光纖通信簡(jiǎn)介

1、光通信之光纖通信（簡(jiǎn)介） 作者：LGcatalogue1 光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀 1.1 探索時(shí)期的光通信探索時(shí)期的光通信 1.2 現(xiàn)代光纖通信現(xiàn)代光纖通信 1.3 國(guó)內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀2 光纖通信的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用光纖通信的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用 2.1 光通信與電通信光通信與電通信 2.2 光纖通信的優(yōu)點(diǎn)光纖通信的優(yōu)點(diǎn) 2.3 光纖通信的應(yīng)用光纖通信的應(yīng)用3 光纖通信系統(tǒng)的基本組成光纖通信系統(tǒng)的基本組成 3.1 發(fā)射和接收發(fā)射和接收 3.2 基本光纖傳輸系統(tǒng)基本光纖傳輸系統(tǒng) 3.3 數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)探索時(shí)期的光通信探索

2、時(shí)期的光通信 在這個(gè)時(shí)期，美國(guó)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)。由于沒(méi)有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質(zhì)， 對(duì)光通信的研究曾一度走入了低潮。 1960年，美國(guó)人梅曼(Maiman)發(fā)明了第一臺(tái)紅寶石激光器， 給光通信帶來(lái)了新的希望。激光器的發(fā)明和應(yīng)用， 使沉睡了80年的光通信進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。 1880年，美國(guó)人貝爾(Bell)發(fā)明了用光波作載波傳送話音的“光電話”。貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型。 原始形式的光通信:中國(guó)古代用“烽火臺(tái)”報(bào)警，歐洲人用旗語(yǔ)傳送信息。 現(xiàn)代光纖通信現(xiàn)代光纖通信1966年，英籍華裔學(xué)者英籍華裔學(xué)者高錕高錕(C.K.Kao)和霍

3、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(guò)指明通過(guò)“原材料的提純制造出適合于原材料的提純制造出適合于長(zhǎng)距離通信使用的低損耗光纖長(zhǎng)距離通信使用的低損耗光纖”這一發(fā)展方這一發(fā)展方向向光纖通信發(fā)明家光纖通信發(fā)明家高錕高錕( (左左) )1998年在英國(guó)接受年在英國(guó)接受IEE授予的獎(jiǎng)?wù)率谟璧莫?jiǎng)?wù)?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(guó)康寧(Corning)公司研制成功損耗20dB/km的石英光纖。把光纖通信

4、的研究開(kāi)發(fā)推向一個(gè)新階段。把光纖通信的研究開(kāi)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。 1973 年，美國(guó)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(zhǎng)1.2m)。 在以后的 10 年中，波長(zhǎng)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。 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

5、得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展 1970年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室、日本電氣公司(NEC)和前蘇聯(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(zhǎng))。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(zhǎng)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(wàn)小時(shí)。 1979年美國(guó)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(zhǎng)為1.55 m的連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器。 光纖光纖和和半導(dǎo)體激光器，半導(dǎo)體激光器

6、，1970 成為了光纖通信發(fā)展的成為了光纖通信發(fā)展的 里程碑里程碑 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(guó)在亞特蘭大(Atlanta)進(jìn)行了世界上第一個(gè)實(shí)用光纖通世界上第一個(gè)實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)信系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。 1980 年，美國(guó)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)。 1983年敷設(shè)了縱貫日本南北的光纜長(zhǎng)途干線。 隨后，由美、日、 英、法發(fā)起的第一條橫跨大西洋 TAT-8海底光纜通信系統(tǒng)于1988年建成。

7、 第一條橫跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光纜通信系統(tǒng)于1989年建成。從此，海底光纜通信系統(tǒng)的建設(shè)得到了全面展開(kāi)，促進(jìn)了全球通信網(wǎng)的發(fā)展。光纖通信的發(fā)展可以粗略地分為三個(gè)階段光纖通信的發(fā)展可以粗略地分為三個(gè)階段： 第一階段(19661976年)，這是從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)時(shí)期。 第二階段(19761986年)，這是以提高傳輸速率和增加傳輸距離為研究目標(biāo)和大力推廣應(yīng)用的大發(fā)展時(shí)期。 第三階段(1986 至今)，這是以超大容量超長(zhǎng)距離為目標(biāo)、全面深入開(kāi)展新技術(shù)研究的時(shí)期。光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu) 光纖是一種高度透明的玻璃絲，由純石英經(jīng)復(fù)雜的工藝?yán)贫伞?光纖中心部分(芯Core)同心圓狀

8、包裹層(包層Clad)涂覆層 特點(diǎn)：ncorenclad 光在芯和包層之間的界面上反復(fù)進(jìn)行全反射，并在光纖中傳遞下去。光纖加上涂覆層并按一光纖加上涂覆層并按一定的結(jié)構(gòu)組成光纜定的結(jié)構(gòu)組成光纜 光纖與電話雙絞線對(duì)比圖12光源光源放大器放大器光電二光電二極管極管判決器判決器國(guó)內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀 1976年美國(guó)在亞特蘭大進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，標(biāo)志著光纖通信從基礎(chǔ)研究發(fā)展年美國(guó)在亞特蘭大進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，標(biāo)志著光纖通信從基礎(chǔ)研究發(fā)展到了商業(yè)應(yīng)用的新階段到了商業(yè)應(yīng)用的新階段。 此后，光纖通信技術(shù)不斷創(chuàng)新：光纖從多模發(fā)展到單模多模發(fā)展到單模，工作波長(zhǎng)從0.85 m發(fā)展到1.31 m和1

9、.55 m(短波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)短波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)），傳輸速率傳輸速率從幾十Mb/s發(fā)展到幾十Gb/s。 隨著技術(shù)的進(jìn)步和大規(guī)模產(chǎn)業(yè)的形成，光纖價(jià)格不斷下降光纖價(jià)格不斷下降，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。 目前光纖已成為信息寬帶傳輸?shù)闹饕劫|(zhì)，光纖通信系統(tǒng)將成為未來(lái)國(guó)家信息基礎(chǔ)設(shè)施的支柱。 在許多發(fā)達(dá)國(guó)家，生產(chǎn)光纖通信產(chǎn)品的行業(yè)已在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占重要地位在許多發(fā)達(dá)國(guó)家，生產(chǎn)光纖通信產(chǎn)品的行業(yè)已在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占重要地位。光纖通信整體發(fā)展時(shí)間表光纖通信整體發(fā)展時(shí)間表光通信光通信通信系統(tǒng)的傳輸容量傳輸容量取決于對(duì)載波調(diào)制的頻帶寬度頻帶寬度，載波頻率越高，頻帶寬度越寬載波頻率越高，頻帶寬度越寬。光通信的主要特點(diǎn)光通信的主要特點(diǎn)

10、 載波頻率高；頻帶寬度寬載波頻率高；頻帶寬度寬（圖 一） 光通信利用的傳輸媒質(zhì)光通信利用的傳輸媒質(zhì)-光纖，可以在寬波長(zhǎng)范光纖，可以在寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)獲得很小的損耗。圍內(nèi)獲得很小的損耗。 （圖二）100 THz10 THz1 THz100 GHz10 GHz1 GHz100 MHz10 MHz1 MHz1 m可見(jiàn)光線10 m100 m1 m m10 m m100 mm1 m10 m100 m中波 (MF)短波 (HF)米波 (VHF)分米波(UHF)厘米波(SHF)毫米波(EHF)亞毫米波遠(yuǎn)紅外線近紅外線(光纖通信用）頻率波長(zhǎng)名稱紫外線圖一圖一10001001010.110 M標(biāo)準(zhǔn)同軸38 mm海底

11、同軸光纖100 M1 G10 G100 G1 T10 T100 T 1000 T頻率/HzM：(注)G：T：1061091012傳輸損耗/(dBkm1)51 mm波導(dǎo)器圖二：圖二：各種傳輸線路的損耗特性 光纖通信的優(yōu)點(diǎn)光纖通信的優(yōu)點(diǎn) 容許頻帶很寬，傳輸容量很大容許頻帶很寬，傳輸容量很大 損耗很小，損耗很小， 中繼距離很長(zhǎng)且誤碼率很小中繼距離很長(zhǎng)且誤碼率很小 重量輕、重量輕、 體積小體積小 抗電磁干擾性能好抗電磁干擾性能好 泄漏小，泄漏小， 保密性能好保密性能好 節(jié)約金屬材料，節(jié)約金屬材料， 有利于資源合理使用有利于資源合理使用光纖通信的應(yīng)用光纖通信的應(yīng)用 光纖可以傳輸數(shù)字信號(hào)，也可以傳輸模擬信

12、號(hào)。光纖在通信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)，以及在其它數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中， 都得到了廣泛應(yīng)用。光纖寬帶干線傳送網(wǎng)和接入網(wǎng)發(fā)展迅速， 是當(dāng)前研究開(kāi)發(fā)應(yīng)用的主要目標(biāo)。 光纖通信的各種應(yīng)用可概括如下： 通信網(wǎng)通信網(wǎng) 構(gòu)成因特網(wǎng)的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)構(gòu)成因特網(wǎng)的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng) 有線電視網(wǎng)的干線和分配網(wǎng)有線電視網(wǎng)的干線和分配網(wǎng) 綜合業(yè)務(wù)光纖接入網(wǎng)綜合業(yè)務(wù)光纖接入網(wǎng)典型應(yīng)用之二：作為校園網(wǎng)的骨干傳輸網(wǎng)典型應(yīng)用之二：作為校園網(wǎng)的骨干傳輸網(wǎng)光纖通信系統(tǒng)的基本組成光纖通信系統(tǒng)的基本組成 下圖示出單向傳輸?shù)墓饫w通信系統(tǒng)，包括發(fā)射發(fā)射、接收接收和作為廣義信道的基本光纖傳輸系統(tǒng)光纖傳輸系統(tǒng)。信息源電發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光接收

13、機(jī)電接收機(jī)信息宿基本光纖傳輸系統(tǒng)光纖線路接 收發(fā) 射電信號(hào)輸入光信號(hào)輸出光信號(hào)輸入電信號(hào)輸出)( 1)(lg10)(mvmvpdBmp發(fā)射和接收發(fā)射和接收電信號(hào)對(duì)光的調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方式電信號(hào)對(duì)光的調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方式 直接調(diào)制直接調(diào)制 用電信號(hào)直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電流，使輸出光隨電信號(hào)變化而實(shí)現(xiàn)的。 這種方案技術(shù)簡(jiǎn)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 把激光的產(chǎn)生和調(diào)制分開(kāi)，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。 圖 1.5兩種調(diào)制方案 (a

14、) 直接調(diào)制； (b) 間接調(diào)制(外調(diào)制) 激光源驅(qū)動(dòng)器光纖光信號(hào)輸出電信號(hào)輸入(a)激光源調(diào)制器驅(qū)動(dòng)和控制電信號(hào)輸入光纖光信號(hào)輸出(b)2光纖光纖線路線路 是把來(lái)自光發(fā)射機(jī)的光信號(hào)，以盡可能小的畸變是把來(lái)自光發(fā)射機(jī)的光信號(hào)，以盡可能小的畸變(失真失真)和衰減傳輸?shù)焦夂退p傳輸?shù)焦饨邮諜C(jī)接收機(jī)光纖光纖、光纖接頭光纖接頭和光纖連接器光纖連接器 普通石英光纖在近紅外波段，除雜質(zhì)吸收峰外，其損耗隨波長(zhǎng)的增加而減小，在0.85 m、1.31 m和1.55 m有三個(gè)損耗很小的波長(zhǎng)“窗口”，見(jiàn)后圖。激光器的發(fā)射波長(zhǎng)激光器的發(fā)射波長(zhǎng)和光電二極管的波長(zhǎng)響應(yīng)光電二極管的波長(zhǎng)響應(yīng)，都要和光纖這三個(gè)波長(zhǎng)窗口窗口相一致。 目前在實(shí)驗(yàn)室條件下，1.55 m的損耗已達(dá)到0.154 dB/km， 接近石英光纖損耗的理論極限。0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5衰減（衰減（dB/km）第一窗口第一窗口第二窗口第二窗口波長(zhǎng)波長(zhǎng)（m）普通單模光纖的衰減隨波長(zhǎng)變化示意圖普通單模光纖的衰減隨波長(zhǎng)變化示意圖6 5 4 3 2 10。40。2第三窗口第三窗口 C 波段波段15251565nm 1.57 1.62 L波段波段數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)用參數(shù)取值離散的信號(hào)(如脈沖的有和無(wú)、電 平的高和低等)代表信息，強(qiáng)調(diào)的是信號(hào)和信息之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；