光纤通信课程

毫米波 (EHF) 厘米波 (SHF) 分米波 (UHF) 米波(VHF) 短波(HF) 中波(MF)
部分电磁波频谱图源自文库
伽伽伽伽
Gamma Rays
X-伽伽 X-Rays
可可可
Visible
微微 红紫伽
IR Microwave
紫紫伽
UV
无伽无
Radio
10－11
10－9
10－7
10－5
10－3
10－1
1.1.3
国内外光纤通信发展的现状
1976年美国在亚特兰大 亚特兰大进行的现场试 亚特兰大 验，标志着 标志着光纤通信从基础研究 从基础研究发展到了 标志着 从基础研究 到了 商业应用的新阶段。 商业应用 此后，光纤通信技术不断创新：光纤 从多模发展到单模 多模发展到单模，工作波长从0.85µm发 多模发展到单模 展到1.31µm和1.55µm (短波长向长波长 短波长向长波长）， 短波长向长波长 传输速率从几十Mb/s发展到几十Gb/s。 传输速率
• 1973年 ，半导体激光器寿命达到7000 年 小时。 • 1976年，日本电报电话公司研制成功发 年 射波长为1.3µm 的铟镓砷磷(InGaAsP)激光 器。
• 1977年，贝尔实验室研制的半导体激光 1977年 器寿命达到10万小时。 • 1979年美国电报电话公司和日本电报电 1979年 话公司研制成功发射波长为1.55μm的连续 振荡半导体激光器。 由于光纤 半导体激光器 光纤和半导体激光器 光纤 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 重要里 程碑。 程碑
第1 章 概 论
教学内容 ： 1.1 光纤通信发展的历史和现状 1.2 光纤通信的优点和应用 1.3 光纤通信系统的基本组成
教学目的及要求： 教学目的及要求：
一、理解光通信的基本概念 二、掌握光纤通信的特点 掌握光纤通信的特点
1.1 1.1.1
光纤通信发展的历史和现状 探索时期的光通信
• 原始形式的光通信:中国古代用“烽 原始形式的光通信 烽 火台”报警，欧洲人用旗语 旗语传送信息。 火台 旗语 这些都可以看作是原始形式的光通 原始形式的光通 信。望远镜的出现，又极大地延长了这种 目视光通信的距离。 目视光通信
台红宝石激光器 宝石激光器， 给光通信带来了新的希望。 宝石激光器 激光具有波谱宽度窄 方向性极好 亮度 波谱宽度窄，方向性极好 激光 波谱宽度窄 方向性极好，亮度 极高的良好特性。激光是一种高度相干光 相干光，它 极高 相干光 的特性和无线电波 电波相似，是一种理想的光载波 光载波。 电波 光载波 激光器的发明和应用，使沉睡了80年的光 激光器 通信进入一个崭新的阶段。
1970年 光纤研制取得了重大突破 1970年，光纤研制取得了重大突破 研制

• 1970年，美国康宁(Corning)公司研制
成功损耗 20dB/km 的石英光纤。把光纤通 把光纤通 信的研究开发推向一个新阶段。 信的研究开发推向一个新阶段。
• 1972年，康宁公司高纯石英多模光纤 损耗降低到 4 dB/km。 • 1973年，美国贝尔(Bell)实验室的光 纤损耗降低到 2.5dB/km。 • 1976年，日本电报电话(NTT)公司将 光纤损耗降低到 0.47 dB/km 。
1.1.2 现代光纤通信
1966年，英籍华裔学者高锟 霍克哈 高锟和霍克哈 高锟 姆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 光纤通信的基础。 光纤通信
光纤通信发明家高锟( 光纤通信发明家高锟(左) 高锟 1998年在英国接受 IEE 授予的奖章 年在英国接受
贝尔光电话
由于当时没有理想的光源 传输介 光源和传输介 光源 质， 这种光电话的传输距离很短，并没 有实际应用价值，因而进展很慢。 然而，光电话仍是一项伟大的发明， 它证明了用光波作为载波传送信息的可 行性。 贝尔光电话是现代光 因此，可以说贝尔光电话 贝尔光电话 通信的雏型 雏型。 雏型
•
1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一
光纤通信整体发展时间表
100000
系 统 性 能 (Gb/s•Km ）
10000 1000 100 10 1 0.1 1.3µm 0.8µm
1.55µm 检测 1.55µm 直接检测
光孤子 光 放 大 器
1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992
随着技术的进步和大规模产业的形成， 光纤价格不断下降，应用范围不断扩大。 光纤价格不断下降 目前光纤已成为信息宽带传输 主要 信息宽带传输的主要 信息宽带传输 媒质，光纤通信系统将成为未来国家信息 媒质 基础设施的支柱。 在许多发达国家， 在许多发达国家，生产光纤通信产品 的行业已在国民经济中占重要地位。 的行业已在国民经济中占重要地位
• 1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途 干线。
• 随后，由美、日、英、法发起的第一 条横跨大西洋海底光缆通信系统 横跨大西洋海底光缆通信系统于1988年建 横跨大西洋海底光缆通信系统 成。 • 第一条横跨太平洋海底光缆通信系统 横跨太平洋海底光缆通信系统于 横跨太平洋海底光缆通信系统 1989年建成。 从此，海底光缆通信系统的建设得到 了全面展开，促进了全球通信网的发展。
。
光发信机 电 端 机 调 制 光 源
中继器
光纤 光 检 测
判 决 再 生
光收信机 光纤 光 检 测 放 大 电 端 机
光 源
光纤通信系统的基本组成
(1) 光发信机 光发信机是实现电 / 光 转换的光端 光发信机 电 机。它由光源、驱动器和调制器组成。 其功能是将来自于电端机的电信号 其功能 对光源发出的光波进行调制，成为已调 光波，然后再将已调的光信号耦合到光 纤或光缆去传输。
光纤通信的各种应用可概括如下： 光纤通信的各种应用可概括如下： ① 通信网 ② 构成因特网的计算机局域网和广域网 ③ 有线电视网的干线和分配网 ④ 综合业务光纤接入网
1.3
光纤通信系统的基本组成 光纤通信系统是以光波作载波、以光 光纤通信系统
纤为传输媒介的通信系统。它的基本构成 如图所示，由光发信机、光收信机、光纤 或光缆、中继器和光无源器件以下五个部 分组成

当时石英纤维 石英纤维的损耗高达1000dB/km 石英纤维
以上，高锟等人指出：这样大的损耗不 是石英纤维本身固有的特性，而是由于 材料中的杂质，例如过渡金属离子的吸 收产生的。材料本身固有的损耗基本上 由瑞利散射 瑞利散射决定，它随波长的四次方而 瑞利散射 下降，其损耗很小。因此有可能通过原 材料的提纯制造出适合于长距离通信使 用的低损耗光纤。
(2) 光收信机 光收信机是实现光/电转换的光端机。 光收信机 它由光检测器和光放大器组成。 其功能是将光纤或光缆传输来的光信 其功能 号，经光检测器转变为电信号，然后，再 将这微弱的电信号经放大电路放大到足够 的电平，送到接收端的电端汲去。
(3) 光纤或光缆 光纤或光缆构成光的传输通路。 光纤或光缆 其功能是将发信端发出的已调光信号， 其功能 经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到 收信端的光检测器上去，完成传送信息任 务。
• 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 光电话”。 光电话 这种光电话 光电话利用太阳光 弧光灯 光源 太阳光或弧光灯 光源， 光电话 太阳光 弧光灯作光源 通过透镜把光束聚焦在送话器前的振动镜片 上，使光强度随话音的变化而变化，实现话 音对光强度的调制。 在接收端 接收端，用抛物面反射镜把从大气传 接收端 来的光束反射到硅光电池上，使光信号变换 为电流，传送到受话器。
大气光通信 激光器一问世，人们就模拟无线电通信进 行了大气激光通信的研究。
实验证明：用承载信息的光波，通过大气 的传播，实现点对点的通信是可行的，但是通 信能力和质量受气候影响十分严重。
由于雨、雾、雪和大气灰尘的吸收和散射， 光波能量衰减很大。 例如，雨能造成 30 dB/km的衰减，浓雾 衰减高达 120 dB/km。另一方面，大气的密度 和温度不均匀，造成折射率的变化，使光束位 置发生偏移。因而通信的距离和稳定性都受到 极大的限制。 由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介 稳定可靠和低损耗的传输介 质，对光通信的研究曾一度走入了低潮。
1.2 光纤通信的优点和应用 1.2.1 光通信的基本概念 1、光通信 光通信是利用光波来传送信息的。 光通信 2、光纤通信 光纤通信是以光波作为信息载体，以 光纤作为传输媒介的通信方式。
3、光波的电磁频谱 、 光波实际上是一高频的电磁波 电磁波。在 光波 电磁波 讨论高频电磁波时，我们习惯采用波长 波长 来代替频率描述。波长 频率 波长与频率 波长 频率的关系为：
光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段： 光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段 • 第一阶段(1966-1976年)，这是从基础研 究到商业应用的开发时期。 • 第二阶段(1976-1986年)，这是以提高传 输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广 应用的大发展时期。 • 第三阶段(1986-1996年)，这是以超大容 量超长距离为目标、全面深入开展新技术研究 的时期。
频率
波长
名称 紫外线 可见光线 (光纤通信用） 近红外线 远红外线 亚毫米波
1 µm 100 THz 10 THz 1 THz 1 mm 100 GHz 10 mm 10 GHz 100 mm 1 GHz 1m 100 MHz 10 m 10 MHz 100 m 1 MHz 10 µm 100 µm
10 103 微波Wavelength(cm)
电磁波频谱图
1.2.2
光纤通信的优点 光纤通信的优点
• 容许频带很宽，传输容量很大； • 损耗很小，中继距离很长且误码率很小； • 重量轻、体积小； • 抗电磁干扰性能好； • 泄漏小，保密性能好； • 节约金属材料,有利于资源合理使用。
1.2.3 光纤通信的应用 光纤可以传输数字信号 数字信号，也可以传输 数字信号 传输 模拟信号。 模拟信号 光纤在通信网、广播电视网与计算机 网，以及在其它数据传输系统中，都得 到了广泛应用。光纤宽带干线传送网和 接入网发展迅速，是当前研究开发应用 的主要目标。

• 在以后的 10 年中，波长为1.55µm 的
光纤损耗： 1979年是 0.20 dB/km； 1984年是 0.157 dB/km； 1986年是 0.154 dB/km，接近了光纤 光纤 最低损耗的理论极限。 最低损耗的理论极限
光纤通信用光源 光源取得了实 1970 年 ， 光纤通信用 光源 取得了实 质性的进展: 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 室温 下连续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半 下连续振荡 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。
实用光纤通信系统的发展: 实用光纤通信系统的发展 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 世界上第一个实用光纤通信系统的现场 试验。 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 突变型多模光纤通信系统， 突变型多模光纤 以及速率为100 Mb/s 的渐变型多模光纤 渐变型多模光纤通 渐变型多模光纤 信系统的试验。
c λ= f
c λ= f
其中：λ为电磁波的波长，其物理含义 是电磁波在时间上变化一周，其波前在空 间变化一周所行进的长度; c为光波在自由 空间中传播的速度，其值为3×108m/s；f 为 电磁波的频率，其物理含义是交变电磁波 在单位时间（每秒）变化的周期数。
光波在电磁波频谱中的大体位置分布 （注意：通常将频率为1GHz以上的无线电 波称为微波）。光波的频率一般可达到 1013-1014 Hz，对应的波长 波长在10-100000 nm 波长 之间。 可进一步将光波细分为红外线 可见 红外线、可见 红外线 紫外线。 光和紫外线 紫外线