第1章 光通信概述

1、1課程材料與化工學(xué)院皖西學(xué)院光通信原理光通信原理主講：潘國柱皖西學(xué)院.材料與化工學(xué)院2課程材料與化工學(xué)院皖西學(xué)院教材：光通信原理與系統(tǒng) 黎洪松 高等教育出版社普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材3課程材料與化工學(xué)院皖西學(xué)院參考書目1、光通信原理與技術(shù)李玉權(quán)，科學(xué)出版社2、光纖通信3、光電子技術(shù)4、激光原理4課程材料與化工學(xué)院皖西學(xué)院本書內(nèi)容光通信概述光通信的理論基礎(chǔ)光纖光通信器件光纖通信系統(tǒng)光網(wǎng)絡(luò)無線激光通信5課程材料與化工學(xué)院皖西學(xué)院第1章 光通信概述講述光通信的發(fā)展概況，光通信系統(tǒng)的主要組成部分，光通信系統(tǒng)的基本問題與主要性能指標(biāo)6課程材料與化工學(xué)院皖西學(xué)院什么是光通信？7課程材料與化工學(xué)

2、院皖西學(xué)院光通信光通信就是將光波作為載體來實(shí)現(xiàn)信息傳輸。就是將光波作為載體來實(shí)現(xiàn)信息傳輸。兩個(gè)基本條件：兩個(gè)基本條件：1、光源2、傳輸光的介質(zhì)8課程材料與化工學(xué)院皖西學(xué)院1.1 光波的電磁頻譜光波的電磁頻譜考研面試常問問題考研面試常問問題1：可見光的波長范圍是多少？：可見光的波長范圍是多少？考研面試常問問題考研面試常問問題2：目前光通信的波段是多少？：目前光通信的波段是多少？9課程材料與化工學(xué)院皖西學(xué)院1.2 光通信發(fā)展一、原始形式的光通信10課程材料與化工學(xué)院皖西學(xué)院一、原始形式的光通信烽火臺報(bào)警通信（目視通信）缺點(diǎn)：信息量小，受環(huán)境影響大烽火臺告訴我們關(guān)于現(xiàn)代通信的兩個(gè)概念：（1）光通信（

3、2）接力通信 由于人們無法解決光向四面八方散射時(shí)的問題。直到上世紀(jì)六十年代初，光通信都沒有什么重大的進(jìn)展。它僅僅作為一種信號燈使用，如:馬路上的紅綠燈機(jī)場上的跑道標(biāo)志燈等等。11課程材料與化工學(xué)院皖西學(xué)院二、19世紀(jì)中葉，電通信出現(xiàn)電報(bào)、電話以及無線電通信等1837年，美國人莫爾斯發(fā)明了電報(bào)；貝爾發(fā)明了電話；馬可尼、波波夫發(fā)明了無線電通信。 一直到20世紀(jì)60年代，電通信都在通信領(lǐng)域處于絕對的統(tǒng)治地位。缺點(diǎn)：隨著科技的發(fā)展，容量越來越難滿足要求12課程材料與化工學(xué)院皖西學(xué)院三、20世紀(jì)60年代以后，現(xiàn)代光通信出現(xiàn)光纖通信等光纖通信的特點(diǎn)： (1) 通信容量大； (2) 傳輸距離長； (3) 抗

4、電磁干擾； (5) 適應(yīng)環(huán)境，重量輕， 安全等。13課程材料與化工學(xué)院皖西學(xué)院類型頻帶（或頻率）損耗 /（dB/km）傳輸容量（話路/線）微波960對稱電纜4 kHz2.06細(xì)同軸電纜1 MHz30 MHz5.2428.70960粗同軸電纜1 MHz60 MHz2.4218.771 800漸變折射率多模光纖0.85 m1.31 m（2001 000）MHzkm1 000 MHzkm31.0200單模光纖1.31 m1.55 m100 GHz（10100）GHz0.360.232 000（2.5 Gb/s）電纜和光纖的損耗和頻帶比較 14課程材料與化工學(xué)院皖西學(xué)院三、現(xiàn)代光通信技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展三

5、、現(xiàn)代光通信技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展1、1880年，美國人貝爾(Bell)發(fā)明了用光波作載波傳送話音的“”。貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型。2、1960年，美國人梅曼(Maiman)發(fā)明了第一臺紅寶石激光器， 給光通信帶來了新的希望。的發(fā)明和應(yīng)用，的發(fā)明和應(yīng)用， 使沉睡了近百年的光通信進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段使沉睡了近百年的光通信進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。激光器發(fā)出的激光與普通光源發(fā)出的光相比， 其光束的強(qiáng)度高， 方向性好， 光譜的范圍小， 相位和頻率一致性好， 其特性與無線電磁波類似， 是一種理想的通信載波， 可用來攜帶信息進(jìn)行長距離傳輸15課程材料與化工學(xué)院皖西學(xué)院 在這個(gè)時(shí)期，美國

6、麻省理工學(xué)院利用He-Ne激光器和CO2激光器進(jìn)行了大氣激光通信試驗(yàn)大氣激光通信試驗(yàn)。這一階段研究的重點(diǎn)主要是解決光的傳輸路徑問題 ：（1）大氣光波通信（2）地下透鏡波導(dǎo)光 許多不可克服的困難：現(xiàn)場施工復(fù)雜；對每個(gè)透鏡要進(jìn)行嚴(yán)格校準(zhǔn)和牢固安裝；轉(zhuǎn)彎時(shí)，需要增加透鏡或反射鏡，彎度越大，增加數(shù)越多，光能損耗越大，因此，系統(tǒng)造價(jià)昂貴，并且調(diào)整、測試、維修都非常困難，實(shí)用意義不大。 16課程材料與化工學(xué)院皖西學(xué)院 由于沒有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質(zhì)質(zhì)， 對光通信的研究一度走入了低潮。17課程材料與化工學(xué)院皖西學(xué)院3、1966年，英籍華裔學(xué)者高錕英籍華裔學(xué)者高錕(C.K.Ka

7、o)和霍克哈姆和霍克哈姆(C.A.Hockham)發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文，指出了利用光纖(Optical Fiber)進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，奠定了現(xiàn)代光通信光纖通信光纖通信的基礎(chǔ)。 指明通過指明通過“原材料的提純制造出適合于長距離原材料的提純制造出適合于長距離通信使用的低損耗光纖通信使用的低損耗光纖”這一發(fā)展方向這一發(fā)展方向 論文針對當(dāng)時(shí)損耗達(dá)論文針對當(dāng)時(shí)損耗達(dá)1000dB/km1000dB/km的情況指出：的情況指出：這樣大這樣大的損耗不是石英玻璃光纖本身固有的基本特性，而是由的損耗不是石英玻璃光纖本身固有的基本特性，而是由于材料中帶有雜質(zhì)，如含有過渡金屬離子造成的。材料于

8、材料中帶有雜質(zhì)，如含有過渡金屬離子造成的。材料本身的損耗由瑞利散射決定的，它隨波長的四次方下降，本身的損耗由瑞利散射決定的，它隨波長的四次方下降，損耗很低。損耗很低。18課程材料與化工學(xué)院皖西學(xué)院2009年年獲諾貝獲諾貝爾物理爾物理學(xué)獎(jiǎng)學(xué)獎(jiǎng) 高高 錕錕-光纖通信發(fā)明家光纖通信發(fā)明家19課程材料與化工學(xué)院皖西學(xué)院4 4、1970年，年，光纖光纖研制取得了重大突破研制取得了重大突破 1970年，美國康寧(Corning)公司研制成功損耗20dB/km的石英光纖。把光纖通信的研究開發(fā)推向一個(gè)新階段。把光纖通信的研究開發(fā)推向一個(gè)新階段。 1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4 dB/km。

9、1973年，美國貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)室的光纖損耗降低到2.5dB/km。1974 年降低到1.1dB/km。 1976年，日本電報(bào)電話(NTT)公司將光纖損耗降低到0.47 dB/km(波長1.2m)。 在以后的 10 年中，波長為1.55 m的光纖損耗： 1979 年是0.20 dB/km，1984年是0.157 dB/km，1986 年是0.154 dB/km， 接近了光纖最低損耗的理論極限光纖最低損耗的理論極限。 20課程材料與化工學(xué)院皖西學(xué)院 5、1970 年，光纖通信用年，光纖通信用光源光源取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展 1970年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室、日本電氣公司(NEC)和前蘇

10、聯(lián)先后，研制成功室溫下連續(xù)振蕩室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷(GaAlAs)雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(短波長)。雖然壽命只有幾個(gè)小時(shí)，但它為半導(dǎo)體激光器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 1973 年，半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到7000小時(shí)。 1976年，日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長為1.3 m的銦鎵砷磷(InGaAsP)激光器。 1977 年，貝爾實(shí)驗(yàn)室研制的半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到10萬小時(shí)。 1979年美國電報(bào)電話(AT&T)公司和日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長為1.55 m的連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器。 由于光纖和半導(dǎo)體激光器的技術(shù)進(jìn)步，使由于光纖和半導(dǎo)體激光器的技術(shù)進(jìn)步，使 1970 1970 年成為光纖年成為光

11、纖通信發(fā)展的一個(gè)重要里程碑通信發(fā)展的一個(gè)重要里程碑21課程材料與化工學(xué)院皖西學(xué)院6、實(shí)用、實(shí)用光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展的發(fā)展 1976 年，美國在亞特蘭大(Atlanta)進(jìn)行了世界上第一個(gè)實(shí)用世界上第一個(gè)實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗(yàn)光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗(yàn)。 1980 年，美國標(biāo)準(zhǔn)化FT - 3光纖通信系統(tǒng)投入商業(yè)應(yīng)用。 1976 年和 1978 年，日本先后進(jìn)行了速率為34 Mb/s的突變型多模光纖通信系統(tǒng)， 以及速率為100 Mb/s的漸變型多模光纖通信系統(tǒng)的試驗(yàn)。 90年代以后，除用戶線外，光纖傳輸已經(jīng)完全取代了傳統(tǒng)的電纜通信，成為通信網(wǎng)的主體。光纖通信技術(shù)成為主流技術(shù)，以異乎尋常的

12、速度發(fā)展，人類進(jìn)入了光通信時(shí)代。22課程材料與化工學(xué)院皖西學(xué)院7、其他光通信技術(shù)的發(fā)展 大氣激光通信技術(shù)：雖不是主流技術(shù)，但發(fā)展并未停滯。在一些不宜鋪設(shè)光纖的地區(qū)，如海島，海島陸地之間還是有很好的發(fā)展空間。 衛(wèi)星間激光通信技術(shù)：地球外層空間及星際間不存在大氣對光信號的吸收及遮擋。 藍(lán)綠激光水下通信技術(shù)：海水對藍(lán)綠激光的損耗較小，可以用激光通信解決潛艇通信的問題。23課程材料與化工學(xué)院皖西學(xué)院考研面試常問問題考研面試常問問題3：以波長劃分的光纖通信發(fā)展的三個(gè)重要階段。以波長劃分的光纖通信發(fā)展的三個(gè)重要階段。第一代光纖通信系統(tǒng)：第一代光纖通信系統(tǒng)：0.850.85微米多模光纖通信系統(tǒng)微米多模光纖通

13、信系統(tǒng)第二代光纖通信系統(tǒng)：第二代光纖通信系統(tǒng)：1.31.3微米低色散窗口微米低色散窗口第三代光纖通信系統(tǒng)：第三代光纖通信系統(tǒng)：1.551.55微米低損耗窗口微米低損耗窗口24課程材料與化工學(xué)院皖西學(xué)院1.3 光通信系統(tǒng)組成電端機(jī)電端機(jī)光接收機(jī)光發(fā)送機(jī)信道信息數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)1.光源； 2.光源調(diào)制3.光發(fā)送機(jī)； 4.信道5.光檢測器； 6.光接收機(jī)25課程材料與化工學(xué)院皖西學(xué)院光纖連接器電接口驅(qū)動電路光源組件光檢測器組件放大電路電接口電信號輸入光發(fā)送機(jī)中繼器光纖跳線光纖連接器 光纜終端盒光纜線路盒光纜線路盒光纖跳線光纜終端盒光接收機(jī)電信號輸出光纖光纜舉例：光纖通信系統(tǒng)構(gòu)成26課程材料與化工學(xué)院皖西

14、學(xué)院（1）光發(fā)送機(jī)：一般由半導(dǎo)體光源(核心)、驅(qū)動器和調(diào)制器等組成，將待發(fā)送的電信號進(jìn)行電/光轉(zhuǎn)換,并將轉(zhuǎn)換出的光信號最大限度的注入光纖中進(jìn)行傳輸。27課程材料與化工學(xué)院皖西學(xué)院l光源光源：輸出光功率足夠大，調(diào)制頻率足夠高，譜線寬輸出光功率足夠大，調(diào)制頻率足夠高，譜線寬度和光束發(fā)散角盡可能小，輸出功率和波長穩(wěn)定，度和光束發(fā)散角盡可能小，輸出功率和波長穩(wěn)定， 器件壽命長。器件壽命長。l調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方式調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方式：直接調(diào)制直接調(diào)制 用電信號直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管的驅(qū)動電流，使輸出光隨電信號變化而實(shí)現(xiàn)的。方案技術(shù)簡單，成本較低，容易實(shí)現(xiàn)，但調(diào)制速率受激光器的頻率特性所限制。外調(diào)制外調(diào)制把

15、激光的產(chǎn)生和調(diào)制分開，用獨(dú)立的調(diào)制器調(diào)制激光器的輸出光而實(shí)現(xiàn)的。外調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)制速率高，缺點(diǎn)是技術(shù)復(fù)雜，成本較高，因此只有在大容量的波分復(fù)用和相干光通信系統(tǒng)中使用。28課程材料與化工學(xué)院皖西學(xué)院兩種調(diào)制方案 (a) 直接調(diào)制； (b) 間接調(diào)制(外調(diào)制) 激光源驅(qū)動器光纖光信號輸出電信號輸入(a)激光源調(diào)制器驅(qū)動和控制電信號輸入光纖光信號輸出(b)29課程材料與化工學(xué)院皖西學(xué)院（2）光纖線路：是把來自光發(fā)送機(jī)的光信號，以盡可能小的畸變(失真)和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C(jī)。光纖光纜光纖光纜線路線路(接續(xù)接續(xù))盒盒中繼器中繼器 包含多根光纖，可架空鋪設(shè)， 也可以鋪設(shè)在管道內(nèi)， 或直埋于地下， 或鋪設(shè)于海

16、底； 光纜一般2km一盤，盤與盤相連采用光纜盒 用于光信號的恢復(fù)與放大，目前廣泛采用EDFA作為中繼器30課程材料與化工學(xué)院皖西學(xué)院（3）光接收機(jī)機(jī)：是把從光纖線路輸出、產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并經(jīng)放大和處理后恢復(fù)成發(fā)射前的電信號。31課程材料與化工學(xué)院皖西學(xué)院檢測方式：直接檢測和外差檢測直接檢測和外差檢測直接檢測：直接檢測：將探測器上的光功率直接轉(zhuǎn)化為電信號輸出。這種方案實(shí)現(xiàn)起來容易，節(jié)省成本，但噪聲大。對于弱信號探測時(shí)，失真較大。外差檢測：外差檢測：通過本振激光器混頻實(shí)現(xiàn)信號探測。這種方案適用于微弱信號探測，噪聲低，靈敏度高。但技術(shù)復(fù)雜，成本較高。32課程材料與化工學(xué)院皖西

17、學(xué)院3、光纖通信的優(yōu)勢：（1）巨大的傳輸帶寬。 光纖低損耗頻段為0.8-1.65um，單根光纖的可用頻帶幾乎達(dá)到200THz，即使在1.55um處，帶寬也可以達(dá)到15THz。 （2）極低的傳輸損耗。 1.55um波段損耗已降至0.2dB/km以下。同時(shí)EDFA技術(shù)的發(fā)展，可以有效補(bǔ)償光纖損耗。（3）抗電磁干擾，不向外輻射電磁波，提高了保密性，又不產(chǎn)生電磁污染。 光纖通信系統(tǒng)避免了電纜間由于相互靠近而引起的電磁干擾。金屬電纜發(fā)生干擾的主要原因就是金屬導(dǎo)體向外泄漏電磁波。由于光纖的材料是玻璃或塑料，都不導(dǎo)電，因而不會產(chǎn)生電磁波的泄漏， 也就不存在相互之間的電磁干擾。 33課程材料與化工學(xué)院皖西學(xué)院

18、(4) 重量輕， 安全， 易敷設(shè)。 光纜的安裝和維護(hù)比較安全、簡單，這是因?yàn)椋菏紫?，玻璃或塑料都不?dǎo)電， 沒有電流通過或電壓的干擾；其次， 它可以在易揮發(fā)的液體和氣體周圍使用而不必?fù)?dān)心會引起爆炸或起火；第三，它比相應(yīng)的金屬電纜體積小, 重量輕, 更便于機(jī)載工作，而且它占用的存儲空間小，運(yùn)輸也方便。(5)壽命長。 盡管還沒有得到證實(shí)， 但可以斷言， 光纖通信系統(tǒng)遠(yuǎn)比金屬設(shè)施的使用壽命長， 因?yàn)楣饫|具有更強(qiáng)的適應(yīng)環(huán)境變化和抗腐蝕的能力。 34課程材料與化工學(xué)院皖西學(xué)院4、光纖通信的不足：（1）接口昂貴。 在實(shí)際使用中， 需要昂貴的接口器件將光纖接到標(biāo)準(zhǔn)的電子設(shè)備上。 （2）強(qiáng)度差。 光纜本身與同軸

19、電纜相比抗拉強(qiáng)度要低得多。 這可以通過使用標(biāo)準(zhǔn)的光纖包層PVC得到改善。35課程材料與化工學(xué)院皖西學(xué)院（3） 不能傳送電力。 有時(shí)需要為遠(yuǎn)處的接口或再生的設(shè)備 提供電能， 光纜顯然不能勝任，在光纜系統(tǒng)中還必須額外使用金屬電纜。（4） 需要專用的工具、 設(shè)備以及培訓(xùn)。 需要使用專用工具完成光纖的焊接以及維修； 需要專用測試設(shè)備進(jìn)行常規(guī)測量； 光纜的維修既復(fù)雜又昂貴， 從事光纜工作的技術(shù)人員需要通過相應(yīng)的技術(shù)培訓(xùn)并掌握一定的專業(yè)技能。 36課程材料與化工學(xué)院皖西學(xué)院1.4光通信系統(tǒng)的基本問題與主要性能指標(biāo)1.衰減2.色散3.最大比特率4.帶寬5.傳輸距離6.通信容量37課程材料與化工學(xué)院皖西學(xué)院1.5光通信技術(shù)展望1、光源光纖通信采用的光源是半導(dǎo)體光源， 如半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED、 半導(dǎo)體激光器LD。2、光纖 1984年，單模光纖取代了多模光纖， 使得光纖通信系統(tǒng)的容量又有了很大增長。如今，各種各樣的新型光纖的出現(xiàn)，進(jìn)一步提高了通信的容量與質(zhì)量。3、光放大器 摻鉺光纖放大器（EDFA）代替了傳統(tǒng)的光-電-光型的