第章光纖通信概述

1、1.1 光纖通信的發(fā)展史 1光通信的雛形光通信的雛形原始形式的光通信有原始形式的光通信有“烽火臺烽火臺” 、“旗語旗語”傳送信息，傳送信息，以及現(xiàn)在使用的交通信號等通信方式以及現(xiàn)在使用的交通信號等通信方式中，光信號本身就信息，但包含的信息非常少，中，光信號本身就信息，但包含的信息非常少，不能稱為嚴格意義上的光通信。不能稱為嚴格意義上的光通信。1.1 光纖通信的發(fā)展史 2光通信的早期光通信的早期l 1760年，英國發(fā)明第一架光電報機，它是利用日光作為年，英國發(fā)明第一架光電報機，它是利用日光作為光源，反光板的不同組合，通過空氣作為傳輸介質，進光源，反光板的不同組合，通過空氣作為傳輸介質，進行信息的

2、傳遞。行信息的傳遞。l 1880年，美國貝爾發(fā)明了光學電話，它是以日光作為光年，美國貝爾發(fā)明了光學電話，它是以日光作為光源，采用話筒的薄膜隨著聲音的振動而振動來實現(xiàn)聲光源，采用話筒的薄膜隨著聲音的振動而振動來實現(xiàn)聲光調制。調制。 l 直到直到1960年以前，光通信的發(fā)展幾乎停滯不前，主要原年以前，光通信的發(fā)展幾乎停滯不前，主要原因是碰到光源、光傳輸介質和光電檢測器等技術障礙。因是碰到光源、光傳輸介質和光電檢測器等技術障礙。1.1 光纖通信的發(fā)展史 3光纖通信發(fā)展的里程碑光纖通信發(fā)展的里程碑-就是現(xiàn)代光纖通信就是現(xiàn)代光纖通信1966年，英籍華裔學者高錕年，英籍華裔學者高錕(C.K.Kao)和霍克

3、和霍克哈姆哈姆(C.A.Hockham)在在Proc. IEE雜志上發(fā)表了一篇雜志上發(fā)表了一篇關于傳輸介質新概念的論文，指出了利用光纖關于傳輸介質新概念的論文，指出了利用光纖(Optical Fiber)進行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g途徑，進行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g途徑，奠定了現(xiàn)代光通信奠定了現(xiàn)代光通信光纖通信的基礎。光纖通信的基礎。1.1 光纖通信的發(fā)展史 4光纖通信發(fā)展的實質性突破光纖通信發(fā)展的實質性突破光源光源：1960年，美國梅曼（年，美國梅曼（Maiman）發(fā)明了紅寶石）發(fā)明了紅寶石激光器，它發(fā)出的是一種譜線很窄、方向性很好、頻率和激光器，它發(fā)出的是一種譜線很窄、方向性很好、頻率和相位一

4、致的相干光，易于調制和傳輸；其缺點是耦合率極相位一致的相干光，易于調制和傳輸；其缺點是耦合率極低，無法在室溫下運行，壽命很短，但是它的發(fā)明解決了低，無法在室溫下運行，壽命很短，但是它的發(fā)明解決了光源方面的障礙，加速了光通信的研究和發(fā)展。光源方面的障礙，加速了光通信的研究和發(fā)展。傳輸介質傳輸介質：1970年美國康寧公司根據(jù)高錕論文的設想，年美國康寧公司根據(jù)高錕論文的設想，用改進型化學汽相沉積法（用改進型化學汽相沉積法（MCVD法）制造出當時世界上法）制造出當時世界上第一根超低損耗光纖，光纖通信的重大實質性突破。第一根超低損耗光纖，光纖通信的重大實質性突破。1.1 光纖通信的發(fā)展史 5光纖通信爆炸

5、性的發(fā)展光纖通信爆炸性的發(fā)展（1）光器件：有光發(fā)送器件和光接收器件。）光器件：有光發(fā)送器件和光接收器件。光發(fā)送器件光發(fā)送器件： 1970年，美國貝爾實驗室研制出世界年，美國貝爾實驗室研制出世界上第一只在室溫下連續(xù)工作的砷化鎵鋁半導體激光器；到上第一只在室溫下連續(xù)工作的砷化鎵鋁半導體激光器；到性能更好、壽命達幾萬小時的異質結條形激光器?，F(xiàn)在采性能更好、壽命達幾萬小時的異質結條形激光器?，F(xiàn)在采用壽命達幾十萬小時分布反饋式激光器（用壽命達幾十萬小時分布反饋式激光器（DFB-LD）和多量）和多量子阱（子阱（MQW）激光器。）激光器。光接收器件光接收器件： 從簡單的硅光電二極管發(fā)展到量子效從簡單的硅光電

6、二極管發(fā)展到量子效率達率達90%以上雪崩光電二極管。以上雪崩光電二極管。1.1 光纖通信的發(fā)展史 （2）光纖損耗）光纖損耗要更好的實現(xiàn)遠距離光傳輸通信，必須減少光纖的衰要更好的實現(xiàn)遠距離光傳輸通信，必須減少光纖的衰減，降低光纖衰減成為光傳輸通信的主要因素，方法是在減，降低光纖衰減成為光傳輸通信的主要因素，方法是在減少減少SiO2中雜質。中雜質。 1970年：年：20dB/km； 1972年：年：4dB/km； 1974年：年：1.1dB/km； 1976年：年：0.5dB/km； 1979年：年：0.2dB/km； 1990年：年：0.14dB/km 最終極限為最終極限為0.1dB/km，其中

7、，其中1979年的年的0.2dB/km，在當，在當時已接近極限值，于是就將其衰減的光波長時已接近極限值，于是就將其衰減的光波長1310nm、1550nm稱為兩個波長窗口。稱為兩個波長窗口。1.1 光纖通信的發(fā)展史 （3）光纖通信整體發(fā)展光纖通信整體發(fā)展時間表時間表1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 100000 10000 1000 100 10 1 0.10.8m多模1.3m單模1.55m直接檢測光孤子光放大器1.55m相干檢測系統(tǒng)性能(Gb/sKm）1.1 光纖通信的發(fā)展史 （4）光纖通信的標準制定）光纖通信的標準制定由于通信

8、技術的高速發(fā)展，移動通信、衛(wèi)星通信、光由于通信技術的高速發(fā)展，移動通信、衛(wèi)星通信、光纖通信都演變成大容量、高速、綜合數(shù)字業(yè)務，在纖通信都演變成大容量、高速、綜合數(shù)字業(yè)務，在ITU-T的推動下，光纖通信的標準紛紛制定：包括的推動下，光纖通信的標準紛紛制定：包括PDH、SDH、DWDM、AN、B-ISDN等，目前已不斷向用戶延伸，比如：等，目前已不斷向用戶延伸，比如：光纖到公寓光纖到公寓FTTA、光纖到大樓、光纖到大樓FTTB、光纖到路邊（小區(qū)）、光纖到路邊（小區(qū)）FTTC、光纖到戶、光纖到戶FTTH，統(tǒng)稱為，統(tǒng)稱為FTTX。1.2 光波波譜知識（1）電磁波波譜）電磁波波譜100 TH z10 T

9、H z1 TH z100 G H z10 G H z1 G H z100 MH z10 MH z1 MH z1 m可見光線10 m100 m1 m m10 m m100 mm1 m10 m100 m中波 (MF)短波 (H F)米波 (V H F)分米波(U H F)厘米波(SH F)毫米波(EH F)亞毫米波遠紅外線近紅外線(光纖通信用）頻率波長名稱紫外線 在電磁波波譜在電磁波波譜圖中，光纖通信都圖中，光纖通信都在可見光部分，其在可見光部分，其主要波長窗口有主要波長窗口有850nm,1310nm,1550nm等三個，其等三個，其傳輸穩(wěn)定性好，衰傳輸穩(wěn)定性好，衰減小，光利用率高減小，光利用率高

10、等特點，因此被稱等特點，因此被稱為主要光通信窗口。為主要光通信窗口。1.2 光波波譜知識（2）光波速度）光波速度光波與電磁波一樣，在真空中的傳播速度為光波與電磁波一樣，在真空中的傳播速度為c=3105Km/s，在均勻介質里邊沿直線傳播，速度與介質，在均勻介質里邊沿直線傳播，速度與介質的折射率成反比，即：的折射率成反比，即： v=cn n為介質折射率，真空中光的折射率為為介質折射率，真空中光的折射率為1，其它介質，其它介質里折射率都大于里折射率都大于1，因此傳輸速度都比真空中小。光在石，因此傳輸速度都比真空中小。光在石英光纖中的折射率為英光纖中的折射率為1.458，傳播速度為，傳播速度為v=21

11、05Km/s。 光波波長與頻率光波波長與頻率f、速度之間的關系是：、速度之間的關系是：c=f或或v=f/n。1.2 光波波譜知識（3）光的折射和反射光在同一均勻介質里邊沿直線傳播，但在不同介質里傳播時，其交界面處就會產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象。n 2n 1112反射定律： 1=1 折射定律：sin 1 / sin 2 = n 2/ n 1 =v 1/ v2 v 1/ v2=n 2 / n 1法線1.2 光波波譜知識（4）光波的全反射光纖的導光原理就是利用光波的全反射完成的，根據(jù)折射理論，光從折射率大的介質進入折射率小的介質時，折射角大于入射角，并隨入射角的增大而增大，當入射角增大到臨界角0時，折射角2

12、=90o，這時光從 1全部反射回去，直到反射光逐漸增大，折射光全部消失。光波發(fā)生全反射的條件是：（1）光從光密媒質入射到光疏媒質。（2）入射角大于或等于臨界角。1.2 光波波譜知識（4）光的全反射臨界角是指剛好發(fā)生全反射時的入射角，此時折射角為90o。全反射定律： sin 0 / sin 90o=n 2/ n 1 sin 2 =n2 / n 1n 2n 1112法線1.3 光纖通信系統(tǒng)的基本構成（1）構成所謂光纖通信，就是利用光纖來傳輸攜帶信息的光波以達到通信的目的。數(shù)字光纖通信系統(tǒng)由光發(fā)射機、光纖和光接收機組成。光發(fā)射機作用是電/光轉換，把轉換成的光脈沖信號碼流輸入到光纖中進行傳輸。光源器件

13、一般是LED和LD。光纖的作用是完成光波的傳輸。光接收機的作用就是進行光/電轉換。光接收器件一般是PIN和APD。1.3 光纖通信系統(tǒng)的基本構成（2）單向光纖通信系統(tǒng)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)。光纖傳輸中，光信號本身不帶任何信息，但要傳輸語音等信息，必須將電信號調制到光信號上進行傳輸。其調制方式分為直接調制和外調制兩種方式。信息源電發(fā)射機光發(fā)射機光接收機電接收機信息宿基本光纖傳輸系統(tǒng)光纖線路接 收發(fā) 射電信號輸入光信號輸出光信號輸入電信號輸出1.3 光纖通信系統(tǒng)的基本構成（3）基本光纖傳輸系統(tǒng)的三個組成部分)( 1)(lg10)(

14、mvmvpdBmp1.3 光纖通信系統(tǒng)的基本構成（3）基本光纖傳輸系統(tǒng)的三個組成部分電信號電信號對光的調制的實現(xiàn)方式對光的調制的實現(xiàn)方式直接調制直接調制 用電信號直接調制半導體激光器或發(fā)光二極管的驅動電流，使輸出光隨電信號變化而實現(xiàn)的。 這種方案技術簡單，成本較低，容易實現(xiàn)，但調制速率受激光器的頻率特性所限制。 外調制外調制 把激光的產(chǎn)生和調制分開，用獨立的調制器調制激光器的輸出光而實現(xiàn)的。 外調制的優(yōu)點是調制速率高，缺點是技術復雜，成本較高，因此只有在大容量的波分復用和相干光通信系統(tǒng)中使用。 1.3 光纖通信系統(tǒng)的基本構成（3）基本光纖傳輸系統(tǒng)的三個組成部分激光源驅動器光纖光信號輸出電信號輸

15、入(a)激光源調制器驅動和控制電信號輸入光纖光信號輸出(b) 兩種調制方案 (a) 直接調制； (b) 間接調制(外調制) 1.3 光纖通信系統(tǒng)的基本構成（3）基本光纖傳輸系統(tǒng)的三個組成部分光纖線路 l 功能：是把來自光發(fā)射機的光信號，以盡可能小的畸變(失真)和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜Cl 組成:光纖、光纖接頭和光纖連接器l 低損耗 “窗口”：普通石英光纖在近紅外波段，除雜質吸收峰外，其損耗隨波長的增加而減小，在0.85 m、1.31 m和1.55 m有三個損耗很小的波長“窗口”，見后圖。l 光源激光器的發(fā)射波長和光檢測器光電二極管的波長響應，都要和光纖這三個波長窗口相一致。1.3 光纖通信系統(tǒng)的基本

16、構成（3）基本光纖傳輸系統(tǒng)的三個組成部分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波長（m）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波段波段普通單模光纖的衰減隨波長變化示意圖普通單模光纖的衰減隨波長變化示意圖1.3 光纖通信系統(tǒng)的基本構成（3）基本光纖傳輸系統(tǒng)的三個組成部分：是把從光纖線路輸出、產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號轉換為電信號，經(jīng)放大和處理后恢復成發(fā)射前的電信號：耦合器，光電檢測器，解調器：接收機靈敏度，定為BER10-9條件下，所要

17、求的最小平無接收功率。：直接檢測和外差檢測1.4 光纖通信系統(tǒng)的分類（1）光纖通信系統(tǒng)的分類）光纖通信系統(tǒng)的分類短波長：0.85m左右多模光纖通信系統(tǒng) 長波長1.31m多模光纖通信系統(tǒng) 長波長1.31m單模光纖通信系統(tǒng) 長波長1.55m單模光纖通信系統(tǒng)超長波長光纖通信系統(tǒng)長波長：按傳輸光波長分：1.4 光纖通信系統(tǒng)的分類（1）光纖通信系統(tǒng)的分類）光纖通信系統(tǒng)的分類按調制信號形式分：模擬光纖通信系統(tǒng)數(shù)字光纖通信系統(tǒng)按光纖傳導方式分：單模光纖通信系統(tǒng)多模光纖通信系統(tǒng)按傳輸信號調制方式分：直接調制光纖通信系統(tǒng)間接調制光纖通信系統(tǒng)1.4 光纖通信系統(tǒng)的分類（1）光纖通信系統(tǒng)的分類）光纖通信系統(tǒng)的分類其

18、他方式分：相干光通信系統(tǒng)光波分通信系統(tǒng)頻分通信系統(tǒng)時分復用通信系統(tǒng)全光通信通信系統(tǒng)光孤子通信系統(tǒng)量子光通信系統(tǒng)1.4 光纖通信的作用及發(fā)展（1）光纖通信的作用光纖在公用電信網(wǎng)間作為傳輸線。局域網(wǎng)中的應用。光纖寬帶綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)及光纖用戶線。作為危險環(huán)境下的通信線。諸如發(fā)電廠、化工廠、石油庫等場所。滿足不同網(wǎng)絡層面的應用。核心網(wǎng)層面、城域網(wǎng)層面、局域網(wǎng)層面等。應用于專網(wǎng)。光纖通信主要應用于電力、公路、鐵路、礦山等通信專網(wǎng)。1.4 光纖通信的作用及發(fā)展（2）光纖通信的發(fā)展趨勢向超高速系統(tǒng)發(fā)展向超大容量WDM系統(tǒng)演進向光傳送網(wǎng)方向發(fā)展向G.655光纖發(fā)展向寬帶光纖接入網(wǎng)方向發(fā)展1.4 光纖通信系統(tǒng)的優(yōu)缺點（2）光纖通信的優(yōu)點）光纖通信的優(yōu)點 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