光纖通信劉增基版第一章

1·1光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀

1.1.1探索時(shí)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(diǎn)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(diǎn)

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1章概論返回主目錄光通信：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

數(shù)字通信與模擬通信相比，有占用信道頻帶寬的缺點(diǎn)，數(shù)字通信所需信道帶寬遠(yuǎn)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(diǎn)。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)用層業(yè)務(wù)網(wǎng)傳送網(wǎng)支撐網(wǎng)通信基礎(chǔ)網(wǎng)是一個(gè)以光纖通信、微波接力和衛(wèi)星傳輸構(gòu)成的傳輸網(wǎng)絡(luò)。在傳輸網(wǎng)基礎(chǔ)上，根據(jù)業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)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)。傳送網(wǎng)的作用※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)是網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的先行者※傳送網(wǎng)---信息高速公路的傳輸平臺(tái)。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(dòng)通信發(fā)送機(jī)接收機(jī)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)代通信方式示意圖用戶終端交換設(shè)備接入網(wǎng)電復(fù)接設(shè)備傳輸系統(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(dòng)通信發(fā)送機(jī)接收機(jī)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)代通信方式示意圖光纖通信經(jīng)過40年的技術(shù)發(fā)展，已經(jīng)稱為最主要的傳輸手段光網(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)省級干線國家干線省際長途傳輸；省內(nèi)長途傳輸；本地網(wǎng)：本地市、縣鄉(xiāng)之間的網(wǎng)絡(luò)；城域網(wǎng)：城區(qū)大容量及綜合業(yè)務(wù)傳輸；接入網(wǎng)：端局到用戶終端之間。本地（城域）網(wǎng)1.1光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀

1.1.1探索時(shí)期的光通信

?原始形式的光通信：中國古代用“烽火臺(tái)”報(bào)警；歐洲人用旗語傳送信息。

公元前11世紀(jì)，西周王朝，烽火臺(tái)白天點(diǎn)狼糞，晚上燃柴火——“狼煙四起”古老的光通信設(shè)備---烽火臺(tái)廣義地說，用光傳遞信息并不是什么新鮮的事。早在公元兩千多年以前，我們的祖先就在都城和邊境堆起一些高高的土丘，遇到敵人入侵，就在這些土丘上燃起煙火傳遞受到入侵的信息，各地諸侯看見煙火就立刻領(lǐng)兵來救援。其中還有著名的“周幽王烽火戲諸侯”的故事。這種土丘就叫烽火臺(tái)，它就是一種古老的光通信設(shè)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。現(xiàn)代光通信的開端：第一個(gè)光電話系統(tǒng)1880年貝爾發(fā)明了第一個(gè)光電話系統(tǒng)，通話距離213米光源不行：普通光源強(qiáng)度和純度都成為制約光通信發(fā)展的因素現(xiàn)代光通信的開端：第一個(gè)光電話系統(tǒng)?在這個(gè)時(shí)期，美國麻省理工學(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(tái)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(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。

1.1.2現(xiàn)代光纖通信但是到了上世紀(jì)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“光纖之父”。此人獲得了2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這個(gè)人是一位中國人，他就是高錕！

1.1.2現(xiàn)代光纖通信

－高錕提出光纖通信早在1966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(shí)他還是一個(gè)在英國工作的年輕工程師，他指出利用光導(dǎo)纖維進(jìn)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礎(chǔ)。在高錕早期的實(shí)驗(yàn)中，光纖的損耗約為3000dB/km，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)生的。高錕提出光纖通信高錕指出，如果把材料中金屬離子含量的比重降低到106以下，光纖損耗就可以減小到20dB/km。再通過改進(jìn)制造工藝，提高材料的均勻性，可進(jìn)一步降低光纖的損耗。這種想法很快就變成了現(xiàn)實(shí)。光纖通信是人類歷史上的重大突破，現(xiàn)今的光纖通信已成為信息社會(huì)的神經(jīng)系統(tǒng)高錕----光纖之父 1966年英國標(biāo)準(zhǔn)電信研究所高錕----光纖之父香港中文大學(xué)原校長高錕1996年在“高錕星”命名典禮上

高錕----光纖之父（左） 1998年在英國接受IEE授予的獎(jiǎng)?wù)?970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(gè)新階段。

?1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4dB/km。

?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0.47dB/km(波長1.2μm)。

?在以后的10年中，波長為1.55μm的光纖損耗：

1979年是0.20dB/km，1984年是0.157dB/km，1986年是0.154dB/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(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,0.85μm)。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1.3μm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1.55μm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1970年成為光纖通信發(fā)展的一個(gè)重要里程碑光檢測器技術(shù)的發(fā)展：

相應(yīng)的，光電檢測器PIN、APD也在這個(gè)時(shí)期研制出來。光發(fā)送機(jī)－光源光纖光接收機(jī)－光電檢測器早期光纖通信器件的發(fā)展過程1976年，美國在亞特蘭大進(jìn)行世界上第一個(gè)實(shí)用光纖通信系統(tǒng) 的現(xiàn)場試驗(yàn)1976年，日本進(jìn)行了34Mb/s的階躍多模光纖通信系統(tǒng)試驗(yàn)1978年，日本進(jìn)行了100Mb/s的漸變型多模光纖通信系統(tǒng)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，建成第一條橫跨太平洋海底光纜通信系統(tǒng)實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展

光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展歷程光纖通信追求目標(biāo):大容量、長距離技術(shù)發(fā)展：短波長-長波長、多模光纖-單模光纖、多模激光器-單模激光器通信系統(tǒng)容量：比特率-距離積BL，B比特率，

L中繼距離每秒鐘傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)目。光纖通信技術(shù)的發(fā)展大體上可分為：工作波長光纖激光器比特率B中繼距離L第一代70年代850nm多模多模10～100Mb/s10Km第二代80年代初1300nm多模單模多模100Mb/s1.7Gb/s20Km50Km第三代80年代中～90年代初1550nm單模單模2.5Gb/s～10Gb/s100Km光纖通信技術(shù)的發(fā)展大體上可分為:（續(xù)）工作波長光纖激光器比特率B中繼距離L第四代90年代1550nm單模單模2.5Gb/s10Gb/s21000Km（環(huán)路）1500Km光放大系統(tǒng)第五代1550nm單模單模波分復(fù)用WDM單路速率:40,160,640Gb/s信道數(shù):8,16,64,128,1022超長傳輸距離:27000Km(Loop)6380(Line)目前研究內(nèi)容WDM光網(wǎng)絡(luò)；ASON；PTN；全光分組交換；光時(shí)分復(fù)用；光孤子通信；新型的光器件等等光纖通信技術(shù)的三次飛躍(1)20世紀(jì)60年代。1962年第一只半導(dǎo)體激光器誕生，隨后半導(dǎo)體光檢測器也研究成功。特別是1966年英籍華人科學(xué)家高錕與Hockham提出用玻璃可以制成衰減為20dB/km的通信光導(dǎo)纖維，1970年美國康寧公司首先制出了20dB/km的光纖，這標(biāo)志著光纖通信系統(tǒng)的實(shí)際研究條件得以具備。20世紀(jì)70年代。1970年發(fā)明了LD的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，使得光源與光檢測器的壽命都達(dá)到了10萬小時(shí)的實(shí)用化水平。1979年發(fā)現(xiàn)了光纖1310nm和1550nm新的低損耗窗口，緊接著單模光纖問世。光纖的衰減系數(shù)一下降到0.5dB/km。這使得光纖通信邁進(jìn)了實(shí)用化階段，從80年代初開始光纖通信便大步地邁向了市場。光纖通信技術(shù)的三次飛躍(2)20世紀(jì)90年代初。1989年摻鉺光纖放大器EDFA的研制成功是光纖通信新一輪突破的開始。EDFA的應(yīng)用不僅解決了光纖傳輸衰減的補(bǔ)償問題，而且為一批光網(wǎng)絡(luò)器件的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。使得光纖通信的數(shù)字傳輸速率迅速提高，促成了波分復(fù)用技術(shù)的實(shí)用化。光纖通信技術(shù)的三次飛躍(3)1.1.3國內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀三種網(wǎng)絡(luò)的不同要求三種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有著不同的性質(zhì)決定了這三種網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備開發(fā)的不同考慮：

Long-haul:CapacityMetro:SmartAccess:Cost新的傳輸技術(shù)層出不窮色散管理技術(shù)L波EDFA，RAFEC技術(shù)色散與色散斜率的補(bǔ)償PMD補(bǔ)償技術(shù)OTDM技術(shù)與光孤子技術(shù)關(guān)鍵原材料光纖預(yù)制棒網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)測試設(shè)備光纖光纜光傳輸/交換設(shè)備光無源器件光有源器件運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)集成商光纖通信的產(chǎn)業(yè)鏈全球光纖通信主要供應(yīng)商1.2光纖通信的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用1.2.1光通信與電通信

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(diǎn)

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：300mm~6×10?3

mm。常用通信光載波頻率~190THz電磁波譜圖1.2各種傳輸線路的損耗特性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）

1.2.2光纖通信的優(yōu)點(diǎn)

?容許頻帶很寬，傳輸容量很大?損耗很小，中繼距離很長且誤碼率很小?不受電磁干擾，保密性好?泄漏小，保密性能好?光纖材料來源豐富，可節(jié)約大量有色金屬(如銅、鋁)，且直徑小、重量輕。光纖與電話雙絞線對比圖光纖通信的缺點(diǎn)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(diǎn)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(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：①電信網(wǎng)②構(gòu)成因特網(wǎng)的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)③有線電視網(wǎng)的干線和分配網(wǎng)④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(diǎn)(COT)業(yè)務(wù)接入節(jié)點(diǎn)（RT）網(wǎng)管SNMP與電信網(wǎng)管中心相連Q3100/1000ME1/BRA/PRA155M622MSDH典型應(yīng)用之一：寬帶綜合業(yè)務(wù)光纖接入系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)NSFCnet網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)說明：NSFCnet由六個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，以清華為匯接點(diǎn)構(gòu)成兩個(gè)環(huán)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，清華、北大和中科院三點(diǎn)構(gòu)成二纖雙向自愈環(huán)采用WDM傳輸技術(shù)，在清華和北大之間通過在實(shí)驗(yàn)室中加光纖進(jìn)行400公里廣域網(wǎng)模擬試驗(yàn)；在其它節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的環(huán)中采用單路SDH/SONET傳輸技術(shù)。通信機(jī)房大學(xué)里的光通信實(shí)驗(yàn)室（研究）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(qiáng)無源傳感、寬帶傳輸光纖的其它應(yīng)用：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(shí)時(shí)的目標(biāo)圖像同時(shí)要求控制線輕巧水下通信系統(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(jìn)行控制雷達(dá)：要求保證雷達(dá)室與作戰(zhàn)情報(bào)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(bào)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(shí)需要手術(shù)的部位在人體腔道內(nèi)，這就要求激光能拐彎。目前大多數(shù)醫(yī)療激光可以通過石英光纖來實(shí)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(jī)載電子1.3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(jī)調(diào)制信源光調(diào)制光解調(diào)解調(diào)信宿光端機(jī)電端機(jī)光端機(jī)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

下圖示出單向傳輸?shù)墓饫w通信系統(tǒng)，包括發(fā)射、接收和光纖。

基本光纖傳輸系統(tǒng)的三個(gè)組成部分1、光發(fā)送機(jī)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(dòng)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)制的兩種實(shí)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(dòng)電流，使輸出光隨電信號變化而實(shí)現(xiàn)。這種方案技術(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。電信號對光的調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方式外調(diào)制把激光的產(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)。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。2.光纖線路

功能：是把來自光發(fā)射機(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)

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0.85μm、1.31μm和1.55μm有三個(gè)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)，都要和光纖的波長窗口相一致。目前在實(shí)驗(yàn)室條件下，1.55μm的損耗已達(dá)到0.154dB/km，接近石英光纖損耗的理論極限。0.70.80.91.01.11.21.31.41.5衰減（dB/km）第一窗口第二窗口波長——λ（μm）普通單模光纖的衰減隨波長變化示意圖6543210。40。2第三窗口