第五章光纤通信刘

第五章光纤通信刘
5.1 概述
高锟(左) 因发明光 纤、提出 光纤通信 理论获得 2009 年 诺 贝尔物理 学奖。
瑞典国王(右)向高锟颁奖 10
第五章光纤通信刘
5.1 概述
• 1970 年 ， 美 国 康 宁 (Corning) 公 司 研 制 成 功 损 耗 20dB/km 的石英光纤。把光纤通信的研究开发推向一 个新阶段。
光波的频率一般可达到1013-1014 Hz，对应的波 长在10-100000 nm之间。
第五章光纤通信刘
5.1 概述
5.1.3 光纤通信的特点 ① 传输频带宽，通信容量大。 ② 传输损耗低，中继距离长。 ③ 抗电磁干扰。 ④ 保密性强，无串话干扰。 ⑤ 线径细（0.1mm），重量轻。 ⑥ 资源丰富。
第五章光纤通信刘
第五章 光纤通信
5.1 概述 5.2 光纤
5.2.1 光纤的结构和分类 5.2.2 光纤的传输特性 5.3 光纤通信系统 5.4 光波分复用（WDM）
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现代第移五动章通光信纤网通络信技术刘
5.2 光纤
5.2.1 光纤的结构和分类 光纤由纤芯和包层两部分组成，纤芯完成光信
号的传输，包层是为了将光信号封闭在纤芯中并保 护纤芯。
• 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 。
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5.1 概述
光纤通信用光源的进展 • 1970 年，研制成功室温下连续振荡的半导体激光 器。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。 • 1977年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达 到10万小时。
高wk.baidu.com模
基模
低次模
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横截 面
折射 率分布 r
输入 脉冲 Ai
光线 传播路径
纤芯
包层
(a)
2b
2a
n
t
r
Ai
(b) 125m
50 m r
n t
Ai
输出 脉冲 Ao
t Ao
t Ao
(c) 125m
～ 10 m
n
t
t
(a) 突变型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤； （c） 单模光纤
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5.1 概述
由于当时没有理想的光源和传输介质， 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。
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5.1 概述
光源的发展
• 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。
激光具有波谱宽度窄，方向性极好，亮度极高的 良好特性。激光是一种高度相干光，它的特性和无线 电波相似，是一种理想的光载波。
• 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”。
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5.1 概述
• 在发送端，利用太阳光或弧光灯作光源，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，用抛物面反射镜把从大气传来的光束反射到
硅光电池上，使光信号变换为电流，传送到受话器。
率描述。波长与频率的关系为： c
f
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5.1 概述
c
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。
第五章 光纤通信
5.1 概述 5.1.1 光纤通信的发展历史 5.1.2 光纤通信的概念 5.1.3 光纤通信的特点
5.2 光纤 5.3 光纤通信系统 5.4 光波分复用（WDM）
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第五章光纤通信刘
5.1 概述
5.1.1 光纤通信的发展历史 • 原始形式的光通信:中国古代用“烽火台”报警，欧洲 人用旗语传送信息。
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。
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5.1 概述
5.1.2 光纤通信的概念 光纤通信是以光波为载波、光导纤维（简称光纤）
为传输媒质的一种通信方式。 ✓光波实际上是一高频(1014 Hz)的电磁波。 ✓在讨论高频电磁波时，我们习惯采用波长来代替频
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5.1 概述
传输介质--光纤的发展 1966年，英籍华裔学者高锟和霍克哈姆发表了关
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——光纤通信的基础。
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5.1 概述
当时石英纤维的损耗高达1000dB/km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 射决定，它随波长的四次方而下降，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。
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30dB/km的衰减，浓雾衰减高达 120dB/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质，对 光通信的研究曾一度走入了低潮。
激光器的发明和应用，使沉睡了80年的光通信 进入一个崭新的阶段。
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5.1 概述
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。
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5.1 概述
纤芯和包层的折射率不同，设纤芯、包层的折 射率分别为n1、n2，则n1>n2。
纤芯
包层
保护套
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5.2 光纤
（1）根据光纤横截面上折射率分布的不同，分为阶 跃型光纤和渐变型光纤。
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第五章光纤通信刘
54.2 光纤
（2）根据光纤中传输模式（模式是指电磁场的分布 形式）数量的不同，分为单模光纤和多模光纤。