光纤通信与光网络01绪论

光纤通信与光网络绪

论2❖

教材

光纤通信（第5版）

光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然教材和参考书

Gerd

Keiser

电子工业出版社❖

参考书

1）Rajiv

Ramaswami,

Kumar

N.

Sivarajan

and

Gelen.

H.

Sasaki,

Optical

Networks:A

Practical

Perspective

3rd

edition

2)

原荣

光纤通信网络（第2版）电子工业出版社光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然

联系方式❖

教师——郝然❖

办公室——玉泉行政楼304❖

电话

电子邮件：rhao@

课程QQ群：482737872

助教：叶高杨

3光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然4❖

考试成绩

60％❖

平时成绩

40％

作业

10%

专题研究报告

20%

出席等

10%成绩评定光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然5学习本课程意义：掌握一些光纤通信技术是社会对很多专业提出的要求，也是形成相关人员合理知识结构一个不可缺的重要组成部分。光纤通信技术在近30、40年里得到了极大的发展，目前它和移动通信、数据通信已经成为电信领域发展的基石。光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然6课程全面介绍了以下内容：

1.

光纤通信系统的基本组成2.

光纤结构、传输原理、光纤特性测量3.

光源、探测器和无源器件类型和原理4.

波分复用技术和非线性效应5.

数字光纤通信系统6.

模拟光纤通信系统，包括副载波复用光纤通信系统7.

光纤通信新技术，如光孤子通信8.

光网络相关技术光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然7课程简介

光网络以光纤为基础传输链路所组成的一种通信体系结构。

WDM技术

光传送网

自动交换光网络

分组传送网

光纤接入网

光通信技术……

光纤通信利用光导纤维传输光波信号的通信方式

光纤的基本理论

光源和发射机

光探测器和光接收机

光器件

光纤通信系统

光纤通信测量光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然8

迄今3000多年前，烽火通信昂贵用于军事受天气、光线的影响强烈光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然

旗语产生于西方大航海时代。

百度搜索“旗语兵舞蹈”虽然说F1是最高科技的竞技运动，不过这项赛车活动最早开始举办的时间，距离现在已经半个世纪了

(1950年为第一个赛季)，而在当时没有无线电通讯的时代，能够与正在比赛中的车手进行沟通的方式，只有工作人员手上的旗帜了。虽然时至今日，车手与维修区内的工作人员已经可以透过无线电作最实时的沟通，但是这项“传统”却始终没有退下。再者，电子式的设备难保不会出问题，最传统的挥旗方式，却也是最能确保传递讯息的方式。

9光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然10不论是烽火台、望远镜，还是红绿灯、旗语，它们都是光通信的不同形式，但是它们有一个共同点，就是利用大气来传播可见光，由人眼来接收。也正因为如此，我们才会对它们如此的熟悉，可是这些却不是真正的意义上的光通信，更不是强大的光通信，真正强大的光通信应该是光纤通信。光通信是一切运用光作为载体传送信息的所有通信方式的总称，而不管传输所使用的媒质是什么；而光纤通信则是单纯地依靠光纤作为媒质来传送信息的通信方式。光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然11光在大气中的传送要受到气象条件的很大限制，比如在遇到下雨台风等情况就会失效；此外，太阳光、灯光等普通光源，从通信技术上看都是带有“噪声”的光，不适合作为通信的光源。要真的用光来通信，必须要解决两个最根本的问题：一是必须有稳定的、低损耗的传输媒介（不能用空气）；二是必须找到高强度的、可靠的光源。在此后的几十年中，由于这两项关键技术没有得到解决，光通信就一直裹足不前。光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然12虽然困难很大，人们仍然没有对光通信失去性质。近100年，光通信的发展开始起飞。20世纪60年代后，随着人们对通信的需求变得越来越强烈，光通信获得了突飞猛进的发展。我们今天所说的光通信已经不再是用可见光进行的视觉通信，而是采用光波作为载波来传递信息的通信方式了。现代人类已经进入了信息社会，光通信的魅力也逐步的展现在人们面前。美国大发明家贝尔在发明电话之后，尝试用光来打电话，这被认为是近代光通信的开始。❖

1881年，贝尔宣读了《关于利用光线进行声音的产生与复制》的论文，报导

了他的光电话装置。❖

在贝尔本人看来，在他所有的发明中，光电话是最伟大的发明。

13

光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然

贝尔光电话系统1876年，在发明了电话之后，贝尔也成功的进行了光电话的实验，通话距离最远达到了213米。光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然弧光灯大气传播（a）He-Ne

气体激光器光电二极管(c)雪崩光电

二极管

激光器或发光二极管光导纤维

(d)

14光电倍增管(b)氙灯透镜阵列反射镜阵列雨云硅光电池湍流光通信发展15

光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然

光纤通信面临的关键问题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。16

光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然

光纤的诞生❖

人类从未放弃过对理想光传输介质的寻找，经过不懈的努力，人们

发现了透明度很高的石英玻璃丝可以传光。这种玻璃丝叫做光学纤

维，简称“光纤”。❖

人们用它执照了在医疗上用的内窥镜，例如做成胃镜，可以观察到

距离一米左右的体内情况。但是它的衰减太大了，只能传送很短的

距离。❖

光的衰减程度是用每千米的分贝为单位来衡量的。dB的定义是：

以dB为单位的功率比=10lg(P2/P1)P1P217

光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然

光纤的诞生❖

直到20世纪60年代，最好的玻璃纤维的衰减损耗仍在每公里1000分

贝以上。每公里1000分贝的损耗是什么概念呢？❖

每公里10分贝损耗就是输入的信号传送1公里后只剩下了十分之一，

20分贝表示剩下了多少？30分贝表示剩下了多少？1000分贝的含义

就是。。。，是无论无何也不可能用于通信的。❖

之外，人们还考虑过一些比较复杂的波导结构，但是最后也都放弃

了。❖

因此，当时有很多科学家和发明家任务用玻璃纤维通信希望渺茫，

失去了信心，放弃了光纤通信的研究。18的折射率不均匀，他还发现一些玻璃纤维在红外光区的损耗较小。1998

年在英国接受IEEE

授予的奖章

2009年高锟获得诺贝尔物理学奖

光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然

光通信

光纤通信

光纤通信之父——高锟1966年，英籍华人高锟(K.C.Kao，当时工作于英国标准电信研究所)博士深入研究了光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题，发现这种玻璃纤维引起光损耗的主要原因是其中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属离子和其他杂质，其次是拉制光纤时工艺技术造成了芯、包层分界面不均匀及其所引起光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然19❖

1966年7月，高锟博士就光纤传输的前景发表了具有重大历史意义的

论文，大胆地预测，只要能设法降低玻璃纤维的杂质，就有可能使光

纤的损耗从每公里1000分贝降低到每公里20分贝，从而有可能用于

通信。❖

这篇论文使许多国家的科学家受到鼓舞，加强了为实现低损耗光纤而努力的信心。❖

1970年，美国康宁公司的三名科研人员马瑞尔、卡普隆、凯克成功地

制成了传输损耗每千米只有20分贝的光纤，也是世界上第一根低损耗

的石英光纤。这是什么概念呢？我们用对比来说明，光通过玻璃功率

损耗一半（3分贝）的长度分别是：普通玻璃为几厘米；高级光学玻

璃最多只有几米；而通过每千米损耗为20分贝的光纤的长度可达150

米。也就是说，光纤的透明程度已经比玻璃高出了几百倍！在当时，

制成损耗如此之低的光纤可以说是惊人之举，这标志着光纤用于通信

有了现实的可能性。光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然20❖

1970年

光纤研制取得了重大突破，美国康宁公司按照高锟的思路，生产出了20

dB/km的石英光纤❖

1972年

该公司生产的多模光纤损耗已下降到4dB/km

；❖

1973年

美国贝尔（Bell）实验室生产的光纤损耗为

2.5

dB/km，1974年已下降到

1.1

dB/km；❖

1976年

日本

NTT

公司已减小到

0.47

dB/km；❖

80年代初

单模光纤在波长

1550

nm

的损耗已降到

0.2

dB/km，接近了石英光纤的理论损耗极限；❖

目前G.654光纤（衰减最小光纤）的损耗是0.151

dB/km

。？

ITU光纤光缆标准单模光纤G.652

色散位移光纤G.653

非零色散位移光纤G.655光纤发展进展光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然21光源问题的解决光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然22❖

1960年，美国人梅曼（Maiman）发明了第一台红宝石激光器，之后氦-氖（He-Ne）气体激光器、二氧化碳（CO2）激光器也先后出现，并投入实际应用，给光通信带来了新的希望。❖

激光（LASER）是取英文Light

Amplification

by

Stimulated

Emission

of

Radiation的第一个字母组成的缩写词，其意思是受激

发射的光放大。❖

这种光与燃烧木材和普通光源钨丝灯发出的光不一样，它是由物质

原子结构的本质决定的光，它的频率超过微波一万倍。它具有谱线

宽度窄，方向性好，亮度极高，以及频率和相位一致的良好特性。

所以，光通信很有吸引力。激光器的发明光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然23光源---半导体激光器❖

1970年，贝尔研究所的林严雄等人研制出半导体激光器，能够在室温下工作数小时，寿命短。❖

1973

年半导体激光器的寿命是

7

000

小时❖

1977

年贝尔实验室已达到

10

万小时，完全满足实用化的要求。❖

1977年，世界上第一条光纤通信系统在美国芝加哥市投入商用，速率为45Mb/s。❖

1979

美国

ATT

公司和日本

NTT

公司又同时研制成功了长波长（1550

nm）连续振荡半导体激光器，寿命达100万小时。❖

低损耗光纤和连续振荡半导体激光器的研制成功，是光纤通信发展的重要里程碑。光纤通信发展历史古代光通信烽火台，夜间的信号灯，水面上的航标灯1880年美国人贝尔发明了光电话（光源为阳光，接收器为硒晶体，传输介质为大气）20世纪60年代1960年，美国发明了第一台红宝石激光器，并进行了透镜阵列传输光的实验1961年，制成氦-氖（He-Ne）气体激光器1962年，制成砷化镓半导体激光器1966年，英籍华人高锟就光缆传输的前景发表了具有历史意义的论文，此时光纤损耗约为3000dB/km20世纪70年代1970年，美国康宁公司研制成功损耗20dB/km的石英光纤1970年，美国贝尔实验室和日本NEC先后研制成功室温下连续振荡的GaAlAs双异质结半导体激光器20世纪80年代提高传输速率，增加传输距离，大力推广应用，光纤通信在海底通信获得应用20世纪90年代掺铒光纤放大器（EDFA）的应用迅速得到了普及，WDM系统实用化光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然24光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然25我国光通信大事记❖

1960年7月世界上第一台红宝石激光器出现；1961年9月由中科院长春光学精密机械研究所研制成功了中国第一台红宝石激光器。❖

1974年开始了低损耗光纤和光通信的研究工作，武汉邮科院和长飞公司于1975年研制出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了两年多。❖

这些成果使我国成为当时世界上少有的几个拥有光缆通信系统试验段的几个国家之一，为我国光通信研究的良好开端。❖

到80年代末，我国的光纤通信关键技术已达到国际先进水平。❖

从1991年开始，我国已经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、总长度达33000公

里的八横八纵大容量光纤通信干线传输网。❖

1999年1月，我国第一条国家一级干线（济南-青岛）8*2.5Gb/s密集波分复用系统（DWDM)系统建成）光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然26光纤通信的三次飞跃27

光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然

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。❖1966年，高锟提出衰减为20dB/km的光纤

。❖1970年，美国康宁公司制出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。28。

光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然

光纤通信技术的三次飞跃(2)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。❖1980年初开始光纤通信便大步地迈向了市场29

光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然

光纤通信技术的三次飞跃(3)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。30

光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然

三代光纤通信系统的特点❖

上世纪七十年代，第一代光纤通信系统是使用渐变多模光纤的短波长（0.85

m）系统，光源采用发光二极管(LED)，速率为

34

Mb/s

或

45

Mb/s，无中距

传输距离仅为（10~20）km。❖

上世纪八十年代，第二代光纤通信系统使用单模光纤的1.3

m系统，工作波长

已由短波长发展到长波长，光源使用多模激光器（LD），传输速率已提高到

140

Mb/s

和

565

Mb/s，无中距传输距离已增加到（100~150）km。❖

上世纪九十年代以来，第三代光纤通信系统使用1.55

m的单模光纤，光源采

用单频

DFB

激光器和外调制技术，单信道传输速率可达到

2.5

Gb/s

和

10

Gb/s

以上，采用色散补偿技术无中继传输距离已达到几百千米。

光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然光纤通信系统的组成❖

用光纤传输信息的过程大致是这样的，在发送端，把用户要传送的信号（如

声音）变为电信号，然后使光源发出的光强随电信号变化，这个过程称为调

制，它把电信号变为光信号，最后用光纤把该光信号传送到远方；❖

在接收端，用光电探测器接收光信号，并把光信号还原为携带用户信息（如

声音）的电信号，这个过程称为解调，最后再变成用户能理解的信息（如声

音）。

31光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然光探测器

光中继器或

光放大器❖

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。主要由光发射

机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。❖

光发射机的作用是将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注入光纤。光

发送机一般由驱动电路、光源和调制器构成，如果是直接强度调制可以省去

调制器❖

光接收机的作用是将光纤送来的光信号还原成原始的电信号。它一般由光电

检测器和解调器组成，对于直接强度调制解调器可以省略。❖

中继器分为电中继器和光中继器(光放大器)两种，其主要作用就是延长光信号

的传输距离。

32解调

器光接收机光纤光纤调制

器光发射机光源信息复用

器信息解复用器33

光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然

光纤通信系统分类❖

根据调制信号的类型，光纤通信系统可以分为模拟光纤通信系统和数字光

纤通信系统。❖

根据光源的调制方式，光纤通信系统可以分为直接调制光纤通信系统和间

接调制光纤通信系统。❖

根据光纤的传导模数量，光纤通信系统可以分为多模光纤通信系统和单模

光纤通信系统。❖

根据系统的工作波长，光纤通信系统可分为短波长光纤通信系统、长波长

光纤通信系统和超长波长光纤通信系统。光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然34光纤通信的优势➢

20世纪30年代，有人提出这样的观点：“总有一天光

通信会取代有线和微波通信而成为通信主流”。该观点

反映出光纤通信技术在未来通信中已显示出其重要性。➢

今天，光通信技术已经很成熟，光纤通信已是各种通信

网的主要传输方式，光纤通信在信息高速公路的建设中

扮演着至关重要的角色，世界各国都已经把光纤通信放

在了国家发展的战略地位。现在光纤的使用已不局限于

陆地，光缆已广泛铺设到了大西洋、太平洋海底，这些

海底光缆使得全球通信变得非常简单快捷。➢

现在不少发达国家又把光缆铺设到住宅前，实现了光纤

到办公室、光纤到家庭。光纤通信技术之所以发展这样

迅速，除了人们日益增长的信息传输和交换需要外，主

要是由光纤通信本身的优点决定的。光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然351.

允许频带很宽，传输容量大为了扩大通信容量，有线通信从明线发展到电缆，无线通信从短波发展到微波和毫米波，它们都是通过提高载波频率来扩容的。光纤通信所使用的频率要比以上使用的频率高得多。可使用的带宽巨大。光纤通信的优势光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然36光纤通信的优势光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然372.

损耗很小，中继距离很长信号在线路上传输，由于传输线路并不是理想的，它会对信号造成衰减，信号的强度会减弱。当信号衰减到一定程度，接收方无法辨认出接收到的信号时，通信就不能继续了。为了进行长距离的通信，需要在传输线路中设立许多中继站，像接力赛跑一样，将衰减了的信号进行放大，接着传递。广电的微波通信就是一个典型的例子。为了确保中央电视台的电视节目能够安全地到达全国各地，实际中采用了两套传输模式，一种是卫星电视，另外一种是微波接力。光纤通信的优势光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然38这两种方式在本质上都是“接力”，只不过卫星通信之接力了一次，而微波通信则接力了好多次。卫星通信接力的次数虽然少，但是质量不高，并且传输的带宽非常有限，不能满足多个用户的需求；而微波通信相比较而言质量好，但是中继距离太短，最长的中继距离不会超过50公里，因而所需的中继器很多。微波中继越多，传输线路的成本就越高，维护越不方便，一旦某个中继除了故障就会影响整个线路的通信。所以通信系统中，中继越少越好。怎样才能减少长距离通信的中继呢？最主要的方法就是尽可能的降低传输线路的损耗。从这个意义上讲，光纤损耗比现有的电传输线路损耗要低的多，光纤通信适合长距离通信。光纤通信的优势光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然39光纤的损耗已达0.2dB/km，甚至更低。0.2dB/km的损耗意味着什么？直观地说就是，光传送15公里以后，光的强度还有原来的一半。目前，单模光纤的最大中继距离可达上百公里，比同轴电缆大几十倍，如果再使用光纤放大器的话，则可以直通更远，而不需要再生中继。中继数量的减小，就大大降低了成本，提高了可靠性，也减少了日常维护的工作量和费用。根据对我国目前城市的抽样调查，市内局间中继距离小于15公里的占92.9%，用光纤基本可以做到局间无中继传输。光纤通信的优势光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然403.

重量轻，体积小通信设备的体积和重量对于许多领域，尤其是航空航天以及军事领域来说，具有非常重要的意义。光纤的体积小，重量轻，显示出特有的优越性。4.

泄露小，保密性高光纤都有包层包裹，无泄露，并且不同波长的光互不影响相对透明。光纤通信的优势光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然415.

节约有色金属，降低成本光纤的原材料是资源非常丰富的二氧化硅。而电线基于贵金属铜和铅，世界上铜和铅的储藏量并不多，据统计，按照现在的开采速度，世界上的铜矿资源将在50年内开采完毕。光纤的主要构成材料是石英（二氧化硅），说的更通俗一点就是随处可见的砂子，这种材料在地球上可以说是取之不尽、用之不竭的。用一公斤高纯度的石英玻璃可以拉制上万公里的光纤，相比之下，制作一公里18管同轴电缆需要耗120公斤的铜，或500公斤的铅！用光纤取代电缆，可以节约大量的有色金属。光纤通信的优势类型频带(或频率)损耗(dB/km)传输容量（话路/线）粗同轴电缆

2.4/9.4

1MHz60MHz2.4218.771800渐变折射率多模光纤0.85

m1.31

m200~1000MHz

km≥1000MHz

km≤3≤1.0200单模光纤1.31

m1.55

m>100GHz10~100GHz0.360.232000(2.5Gb/s)

光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然表

电缆和光纤的损耗和频带比较光纤在

1

280

nm

~

1

620

nm的近红外波段，具有

6个传输窗口，采用密集波分复用技术，这

6

个窗口从理论上讲可以提供多达

10

000

个信道。

42光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然436.

抗电磁干扰性能好任何的通信系统都应有一定的抗干扰能力。否则通信系统不能正常工作，更谈不上通信的稳定性和可靠性了。光纤通信为什么有这么强的抗干扰能力呢？原因有二：一是光纤是由非金属的石英玻璃材料构成的，它本身是绝缘体，不怕雷电和高压，不受电磁干扰；二是光纤中传输的是频率很高的光波，而各种干扰的频率都比较低，不能干扰频率比它高很多的光波。有试验表明，在核爆炸发生时，地球上所有的电通信将中断，而唯有光通信几乎不受影响。光纤通信的优势光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然44铜线三代通信网络介绍

光纤光纤通信与光网络

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第一讲

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郝然

光纤