光纖通信原理第1章課件

1、光纖通信原理Principle of Optical Fiber Communication 教材： 光纖通信，顧畹儀，黃永清，等編著， 人民郵電出版社，2007年。參考書籍：光纖通信（第二版），張寶富等編著，西安電子科技大學(xué)出版社，2009年。 光纖通信，劉增基等編著，西安電子科技大學(xué)出版社，2003年。Fiber Optic Communications（5th Ed.）, Joseph C. Palais 編著，電子工業(yè)出版社，2005年。光纖通信系統(tǒng)學(xué)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題解析，劉振霞，等編著，西安電子科技大學(xué)出版社，2006年。光纖通信原理課程教學(xué)基本信息 總 學(xué) 時： 48 講課學(xué)時： 40

2、 實驗學(xué)時： 8 學(xué) 分： 3 先修課程：大學(xué)物理（1），大學(xué)物理（2）， 電磁場與微波技術(shù)，通信電子電路， 通信系統(tǒng)原理。一、課程性質(zhì)、目的和任務(wù) 光纖通信原理是通信工程專業(yè)的一門主要專業(yè)必修課。目的是使學(xué)生了解光纖通信系統(tǒng)的基本組成，掌握光纖的傳光原理和特性；掌握光源、光檢測器、光放大器和光無源器件的工作原理和特性；掌握光發(fā)射機、光接收機的各部分組成、結(jié)構(gòu)及原理；掌握光纖通信系統(tǒng)的基本設(shè)計方法；了解光纖通信新技術(shù)。掌握光纖通信基本實驗技能，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，為畢業(yè)后從事光纖通信專業(yè)技術(shù)工作打下堅實的理論基礎(chǔ)。二、教學(xué)基本要求 掌握光纖傳光原理的射線光學(xué)和波動

3、理論分析方法，光纖的傳輸特性；掌握光源、光檢測器的基本結(jié)構(gòu)、原理和特性；掌握光發(fā)射機、光接收機的組成、結(jié)構(gòu)及原理，光接收機靈敏度的基本計算方法；了解數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的組成、原理和性能指標(biāo)，掌握系統(tǒng)基本設(shè)計方法，掌握摻鉺光纖放大器的組成、結(jié)構(gòu)和原理；掌握波分復(fù)用器件等無源器件的類型、結(jié)構(gòu)、原理和特性，光波分復(fù)用的原理、系統(tǒng)構(gòu)成和管理技術(shù)；掌握自動交換光網(wǎng)絡(luò)的概念和控制平面、光傳送平面、管理平面的功能和結(jié)構(gòu)；掌握光纖和主要光器件基本特性測量系統(tǒng)的組成、原理和測量方法，光纖通信系統(tǒng)基本參數(shù)的測量原理、方法和系統(tǒng)組成。三、教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時分配、授課教師第一章 概述 （2學(xué)時） 李永倩第二章 光纖和光纜

4、（8學(xué)時） 楊志第三章 光源和光檢測器 （6學(xué)時） 尚秋峰第四章 光發(fā)射機和光接收機 （8學(xué)時） 李永倩第五章 光纖通信系統(tǒng) （6學(xué)時） 張淑娥第六章 無源光器件和WDM技術(shù) （4學(xué)時） 李永倩第七章 自動交換光網(wǎng)絡(luò) （2學(xué)時） 張淑娥第八章 光纖通信測量 （4學(xué)時） 李永倩實踐環(huán)節(jié) （8學(xué)時） 楊再旺 實驗1 截斷法光纖衰減系數(shù)測量；LED的P-I特性測量 2學(xué)時 實驗2 光纖熔接；OTDR光纖損耗特性測量 2學(xué)時 實驗3 光端機碼型變換測試；波分復(fù)用器測試 2學(xué)時 實驗4 光纖通信系統(tǒng)整機性能測試 2學(xué)時教學(xué)輔導(dǎo) 趙麗娟 交作業(yè)時間：周三上午上課前 答疑時間： 周三下午2：30 答疑地點：

5、 教三樓通信教研室四、考核方式 期末閉卷筆試 占70% 小測驗、平時作業(yè)、課堂提問和出勤情況 占20% 實驗 占10%1.1 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 1.1.2 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1.2 光纖通信的優(yōu)點和應(yīng)用 1.2.1 光通信與電通信 1.2.2 光纖通信的優(yōu)點 1.2.3 光纖通信的應(yīng)用1.3 光纖通信系統(tǒng)的基本組成 1.3.1 發(fā)射和接收 1.3.2 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)第一章 概述1.1 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 在這個時期，美國麻省理工學(xué)院利用He-Ne激

6、光器和CO2激光器進行了大氣激光通信試驗。由于沒有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質(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， 使沉睡了80年的光通信進入一個嶄新的階段。 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。 原始形式的光通信:中國古代用“烽火臺”報警，歐洲人用旗語傳送信息。 利用反射鏡傳送光束 1.1.2 現(xiàn)代光纖通信 1966年，英籍華裔學(xué)者高錕(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的

7、論文，指出了利用光纖(Optical Fiber)進行信息傳輸?shù)目赡苄裕ㄊ?000 dB/km的損耗非固有，產(chǎn)生于雜質(zhì)吸收和瑞利散射）和技術(shù)途徑(材料提純和制造的均勻性)，奠定了現(xiàn)代光通信光纖通信的基礎(chǔ)。 指明通過“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”這一發(fā)展方向光纖通信發(fā)明家高錕(左)1998年在英國接受IEE授予的獎?wù)?1970年，光纖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。 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

8、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1.2 m)。 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。 1970 年，光纖通信用光源取得了實質(zhì)性的進展 1970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)。雖然壽命只有幾個小時，但它為半導(dǎo)體激光器

9、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。 光纖和半導(dǎo)體激光器技術(shù)的進步，使 1970 年成為光纖通信發(fā)展的一個重要里程碑 實用光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展 1976 年，美國在亞特蘭大(Atlanta)進行了世界上第一個實用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗。GaAlAs LD，多模光纖，10km，44.7Mb/s 198

10、0 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。 1983年敷設(shè)了縱貫日本南北的光纜長途干線。 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。 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，促進了全球通信網(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)用的開發(fā)時期。短波長

11、、低速率、多模，無中繼距離10 km。 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)展時期。多模到單模，短波長到長波長，速率140-565 Mb/s, 無中繼距100-50 km。 第三階段(19861996年)，這是以超大容量超長距離為目標(biāo)、全面深入開展新技術(shù)研究的時期。1.55 m色散位移單模系統(tǒng)；外調(diào)制，速率2.5-10 Gb/s, 無中繼距150-100 km。 1.1.3 國內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀 1976年美國在亞特蘭大進行的現(xiàn)場試驗，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。 此后，光纖通信技術(shù)不斷創(chuàng)新：光纖從多模發(fā)展到單

12、模，工作波長從0.85 m發(fā)展到1.31 m和1.55 m，傳輸速率從幾十Mb/s發(fā)展到幾十Gb/s。 隨著技術(shù)的進步和大規(guī)模產(chǎn)業(yè)的形成，光纖價格不斷下降，應(yīng)用范圍不斷擴大。 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)將成為未來國家信息基礎(chǔ)設(shè)施的支柱。 在許多發(fā)達國家，生產(chǎn)光纖通信產(chǎn)品的行業(yè)已在國民經(jīng)濟中占重要地位。光纖通信整體發(fā)展時間表1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 100000 10000 1000 100 10 1 0.1 0.8m多模1.3m單模光孤子光放大器1.55m相干檢測系統(tǒng)性能(Gb/sKm）1.55m

13、直接檢測1.2 光纖通信的優(yōu)點和應(yīng)用 1.2.1 光通信與電通信 通信系統(tǒng)最終技術(shù)目標(biāo)：增加信息傳輸容量和距離。通信系統(tǒng)的傳輸容量取決于對載波調(diào)制的頻帶寬度，載波頻率越高，頻帶寬度越寬。光通信的主要特點 載波頻率高；頻帶寬度寬（圖 1.1 ）。 光通信利用的傳輸媒質(zhì)-光纖，可以在寬波長范圍內(nèi)獲得很小的損耗（圖 1.2 ）。圖 1.1 部分電磁波頻譜圖 1.2 各種傳輸線路的損耗特性 0.7-1.7 m帶寬200 THz 1.2.2 光纖通信的優(yōu)點 容許頻帶很寬，傳輸容量很大。本質(zhì)寬、空分復(fù)用、波分復(fù)用 損耗很小， 中繼距離很長且誤碼率很小 重量輕、 體積小 抗電磁干擾性能好 泄漏小， 保密性能

14、好 節(jié)約金屬材料， 有利于資源合理使用 1.2.3 光纖通信的應(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(biāo)。 光纖通信的各種應(yīng)用可概括如下： 通信網(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) 綜合業(yè)務(wù)光纖接入網(wǎng) ATMInternet骨干網(wǎng)DDN/ FRPSTN/ISDNTV業(yè)務(wù)分配節(jié)點(COT)業(yè)務(wù)接入節(jié)點（RT）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

15、帶綜合業(yè)務(wù)光纖接入系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)典型應(yīng)用之二：作為校園網(wǎng)的骨干傳輸網(wǎng)1.3 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、接收和作為廣義信道的基本光纖傳輸系統(tǒng)。 1.3.1 發(fā)射和接收 如上圖所示，信息源把用戶信息轉(zhuǎn)換為原始電信號，這種信號稱為基帶信號。電發(fā)射機把基帶信號轉(zhuǎn)換為合適信道傳輸?shù)男盘?，這個轉(zhuǎn)換如果需要調(diào)制，則其輸出信號稱為已調(diào)信號。對于數(shù)字電話傳輸，電話機把話音轉(zhuǎn)換為頻率范圍為0.33.4 kHz的模擬基帶信號，電發(fā)射機把這種模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并把多路數(shù)字信號組合在一起。模/數(shù)轉(zhuǎn)換目前普遍采用脈沖編碼調(diào)制（PCM）方式，這種方式是通過對模擬信號進行抽樣、量化

16、和編碼而實現(xiàn)的。一路話音轉(zhuǎn)換成傳輸速率為64 kb/s 的數(shù)字信號，然后用數(shù)字復(fù)接器把24路或30路PCM信號組合成1.544 Mb/s 或2.048 Mb/s 的一次群甚至高次群的數(shù)字系列，最后輸入光發(fā)射機。對于模擬電視傳輸，則用攝像機把圖像轉(zhuǎn)換為6 MHz 的模擬基帶信號，直接輸入光發(fā)射機。為提高傳輸質(zhì)量，通常把這種模擬基帶信號轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)制（FM）、脈沖頻率調(diào)制（PFM）或脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號，最后把這種已調(diào)信號輸入光發(fā)射機。還可以采用頻分復(fù)用（FDM）技術(shù)，用來自不同信息源的視頻模擬基帶信號（或數(shù)字基帶信號）分別調(diào)制指定的不同頻率的射頻（RF）電波，然后把多個這種帶有信息的RF信

17、號組合成多路寬帶信號，最后輸入光發(fā)射機，由光載波進行傳輸。在這個過程中，受調(diào)制的RF電波稱為副載波，這種采用頻分復(fù)用的多路電視傳輸技術(shù)，稱為副載波復(fù)用（SCM）。 不管是數(shù)字系統(tǒng)，還是模擬系統(tǒng)，輸入到光發(fā)射機帶有信息的電信號，都通過調(diào)制轉(zhuǎn)換為光信號。光載波經(jīng)過光纖線路傳輸?shù)浇邮斩?，再由光接收機把光信號轉(zhuǎn)換為電信號。電接收機的功能和電發(fā)射機的功能相反，它把接收的電信號轉(zhuǎn)換為基帶信號，最后由信息宿恢復(fù)用戶信息。 在整個通信系統(tǒng)中，在光發(fā)射機之前和光接收機之后的電信號段，光纖通信所用的技術(shù)和設(shè)備與電纜通信相同，不同的只是由光發(fā)射機、光纖線路和光接收機所組成的基本光纖傳輸系統(tǒng)代替了電纜傳輸。 1.3.

18、2 基本光纖傳輸系統(tǒng) 基本光纖傳輸系統(tǒng)作為獨立的“光信道”單元，若配置適當(dāng)?shù)慕涌谠O(shè)備，則可以插入現(xiàn)有的數(shù)字通信系統(tǒng)或模擬通信系統(tǒng)，或者有線通信系統(tǒng)或無線通信系統(tǒng)的發(fā)射與接收之間。光發(fā)射機、光纖線路和光接收機，若配置適當(dāng)?shù)墓馄骷梢越M成傳輸能力更強、功能更完善的光纖通信系統(tǒng)。例如，在光纖線路中插入光纖放大器組成光中繼長途系統(tǒng)，配置波分復(fù)用器和解復(fù)用器，組成大容量波分復(fù)用系統(tǒng)，使用耦合器或光開關(guān)組成無源光網(wǎng)絡(luò)，等等。 基本光纖傳輸系統(tǒng)的三個組成部分1、光發(fā)送機組成框圖： 光 源調(diào)制器通道耦合器電信號輸入光輸出驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)參數(shù)：發(fā)送功率，dBm概念光源光譜特性：輸出光功率足夠大，調(diào)制頻率足夠高，譜

19、線寬度和光束發(fā)散角盡可能小，輸出功率和波長穩(wěn)定， 器件壽命長電信號對光的調(diào)制的實現(xiàn)方式 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。 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限制。 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。 外調(diào)制的優(yōu)點是調(diào)制速率高，缺點是技術(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) 直接調(diào)制； (b) 間接調(diào)制(外調(diào)制) 2. 光纖線路 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C 組成:光纖、光纖接頭和光纖連接器 低損耗 “窗口”：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。 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(yīng)，都要和光纖這三個波長窗口相一致。 目前在實驗室條件下，1.55 m的損耗已達到0.154 dB/km， 接近石英光纖損耗的理論極限。普通單模光纖的衰減隨波長變化示意圖0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5衰