得突破以后，我国从1974年开始了低损耗光纤和光通信的研究工作，并于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，这比世界上第一次现场试验只晚两年多。这些成果成为我国光通信研究的良好开端，并使我国成为当时少有的几个拥有光缆通信系统试验段的几个国家之一。到80年代末，我国的光纤通信的关键技术已达到国际先进水平。

我国的光纤通信发展从1991年起，我国已不再建长途电缆通信系统，而大力发展光纤通信。在“八五”期间，建成了含22条光缆干线、总长达33000公里的“八横八纵”大容量光纤通信干线传输网。1999年1月，我国第一条最高传输速率的国家一级干线（济南——青岛）8×2.5Gb／s密集波分复用（DWDM）系统建成，使一对光纤的通信容量又扩大了8倍。光纤通信已是各种通信网的主要传输方式我国的光纤通信发展我国的光纤网络结构我国的光纤通信发展第一代：1966~1979(从基础研究到商业应用的开发时期)激光器(GaAs)波长0.8µm，多模光纤，最大中继距离10km(当时的同轴电缆系统中继距离为1km)，比特率在50~100Mb/s。多模色散和损耗是限制中继距离的关键。光纤通信的四个发展阶段第二代：上世纪80年代早期(通过减小光纤色散)激光器(InGaAs)波长1.3µm，单模光纤，最大中继距离50km，比特率1.7Gb/s。光纤的损耗限制了中继距离，当时的损耗为~0.5dB/km。光纤通信的四个发展阶段第三代：上世纪80年代后期初90年代初(通过降低光纤损耗)激光器(InGaAsP)波长1.55µm，单模(色散位移)光纤，比特率2.5~10Gb/s，最大中继距离100km。这个阶段的缺点是采用电的方式中继。光纤通信的四个发展阶段第四代：上世纪90年代之后(通过引入WDM和全光放大技术)激光器(InGaAsP)波长1.55µm，单模光纤，采用波分复用技术和光放大技术，单个波长信道比特率2.5~40Gb/s，256×40G=10Tb/s

，并提出光通信智能化的概念光纤通信的四个发展阶段WDM技术出现第一代：工作在0.85um波段，速率50~100Mb/s，中继距离10km；第二代：工作在1.31um波段，速率1.7Gb/s,中继距离50km；第三代：工作在1.55um波段,商用2.5~10Gb/s;第四代：采用光放大器和波分复用技术，256×40G=10Tb/s第五代：研究中。

小结：光纤通信发展的五代发展过程光纤通信系统发展情况1.2光纤通信的特点和应用1.2.1光纤通信的主要特点

1）大容量；

2）损耗低，传输距离长；

3）抗干扰能力强；

4）保密性强；

5）体积小，重量轻；

6）材料丰富；1.2光纤通信的特点和应用1.2.1光纤通信的应用通信网络：接入网骨干网洲际通信无线通信1.2光纤通信的特点和应用能源系统：煤炭系统：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。1.2光纤通信的特点和应用军事：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。1.2光纤通信的特点和应用医疗：利用传像束的内窥镜激光手术刀激光手术中，有时需要手术的部位在人体腔道内，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。机载电子：1.2光纤通信的特点和应用1.3光纤通信系统1.3.1光纤通信系统结构光纤发送信号接收信号0.70.80.91.01.11.21.31.41.5衰减（dB/km）第一窗口第二窗口6543210。40。2第三窗口

C波段1525~1565nm1.571.62L波段光纤光纤：两个主要参数：损耗（dB）和色散（ps/(km*nm)）。PinPoutL光发射机：

2）外调制光功率的表示方法：发光二极管的发射功率较低（一般＜10dBm），而半导体激光器的发射功率