第1章光通信概述

电缆和光纤的损耗和频带比较
三、现代光通信技术的产生和发展
1、1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送
话音的“光电话”。贝尔光电话是现代光通信的雏型。 2、1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石 激光器， 给光通信带来了新的希望。激光器的发明和应用 ， 使沉睡了近百年的光通信进入一个崭新的阶段。
外调制
把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激 光器的输出光而实现的。
外调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成 本较高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信 系统中使用。
两种调制方案 (a) 直接调制； (b) 间接调制(外调制)
（2）光纤线路：是把来自光发送机的光信号
，以尽可能小的畸变(失真)和衰减传输到光接 收机。
的“电子瓶颈”问题成为限制通信网络吞吐能力 的主要因素.
全光网络中各节点信号的连接和交换在光域内进行， 波长路由就是指这种连接和交换依据波长来确定， 亦即 当光信号从输入端（信号源）传送到输出端（用户）时 ， 是根据它们的波长进行路由选择的。
从光电混合网向全光网过渡仍有很长的路要走，主要 因为光信息处理技术不成熟，如光缓存、光逻辑等都还 处在实验室研究阶段；
两个基本条件：
1、光源 2、传输光的介质
1.1 光波的电磁频谱
考研面试常问问题1：可见光的波长范围是多少？ 考研面试常问问题2：目前光通信的波段是多少？
1.2 光通信发展 一、原始形式的光通信
古代通信形 式
一、原始形式的光通信
——烽火台报警通信（目视通 信）
缺点：信息量小，受环境影响大
烽火台告诉我们关于现代通信的两个概念：
激光器发出的激光与普通光源发出的光相比， 其 光束的强度高， 方向性好， 光谱的范围小， 相位和频 率一致性好， 其特性与无线电磁波类似， 是一种理想的 通信载波， 可用来携带信息进行长距离传输
在这个时期，美国麻省理工学院利用He-Ne激光器 和CO2激光器进行了大气激光通信试验。 这一阶段研究的重点主要是解决光的传输路径问题 ：
90年代以后，除用户线外，光纤传输已经完全取代了传统
的电缆通信，成为通信网的主体。
光纤通信技术成为主流技术，以异乎寻常的速度发 展，人类进入了光通信时代。
7、其他光通信技术的发展
大气激光通信技术：虽不是主流技术，但发展并 未停滞。在一些不宜铺设光纤的地区，如海岛，海岛 陆地之间还是有很好的发展空间。
（1）光通信
（2）接力通信
由于人们无法解决光向四面八方散射时光强减弱和不能通过障 碍物的问题。直到上世纪六十年代初，光通信都没有什么重大的进 展。它仅仅作为一种信号灯使用，如:
马路上的红绿灯
机场上的跑道标志灯等等。
二、19世纪中叶，电通信出现 ——电报、电话以及无线电通信等
缺点：随着科技的发展，容量越来越难满足要 求 1837年，美国人莫尔斯发明了电报；
（3） 不能传送电力。
有时需要为远处的接口或再生的设备 提供电能， 光缆显然不能胜任，在光缆系统中还必须额外使用金 属电缆。
（4） 需要专用的工具、 设备以及培训。
需要使用专用工具完成光纤的焊接以及维修； 需 要专用测试设备进行常规测量； 光缆的维修既复杂又 昂贵， 从事光缆工作的技术人员需要通过相应的技术 培训并掌握一定的专业技能。
由于光纤和半导体激光器的技术进步，使 1970 年成为光
纤通信发展的一个重要里程碑
6、实用光纤通信系统的发展 1976 年，美国在亚特兰大(Atlanta)进行了世界上第一个实 用光纤通信系统的现场试验。 1980 年，美国标准化FT - 3光纤通信系统投入商业应用。 1976 年和 1978 年，日本先后进行了速率为34 Mb/s的突变 型多模光纤通信系统， 以及速率为100 Mb/s的渐变型多模光纤通 信系统的试验。 …………
3、1966年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆
(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，指出
了利用光纤(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术
途径，奠定了现代光通信——光纤通信的基础。
论文针对当时损耗达1000dB/km的情况指出：这 样大的损耗不是石英玻璃光纤本身固有的基本特性，而 是由于材料中带有杂质，如含有过渡金属离子造成的。 材料本身的损耗由瑞利散射决定的，它随波长的四次方 下降，损耗很低。
贝尔发明了电话；
马可尼、波波夫发明了无线电通信。
一直到20世纪60年代，电通信都在通信领域 处于绝对的统治地位。
三、20世纪60年代以后，现代光通信出现 ——光纤通信等
光纤通信的特点： (1) 通信容量大； (2) 传输距离长； (3) 抗电磁干扰； (5) 适应环境，重量轻， 安全等。
光纤光 缆
线路(接续) 盒
包含多根光纤，可架空铺设， 也可以铺设 在管道内， 或直埋于地下， 或铺设于海底；
光缆一般2km一盘，盘与盘相连采用光缆 盒
中继 器
用于光信号的恢复与放大，目前广泛采用 EDFA作为中继器
（3）光接收机机：是把从光纤线路输出、产生畸变
和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理 后恢复成发射前的电信号。
光输 入
耦合 器
电子电 路
光电检测器
电信号输出 解调器
检测方式：直接检测和外差检测 直接检测：
将探测器上的光功率直接转化为电信号输出。 这种方案实现起来容易，节省成本，但噪声大。对于 弱信号探测时，失真较大。
外差检测：
通过本振激光器混频实现信号探测。 这种方案适用于微弱信号探测，噪声低，灵敏度高。 但技术复杂，成本较高。
3、光纤通信的优势： （1）巨大的传输带宽。
光纤低损耗频段为0.8-1.65um，单根光纤的可 用频带几乎达到200THz，即使在1.55um处，带宽也 可以达到15THz。
（2）极低的传输损耗。
1.55um波段损耗已降至0.2dB/km以下。同时 EDFA技术的发展，可以有效补偿光纤损耗。
（3）抗电磁干扰，不向外辐射电磁波，提高 了保密性，又不产生电磁污染。
1.3 光通信系统组成
1.光源； 3.光发送机； 5.光检测器；
2.光源调制 4.信道 6.光接收机
举例：光纤通信系统构成
（1）光发送机：一般由半导体光源(核心)、驱动器
和调制器等组成，将待发送的电信号进行电/光转换, 并将转换出的光信号最大限度的注入光纤中进行传输 。
驱动电路 电信号输入
半导取得了实质性的进展
1970年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联先后 ，研制成功室温下连续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器 (短波长)。虽然寿命只有几个小时，但它为半导体激光器的发展奠定 了基础。
1973 年，半导体激光器寿命达到7000小时。 1976年，日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3 μm的铟镓 砷磷(InGaAsP)激光器。 1977 年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时。 1979年美国电报电话(AT&T)公司和日本电报电话公司研制成 功发射波长为1.55 μm的连续振荡半导体激光器。
调制器 光输出
光源：输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽 度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定， 器 件寿命长。
调制的实现方式：
直接调 制
用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管 的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。
方案技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率 受激光器的频率特性所限制。
第1章光通信概述
2020年7月23日星期四
本书内容
1. 光通信概述 2. 光通信的理论基础 3. 光纤 4. 光通信器件 5. 光纤通信系统 6. 光网络 7. 无线激光通信
第1章 光通信概述
讲述光通信的发展概况，光通信系统的 主要组成部分，光通信系统的基本问题
与主要性能指标
什么是光通信？
光通信就是将光波作为载体来实现信息传输 。
光纤通信系统避免了电缆间由于相互靠近而引 起的电磁干扰。金属电缆发生干扰的主要原因就是金 属导体向外泄漏电磁波。由于光纤的材料是玻璃或塑 料，都不导电，因而不会产生电磁波的泄漏， 也就不 存在相互之间的电磁干扰。
(4) 重量轻， 安全， 易敷设。
光缆的安装和维护比较安全、简单，这是因 为：首先，玻璃或塑料都不导电， 没有电流通过或 电压的干扰；其次， 它可以在易挥发的液体和气体 周围使用而不必担心会引起爆炸或起火；第三，它 比相应的金属电缆体积小, 重量轻, 更便于机载工作 ，而且它占用的存储空间小，运输也方便。
继器，大大提高了光通信的性能；
如今，更宽带宽的光放大器不断地出现，可进一步 提高光通信的容量。
4、WDM复用技术 利用WDM技术， 可使光纤传输容量获得突
破。 WDM的基本思想是将工作波长略微不同、 各自携带了不同信息的多个光源发出的光信号 ， 一起注入同一根光纤进行传输。
5、全光透明网络： 由于电子器件本身的物理极限，交换过程引入
1.5光通信技术展望
1、光源 光纤通信采用的光源是半导体光源， 如半导体发光
二极管LED、 半导体激光器LD。
2、光纤 1984年，单模光纤取代了多模光纤， 使得光纤通信
系统的容量又有了很大增长。
如今，各种各样的新型光纤的出现，进一步
提高了通信的容量与质量。
3、光放大器 掺铒光纤放大器（EDFA）代替了传统的光-电-光型的中
(5)寿命长。
尽管还没有得到证实， 但可以断言， 光 纤通信系统远比金属设施的使用寿命长， 因为光缆 具有更强的适应环境变化和抗腐蚀的能力。
4、光纤通信的不足：
（1）接口昂贵。
在实际使用中， 需要昂贵的接口器件将光纤接到 标准的电子设备上。
（2）强度差。