光纤通信系统概述及常识简介

1.2 光纤通信的优点

主要优点: ① 频带很宽，容量巨大 ② 损耗小，中继距离很长，误码率小 ③ 重量轻，体积小，可绕性好，易铺设 ④ 抗电磁干扰性能好 ⑤ 泄漏小，保密性好 ⑥ 节约金属，成本低 缺点：质地脆弱，机械强度低；切断，连接技术复杂； 分路，耦合方式麻烦
•
练习：





练习2:假设一数字通信系统的数据传输速率等于载波频 率的1%。分别计算频率为10kHz，1MHz, 100MHz 和10GHz 的电载波以及波长为1.0um的光载波所允许的比特速率。 本问题表明了系统的容量是如何随着载波频率的增加而 增加的 练习3: 光纤通信使用的近红外光(波长为0.7~1.7um),试 估计其可用带宽？ 一路模拟电话占用的带宽是4Hz，试估计这样一条光纤能 够同时传输多少路电话信号？每话路平均光的功率与光 纤中总光功率? 你知道当前接入网的主流速率是多少吗？10M-100M,那么 1根光纤从理论上可接入多少用户？
优缺点小结：
① ② ③ ④ ⑤ ⑥
频带很宽，容量巨大 损耗小，中继距离很长，误码率小 重量轻，体积小，可绕性好，易铺设 抗电磁干扰性能好 泄漏小，保密性好 节约金属，成本低(光纤没有铜，偷了也没用)
缺点：质地脆弱，机械强度低；切断，连接技术 复杂；分路，耦合方式麻烦
不同传输线路与平均每话路成本
平行双绞线电缆 同轴电缆 微波 光缆 10－ 1 10－ 2 10－ 3 10－ 4 10－ 5 10 102 103 104 105 106
激光源
调制器
光信号输出 驱动和控制 (b)

二、光纤线路(光传输)

光纤线路：把来自发射机的光信号，以尽可能 小的畸变和衰减传输到接收机。
p i p t t
t

组成：光纤、光纤接头、连接器 要求：损耗与色散足够小 分类：单模光纤，多模光纤； 三个窗口0.85um,1.31um,1.55um
960 960 1800 1920 14000(1Gb/s) 6000(445MB/S)
50 4 6 30 84 134
20 250 1600 33 11 7
WDM与TDM传输能力
复用技术 WDM 传输容量 /Gb·-1 s 20×17 20×132 跨距/km 50 研制单位 AT&T NEC
1T 10 T 100 T 1000 T (注) M： 106 G： 109 T： 1012
引用数据
②

光纤损耗很小，中继距离长且误码率很小.
1.31um:0.50dB/km 1.55um:0.20dB/km 1.55um色散移位光纤


2.5G*150km, 10G*100km

损耗不随频率增加而增加 误码率低于10-(9~12)
广义光信道
光纤线路
接 收 光 接 收 机 电 接 收 机 电信号 输出 信 息 宿
光信号 输出
光信号 输入
•广义信道
•可由电缆代替
•可插入现有电通信系统中 •采用光纤的好处是带宽更宽，传输更远，单位成本更低 •可扩展升级(WDM; 光纤放大； 无源光网络)
1.3.2 基本光纤传输系统
电信号
p i t

纤 心 n1 包 层 n2 涂敷层
高纯度，特细 n1>n2
光纤截面


光能量主要在纤心中传播 = (n1-n2)/n1 相对折射率差
光纤分类

材料: 射率n1分布: 传播模式:
塑料、玻璃(SiO2) 突变、梯度、渐变 单模、多模
n1 n2
1.1.2 现代光通信

光源：发光管LED 、半导体激光器LD 传输介质：光纤
300THz (总带宽) 20THz (长波长带宽) 20GHz (目前水平)
100 THz 10 THz
1 m 10 m 100 m
“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。”
1 THz 100 GHz 10 GHz 1 GHz 100 MHz 10 MHz 1 MHz
光纤通信发展的四个阶段
1.
2.
3.
4.
66~76，从实验到商用0.85um,45-34Mb/s,多模, 10km 76~86，由短波长(0.85um)到长波长(1.31-1.55 um) ，由多模到单模, 140M*100Km 86~96， 进一步提高速率、增加距离。 (2.5-10G) * (100-108km) 1.55um色散移位，外调制技术, 96-至今: 超大容量波分复用，超长距离光孤子通信, 光

练习1： 1mw的入射光经过损耗分别为1000dB/km, 0.2dB/km的光纤传输100km后，
① ②
损耗是多少? 输了光功率为多少？分别用dBm,mW作单位。
光纤通信发展重要成果




1966 ，高锟光纤低损耗论文: 提纯20dB/km，材料均匀 性*dB/km; (2009年诺贝尔物理学奖，光纤之父) 70’,康宁20dB/km; 72’,4dB/km; 74’,1.1dB/km, 86’, 0.154dB/km 70’, 室温连续运行的短波长GaAlAs激光器，并发 展了发光二极管;77’ 1.5us LD 76’, Atlanta第一个实用光纤通信系统现场试验 44.7Mb/s*10km (光源还未完全研究成功)


受光源的非线性失真影响不大(与模拟相比)
缺点是频带占用率高
光纤通信系统其它分类：
光纤模式

多模光纤通信系统（经济）采用多模，梯度折射率光 纤，传输速率低 单模光纤通信系统 （大容量）采用单模光纤，传输容 量大，距离长
调制方式
波长窗口



直接光强调制光纤系统 外差调制光纤系统 长波长光纤通信系统(1.31um,1.55um) 短波长光纤通信系统 (0.85um,短距离低容 量)
三、光接收机(光电转换)

光接收机：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。
(高灵敏度的)光检测器是核心， (均衡、两级放大、抽样判决)电路

判决电路
t
i

直接检测：直接把光信号变为电信号。 外差检测：通过一个本地振荡器和一个光混频器产生差拍的中频信 号，再由光检测器把中频信号变为电信号。具有更高的灵敏度。
激光源
光纤
光信号输出 电信号 输入 驱动器
光强

P=KI
(a)
电流
间接调制
2.
间接调制：又称外调制，是 把激光的产生和调制分开， 光纤 激光源 用独立的调制器调制激光器 输出的光信号。
光信号输出 驱动器 优点:调制速率高，但技术 输入 复杂，在大容量的波分复用 (a) 和相干光通信中使用 电信号
电信号输入 光纤
第1章 概论
一． 二．
三．

通信的基本概念 未来通信的三个热点：光纤, WiFi, 移动网 络(英国电信BT) 什么是光纤通信
1.1 光纤通信发展的历史和现状 1.2 光纤通信的优点与应用 1.3 光纤通信系统的基本组成
通信基本模型
信源
信道
信宿
通信系统组成框图
调制器 载波源 耦合器
信道
解调器 放大器 检测器
TDM
160 20 20
50 140
NTT NTT 法Telcom
优点二: 损耗小
1000
－1)
km 传输损耗 /(dB·
100 10 1 0.1 10 M
轴 同 准 轴 标 同 底 海 mm 38
51 mm 波导器
光纤
100 M 1 G
10 G 100 G 频率 /Hz
各种传输线路的损耗特性(当频率升高时，传输损耗显著增加)
模拟调制
数字调制(调幅)
1.1.1 探索时期的光通信
可视光 通信

手势 烽火台－－烟与光 交通灯 Bell光电话
大气光通信
稚形

失败的 方向

透镜光通信
共同点与缺点在哪里？
[Q]:红灯为什么放在最上面？
1880 Bell 光电话
幻想吗？
光
反射导引光通信
光通信路在何方？

需求：大容量、长距离传输、稳定性好、低成本 方向：
优点三:重量轻
③
• •
重量轻，体积小
适合用于军事、航空、宇宙飞船等应用 利于解决地下管道拥挤问题
8 芯 光缆 电缆 6.3 15 47 5 光缆 0.42 1 21 1 18 芯 电缆 11 26 65 9.6
项目
重量/(kg·-1) m 重量比 直径/mm 截面积比
0.42 1 21 1
光缆和电缆的重量和截面积比较
光纤通信课程主要内容
器件
设备 系统
2,3
4 5,6
百度文库
新技术
7
光纤、光器件（光源，光检测器，光无源 器件）的结构、原理、性能、参数 光端机（发射机，接收机，线路编码电路） 数字光纤通信系统 系统组成、设计、 容量距离预算 模拟光纤通信系统 光纤通信新技术


新光源: 大功率、高调制速率 (激光器：功率大，单色性好) 传输介质:低损耗、高带宽 (多模、单模光纤)
高灵敏度接收机

“光纤通信” 把载送信息的光信号约束在光纤中传输。 信道
光在光纤中传输
信源
信宿
包层 n2 纤芯 n1
光纤内部结构


双层同心透明圆柱细丝 纤心＋包层 材料：石英SiO2 物理性质：
提高光纤通信速率的途径

1. 2. 3.
4.
5.
容许带宽取决于 (1)光纤色散；(2)光源的 调制特性、方式 1.31um零色散光纤 1.55um色散移位光纤 空分复用12*12=144 波分复用WDM, 光频分复用OFDM 减小光源谱线宽度，采用外调制技术
光纤与其它通信容量比较
通信手段 微波无线电 小同轴 中同轴 光缆 光缆 光缆 传输容量(话路)/条 中继距离/km 1000 km内 中继器个数
早期的困难是光在石英纤维中的损耗高达 1000dB/km，光信号不可能传得很远。而这种损 耗并不是石英的固有特性

注： dBm与dB(分贝毫与分贝)

dBm是光功率(及无线电功率)的常用单位, dB表示损耗 dBm=10*log10(P/1mW)
dB=10*log10(P1/P2)=10*log10(P1) dBm -10*log10(P2)dBm dB=20*log10(A1/A2)
光信号
p i t t t
input
光纤 电/光转换器
p
t p t
判决电路 中继器 光纤
output
i
抽样时钟
t 光电接收器
信号在传输过程中的变化过程 (畸变、衰减、放大、再生)
一、光发射机(电光转换，调制)

光发射机：把输入电信号转换为光信 号，并用耦合技术把光信号最大限度 地注入光纤线路 组成：光源(核心)，驱动，调制电路
网络
100 50 10 5 1 0.5 0.1 0.05 0.01
km 损耗 / (dB· －1)
实验
红外 吸收
瑞利散射 紫外吸收 波导缺陷
0.8
1.0
1.2 波长 / m
1.4
1.6
光纤通信波长发展方向与波长选择 原因：损耗更小；色散更小
从电磁频谱上看光纤通信发展方向
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 mm 毫米波(EHF) 10 mm 厘米波(SHF) 100 mm 分米波(UHF) 1m 米波(VHF) 10 m 短波(HF) 100 m 中波(MF)
p
t
抽样时钟
再生中继器与光放大器

中继器的作用是把经过长距离光纤传输后衰减和畸变后 的微弱光信号放大、整形、再生。
中继器 光检测器 光源

光放大器则直接放大光信号，但还没有整形的能力，不 能消除色散的影响。
1.3.3 光纤通信系统分类(内容不同于教材)
1.

按信号格式分：
模拟通信系统 曾广泛用于广播电视网 数字通信系统 占主要部分,传输数字信号(如PCM). 传输质量高，抗干扰能力强，可再生中继，可传输 各种数据，灵活性大，可加密等；
系统/ 话路公里 相对造价
话路数/条
2.2光纤通信系统应用


电信通信网干线 计算机网：广域网，光纤以太网，光纤到户等 有线电视网干线，分配网 综合业务光纤接入网等
最新发展：WiFi无线宽带基础设施(请百度搜索)

1.3 光纤通信系统的基本组成
发 射 信 息 源 电 发 射 机 电信号 输入 光 发 射 机 基本光纤传输系统


光纤 电/光转换器
半导体发光管LED，非相干光源，线性度 好，并且价格低 半导体激光器LD。具有功率大，发散角 小，稳定，谱宽窄，调制速率高，缺点

是线性度不好
调制方式(直接调制与间接调制)
1.
直接调制：是用电信号直接 调制半导体激光器或发光LED 的驱动电流，使输出光随电 信号变化而实现。主要采用 光强调制。 技术简单，成本低，但受光 源频率特性限制，调制速率 不高