光纖通信教案緒論

1、 深圳市訊方通信技術(shù)有限公司深圳市訊方通信技術(shù)有限公司 光傳輸光傳輸VoIP & Internet大客戶(hù)專(zhuān)線(xiàn)寬帶接入IPTV3GIP SAN2G第一章第一章 光纖通信概述光纖通信概述 早期目視光通信階段早期目視光通信階段 很早很早以前，古人就知道利用很早很早以前，古人就知道利用可見(jiàn)光可見(jiàn)光來(lái)傳遞信號(hào)來(lái)傳遞信號(hào)和信息和信息利用大氣來(lái)傳播可見(jiàn)光，由人眼來(lái)接收。利用大氣來(lái)傳播可見(jiàn)光，由人眼來(lái)接收。3 3千多年前，中國(guó)古代的烽火臺(tái)千多年前，中國(guó)古代的烽火臺(tái)歐洲人的旗語(yǔ)歐洲人的旗語(yǔ)信號(hào)彈信號(hào)彈, ,交通燈交通燈 ，狼煙、火把、照明燈。，狼煙、火把、照明燈。v 光電話(huà)通信階段光電話(huà)通信階段 現(xiàn)代光

2、通信的歷史，一般都從光電話(huà)的發(fā)明開(kāi)現(xiàn)代光通信的歷史，一般都從光電話(huà)的發(fā)明開(kāi)始算起。始算起。 1880年，美國(guó)人貝爾（年，美國(guó)人貝爾（Bell）發(fā)明發(fā)明了用光波作載波傳送話(huà)音的了用光波作載波傳送話(huà)音的“光電話(huà)光電話(huà)”。利用利用太陽(yáng)光太陽(yáng)光作光源，成功進(jìn)行了光電話(huà)的實(shí)作光源，成功進(jìn)行了光電話(huà)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn) ，傳輸距離，傳輸距離200多米。多米。說(shuō)明：利用光波作為載波傳送信息是可行的說(shuō)明：利用光波作為載波傳送信息是可行的。要解決兩個(gè)問(wèn)題 有穩(wěn)定的、低損耗的傳輸媒質(zhì) 光在大氣中的傳送要受到氣象條件的很大限制，比如在遇到下雨、下雪、陰天、下霧等情況，就會(huì)看不遠(yuǎn)和看不清，這叫做大氣的能見(jiàn)度降低，使信號(hào)傳輸受到很

3、大阻礙。 高強(qiáng)度的、可靠的光源 太陽(yáng)光、燈光等普通的可見(jiàn)光源，都不適合作為通信的光源。 v光源的探索光源的探索階段階段 認(rèn)識(shí)一下激光認(rèn)識(shí)一下激光 激光（激光（LASER）：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation-受激輻受激輻射的光放大。射的光放大。 和普通光源相比，激光的和普通光源相比，激光的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 單色性好單色性好 相干性高相干性高 方向性強(qiáng)方向性強(qiáng) 頻率穩(wěn)定，約為頻率穩(wěn)定，約為300THZTHZ。這種光的頻率比已經(jīng)廣泛這種光的頻率比已經(jīng)廣泛應(yīng)用的微波（應(yīng)用的微波（1 1GHzGHz40GHz40GHz）的頻率高近萬(wàn)倍

4、。的頻率高近萬(wàn)倍。激激光來(lái)光來(lái)傳送信息從理論上來(lái)說(shuō)，通信的容量可以比微波通信的傳送信息從理論上來(lái)說(shuō)，通信的容量可以比微波通信的容量也大近萬(wàn)倍！容量也大近萬(wàn)倍！ 1960年年7月月8日，美國(guó)科學(xué)家梅曼發(fā)明了第一臺(tái)紅寶石日，美國(guó)科學(xué)家梅曼發(fā)明了第一臺(tái)紅寶石激光器激光器(LASER) ，給光通信帶來(lái)了新的希望，研究現(xiàn)，給光通信帶來(lái)了新的希望，研究現(xiàn)代化光通信的時(shí)代開(kāi)始。（在室溫下不能連續(xù)工作代化光通信的時(shí)代開(kāi)始。（在室溫下不能連續(xù)工作 ） 1970年，貝爾研究所的林嚴(yán)雄等人研制出能在室溫下年，貝爾研究所的林嚴(yán)雄等人研制出能在室溫下連續(xù)工作的半導(dǎo)體激光器。連續(xù)工作的半導(dǎo)體激光器。 這種激光器只有米粒大

5、小，盡管最初的激光器壽這種激光器只有米粒大小，盡管最初的激光器壽命很短，但它已被認(rèn)為可以作為光通信的光源。命很短，但它已被認(rèn)為可以作為光通信的光源。 第一種方式第一種方式:使激光在大氣中傳輸使激光在大氣中傳輸v 通信能力和質(zhì)量受周?chē)髿猸h(huán)境的影響很大，如雨通信能力和質(zhì)量受周?chē)髿猸h(huán)境的影響很大，如雨可造成可造成30dB/km的損耗，濃霧衰減可達(dá)的損耗，濃霧衰減可達(dá)120dB/km 傳輸光路的探索 10 10dB/kmdB/km的損耗意味著輸入的信號(hào)傳送的損耗意味著輸入的信號(hào)傳送1 1公里后公里后只剩下十分之一只剩下十分之一 20 20dB/kmdB/km的損耗意味著輸入的信號(hào)傳送的損耗意味著輸

6、入的信號(hào)傳送1 1公里后公里后只剩下百分之一只剩下百分之一 30 30dB/kmdB/km的損耗意味著輸入的信號(hào)傳送的損耗意味著輸入的信號(hào)傳送1 1公里后公里后只剩下千分之一只剩下千分之一v第二種方式：把光束限制在特定空間第二種方式：把光束限制在特定空間 透鏡波導(dǎo)：在金屬管內(nèi)每隔一定距離安裝一個(gè)透鏡波導(dǎo)：在金屬管內(nèi)每隔一定距離安裝一個(gè)透鏡，每個(gè)透鏡把經(jīng)傳輸?shù)墓馐鄣较乱粋€(gè)透透鏡，每個(gè)透鏡把經(jīng)傳輸?shù)墓馐鄣较乱粋€(gè)透鏡而實(shí)現(xiàn)。鏡而實(shí)現(xiàn)。圖圖 透鏡波導(dǎo)透鏡波導(dǎo) 反射鏡波導(dǎo)：反射鏡波導(dǎo)：用與光束傳輸方向成用與光束傳輸方向成4545度角的兩度角的兩個(gè)平行反射鏡代替透鏡而構(gòu)成。個(gè)平行反射鏡代替透鏡而構(gòu)成。

7、首先：現(xiàn)場(chǎng)施工中校準(zhǔn)和安裝十分復(fù)雜；首先：現(xiàn)場(chǎng)施工中校準(zhǔn)和安裝十分復(fù)雜；其次：地面活動(dòng)對(duì)波導(dǎo)影響很大其次：地面活動(dòng)對(duì)波導(dǎo)影響很大 必須把波導(dǎo)深埋或選擇在人車(chē)稀少的地區(qū)使用。必須把波導(dǎo)深埋或選擇在人車(chē)稀少的地區(qū)使用。 光纖即玻璃纖維（透明度很高的石英玻璃絲）光纖即玻璃纖維（透明度很高的石英玻璃絲） ，人們用，人們用它制造了醫(yī)療上用的內(nèi)窺鏡，如做成胃鏡，可以觀(guān)察到它制造了醫(yī)療上用的內(nèi)窺鏡，如做成胃鏡，可以觀(guān)察到距離體內(nèi)距離體內(nèi)1 1米左右的情況。但是它的衰減損耗特別大，只米左右的情況。但是它的衰減損耗特別大，只能傳輸很短的距離。直到能傳輸很短的距離。直到2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代，最好的光纖的年

8、代，最好的光纖的損耗仍在損耗仍在10001000dB/kmdB/km以上。這是不能用于通信的。以上。這是不能用于通信的。 現(xiàn)代光纖通信現(xiàn)代光纖通信 光纖的發(fā)展光纖的發(fā)展1966年年7月，英籍華裔學(xué)者月，英籍華裔學(xué)者高錕高錕大膽預(yù)言：只要能設(shè)法大膽預(yù)言：只要能設(shè)法降低玻璃纖維的雜質(zhì)，就有可能使光纖的損耗從降低玻璃纖維的雜質(zhì)，就有可能使光纖的損耗從1000dB/km降低到降低到20dB/km，甚至更低，從而可以用于甚至更低，從而可以用于通信通信。v (1) 光通信在大氣中進(jìn)行時(shí)，對(duì)天氣情況十分敏感。光通信在大氣中進(jìn)行時(shí)，對(duì)天氣情況十分敏感。 v (2) 大氣的特性決定了它的密度或折射率不均勻，以及

9、大氣的特性決定了它的密度或折射率不均勻，以及大氣湍流的影響，使光線(xiàn)發(fā)生漂移和抖動(dòng)，致使通信的大氣湍流的影響，使光線(xiàn)發(fā)生漂移和抖動(dòng)，致使通信的信噪比變劣、衰減增大、傳輸不穩(wěn)定、傳輸距離也變短信噪比變劣、衰減增大、傳輸不穩(wěn)定、傳輸距離也變短。v (3) 要求大氣傳輸設(shè)備設(shè)在高處，收發(fā)兩地直線(xiàn)可見(jiàn)。要求大氣傳輸設(shè)備設(shè)在高處，收發(fā)兩地直線(xiàn)可見(jiàn)。這種要求必然使光通信的應(yīng)用范圍受到限制。這種要求必然使光通信的應(yīng)用范圍受到限制。v 與光通信相比，電通信的成熟運(yùn)用要早的多。從二十世與光通信相比，電通信的成熟運(yùn)用要早的多。從二十世紀(jì)紀(jì)30年代開(kāi)始，無(wú)線(xiàn)電載波通信獲得迅速的發(fā)展，如電年代開(kāi)始，無(wú)線(xiàn)電載波通信獲得迅

10、速的發(fā)展，如電纜通信微波中繼、直至后來(lái)的衛(wèi)星通信等，電通信系纜通信微波中繼、直至后來(lái)的衛(wèi)星通信等，電通信系統(tǒng)遍及世界的各個(gè)角落。其頻域涉及低頻到高頻的幾乎統(tǒng)遍及世界的各個(gè)角落。其頻域涉及低頻到高頻的幾乎所有頻段，由于復(fù)用技術(shù)的發(fā)展，電通信的容量得到了所有頻段，由于復(fù)用技術(shù)的發(fā)展，電通信的容量得到了盡可能的利用。盡可能的利用。v 然而電通信的固有缺點(diǎn)，如信道容量受限、投資大、設(shè)然而電通信的固有缺點(diǎn)，如信道容量受限、投資大、設(shè)備復(fù)雜等，使得人們期待著新的通信方式的出現(xiàn)。備復(fù)雜等，使得人們期待著新的通信方式的出現(xiàn)。v 1960 年梅曼（年梅曼（T.H.Maiman）發(fā)明了紅寶石激光器，產(chǎn)）發(fā)明了紅寶

11、石激光器，產(chǎn)生了單色相干光，使高速的光調(diào)制成為可能。他的發(fā)明生了單色相干光，使高速的光調(diào)制成為可能。他的發(fā)明，重新點(diǎn)燃了人們利用光進(jìn)行通信的希望。美國(guó)林肯實(shí)，重新點(diǎn)燃了人們利用光進(jìn)行通信的希望。美國(guó)林肯實(shí)驗(yàn)室率先利用氦氖激光器通過(guò)大氣傳輸了一路彩色電視驗(yàn)室率先利用氦氖激光器通過(guò)大氣傳輸了一路彩色電視。隨后，越來(lái)越多的研究者投入到光通信的試驗(yàn)中。隨后，越來(lái)越多的研究者投入到光通信的試驗(yàn)中。v 光載波具有極高的頻率，高達(dá)光載波具有極高的頻率，高達(dá)1014Hz以上，而一般無(wú)線(xiàn)以上，而一般無(wú)線(xiàn)電載波的頻率最高只有電載波的頻率最高只有106108Hz，可見(jiàn)光作載波進(jìn)行，可見(jiàn)光作載波進(jìn)行通信，其容量是微波

12、通信方式的萬(wàn)倍以上，具有極大的通信，其容量是微波通信方式的萬(wàn)倍以上，具有極大的吸引力。這就不難理解為什么科學(xué)家們?cè)诓粩嗵剿鞴馔ㄎΑ＿@就不難理解為什么科學(xué)家們?cè)诓粩嗵剿鞴馔ㄐ诺脑?。信的原因。v 科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，要使光通信取得電通信那樣的輝煌科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，要使光通信取得電通信那樣的輝煌，僅僅有了紅寶石激光器那樣的光源還不夠，還必，僅僅有了紅寶石激光器那樣的光源還不夠，還必須克服在大氣傳輸中的那些缺欠，即尋找合適的光須克服在大氣傳輸中的那些缺欠，即尋找合適的光信道。為此，有人試驗(yàn)了一種透鏡光波導(dǎo)，即利用信道。為此，有人試驗(yàn)了一種透鏡光波導(dǎo)，即利用一個(gè)很長(zhǎng)的管子，管道內(nèi)置一定數(shù)量的透鏡，以便一個(gè)很

13、長(zhǎng)的管子，管道內(nèi)置一定數(shù)量的透鏡，以便誘導(dǎo)光的轉(zhuǎn)折，使光在管子內(nèi)傳輸，但這種方法安誘導(dǎo)光的轉(zhuǎn)折，使光在管子內(nèi)傳輸，但這種方法安裝復(fù)雜，機(jī)械精度要求極高，對(duì)環(huán)境要求也極為苛裝復(fù)雜，機(jī)械精度要求極高，對(duì)環(huán)境要求也極為苛刻，故此無(wú)法實(shí)用。此外，人們還試驗(yàn)過(guò)光圈波導(dǎo)刻，故此無(wú)法實(shí)用。此外，人們還試驗(yàn)過(guò)光圈波導(dǎo)、氣體透鏡波導(dǎo)等，想用它們作為傳送光波的媒體、氣體透鏡波導(dǎo)等，想用它們作為傳送光波的媒體以實(shí)現(xiàn)通信，但終因衰減過(guò)大或者造價(jià)昂貴而無(wú)法以實(shí)現(xiàn)通信，但終因衰減過(guò)大或者造價(jià)昂貴而無(wú)法實(shí)用化。實(shí)用化。 高錕博士首次從理論上分析證明了用光纖做介質(zhì)傳輸作為光通信的可能性。 1966年，英藉華人科學(xué)家高錕博士（

14、年，英藉華人科學(xué)家高錕博士（C.K.Kao）在）在PIEE 雜志上發(fā)表了一篇雜志上發(fā)表了一篇十分著名的文章十分著名的文章用于光頻的光纖表面波導(dǎo)用于光頻的光纖表面波導(dǎo)，闡述了利用玻璃制作通信光，闡述了利用玻璃制作通信光導(dǎo)纖維（即光纖）的可行性，即使用光纖這種玻璃絲引導(dǎo)光波轉(zhuǎn)彎，實(shí)現(xiàn)通導(dǎo)纖維（即光纖）的可行性，即使用光纖這種玻璃絲引導(dǎo)光波轉(zhuǎn)彎，實(shí)現(xiàn)通信。該文根據(jù)介質(zhì)波導(dǎo)理論，從理論上分析、證明了用光纖作為傳輸媒體以信。該文根據(jù)介質(zhì)波導(dǎo)理論，從理論上分析、證明了用光纖作為傳輸媒體以實(shí)現(xiàn)光通信的可能性，并設(shè)計(jì)了通信用光纖的波導(dǎo)結(jié)（即階躍光纖）。實(shí)現(xiàn)光通信的可能性，并設(shè)計(jì)了通信用光纖的波導(dǎo)結(jié)（即階躍光纖）。鑒于高錕博士所作出的巨大貢獻(xiàn)，2009年他被授予諾貝爾物理獎(jiǎng)v1966年“光纖之父”高錕博士首次提出光纖通信的想法。v1970年貝爾研究所林嚴(yán)雄在室溫下可連續(xù)工作的半導(dǎo)體激光器。v1970年康寧公司的卡普隆(Kapron) 之作出損耗為20dB/km光纖。v1977年芝加哥第一條45Mb/s的商用線(xiàn)路。v1993年，SDH產(chǎn)品開(kāi)始商用化 v1997年，10Gb/s的SDH產(chǎn)品進(jìn)入商用化階段。v2000年，DWDM密集