光纖通信劉增基版第一章

1、11 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 1.1.1 探索時期的光通信探索時期的光通信 1.1.2 現(xiàn)代光纖通信現(xiàn)代光纖通信 1.1.3 國內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀國內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀1 2 光纖通信的優(yōu)點和應(yīng)用光纖通信的優(yōu)點和應(yīng)用 1.2.1 光通信與電通信光通信與電通信 1.2.2 光纖通信的優(yōu)點光纖通信的優(yōu)點 1.2.3 光纖通信的應(yīng)用光纖通信的應(yīng)用1 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 1.3.1 發(fā)射和接收發(fā)射和接收 1.3.2 基本光纖傳輸系統(tǒng)基本光纖傳輸系統(tǒng) 1.3.3 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)第第 1 章章 概概 論論返

2、回主目錄 光通信：利用光波作為載波來傳遞信息。 光纖通信：用光纖作為傳輸介質(zhì)的光通信光通信與光纖通信的概念光通信與光纖通信的概念 數(shù)字通信與模擬通信相比，有占用信道頻帶寬的缺點，數(shù)字通信所需信道帶寬遠比模擬通信的大。 無論是采用金屬雙絞線、同軸電纜還是采用微波，都不能充分發(fā)揮數(shù)字通信的優(yōu)點。 自光纖通信迅速發(fā)展并得到普及應(yīng)用以來，數(shù)字通信找到了理想的傳輸媒介。優(yōu)越的數(shù)字通信方式與理想的光纖傳輸媒介相結(jié)合，使得數(shù)字通信的發(fā)展更加迅速。光纖通信在通信網(wǎng)中的地位應(yīng)用層應(yīng)用層業(yè)務(wù)網(wǎng)業(yè)務(wù)網(wǎng)傳送網(wǎng)傳送網(wǎng)支撐網(wǎng)支撐網(wǎng) 通信基礎(chǔ)網(wǎng)是一個以通信基礎(chǔ)網(wǎng)是一個以光纖通信光纖通信、微波接力和衛(wèi)星傳輸構(gòu)成、微波接力和衛(wèi)

3、星傳輸構(gòu)成的傳輸網(wǎng)絡(luò)。的傳輸網(wǎng)絡(luò)。 在傳輸網(wǎng)基礎(chǔ)上，根據(jù)業(yè)務(wù)節(jié)點設(shè)備類型的不同，可以構(gòu)在傳輸網(wǎng)基礎(chǔ)上，根據(jù)業(yè)務(wù)節(jié)點設(shè)備類型的不同，可以構(gòu)建成不同類型的業(yè)務(wù)網(wǎng)。建成不同類型的業(yè)務(wù)網(wǎng)。傳送網(wǎng)的作用傳送網(wǎng)的作用傳送網(wǎng)是基礎(chǔ)網(wǎng)傳送網(wǎng)是基礎(chǔ)網(wǎng)傳送網(wǎng)隨業(yè)務(wù)發(fā)展而發(fā)展傳送網(wǎng)隨業(yè)務(wù)發(fā)展而發(fā)展傳送網(wǎng)是網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的先行者傳送網(wǎng)是網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的先行者傳送網(wǎng)傳送網(wǎng)-信息高速公路的傳輸平臺。信息高速公路的傳輸平臺。用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備衛(wèi)星通信微波通信光纖通信移動通信發(fā)送機接收機傳輸系統(tǒng)用戶終端用戶終端信息信息用戶終端用戶終端用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備信息信息 現(xiàn)代通信方式示意圖現(xiàn)代通信方式示意圖用戶終端用戶終端交換設(shè)備

4、交換設(shè)備接入網(wǎng)接入網(wǎng)電復(fù)接設(shè)備電復(fù)接設(shè)備傳輸系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備衛(wèi)星通信微波通信光纖通信移動通信發(fā)送機接收機傳輸系統(tǒng)用戶終端用戶終端信息信息用戶終端用戶終端用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備信息信息 現(xiàn)代通信方式示意圖現(xiàn)代通信方式示意圖光網(wǎng)絡(luò)層次光網(wǎng)絡(luò)層次本地網(wǎng)城域網(wǎng)城域網(wǎng)本地網(wǎng)本地網(wǎng)i省際長途傳輸；i省內(nèi)長途傳輸；i本地網(wǎng)：本地市、縣鄉(xiāng)之間的網(wǎng)絡(luò)；i城域網(wǎng)：城區(qū)大容量及綜合業(yè)務(wù)傳輸；i接入網(wǎng)：端局到用戶終端之間。1.1 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 1.1.1 探索時期的光通信探索時期的光通信 原始形式的光通信：原始形式的光通信：中國古代用中國古代用“烽火臺烽火

5、臺”報警；報警； 歐洲人用旗語傳送信息。歐洲人用旗語傳送信息。 公元前公元前11世紀，西周王朝，烽火臺世紀，西周王朝，烽火臺白天點狼糞，晚上燃柴火白天點狼糞，晚上燃柴火“狼煙四起狼煙四起”古老的光通信設(shè)備古老的光通信設(shè)備-烽火臺烽火臺廣義地說，用光傳遞信息廣義地說，用光傳遞信息并不是什么新鮮的事。早并不是什么新鮮的事。早在公元兩千多年以前，我在公元兩千多年以前，我們的祖先就在都城和邊境們的祖先就在都城和邊境堆起一些高高的土丘，遇堆起一些高高的土丘，遇到敵人入侵，就在這些土到敵人入侵，就在這些土丘上燃起煙火傳遞受到入丘上燃起煙火傳遞受到入侵的信息，各地諸侯看見侵的信息，各地諸侯看見煙火就立刻領(lǐng)兵

6、來救援。煙火就立刻領(lǐng)兵來救援。其中還有著名的其中還有著名的“周幽王周幽王烽火戲諸侯烽火戲諸侯”的故事。的故事。這種土丘就叫烽火臺，它這種土丘就叫烽火臺，它就是一種古老的光通信設(shè)就是一種古老的光通信設(shè)備。備。 1880年，美國人貝爾(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)代光通信的雛型貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型。現(xiàn)代光通信的開端：第一個光電話系統(tǒng)現(xiàn)代光通信的開端：第一個光電話系統(tǒng)1880年貝爾發(fā)明了第一個光電話系統(tǒng)，通話距離年貝爾發(fā)明了第一個光電話系統(tǒng)，通話距離213米米光源不行：普通光源強度和純度都成為制約光通信發(fā)展的因素光源不行：普通光源強度和純度都成為制約光通信

7、發(fā)展的因素現(xiàn)代光通信的開端：第一個光電話系統(tǒng)現(xiàn)代光通信的開端：第一個光電話系統(tǒng) 在這個時期，美國麻省理工學(xué)院利用He - Ne激光器和CO2激光器進行了大氣激光通信試驗大氣激光通信試驗。由于沒有找到穩(wěn)定可靠穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質(zhì)低損耗的傳輸介質(zhì)， 對光通信的研究曾一度走入了低潮。 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。激光器的發(fā)明和應(yīng)用，激光器的發(fā)明和應(yīng)用， 使沉睡了使沉睡了80年的光通信進入一個嶄新的階段年的光通信進入一個嶄新的階段。 1.1.2 現(xiàn)代光纖通信現(xiàn)代光纖通信 但是到了上世紀六十年代中期，情況就發(fā)生了根本的變化。但是到了上世

8、紀六十年代中期，情況就發(fā)生了根本的變化。 引起該變化的人被稱為引起該變化的人被稱為“光纖之父光纖之父”。 此人獲得了此人獲得了2009年諾貝爾物理學(xué)獎。年諾貝爾物理學(xué)獎。 這個人是一位中國人，他就是高錕！這個人是一位中國人，他就是高錕！ 1.1.2 現(xiàn)代光纖通信現(xiàn)代光纖通信高錕提出光纖通信高錕提出光纖通信 早在早在1966年，英籍華人高錕發(fā)表了關(guān)于通信傳輸年，英籍華人高錕發(fā)表了關(guān)于通信傳輸新介質(zhì)的論文，當(dāng)時他還是一個在英國工作的年新介質(zhì)的論文，當(dāng)時他還是一個在英國工作的年輕工程師，他指出利用光導(dǎo)纖維進行信息傳輸?shù)妮p工程師，他指出利用光導(dǎo)纖維進行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，從而奠定了光纖通信的基

9、礎(chǔ)?？赡苄院图夹g(shù)途徑，從而奠定了光纖通信的基礎(chǔ)。 在高錕早期的實驗中，光纖的損耗約為在高錕早期的實驗中，光纖的損耗約為3000 dB/km，他指出這么大的損耗不是石英纖維本身的，他指出這么大的損耗不是石英纖維本身的固有特性，而是由于材料中的雜質(zhì)離子的吸收產(chǎn)固有特性，而是由于材料中的雜質(zhì)離子的吸收產(chǎn)生的。生的。高錕提出光纖通信高錕提出光纖通信 高錕指出，如果把材料中金屬離子含量高錕指出，如果把材料中金屬離子含量的比重降低到的比重降低到10 6以下，光纖損耗就可以以下，光纖損耗就可以減小到減小到 20 dB/km。 再通過改進制造工藝，提高材料的均勻再通過改進制造工藝，提高材料的均勻性，可進一步降

10、低光纖的損耗。性，可進一步降低光纖的損耗。 這種想法很快就變成了現(xiàn)實。這種想法很快就變成了現(xiàn)實。高高 錕錕-光纖之父光纖之父 1966年英國標準電信研究所年英國標準電信研究所高高 錕錕-光纖之父光纖之父香港中文大學(xué)原校長高錕香港中文大學(xué)原校長高錕1996年在年在“高錕星高錕星”命名典禮上命名典禮上 高高 錕錕-光纖之父（左）光纖之父（左）1998年在英國接受年在英國接受IEE 授予的獎?wù)率谟璧莫務(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)推向一個新階段。把光纖通信的研究開發(fā)

11、推向一個新階段。 1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4 dB/km。 1973 年，美國貝爾(Bell)實驗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。 1970 年，光纖通信用年，光纖通信用光源光源取得了實質(zhì)性的進展取得了實質(zhì)性的進展 197

12、0年，美國貝爾實驗室、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)(短波長,0.85m)。雖然壽命只有幾個小時，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)體激光器壽命達到7000小時。 1976年，日本電報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，貝爾實驗室研制的半導(dǎo)體激光器壽命達到10萬小時。 1979年美國電報電話(AT&T)公司和日本電報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。 由于由于光纖光纖和和半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器的技術(shù)進步，使的技

13、術(shù)進步，使 1970 年成為年成為光纖通信發(fā)展的一個重要里程碑光纖通信發(fā)展的一個重要里程碑 光檢測器光檢測器技術(shù)的發(fā)展： 相應(yīng)的，光電檢測器PIN、APD也在這個時期研制出來。 光發(fā)送機光源 光纖 光接收機光電檢測器1976年，美國在亞特蘭大進行世界上第一個實用光纖通信系統(tǒng) 的現(xiàn)場試驗1976年，日本進行了 34 Mb/s 的階躍多模光纖通信系統(tǒng)試驗1978年，日本進行了100 Mb/s的漸變型多模光纖通信系統(tǒng)試驗1980年，美國標準化FT - 3光纖通信系統(tǒng)投入商業(yè)應(yīng)用1983年，敷設(shè)了縱貫日本南北的光纜長途干線1988年，美日英法建成第一條橫跨大西洋海底光纜通信系統(tǒng)1989年，建成第一條橫

14、跨太平洋 海底光纜通信系統(tǒng) 實用光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展實用光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展每秒鐘傳輸?shù)谋忍財?shù)目。每秒鐘傳輸?shù)谋忍財?shù)目。 1.1.3 國內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀國內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀1.2 光纖通信的優(yōu)點和應(yīng)用光纖通信的優(yōu)點和應(yīng)用 1.2.1 光通信與電通信光通信與電通信 通信系統(tǒng)的傳輸容量傳輸容量取決于對載波調(diào)制的頻帶寬度頻帶寬度，載波頻率越高，頻帶寬度載波頻率越高，頻帶寬度越寬越寬。 光通信的主要特點光通信的主要特點 載波頻率高，頻帶寬度寬載波頻率高，頻帶寬度寬發(fā)送信號的頻率越高 (波長越短)，可載送的信息量就越多在電磁波譜中，光波范圍包括紅外線、可見光、紫外線，其波長范圍為：300 mm 6

15、103 mm。常用通信光載波頻率190 THz電磁波譜電磁波譜圖 1.2 各種傳輸線路的損耗特性 10001001010.110 M標準同軸38 mm海底同軸光纖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，可以在寬波長范圍內(nèi)獲得光纖，可以在寬波長范圍內(nèi)獲得很小的損耗很小的損耗。 （圖 1.2 ） 1.2.2 光纖通信的光纖通信的優(yōu)點優(yōu)點 容許頻帶很寬，容許頻帶很寬，傳輸容量很大傳輸容量很大 損耗很小損耗很小， 中繼距離很長且誤中繼距

16、離很長且誤碼率很小碼率很小 不受電磁干擾，保密性好不受電磁干擾，保密性好 泄漏小，泄漏小， 保密性能好保密性能好 光纖材料來源豐富，可節(jié)約大光纖材料來源豐富，可節(jié)約大量有色金屬量有色金屬(如銅、鋁如銅、鋁)，且直徑小、，且直徑小、重量輕。重量輕。光纖與電話雙絞線對比圖光纖通信的缺點光纖通信的缺點1. 容易折斷 (比如經(jīng)常被挖斷)2. 光纖連接困難 (斷面是否垂直、焊接點是否有氣泡等)3. 光纖怕彎曲 (導(dǎo)致?lián)p耗增加) 1.2.3 光纖通信的光纖通信的應(yīng)用應(yīng)用 光纖可以傳輸數(shù)字信號，也可以傳輸模擬信號。光纖在通信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)與計算機網(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

17、傳送網(wǎng)和接入網(wǎng)發(fā)展迅速， 是當(dāng)前研究開發(fā)應(yīng)用的主要目標。 光纖通信的各種應(yīng)用可概括如下： 電信網(wǎng)電信網(wǎng) 構(gòu)成因特網(wǎng)的計算機局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)構(gòu)成因特網(wǎng)的計算機局域網(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) ATMInternet骨干網(wǎng)骨干網(wǎng)DDN/ FRPSTN/ISDNTV業(yè)務(wù)分配節(jié)點業(yè)務(wù)分配節(jié)點 (COT)(COT)業(yè)務(wù)接入節(jié)點（業(yè)務(wù)接入節(jié)點（RTRT）網(wǎng)管網(wǎng)管SNMP與電信網(wǎng)管中心相連Q3100/1000ME1/BRA/PRA155M622M SDH典型應(yīng)用之一：寬帶綜合業(yè)務(wù)光纖接入系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)基金委基金委北航北航北郵北郵中科院中科院北

18、大北大Internet2清華清華Working/protectionWorking/protectionOADMOADMOADM說明：說明：NSFCnet由六個節(jié)點組成由六個節(jié)點組成，以清華為匯接點構(gòu)成兩個環(huán)行拓撲結(jié)構(gòu)，以清華為匯接點構(gòu)成兩個環(huán)行拓撲結(jié)構(gòu)，清華、北大和中清華、北大和中科院三點構(gòu)成二纖雙向自愈環(huán)采用科院三點構(gòu)成二纖雙向自愈環(huán)采用WDM傳輸技術(shù)，傳輸技術(shù)，在清華和北大之間通過在實驗室中加光在清華和北大之間通過在實驗室中加光纖進行纖進行400公里廣域網(wǎng)模擬試驗公里廣域網(wǎng)模擬試驗；在其它節(jié)點構(gòu)成的環(huán)中采用單路；在其它節(jié)點構(gòu)成的環(huán)中采用單路SDH/SONET傳輸技術(shù)。傳輸技術(shù)。通信機房通

19、信機房大學(xué)里的光通信大學(xué)里的光通信實驗室（研究）實驗室（研究）光通信設(shè)備光通信設(shè)備電力、煤炭系統(tǒng)的監(jiān)視、控制和管理抗干擾能力強無源傳感、寬帶傳輸光纖的其它應(yīng)用：光纖的其它應(yīng)用：光纖制導(dǎo)武器光纖制導(dǎo)武器：光纖制導(dǎo)導(dǎo)彈、光纖制導(dǎo)魚雷需要獲得實時的目標圖像同時要求控制線輕巧水下通信系統(tǒng)水下通信系統(tǒng)是掃雷艦與浮游載體之間的數(shù)據(jù)傳輸線路。 1. 浮游載體需要傳回聲納信號和遙測信號(都是視頻信號) 2. 艦體對浮游載體進行控制雷達雷達：要求保證雷達室與作戰(zhàn)情報中心之間信息傳輸?shù)目垢蓴_能力和保密性，要能保證作戰(zhàn)情報中心的安全(長途控制)軍事內(nèi)窺鏡醫(yī)療器械激光手術(shù)中，有時需要手術(shù)的部位在人體腔道內(nèi)，這就要求激

20、光能拐彎。目前大多數(shù)醫(yī)療激光可以通過石英光纖來實現(xiàn)拐彎，因此激光手術(shù)刀又叫光纖手術(shù)刀。 激光手術(shù)刀機載電子1.3 光纖通信系統(tǒng)的基本組成光纖通信系統(tǒng)的基本組成高折射率(纖芯)低折射率(包層)光線在纖芯中傳輸?shù)姆绞绞遣粩嗟厝瓷潆姸藱C電端機調(diào)制調(diào)制信源信源光調(diào)制光調(diào)制光解調(diào)光解調(diào)解調(diào)解調(diào)信宿信宿光端機光端機電端機電端機光端機光端機光纖光纖光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成光纖通信系統(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、接收接收和光纖光纖。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 基本光纖傳

21、輸系統(tǒng)的三個組成部分基本光纖傳輸系統(tǒng)的三個組成部分)( 1)(lg10)(mwmwpdBmp電信號對光的調(diào)制的兩種實現(xiàn)方式電信號對光的調(diào)制的兩種實現(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現(xiàn)。 這種方案技術(shù)簡單，成本較低，容易實現(xiàn)，但調(diào)制速率受激光器的頻率特性所限制。 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)電信號對光的調(diào)制的實現(xiàn)方式電信號對光的調(diào)制的實現(xiàn)方式 外調(diào)制外調(diào)制 把激光的產(chǎn)生和調(diào)制分開，用獨立的調(diào)制器調(diào)制激光器的輸出光而實現(xiàn)。 外調(diào)制的優(yōu)點是調(diào)制速率高，缺點是技術(shù)復(fù)雜，

22、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。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) 2. 光纖線路光纖線路 是把來自光發(fā)射機的光信號，以盡可能小的是把來自光發(fā)射機的光信號，以盡可能小的畸變畸變(失失真真)和和衰減衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C傳輸?shù)焦饨邮諜C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。激光器）的發(fā)射波長激光器）的發(fā)射波長和光電二極管）的波光電二極管）的波長響應(yīng)長響應(yīng)，都要和光纖的波長窗口窗口相一致。 目前在實驗室條件下，1.55 m的損耗已達到0.154 dB/km， 接近石英光纖損