光纤通信第1章

自由空间频率（Hz）
101 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015
频段 划分 电力、电话
传 输 介 质
无线电、电视
微波
AM无线电 FM无线电 卫星/微波 同轴电缆 双铰线
红外 可见光
光纤
107 106 105 104 103 102 101 100 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6
光纤通信
主讲人：李丽君
山东科技大学信息ห้องสมุดไป่ตู้电气工程学院 Email: nankaillj 163 二零一二年四月
“通信专业人才”市场需求
• 加工制造人员：这主要是给各个通信电子产品制造企业培 养一线懂技术，懂原理的高素质技术型工人。目前，我国 精加工制造业质量在世界水平中并不高，主要是因为我国 一线工人的文化素质偏低，只懂操作，不懂技术。所以， 就此考虑这方面的就业前景最为看好。
P peak
一般只用于低速的 P -3 dB
系统。
BW
➢分布反馈式（DFB）和分布布拉格反射式 （DBR）半导体激光器
• 采用DFB和DBR结 构，可以实现单模 输出，是目前密集 波分复用系统中的 主流光源。
• 单模输出有利于实 现长距离和高速率
P peak
的传输。
➢ PIN型光接收器
• PIN型光接收器的基本构造如下图所示：由 三部分构成p型半导体，n型半导体和中间 层。
1966年，英籍华人高锟（C. K. Kao)预见利用玻璃可以制成衰 减为20dB/Km的通信光导纤维（即光纤）。当时世界上最优秀 的光学玻璃衰减高达1000dB/Km。
1970年，美国康宁（Corning）公司首先研制成衰减为20dB/Km的光 纤。从此，光纤就进入了实用化的发展阶段，世界各国纷纷开展光纤 通信的研究。
用办公软件和专业软件； （6） 获得较好的工程实践训练，具有一定的科研和实际工
作能力； （7）具有一定组织管理和对外联系业务的能力； （8）掌握文件检索、资料查询的基本方法。
课程性质和目的
性质: 本门课程为专业选修课，共50学时，其中课堂
教学44学时，实验教学6学时，学分3。 目的： ➢ 了解光纤通信系统构成及其关键技术； ➢ 理解和掌握光纤传光、激光产生、信号调制、放
不同种类的光纤也相继研发出来，比如色散位移光纤、保偏光 纤、掺杂光纤、塑料光纤、光子晶体光纤等等。
光纤通信发明家高锟(左) 2019年在英国接受IEE授予的奖章
(2)光纤通信系统中使用的光源经历了从发光二极管到半导 体激光器的进步。光探测器也达到了GHz的响应灵敏度。
目前，半导体激光器不仅可以在室温下工作，而且其直 接调制速率可以达到10Gbit/s乃至更高，逐渐满足了高 效率、高速率、低啁啾、大功率、长寿命等要求。光纤 与光源的逐年进步解决了衰减和色散问题，其结果是增 加了光纤系统的通信容量。
光探测器发展异常迅速。
(3) 90年代初，光放大器的问世引起了光纤通信技术的重大 变革，这在光通信史上具有里程碑的意义。它节省了光电变换 的中继过程，而且实现了波长透明、速率透明和调制方式透明 的光信号放大，从而诞生了采用波分复用（WDM）技术的新 一代光纤系统商用化。
光放大器都是由增益介质、能源、输入输出耦合结构组成。 根据增益介质的不同，目前主要有两类光放大器：
• PIN型光接收器的工作原理。
• 光调制技术 • 光放大技术 • 光通信路由技术 • 其他相关技术
1.2 光通信技术优缺点
现代通信网的三大支柱是光纤通信、卫星通信和无线电 通信，而其中光纤通信是主体，这是因为光纤通信本身具有 许多突出的优点：
频带宽，通信容量大。 损耗低，中继距离长。 抗电磁干扰。 无串音干扰，保密性好。 光纤线径细、重量轻、柔软。 光纤的原材料资源丰富，用光纤可节约金属材料。
光通信窗口新的划分：1570-1604nm称为L波段，短于1525nm的波 长范围称为S波段，这个波段因为全波光纤的研制成功可以扩展到 1365nm。这两个波段又可以分别称为光通信的第4窗口和第5窗口。
1.3.2 光纤通信系统的发展
（1）在数十年的发展过程中，光纤通信系统经历了三代：
① 工作波长为0.85μm多模光纤光通信系统； ② 工作波长为1.31μm多模光纤光通信系统和单模光纤光通信系统； ③ 工作波长为1.55μm单模光纤光通信系统。而色散位移光纤（DSF，
波长——λ（μm）
L波段
Fig 1.5 普通石英光纤的衰减随波长变化示意图
Fig 1.6 光缆的结构
➢ 常用单模光纤
• G.652光纤
– 即常规单模光纤，在1310nm波长工作时，理论色散值为零； 在1550nm波长工作时，传输损耗最低，但色散系数较大。单 通路速率达到STM-64时，需要采取色散调节手段。
一类是用活性介质，如半导体材料和掺稀土元素（如Nd， Sm， Ho，Er，Pr，Tm和Yb）的光纤，利用受激辐射机制 实现光的直接放大，如半导体激光放大器和掺杂光纤放大器； 一类是基于光纤的非线性效应，利用受激散射机制实现光的直 接放大，如光纤喇曼放大器和光纤布里渊放大器。
在光纤放大器被新一代波分复用系统广泛使用的同时，光纤放大器 的研究和开发也在不断进步。
22本章主要内容本章主要内容11光纤通信系统及关键技术12光纤通信技术优缺点13光纤通信的发展历程通信波段及传输介质10101101010210111031012104101310510141061015自由空间波长m电力电话无线电电视微波红外可见光同轴电缆光纤卫星微波am无线电fm无线电频段划分自由空间频率hz111光纤通信的概念及当前光纤通信基本系统1
• 光纤中的成缆 干线缆(架空光缆,直埋光缆,海底光缆,复合光缆……) 96芯以下局内光缆 芯数少，比干线缆柔软的用户缆 ， 根据需要几百芯或几千芯,纤芯为带状光纤等。
6
衰减（dB/km）
5
第一窗口
4
3
2
1
0。4 0。2
C 波段
1525~1565nm 第二窗口
第三窗口
0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.57 1.62
• G.653光纤
– 在1550nm波长工作时性能最佳，又称为色散位移光纤。零色 散点从1310nm移至1550nm波长区。
• G.654光纤
– 截止波长位移的单模光纤，它的设计重点是降低1550nm波长 处的衰减。主要应用于需要很长再生段距离的海底光纤通信。
• G.655光纤
– 又称之为非零色散移位单模光纤，零色散点移至1570nm或 1510…1520nm附近，使1550nm处具有一定的色散值。色散受限距离 达数百公里。可以有效的减少波分复用系统的四波混频的影响。
自由空间波长（m）
通信波段及传输介质
1.1光纤通信系统及关键技术
1.1.1光纤通信的概念及当前光纤通信基本系统 1.光纤通信的概念：
光纤通信是利用近红外线区波长l微米左右的光 波作为信息的载波信号，把电话、电视、数据等电 信号调制到光载波上，再通过光导纤维(简称光纤) 传输信息的一种通信方式。
2.当前光纤通信基本系统
G.653）是应用于第三代光纤通信系统的一项重要成就。普通单模 光纤的零色散点在1.31μm附近，色散位移光纤将零色散点从 1.31μm移到1.55μm，有效地解决了1.55μm光通信系统的色散问 题。
高锟博士早就指出降低玻璃内的过渡金属杂质离子是降低光纤 衰耗的主要因素。后来研究发现OH离子对衰耗也有重要影响， 通过限制上面两方面的杂质离子，1980年，光纤衰减就降低到 了0.2dB/Km，接近理论值。这就使得长距离的光纤通信成为 可能，这在光纤通信史上具有里程碑的意义。
我国目前也有相当多的公司可以拉制性能很好的通信光纤，比 如长飞、大唐电信等等。
➢ 光纤的性质
• 光纤的损耗 损耗特性与光的工作波长有关,在三个工作窗口有相对 小的损耗: 第一窗口光工作波长0.85μm,损耗稍大。 第二窗口光工作波长1.31μm,损耗中等。 第三窗口光工作波长1.55μm,损耗最小。
• 光纤的色散 由于光纤所传输信号中不同模式或不同频率成分因传 输速度的不同而引起传输信号发生畸变的一种物理现象。
• 光纤： 光纤通信系统中的传输介质是光纤。
• 接收器： 光接收器的关键设备是光检测器，其主要功能就是 把光信息信号转换回电信号(光电流)。当今光纤通 信系统中的光检测器是个半导体光电二极管(PD)。
1. 光纤技术
➢ 光纤的结构
• 纤芯：折射率较高，用来传送光； • 包层：折射率较低，与纤芯一起形成全反射； • 涂覆层：保护光纤。
4、[美] 约瑟夫·C ·帕勒里斯，《光纤通信》， 第五版，电子工业出版社，2019年。
第一章 概 论
1、学习目的和要求: 了解光纤通信系统组成、光纤通信发展中的重 要历程以及光纤通信的特点等; 掌握光纤通信的概念和光纤通信系统框图。
2、本章主要内容 1.1光纤通信系统及关键技术 1.2光纤通信技术优缺点 1.3光纤通信的发展历程
• 一般管理人员：这个层次的人员是企事业或部门中的一般 管理人员，维护和管理单位的通信和网络设备。这部分工 作要求学生对通信基础知识有较为深刻的理解，能独立维 修和管理设备。能给单位提供良好的通信技术支持。
• 通信工程师：这个层次要求学生完全掌握通信基础知识， 对通信设备能安装、调试、维护升级和改进。能参与设计 和开发新型通信设备。了解本专业的发展前沿，具有一定 的科学研究和实际工作能力。
2. 光源与光检测技术
• 光源主要有 发光二极管， F-P腔半导体激光器 分布反馈式（DFB)半导体激光器 分布布拉格反射式（DBR)半导体激光器 • 光接收器主要包括 PIN型光接收器
雪崩型二极管
➢ 发光二极管（LED）
• LED的发光机理 是在电场作用下， 半导体中载流子的 复合。
• LED带宽较宽，
大、探测、光纤通信系统及光同步数字传输网等 基本原理; ➢ 培养分析和解决光纤通信系统的调试、安装等实 际问题的能力，为今后学习和工作奠定基础。
本门课程包括的主要内容
第一章 概述 第二章 光纤的传输理论 第三章 光源与光发送机 第四章 光检测器与光接收机 第五章 光纤通信系统与通信网 第六章 光缆的连接与测试
➢ 教 材：
李丽君，徐文云，《光纤通信》，第一版，北京 大学出版社，2019年。
➢ 推荐参考书：
1、顾畹仪，李国瑞，《光纤通信系统》，第一版， 北京邮电大学出版社， 2019年。
2、陈才和，《光纤通信》，第一版，北京工业技术 出版社， 2019年。
3、李履信，沈建华，《光纤通信系统》，第一版， 机械工业出版社，2019年。
电子、
光、电
信
光
放大
子
信
息
发送端 Fiber 器
Fiber 接收端
息
机
机
Fig1.1 当前典型的点--点光纤通信链路的基本框图
1.1.2 光纤通信关键技术
• 发送器： 发送器的核心是一个光源，其主要功能就是将一个 信息信号从电子格式转换为光格式。可采用发光二 极管(LED)或激光二极管(LD)作为光源。
最近五年，技术上已经成熟的多种类型的光放大器（EDFA、GSEDFA、TDFA、GS-TDFA和RFA）已经覆盖了1365-1650nm波长范 围，使得在上述范围内实施波分复用成为可能。
拉曼放大器（RA）利用了光纤中的拉曼散射效应实现光信号的放大。 由于受激拉曼散射效应的阈值很高，随作近年来大功率半导体激光 器的研制成功，这项光放大技术已经开始走向实用。
光纤通信时也具有如下缺点：
光纤弯曲半径不宜过小； 光纤的切断和连接操作相对复杂； 分路、耦合相对麻烦。
1.3 光纤通信的发展历程
1.3.1 光纤通信技术的逐年进步
(1) 光纤通信是以光作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信 方式。光纤通信技术是30年来迅猛发展起来的高新技术，给世界 通信技术乃至国民经济、国防事业和人民生活带来了巨大变革。
能力结构
（1）了解通信工程学科理论前沿发展趋势，具备对通信系 统和通信网络设计、开发、调试、工程应用和维护的基本 能力；
（2） 具有工程计算、电子线路的设计及制作能力； （3） 能阅读和绘制电子产品线路图并分析工作原理； （4）具备听、说、读、写的能力和翻译外文资料的基本能
力； （5）具备计算机的基本操作和编程的能力，熟悉并掌握常
纤芯 包层
涂覆层
Fig 1.4 光纤结构示意图
菲涅耳定律：n1sinθ1=n2sinθ2
n1
θ1 θ1
n2
θ2
n1
θ1 θ1
n2
θ2
n1<n2
n1>n2
结论：若要实现全反射，则必须有 n1>n2，θ1 > θc时发生全反射 θc为临界角
n2 n1 φ
max
Φmax=arcsin(NA)
N An12n2 2n1 2Δ