第1章 绪论电子通信专业PPT课件
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Communications)
光信息科学与技术
参考书目
1. 《光纤通信原理与应用》方志豪 电子工业出版社 2. 《光纤通信》原荣 编著 电子工业出版社 3. 《Optical Fiber Communications 》Gerd
Keiser 高等教育出版社 4. 《光纤通信导论》邱昆 编著 电子科技大学出版社 5. 《光纤通信系统》杨祥林 编著 国防工业出版社 6. 《光纤通信》刘曾基等编著 电子科技大学出版社
单向传输的光纤通信系统，包括发射、接收和作为广义信道的 基本光纤传输系统。
发射
信 息 源
电 发 射 机
电信号
输入
基本光纤传输系统
光
发
光纤线路
射
机
光信号
光信号
输出
输入
接收
光 接 收 机
电 接 收 机
信 息 宿
电信号
输出
基带信号：由信息源转换的用户原始电信号
电发射机将基带信号转换为适合信道传输的信号，转换如果需 要调制，则称为已调信号
2、光纤通信的三个窗口指什么？ 3、光纤通信中对光源的要求是什么？ 4、光纤通信中对检测器的要求是什么？
第一章 光纤通信概述
1.1 光纤通信技术的发展史及现状 1.2 光纤通信系统组成 1.3 光纤通信的分类 1.4 光纤通信系统的主要性能指标
1.3 光纤通信的分类
波长 传输模式 信号方式
短波长: 0.85um 长波长:1.3um, 1.55um
1.1 光纤通信技术的发展史及现状
7. 光纤通信的应用
光纤宽带干线传输网和接入网是目前应用开发的主要 目标。各种应用可概括如下：
① 通信网 包括全球通信网、各国的公共电信网、各种专用通信 网、特殊通信手段等
1.1 光纤通信技术的发展史及现状
② 计算机局域网和广域网 如光纤以太网
③ 有线电视网的干线和分配网 如工业电视系统、自动控制系统的数据传输
2. 光纤通信
以光波为载体(l=800~1600nm),以光纤 为传输媒质,将信号从一处传输到另一处的 通信手段.
电通信: Electrical communications 以电波为载波，如电缆通信和微波通信
1.1 光纤通信技术的发展史及现状
3. 现代通信方式示意图
信息
用户 终端
用户 环路
交换 设备
继续向前传播，必须对光波进行放大
(Optical amplifier)
中继器
光纤
光纤
放大方式:
光-电-光(O-E-O)放大器
光纤放大器(FA)
掺铒光纤放大器(EDFA): 1.55um
Erbium (Er)
掺镨光纤放大器(PDFA): 1.31um
Praseodynium (Pr)
掺铥光纤放大器(TDFA): 1.40um
二次群光纤通信系统
1.2 光纤通信系统组成
1. 光发射机 将带有信息的电信号转换成光信号的转换装置
和将光信号送入光纤的传输装置 2. (Transmit
ter)
光发射机由光源、调制
器和信道耦合器组成。
光源是核心, 须满足:
1. 波长须在传输光纤的低损 耗窗口波段
2. 光源的发射功率要大 3. 调制特性和发光／消光
1.1 光纤通信技术的发展史及现状
5. 光纤通信器件的发展过程
雏形：古代烽火、手旗、灯光
1880年 贝尔的光电话
激光器(发送源）
光纤(传输介质)
1960 Maiman发明红宝石激光器 1962 半导体激光器诞生(GaAs 870nm)
1951 医用玻璃纤维(损耗1000dB/km) 1966 高锟 理论预言
1.2 光纤通信系统组成
5. 光无源器件 光纤通信系统中不需要通电即可工作的器件,
(Passive
是通信系统构成、功能扩展、性能提高的不
components) 可缺少的器件，包括：
光耦合器 常用于需要传输的光分路、光合路以及光耦合 (Coupler)
光隔离器 在光通路中防止光反射回光源，即只允许光 (Isolator) 单向传输的无源器件
1.2 光纤通信系统组成
驱动电路
光源
调制器
光发射机
光纤
中继器
光电二极 管
光纤
放大器 判决器
光接收机
组成基本单元: 光发射机、光纤光缆、中继器与光接收机
互连与光信号处理器件: 光纤连接器、隔离器、调制器、滤波 器、光开关及路由器、分插复用器ADM等。
【例1-1】 基群光纤通信系统
基群光纤通信系统
【例1-2】 二次群光纤通信系统
光纤
0.1 10 M 100 M 1 G 10 G 100 G 1 T 10 T 100 T 1000 T
频 率/Hz
(注) M： 106 G： 109
各种传输线路的损耗特性 T： 1012
1.1 光纤通信技术的发展史及现状
光纤通信优点:
宽频带: 光波频率很高，光纤传输的频带很宽， 故传输容量很大，理论上可通上亿门话路或上 万套电视，可进行图像、数据、传真、控制等 多种业务；
为实现高速长距离传输，要求光纤具有低损耗和低 色散特性。
损耗(attenuation), 色散(dispersion), 失真(distortion)
1.2 光纤通信系统组成
光纤损耗曲线及三个通信窗口
850nm
1310nm 1550nm
1.2 光纤通信系统组成
3. 光放大器 由于光纤的损耗致使光功率减弱，要使光波
（响应速度）特性要好 4. 可靠性要高，寿命要长
1.2 光纤通信系统组成
2. 光纤 (Fiber)
光纤通信系统光波传输的媒体,由高折射率的纤芯 和低折射率的包层和塑套构成，将光信号从光发 射机无失真地传送到光接收机.
光纤
光纤
基本特性参数：
损耗（dB/km）：直接影响通信距离。
色散（ps/nm.km）：将引起光脉冲信号展宽和码 间串扰，影响通信距离和容量。
FR(Frame Relay)
TV
ATM(Asynchronous Transfer Model)
SNMP(Simple Network Management Protocal)
622M SDH
PSTN/ISDN
业务分配节点 (COT)
DDN/ FR ATM
Internet骨干网
SNMP Q3 网管
电复接 设备
发 送 机
信息
用户 终端
信息
用户 终端
用户
交换
电复接
接
环路
设备
设备
收 机
信息
用户 终端
卫星通信
微波通信 光纤通信 移动通信
传输系统
用户终端• 现代通信方式示电意复图接设备
信息
用户 终端
交换设备
用户
交换
电复接
发
环路
设备
设备
送 机
信息
用户 终端
接入网 信息
用户 终端
用户 环路
交换 设备
电复接 设备
1998年在英国接受IEE授予的奖章
光纤通信发明家高锟(左)
2009年获诺贝尔物理学奖
1.1 光纤通信技术的发展史及现状
6. 光纤通信技术的发展阶段
发展围绕光纤通信的四个关键因素展开:
阶光段纤+光源+放大器+探测器特征
第一阶段 开发时期(由基础研究到商业应用)：短波长 (1966-1976) (0.85um)低速率(45Mb/s)多模光纤系统(G.651)
中国科技网讯 2012年12月16日，武汉邮科院牵头 承担的国家973项目“超高速超大容量超长距离光 传输基础研究”取得T比特级超长距离光传输新纪 录，通过采用高谱效率调制、高性能前向纠错编码 和特有的非线性补偿技术，完成了单通道 1.031Tbit/s普通标准单模光纤12160公里的传输 系统实验。目前国际上已报道的最高水平是单通道 1Tbit/s传输1万公里。
低损耗: 中继距离长且误码率低; 抗干扰: 不受电磁干扰，保密性好； 低成本: 光纤材料来源丰富，可节约大量有色金
属(如铜、铝)，且直径小、重量轻。
1.1 光纤通信技术的发展史及现状
光纤通信缺点: 弯曲受限: 敷设光纤/光缆的弯曲半径不能太
小，否则导致弯曲辐射损耗增加； 连接困难: 要求较好的切断、连接技术; 分路困难: 光纤的分路、耦合较麻烦； 不能传送电力: 远处的再生设备需要电能； 器件昂贵: 如激光器、放大器等 。
频率及单个光子能量。 5、假设数字通信系统能够在高达1%的载波频率下工作，试问
在5GHz的微波载波和1.55um的光载波上能传输多少 64kb/s的话路？
第一章 光纤通信概述
1.1 光纤通信技术的发展史及现状 1.2 光纤通信系统组成 1.3 光纤通信的分类 1.4 光纤通信系统的主要性能指标
1.2 光纤通信系统组成
接 收
机
信息
用户 终端
卫星通信
微波通信 光纤通信 移动通信
传传输输系系统统
1.1 光纤通信技术的发展史及现状
4. 光纤通信技术的主要优缺点
通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带宽度，载波 频率越高，频带宽度越宽。
1000
传输损耗/(dB·km － 1)
100 10
标38准mm同海轴底同轴
1
51 mm波导器
④ 综合业务光纤接入网 实现电话、数据、视频、多媒体业务综合接入核心网， 提高各种社区服务
PSTN(Public Switched Telephone Network) ISDN(Integrated Service Digital Network)
DDN(Digital Data Network)
Thulium (Tm)
全光波段的拉曼光纤放大器(RFA): 1.27um-1.67um
EDFA: Erbium-Doped Fiber Amplifier
1.2 光纤通信系统组成
4. 光接收机 将光信号转换成电信号的装置，由光电探测器
和放大处理电路组成。 (Receiver)
光电探测器是核心, 须满足: 1. 高的灵敏度 2. 低的噪声 3. 快的响应速度 4. 足够的带宽 5. 对温度变化不敏感 6. 尺寸小并能与光纤匹配 7. 价格合理，寿命长
1.2 光纤通信系统组成
光开关 用于光源备份的光路切换，逻辑、数字光 (Switch) 通信系统中的光路选择和光交换。
光开关分为机械式和非机械式两类：
机械开关采用移动光纤或反射镜的方法来转换光路 非机械式开关有：电光开关、磁光开关和集成光 路光开关
1.2-练习
1、光纤通信系统由哪几部分组成?简述各部分的作 用。
第二阶段 发展时期(提高传输速率和距离)：长波长 (1976-1986) (1.31um,1.55um)中速率(140-565Mb/s)单模光
纤系统(G.652) 第三阶段 新技术研究时期:色散位移光纤系统，外调制技 (1986-1996) 术等 第四阶段 大容量和光网络时期：波分复用(WDM)光纤系统 (1996-至今) 及光网络，超长距离的光孤子通信
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章
内容
光纤通信概述 光纤与光缆 光无源器件 光源与光发射机 光探测器和光接收机 数字光纤通信系统 模拟光纤通信系统 光纤通信新技术 光纤通信网络
光纤通信
第一章 光纤通信概述 (Overview of Optical Fiber Communications)
70 年代室温工作LD (GaAsAI 850nm)
1300、1550nm 多模LD
单模LD
1970 康宁制出低损耗光纤 (20dB/km)
1300(0.5dB/km),1550nm(0.2dB/km) 低损耗窗口光纤开发
单模光纤
聚焦在话筒震动片的光束随着话 音震动而使反射光的强弱变化
光纤通信发明家高锟(左)
第一章 光纤通信概述
(Overview of Optical Fiber Communications)
1.1 光纤通信技术的发展史及现状 1.2 光纤通信系统组成 1.3 光纤通信的分类 1.4 光纤通信系统的主要性能指标
1.1 光纤通信技术的发展史及现状
1. 通信 “通”传送，“信”信息；信息的传送 基本组成：发送、传输、接收
1.2 光纤通信系统组成
光纤连接器 各种设备部件与光纤之间的连接。 (Connector)
光波分复用器／解复用器 (Multiplexer/De-Multiplexer)
将多路光信号合成或分开的光无源器件 薄膜滤波器型 集成光学光波分复用器／解复用器型
阵列波导光栅(AWG: Arrayed Waveguide Grating) 布喇格光栅(BG: Bragg Grating)
业务接入节点（RT）
E1/BRA/PRA
100/1000M 155M
与电信网管中心相连
典型应用之一：宽带综合业务光纤接入系统拓扑结构
典型应用之二：作为校园网的骨干传输网
1.1-练习
1、什么是光纤通信? 2、光纤通信的优点有哪些? 3、光纤通信的各发展阶段的特征是什么? 4、光通信系统工作波长为0.88um,1.3um和1.55um，计算载波
光信息科学与技术
参考书目
1. 《光纤通信原理与应用》方志豪 电子工业出版社 2. 《光纤通信》原荣 编著 电子工业出版社 3. 《Optical Fiber Communications 》Gerd
Keiser 高等教育出版社 4. 《光纤通信导论》邱昆 编著 电子科技大学出版社 5. 《光纤通信系统》杨祥林 编著 国防工业出版社 6. 《光纤通信》刘曾基等编著 电子科技大学出版社
单向传输的光纤通信系统，包括发射、接收和作为广义信道的 基本光纤传输系统。
发射
信 息 源
电 发 射 机
电信号
输入
基本光纤传输系统
光
发
光纤线路
射
机
光信号
光信号
输出
输入
接收
光 接 收 机
电 接 收 机
信 息 宿
电信号
输出
基带信号：由信息源转换的用户原始电信号
电发射机将基带信号转换为适合信道传输的信号，转换如果需 要调制，则称为已调信号
2、光纤通信的三个窗口指什么？ 3、光纤通信中对光源的要求是什么？ 4、光纤通信中对检测器的要求是什么？
第一章 光纤通信概述
1.1 光纤通信技术的发展史及现状 1.2 光纤通信系统组成 1.3 光纤通信的分类 1.4 光纤通信系统的主要性能指标
1.3 光纤通信的分类
波长 传输模式 信号方式
短波长: 0.85um 长波长:1.3um, 1.55um
1.1 光纤通信技术的发展史及现状
7. 光纤通信的应用
光纤宽带干线传输网和接入网是目前应用开发的主要 目标。各种应用可概括如下：
① 通信网 包括全球通信网、各国的公共电信网、各种专用通信 网、特殊通信手段等
1.1 光纤通信技术的发展史及现状
② 计算机局域网和广域网 如光纤以太网
③ 有线电视网的干线和分配网 如工业电视系统、自动控制系统的数据传输
2. 光纤通信
以光波为载体(l=800~1600nm),以光纤 为传输媒质,将信号从一处传输到另一处的 通信手段.
电通信: Electrical communications 以电波为载波，如电缆通信和微波通信
1.1 光纤通信技术的发展史及现状
3. 现代通信方式示意图
信息
用户 终端
用户 环路
交换 设备
继续向前传播，必须对光波进行放大
(Optical amplifier)
中继器
光纤
光纤
放大方式:
光-电-光(O-E-O)放大器
光纤放大器(FA)
掺铒光纤放大器(EDFA): 1.55um
Erbium (Er)
掺镨光纤放大器(PDFA): 1.31um
Praseodynium (Pr)
掺铥光纤放大器(TDFA): 1.40um
二次群光纤通信系统
1.2 光纤通信系统组成
1. 光发射机 将带有信息的电信号转换成光信号的转换装置
和将光信号送入光纤的传输装置 2. (Transmit
ter)
光发射机由光源、调制
器和信道耦合器组成。
光源是核心, 须满足:
1. 波长须在传输光纤的低损 耗窗口波段
2. 光源的发射功率要大 3. 调制特性和发光／消光
1.1 光纤通信技术的发展史及现状
5. 光纤通信器件的发展过程
雏形：古代烽火、手旗、灯光
1880年 贝尔的光电话
激光器(发送源）
光纤(传输介质)
1960 Maiman发明红宝石激光器 1962 半导体激光器诞生(GaAs 870nm)
1951 医用玻璃纤维(损耗1000dB/km) 1966 高锟 理论预言
1.2 光纤通信系统组成
5. 光无源器件 光纤通信系统中不需要通电即可工作的器件,
(Passive
是通信系统构成、功能扩展、性能提高的不
components) 可缺少的器件，包括：
光耦合器 常用于需要传输的光分路、光合路以及光耦合 (Coupler)
光隔离器 在光通路中防止光反射回光源，即只允许光 (Isolator) 单向传输的无源器件
1.2 光纤通信系统组成
驱动电路
光源
调制器
光发射机
光纤
中继器
光电二极 管
光纤
放大器 判决器
光接收机
组成基本单元: 光发射机、光纤光缆、中继器与光接收机
互连与光信号处理器件: 光纤连接器、隔离器、调制器、滤波 器、光开关及路由器、分插复用器ADM等。
【例1-1】 基群光纤通信系统
基群光纤通信系统
【例1-2】 二次群光纤通信系统
光纤
0.1 10 M 100 M 1 G 10 G 100 G 1 T 10 T 100 T 1000 T
频 率/Hz
(注) M： 106 G： 109
各种传输线路的损耗特性 T： 1012
1.1 光纤通信技术的发展史及现状
光纤通信优点:
宽频带: 光波频率很高，光纤传输的频带很宽， 故传输容量很大，理论上可通上亿门话路或上 万套电视，可进行图像、数据、传真、控制等 多种业务；
为实现高速长距离传输，要求光纤具有低损耗和低 色散特性。
损耗(attenuation), 色散(dispersion), 失真(distortion)
1.2 光纤通信系统组成
光纤损耗曲线及三个通信窗口
850nm
1310nm 1550nm
1.2 光纤通信系统组成
3. 光放大器 由于光纤的损耗致使光功率减弱，要使光波
（响应速度）特性要好 4. 可靠性要高，寿命要长
1.2 光纤通信系统组成
2. 光纤 (Fiber)
光纤通信系统光波传输的媒体,由高折射率的纤芯 和低折射率的包层和塑套构成，将光信号从光发 射机无失真地传送到光接收机.
光纤
光纤
基本特性参数：
损耗（dB/km）：直接影响通信距离。
色散（ps/nm.km）：将引起光脉冲信号展宽和码 间串扰，影响通信距离和容量。
FR(Frame Relay)
TV
ATM(Asynchronous Transfer Model)
SNMP(Simple Network Management Protocal)
622M SDH
PSTN/ISDN
业务分配节点 (COT)
DDN/ FR ATM
Internet骨干网
SNMP Q3 网管
电复接 设备
发 送 机
信息
用户 终端
信息
用户 终端
用户
交换
电复接
接
环路
设备
设备
收 机
信息
用户 终端
卫星通信
微波通信 光纤通信 移动通信
传输系统
用户终端• 现代通信方式示电意复图接设备
信息
用户 终端
交换设备
用户
交换
电复接
发
环路
设备
设备
送 机
信息
用户 终端
接入网 信息
用户 终端
用户 环路
交换 设备
电复接 设备
1998年在英国接受IEE授予的奖章
光纤通信发明家高锟(左)
2009年获诺贝尔物理学奖
1.1 光纤通信技术的发展史及现状
6. 光纤通信技术的发展阶段
发展围绕光纤通信的四个关键因素展开:
阶光段纤+光源+放大器+探测器特征
第一阶段 开发时期(由基础研究到商业应用)：短波长 (1966-1976) (0.85um)低速率(45Mb/s)多模光纤系统(G.651)
中国科技网讯 2012年12月16日，武汉邮科院牵头 承担的国家973项目“超高速超大容量超长距离光 传输基础研究”取得T比特级超长距离光传输新纪 录，通过采用高谱效率调制、高性能前向纠错编码 和特有的非线性补偿技术，完成了单通道 1.031Tbit/s普通标准单模光纤12160公里的传输 系统实验。目前国际上已报道的最高水平是单通道 1Tbit/s传输1万公里。
低损耗: 中继距离长且误码率低; 抗干扰: 不受电磁干扰，保密性好； 低成本: 光纤材料来源丰富，可节约大量有色金
属(如铜、铝)，且直径小、重量轻。
1.1 光纤通信技术的发展史及现状
光纤通信缺点: 弯曲受限: 敷设光纤/光缆的弯曲半径不能太
小，否则导致弯曲辐射损耗增加； 连接困难: 要求较好的切断、连接技术; 分路困难: 光纤的分路、耦合较麻烦； 不能传送电力: 远处的再生设备需要电能； 器件昂贵: 如激光器、放大器等 。
频率及单个光子能量。 5、假设数字通信系统能够在高达1%的载波频率下工作，试问
在5GHz的微波载波和1.55um的光载波上能传输多少 64kb/s的话路？
第一章 光纤通信概述
1.1 光纤通信技术的发展史及现状 1.2 光纤通信系统组成 1.3 光纤通信的分类 1.4 光纤通信系统的主要性能指标
1.2 光纤通信系统组成
接 收
机
信息
用户 终端
卫星通信
微波通信 光纤通信 移动通信
传传输输系系统统
1.1 光纤通信技术的发展史及现状
4. 光纤通信技术的主要优缺点
通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带宽度，载波 频率越高，频带宽度越宽。
1000
传输损耗/(dB·km － 1)
100 10
标38准mm同海轴底同轴
1
51 mm波导器
④ 综合业务光纤接入网 实现电话、数据、视频、多媒体业务综合接入核心网， 提高各种社区服务
PSTN(Public Switched Telephone Network) ISDN(Integrated Service Digital Network)
DDN(Digital Data Network)
Thulium (Tm)
全光波段的拉曼光纤放大器(RFA): 1.27um-1.67um
EDFA: Erbium-Doped Fiber Amplifier
1.2 光纤通信系统组成
4. 光接收机 将光信号转换成电信号的装置，由光电探测器
和放大处理电路组成。 (Receiver)
光电探测器是核心, 须满足: 1. 高的灵敏度 2. 低的噪声 3. 快的响应速度 4. 足够的带宽 5. 对温度变化不敏感 6. 尺寸小并能与光纤匹配 7. 价格合理，寿命长
1.2 光纤通信系统组成
光开关 用于光源备份的光路切换，逻辑、数字光 (Switch) 通信系统中的光路选择和光交换。
光开关分为机械式和非机械式两类：
机械开关采用移动光纤或反射镜的方法来转换光路 非机械式开关有：电光开关、磁光开关和集成光 路光开关
1.2-练习
1、光纤通信系统由哪几部分组成?简述各部分的作 用。
第二阶段 发展时期(提高传输速率和距离)：长波长 (1976-1986) (1.31um,1.55um)中速率(140-565Mb/s)单模光
纤系统(G.652) 第三阶段 新技术研究时期:色散位移光纤系统，外调制技 (1986-1996) 术等 第四阶段 大容量和光网络时期：波分复用(WDM)光纤系统 (1996-至今) 及光网络，超长距离的光孤子通信
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章
内容
光纤通信概述 光纤与光缆 光无源器件 光源与光发射机 光探测器和光接收机 数字光纤通信系统 模拟光纤通信系统 光纤通信新技术 光纤通信网络
光纤通信
第一章 光纤通信概述 (Overview of Optical Fiber Communications)
70 年代室温工作LD (GaAsAI 850nm)
1300、1550nm 多模LD
单模LD
1970 康宁制出低损耗光纤 (20dB/km)
1300(0.5dB/km),1550nm(0.2dB/km) 低损耗窗口光纤开发
单模光纤
聚焦在话筒震动片的光束随着话 音震动而使反射光的强弱变化
光纤通信发明家高锟(左)
第一章 光纤通信概述
(Overview of Optical Fiber Communications)
1.1 光纤通信技术的发展史及现状 1.2 光纤通信系统组成 1.3 光纤通信的分类 1.4 光纤通信系统的主要性能指标
1.1 光纤通信技术的发展史及现状
1. 通信 “通”传送，“信”信息；信息的传送 基本组成：发送、传输、接收
1.2 光纤通信系统组成
光纤连接器 各种设备部件与光纤之间的连接。 (Connector)
光波分复用器／解复用器 (Multiplexer/De-Multiplexer)
将多路光信号合成或分开的光无源器件 薄膜滤波器型 集成光学光波分复用器／解复用器型
阵列波导光栅(AWG: Arrayed Waveguide Grating) 布喇格光栅(BG: Bragg Grating)
业务接入节点（RT）
E1/BRA/PRA
100/1000M 155M
与电信网管中心相连
典型应用之一：宽带综合业务光纤接入系统拓扑结构
典型应用之二：作为校园网的骨干传输网
1.1-练习
1、什么是光纤通信? 2、光纤通信的优点有哪些? 3、光纤通信的各发展阶段的特征是什么? 4、光通信系统工作波长为0.88um,1.3um和1.55um，计算载波