光信息科学与技术

光信息科学与技术第一页，共七十五页，编辑于2023年，星期五一、光通信的发展与现状二、光纤的结构与模式三、光纤的分类四、光纤通信的四个发展阶段五、光纤通信的关键技术六、光纤通信的主要特点七、光纤通信系统的构成八、光纤通信系统的应用九、光网络与结构十、新技术简介第二页，共七十五页，编辑于2023年，星期五一、光通信的发展与现状传输媒介无线通信：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)的总和第三页，共七十五页，编辑于2023年，星期五公元前11世纪，西周王朝，烽火台白天点狼粪，晚上燃柴火——“狼烟四起”最早的光通信但由于受到视距﹑大气衰减﹑地形阻挡等诸多因素的限制，光通讯的发展缓慢。第四页，共七十五页，编辑于2023年，星期五1880年贝尔发明了第一个光电话系统，通话距离213米光传输应解决的问题：1、传输介质问题；

2、传输损耗问题；

3、光源问题。现代光通信的开端：第一个光电话系统第五页，共七十五页，编辑于2023年，星期五1870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（传输介质的问题）第六页，共七十五页，编辑于2023年，星期五光纤的雏形（传输介质的问题）这是全反射的作用，即光从水中射向空气，当入射角大于某一角度时，折射光线消失，全部光线都反射回来。第七页，共七十五页，编辑于2023年，星期五光纤的雏形（传输介质的问题）在1966年，高锟在一篇论文中首次提出用玻璃纤维作为光波导线用于通讯的理论。简单地说，就是提出以玻璃制造比头发丝更细的光纤，取代铜导线作为长距离的通讯线路。这个理论引起了世界通信技术的一次革命。随着第一个光纤系统于1981年成功问世，高锟“光纤之父”的美誉传遍世界。第八页，共七十五页，编辑于2023年，星期五研究对象：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、锰、OH-

2)光纤拉制工艺造成芯、包层分界面不均匀及其所引起的折射率不均匀新的发现：玻璃纤维在红外光区的损耗较小现代光纤通信的大发展（光纤损耗的问题）光纤之父：高锟1966年英国标准电信研究所第九页，共七十五页，编辑于2023年，星期五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。电磁波谱常用通信光载波频率~190THz第十页，共七十五页，编辑于2023年，星期五

高锟获得2009年诺贝尔物理奖！

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”这一发展方向第十一页，共七十五页，编辑于2023年，星期五光纤通信发明家高锟(左)

1998年在英国接受IEEE授予的奖章第十二页，共七十五页，编辑于2023年，星期五什么是通信？“通”传送，“信”信息；信息的传送基本组成：发送、传输、接收什么是光纤通信？利用激光作为信息的载波信号，并通过光纤来传送信息的通信系统。第十三页，共七十五页，编辑于2023年，星期五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。第十四页，共七十五页，编辑于2023年，星期五通信网络公用电信网：核心网、城域网光纤接入网海底光缆及洲际通信网第十五页，共七十五页，编辑于2023年，星期五第十六页，共七十五页，编辑于2023年，星期五1970年，Bell

Lab、日本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，成为光纤通信史上的里程碑。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的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器。1977年，Bell

Lab研制的半导体激光器寿命达到10万小时。1979年，AT&T和NTT研制成功波长为1.55mm的半导体激光器。

半导体通信光源的出现（光源问题）第十七页，共七十五页，编辑于2023年，星期五分布反馈式(DFB)激光器激光的独特优点：（1）亮度高（2）单色性好（3）方向性好（4）相干性好第十八页，共七十五页，编辑于2023年，星期五激光的独特优点：（1）亮度高：其定义是单位面积，单位立体角内所发射出的功率；利用激光的高亮度，可以在局部范围产生10万度以上的高温，进行打孔、焊接、手术以及可控热核反应等等。（2）单色性：即激光只有一个振荡波长，适合制成高清晰度的彩色电视；谱线宽度越窄(即波长范围越小)，光的单色性就越好。（3）方向性：激光的发射角很小，几乎是严格的平行光。1962年人类第一次用高亮度激光束射到距离地球38万公里的月球，光斑直径不到2km。发散角越小，方向性越好。（4）相干性好：激光的频率、振动方向、相位高度一致，使激光光波在空间重叠时，重叠区的光强分布会出现稳定的强弱相间现象。这种现象叫做光的干涉，所以激光是相干光。而普通光源发出的光，其频率、振动方向、相位不一致，称为非相干光。

第十九页，共七十五页，编辑于2023年，星期五二、光纤的结构和模式第二十页，共七十五页，编辑于2023年，星期五纤芯1)位置：光纤的中心部位2)尺寸：直径d1=4~50mm3)材料：高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂(GeO2，P2O5)， 作用是提高纤芯折射率(n1)，以传输光信号第二十一页，共七十五页，编辑于2023年，星期五包层位置：位于纤芯的周围尺寸：直径d2=125mm材料：高纯度SiO2，极少量掺杂剂(如B2O3)的作用则是适当降低包层折射率(n2)，使之略低于纤芯折射

率，使得光信号能约束在纤芯中传输第二十二页，共七十五页，编辑于2023年，星期五涂覆层1)位置：位于光纤的最外层2)尺寸：涂覆后的光纤外径约为1.5mm3)结构和材料：包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层

a)一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料

b)缓冲层一般为性能良好的填充油膏(防水)

c)二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物作用：保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用第二十三页，共七十五页，编辑于2023年，星期五按传输的模式数目分类单模光纤多模光纤三、光纤的分类第二十四页，共七十五页，编辑于2023年，星期五光纤的传播模式单模光纤(SignalModeFiber)：仅允许一个模式传播的光纤多模光纤(MultipleModeFiber)：同时允许多个模式传播在光纤的数值孔径角内，以某一角度射入光纤端面，并能在光纤纤芯-包层交界面上产生全反射的传播光线，就可以称为入射光的一个传播模式。第二十五页，共七十五页，编辑于2023年，星期五单模光纤和多模光纤(续)一根光纤是否单模传输与光纤中传输的光波长有关：多模：纤芯半径>>光波波长：光纤中会存在大量传播模式单模：纤芯半径~光波波长：光纤只允许一种模式在其中传播因此，对于给定波长单模光纤的芯径要比多模光纤小例如，对于常用通信波长(如1550nm)，单模光纤芯径在8~12mm，而多模光纤芯径>50mm。单模和多模的纤径芯径不一样！

第二十六页，共七十五页，编辑于2023年，星期五单模光纤优点：芯径小，不存在模间色散，带宽大，用于长途传输缺点：芯径小，需要使用半导体激光器LD激励多模光纤优点：芯径大，容易注入光功率，可以使用发光二级管LED作为光源缺点：存在模间色散，只能用于短距离传输单模光纤和多模光纤的特点多模只能传输2KM；单模可以传输100KM,现在基本上都是用单模的!第二十七页，共七十五页，编辑于2023年，星期五第二十八页，共七十五页，编辑于2023年，星期五第二十九页，共七十五页，编辑于2023年，星期五第三十页，共七十五页，编辑于2023年，星期五第三十一页，共七十五页，编辑于2023年，星期五第三十二页，共七十五页，编辑于2023年，星期五时间第三十三页，共七十五页，编辑于2023年，星期五第三十四页，共七十五页，编辑于2023年，星期五第三十五页，共七十五页，编辑于2023年，星期五第三十六页，共七十五页，编辑于2023年，星期五第一代：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)，比特率为10~100Mb/s。多模色散和损耗是限制中继距离的关键。四、光纤通信的四个发展阶段第三十七页，共七十五页，编辑于2023年，星期五第二代：上世纪80年代早期(减小了光纤色散)激光器(InGaAs)，波长1.3µm，单模光纤，最大中继距离50km，比特率为2.0Gb/s。光纤的损耗(~0.5dB/km)限制了中继距离。光纤通信的四个发展阶段第三十八页，共七十五页，编辑于2023年，星期五第三代：上世纪80年代后期初90年代初(降低了光纤损耗)激光器(InGaAsP)波长1.55µm，单模(色散位移)光纤，比特率为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三十九页，共七十五页，编辑于2023年，星期五第四代：上世纪90年代之后(引入了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，单波长信道比特率为2.5~10Gb/s，传输距离14000km，并提出光通信智能化的概念。光纤通信的四个发展阶段WDM技术出现第四十页，共七十五页，编辑于2023年，星期五光纤通信最具代表性技术

－波分复用WDM和光纤放大器EDFA五、光纤通信的关键技术20世纪用光纤通信提高通信容量得益于

两个重大技术突破：波分复用和光放大。第四十一页，共七十五页，编辑于2023年，星期五1、波分复用WDM的工作原理空分复用：即同一线路上敷设含多根光纤的光缆，现在一根光缆中包含成百上千条光纤，此方法宛如多修一些并行公路，虽简单，但不经济。时分复用（TDM）：将不同信道的数字信号在时间上错开或分割再汇合的方法。波分复用（WDM）：通过TDM达到一定的比特率，再将它们负载到不同波长的光波上，然后将多个载有信息的波长通过光波分复用器耦合进同一单模光纤传输出去。比如国际电联（ITU）所定的密集波分复用（DWDM）的波长间隔0.8nm。美国朗讯将1022个不同波长复用至同一光纤。第四十二页，共七十五页，编辑于2023年，星期五1、波分复用WDM的工作原理在1300~1600nm光谱范围内，以一定的间隔隔开的多个波长可以在同一根光纤中独立传播例：这两个低损耗波长窗口可以容纳290个40-Gb/sPSK信号第四十三页，共七十五页，编辑于2023年，星期五点到点的波分复用系统波分复用器100GHz间隔的WDM信道频谱第四十四页，共七十五页，编辑于2023年，星期五WDM系统的优点1.系统容量可以很容易升级

如果每个波长可以承载40Gb/s的信息，那么一根光纤若同时传输100个波长就能实现4Tb/s的传输2.可以保持数据的透明性

所有信道都能独立地携带信息，它们之间可以不同步，数据速率可以不同，调制格式可以不同，可以是模拟或数字信号3.可以用于构造波长路由光网络

光网络交换节点除了可以执行时间和空间两个维度的交换之外还可以利用波长进行交换，多维的交换让光网络具有更高

的灵活性第四十五页，共七十五页，编辑于2023年，星期五光纤放大器

光纤放大器是光纤通信系统对光信号直接进行放大的光放大器件。在使用光纤的通信系统中，不需将光信号转换为电信号，直接对光信号进行放大的一种技术。

动机：解决电中继器设备复杂、维护难、成本高的问题一个小的光放大器就能取代庞大的中继站！第四十六页，共七十五页，编辑于2023年，星期五掺铒光纤放大器EDFA影响：光放大器最重要的意义在于促使波分复用技术(WDM)

走向实用化、促进了光接入网的实用化历史：以1989年诞生的掺铒光纤放大器

(ErbiumDopedFiberAmplifier,EDFA)

为代表的全光放大技术是光纤通信史上的一次革命掺铒光纤放大器(EDFA即在信号通过的纤芯中掺入了铒离子Er3+的光信号放大器。)是1985年英国南安普顿大学首先研制成功的光放大器，它是光纤通信中最伟大的发明之一。

第四十七页，共七十五页，编辑于2023年，星期五1976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光纤通信系统的发展第四十八页，共七十五页，编辑于2023年，星期五当今世界范围的光纤通信系统第四十九页，共七十五页，编辑于2023年，星期五六、光纤通信的主要特性容量大：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。目前的光纤容量已经达到十多个Tb/s第五十页，共七十五页，编辑于2023年，星期五损耗低、中继距离长石英光纤在1.55mm波长区的损耗可低到0.18dB/km例：

同轴电缆通信的中继距离只有几公里

最长的微波通信是50公里左右

光纤通信系统的最长中继距离已达数千公里，数万公里第五十一页，共七十五页，编辑于2023年，星期五抗干扰能力强现有的电通信系统无法令人满意地解决抗干扰问题。例1：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例2：据专家测算，如果在美国本土中心上空463公里处爆炸一颗原子弹，1秒钟内即可使全美所有的电缆通信系统失效。但光纤通信线路却能基本不受影响光纤为什么具有强抗干扰能力？1.光纤属绝缘体，不怕雷电和高压2.电磁源干扰不了频率比它们高得多的光3.杰出的抗核辐射能力第五十二页，共七十五页，编辑于2023年，星期五保密性强电通信方式很容易被人窃听1.电缆通信：只要在电缆附近(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。2.无线通信方式：无线电波在大气中传播，甚至充斥全球，很容易被人窃听。光纤通信是保密性能最好的通信方式之一-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，漏出包层的光微乎其微。第五十三页，共七十五页，编辑于2023年，星期五体积小、重量轻1千克高纯度石英玻璃成千上万公里光纤120吨铜和500吨铅1000公里的8管同轴电缆18管同轴电缆每米重11千克，而同等容量的光纤每米重90克光纤体积小、重量轻、柔软易弯曲、铺设非常方便。第五十四页，共七十五页，编辑于2023年，星期五光纤的原材料取之不竭电线主材：铜、铅等有色金属，预计只够使用50年左右光纤主材：普通的石英砂(SiO2)，它在地壳的化学成分中占了一半以上，可以说是取之不尽、用之不竭第五十五页，共七十五页，编辑于2023年，星期五其它优点不怕腐蚀耐高低温能力较强(-65~200度)

第五十六页，共七十五页，编辑于2023年，星期五缺点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.光纤通信过程中怕水、怕冰(OH-根吸收增大损耗)4.光纤怕弯曲(导致损耗增加)案例：新疆某地区大雪导致光纤故障(2006年10月报道)原因：光缆没有防护好，被冰雪包裹，并由于冰雪压力和热胀冷缩导致光纤弯曲第五十七页，共七十五页，编辑于2023年，星期五由光发射机、光纤光缆、中继器与光接收机等基本单元组成。此外还包括一些互连与光信号处理器件，如光纤连接器、隔离器、调制器、滤波器、光开关及路由器、分插复用器ADM等。光源调制器驱动电路光发射机放大器光电二极管判决器光接收机光纤光纤中继器七、光纤通信系统的构成光器件第五十八页，共七十五页，编辑于2023年，星期五点到点链路模型光源-光纤的耦合光纤-光纤的耦合第五十九页，共七十五页，编辑于2023年，星期五光源-光纤的耦合透镜耦合一般用于光源发光面积小于纤芯面积的情况，其作用是：扩大光源的发射面积，使之与纤芯区域匹配

改变光线的入射角，使之容易耦合入纤第六十页，共七十五页，编辑于2023年，星期五光纤-光纤的耦合接收光纤必须与发射光纤完全对准以减少损耗第六十一页，共七十五页，编辑于2023年，星期五光纤-光纤的耦合（机械对准误差）纤芯尺寸细微，很难实现完全精确的机械对准。由此导致的机械对准误差将成为连接损耗的主要原因。机械损耗分为三种：

(1)横向(轴向)误差

(2)纵向误差(3)角度误差第六十二页，共七十五页，编辑于2023年，星期五光纤-光纤的耦合（各种误差带来的损耗）结论：横向对准误差带来的损耗最大第六十三页，共七十五页，编辑于2023年，星期五连接器的设计要求：

-(多次连接、拆卸后)保持低耦合损耗 -(对使用技巧要求低)易于安装 -(温度、粉尘、湿气)环境敏感性低 -低成本和高可靠性 -(无需特殊工具)易于连接光纤连接器：非永久连接第六十四页，共七十五页，编辑于2023年，星期五八、光纤通信系统的应用通信网络公用电信网：核心网、城域网光纤接入网海底光缆及洲际通信网第六十五页，共七十五页，编辑于2023年，星期五电力、煤炭系统的监视、控制和管理能源系统抗干扰能力强无源传感、宽带传输电力系统：光纤可以放在输电线、地线的中心，不受干扰。尤其在观测雷击的时候能起到电设备不可替代的作用。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。第六十六页，共七十五页，编辑于2023年，星期五铁路、地铁和高速公路通信及监控网络系统铁路通信网特点：1.节点多，分支、插入话路频繁2.通