第一章 光纤通信概述(100824)

材料，在地球上的储存量是有限的；而制造光纤
的石英(SiO2)在地球上基本上是取之不尽的材料。
制造8 km管中同轴电缆，1 km需要120 kg铜和500
kg铝；而制造8 km光纤只需320 g石英。 所以， 推广光纤通信，有利于地球资源的合理使用。
光纤通信的优点
(3) 抗电磁干扰。 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。
6000(445MB/S)
134
7
光纤通信的优点
(2) 传输距离长。光缆的传输损耗比电缆低， 因而可传输更长的距离。 光纤系统仅需要少量 的中继器， 而光缆与金属电缆的造价基本相同， 少量的中继器使光纤通信系统的总成本比相应 的金属电缆通信系统的要低。
资源丰富，节约有色金属和能源
制造同轴电缆和波导管的铜、铝、铅等金属
光纤通信的发展史
传输方案之二是利用光全反射的原理， 将光线限制在一个通道内传向远方，这个 通道就是光纤的雏形。 但是，当时生产出的光纤损耗高达 1000dB/km。因此，光通信毫无实际价 值。
光纤通信的发展史
1966年英籍华人高锟博士提出光纤的高 损耗是阻碍光通信发展的主要因素，而高损 耗是可以克服的。因此，高锟获得2009年诺 贝尔物理奖。1970年出现了突破，在lμm 附近波长区光纤损耗降低到约20dB／km。 几乎在同时，室温下运行的GaAs半导体激 光器研究成功。小型光源和低损耗光纤的同 时问世，在全世界范围内掀起了发展光纤通 信的高潮。
第一章 光纤通信概述
电磁波波段的划分：
101 102
ELF
频率，Hz
109
UHF
103
VF
104
VLF
105
LF
106
MF
107 108
HF VHF
1010 1011 1012 1013 1014 1015
SHF EHF
频段 划分 传 输 介 质
电力、电话
无线电、电视
微波
红外 可见光
光纤
AM无线电 FM无线电 卫星/微波 同轴电缆 双铰线 107 106 105 104 103 102 101 100 10-1 10-2 10-3 10-4
表 1.4 光纤通信与电缆或微波通信 传输能力的比较
通信手段 微波无线电 小同轴 中同轴 光缆 光缆 传输容量(话 路)/条 960 960 1800 1920 14000(1Gb/s) 中继距离/km 50 4 6 30 84 1000 km内中继器个 数 20 250 1600 33 11
光缆
表 1.6 光缆和电缆的重量和截面积比较
项目 光缆 重量/(kg· m 1) 重量比 直径/mm 截面积比 0.42 1 21 1 8芯 电缆 6.3 15 47 5 光缆 0.42 1 21 1 18 芯 电缆 11 26 65 9.6
光纤通信的优点
(5) 适应环境。 光纤对恶劣环境有较强的 抵抗能力。 它比金属电缆更能适应温度的变 化， 而且腐蚀性的液体或气体对其影响较小。
光纤通信的优点
(6) 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。
光纤通信的发展史
高琨1933年出生于中国上海， 人称“光纤之父”。目前供职于英 国标准电信实验室和中国香港中文 大学。2009年获得诺贝尔物理奖。 与他同期分获诺贝尔奖的科学家是 两名美国科学家博伊尔(Willard S. Boyle)和乔治-E-史密斯(George E. Smith)。因发明成像半导体电路— 电荷藕合器件图像传感器CCD” 获 此殊荣。
光纤通信的发展史
第五代光波通信系统的研究与发展也经历 了20多年历程，已取得突破性进展。它基于 光纤非线性压缩抵消光纤色散展宽的新概念产 生的光孤子，实现光脉冲信号保形传输。 光波通信技术得到巨大发展，现在世界通 信业务的90％需经光纤传输。随着光波通信 技术的发展，光波系统在通信网中的应用得到 了相应的发展。现在世界上许多国家都将光波 系统引人了公用电信网、中继网和接人网中。
第一章 光纤通信概述
2传统电磁通信原理
(1) 信号: 人们传输的信息, 如声音、文字、 图像等等
(2) 载波：传输信号的载体，如电缆、无线 波、光波、微波等等。
第一章 光纤通信概述
载波频率与信号频率的关系
fc 2 f s
人发声中心频率：600 Hz 人发声带宽：103 Hz 传输人声的载波频率：> 1200 Hz
光纤通信
第一章 光纤通信概述
1. 什么是光纤通信 2. 光纤通信的发展史
3. 光纤通信的优点
4. 光纤通信系统的组成
5. 光纤通信的发展趋势
第一章 光纤通信概述
1.1 什么是光纤通信 以光纤为媒介传输信息的通信方式 1.人自然发声通信
人能听到的声音：20 ~ 20000 Hz
人能发出的声音：64 ~ 1300 Hz 声音传输的距离：< 6 Km
光纤通信的发展史
表 1.2 世界市场单模光纤平均价格
年份 价格 /($· -1) km 1994 68 1995 67 1996 72 1997 69 1998 60 1999 52 2000 46 2001 44
2006年我国的G652B光纤平均价格约为85元/公里，比 2005年下降5%；G652D光纤的市场平均价格约90元/公里， 比2005年下降5%。而普通通信光缆的平均价格则约为188 元/芯公里，比2005年下降9%之多。
光纤通信的发展史
国内外光纤通信发展的现状 在许多发达国家，光纤通信行业已在国民经济中占重要地 位。根据资料，仅光缆产品一项，1995年在世界市场销 售额达38亿美元，2000年达到85亿美元，2005年达到 155 亿 美 元 。 世 界 成 缆 光 纤 市 场 销 售 量 ， 1994 年 为 1810×104 km，2001年为6570×104 km，2005年为 6800万km，2008年为15900万km。市场销售额和市 场销售量的年增长率不同，主要是由于光纤价格呈下降趋 势，见表1.2。在1995年光缆市场销售额的38亿美元中， 单 模 占 28 亿 美 元 ， 为 74% 。 同 年 成 缆 光 纤 销 售 量 的 2300×104 km中，单模为2130×104 km， 占93%。
光纤通信的发展史
表 1.1 世界成缆光纤市场销售量
年份 光纤销售 总长度 /104 km 1994 1810 1995 2300 1996 2900 1997 3470 1998 4070 1999 4730 2000 5580 2001 6570
中国在2007年第四季度生产了1050万纤芯 公里，2008年上半年生产了2010万纤芯公里。
光纤通信的发展史
近代光通信的雏形可追溯到1880年Bell发 明的光电话，他用太阳光作为Βιβλιοθήκη Baidu源、硒晶体作 为光接收检测器件，通过 200 m的大气空间成 功地传送了语音信号。虽然在以后的几十年中， 科技工作者对Bell的光电话具有浓厚的兴趣， 但由于缺乏合适的光源及严重的大气衰减，这 种大气通信光电话未能像其他电通信方式那样 得到发展。
光纤通信的发展史
第四代光波系统以采用光放大器（OA）增 加中继 距离和 采用频 分与波 分复用 （FDM与 WDM）增加比特率为特征，这种系统有时采用 零差或外差方案，称为相干光波通信系统。光 纤放大器的问世已引起了光纤通信领域的重大 变革。光纤损耗用光纤放大器（EDFA）补偿， 放大器间距为80km，传输距离达 2223 km。
10-5
10-6
自由空间波长，m
第一章 光纤通信概述
信息传输的速度：
人类说话的速度：<10字/s 传输人类的语言不需要高速的通讯方式
文字与图像信息的传输：
1. 普通照片信息量：> 1 M bit = 8 M (二进制电脉冲) 用中波传输一张普通照片需要8秒钟
第一章 光纤通信概述
普通电影 24 张/秒 传输率：24 1M=24 M/s
光纤通信的发展史
第二代光波系统受 1.3μm附近光纤损耗限 制，理论研究发现，石英光纤的最低损耗在
1.55μm附近，但由于1.55μm附近高的色散损耗
及当时多纵模同时振荡的常规InGaAsP半导体 激光器的谱展宽问题尚未解决，这两个因素， 导致了第三代光波系统的推迟问世。
光纤通信的发展史
后来的研究发现，色散问题可以通过使用设计在 1.5μm附近，具有最小色散的色散位移光纤（DSF）与 采用单纵模激光器来克服。在20世纪80年代这两种技 术都得到了发展，1985年的传输试验显示，其比特率 达到 4 Gb／s，中继距离超过 100 km。至1990年， 工作于 2.4 Gb／s，1.55μm的第三代光波系统已能提 供通信商业业务。这样的第三代光波系统，通过精心设 计激光器和光接收机，其比特率能超过 10 Gb／s。后 来 10 Gb／s的光波系统在一些国家得到了重点发展。
光纤通信的发展史
行政大楼挂上高锟的油画
香港中文大学校门
光纤通信的发展史
1978年工作于0.8μm的第一代光波系统 正式投入商业应用，其比特率在 20～100 Mb/s之间，最大中继间距约10 km，最大通 信容量（BL）约 500 Mb／s· km。与同轴系 统相比，它中继间距长，投资和维护费用低， 是工程和商业运营的追求目标。
因此，电视信号的传播必须用 48 MHz 以上的微 波传输
一部90分钟的电影，用现有的电话网路传输，需 要两天的时间，这是不现实的。用现有的光纤网络传 输只需一分钟即可观看了。若采用最先进的OC48超 级干线，一部电影只需4秒钟就可以传输完毕。
1.2光纤通信的发展史
利用光进行通信并不是一个新概念，我国 古代使用的烽火台就是大气光通信的最好例子。 后来的手旗、灯光，甚至交通红绿灯等均可划 人光通信的范畴，但可惜它们所能传递的距离 和信息量都是十分有限的。
光纤通信的优点
(4) 抗噪声干扰。光纤不导电的特性还避免了 光缆受到闪电、 电机、荧光灯及其他电器源的电 磁干扰（EMI），外部的电噪声也不会影响光波 的传输能力。 此外，光缆不辐射射频（RF）能量 的特性也使它不会干扰其他通信系统，这在军事 上的运用是非常理想的，而其他种类的通信系统 在核武器的影响下（电磁脉冲干扰）会遭到毁灭 性的破坏。
1.3光纤通信的优点
（1）传输频带宽，通信容量大。 （2）中继距离远。
（3）抗电磁干扰能力强，无串话。
（4）光纤细，光缆轻。
（5）资源丰富，节约有色金属和能源。
（6）均衡容易。
（7）抗腐蚀、不怕潮湿。
光纤通信的优点
(1) 通信容量大。由于光纤的可用带宽较大， 一般在10 GHz以上，使光纤通信系统具有较大的 通信容量。而金属电缆存在的分布电容和分布电 感实际起到了低通滤波器的作用，使传输频率、 带宽以及信息承载能力受到限制。现代光纤通信 系统能够将速率为几十Gb/s以上的信息传输上百 英里，允许大约数百万条话音和数据信道同时在 一根光缆中传输。实验室里，传输速率达Tb/s级 的系统现已研制成功。光纤通信巨大的信息传输 能力，使其成为了信息传输的主体。
光纤通信的发展史
20世纪后半叶人们开始认识到，如果用光 波作载波，信息容量可能增加几个数量级，然 而20世纪50年代还没有相干光源和合适的传 输媒质。1960年激光器的发明解决了第一个 问题，随后人们的注意力集中到寻找用激光进 行通信的途径。20世纪60年代提出了许多方 法解决光传输通道问题，其中之一是用气体透 镜序列进行光限制传输。
光纤通信的发展史
1970年人们就认识到，使光波系统工作于 1.3μm时，光纤损耗小于1.0 dB／km，且有 最低色散，可大大增加中断距离，这推动了全 世界努力发展1．3μm的InGaAs半导体激光器 和检测器。1977年研制成功这种激光器。接着 在20世纪80年代初，早期的采用多模光纤的第 二代光波通信系统问世，其中继距离超过了 20 km，但由于多模光纤的模间色散，早期系统的 比特率限制在 100 Mb/s以下。