现代光纤通信系统1
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13
光纤通信技术专家高锟 1998年在英国接受IEE授予的奖章
14
1966年，高锟在英国电气工程 师学会学报（PIEE）上发表了 一篇题为Dielectric-fibre surface waveguides for optical frequencies的论文， 论文通过理论分析得出，只要 纯度足够高，光纤就可以用来 长距离传输信号。他计算出如 何使光在光导纤维中进行远距 离传输，这项成果最终促使光 纤通信系统问世，而正是光纤 通信为当今互联网的发展铺平 了道路。随着第一个光纤系统 于1981年成功问世，高锟“光 纤之父”美誉传遍世界。
42
34
电信号对光源的调制方式
直接强度调制（Intensity Modulation），即用 电信号对光源的注入电流进行调制，然后使输出光 波的强度随调制信号而变化。 外调制，利用晶体的电光、磁光和声光等效应对 光辐射进行调制，即在光源光辐射产生后再加载调 制信号，外调制器放置在光源输出端的光路上，在 调制器上加调制电压后，使激光器输出的连续波， 通过调制器转换成一个随时间变化的光输出信号。
23
6
5
4 3
第一窗口
2
0。 4 0。 2
1
C 波段 1525~1565nm 第二窗口 第三窗口
0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.57 1.62
波长——λ（μm）
L波段
普通单模光纤的衰减随波长变化示意图
24
光纤的吸收
25
光纤损耗的改进
通过降低杂质的含量（包括水份）和改进工艺，掺锗的单模光纤 损耗可小于0.19dB/Km。 26 纯硅纤心和掺氟包层的单模光纤，损耗小于0.15dB/Km。
17
18
日本也做出了超低损耗的光纤(损耗为 0.2dB/km，波长为1.55μm)，同时进行了多 模光纤(同时允许多个方向的光线在其中传 送的光纤)1.31μm的长波长传输系统的现场 试验。 到如今，光纤通信已经发展到以采用 光放大器(Optical Amplifier，OA)增加中 继 距 离 和 采 用 波 分 复 用 ( Wavelength Division Multiplexing，WDM)增加传输容 量为特征的第四代系统。
19
光纤通信整体发展时间表
100000 系 统 性 能 (Gb/s•Km 1.55μm 相干检测 1.55μm 直接检测 光孤子
10000
1000
100
10 1 0.1
0.8μm 多模
1.3μm 单模
光 放 大 器
）
1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992
37
3.光接收机
光接收机的作用是将光纤送来的光信号还原成原始的电信 号。它一般由光电检测器和解调器组成。
检测方式有直接检测和外差检测两种。直接检测是用检测 器直接把光信号转换为电信号。这种检测方式设备简单、 经济实用， 是当前光纤通信系统普遍采用的方式。
光接收机前端
38
外差检测要设置一个本地振荡器和一个光混频器，使本 地振荡光和光纤输出的信号光在混频器中产生差拍而输 出中频光信号，再由光检测器把中频光信号转换为电信 号。外差检测方式的难点是需要频率非常稳定，相位和 偏振方向可控制，谱线宽度很窄的单模激光源；优点是 有很高的接收灵敏度。
DDN/ FR SNMP ATM
业务接入节点（RT）
100/1000M E1/BRA/PRA 155M
Internet骨干网
Q3
网管
与电信网管中心相连 典型应用：宽带综合业务光纤接入系统拓扑结构
31
1.3 光纤通信系统的基本组成
1.3.1 光纤通信系统的组成
光纤通信系统是以光纤为传输媒介，光 波为载波的通信系统。基本光纤传输系统主 要由光发射机、光纤光缆和光接收机组成。
事物都是一分为二的，光纤通信有许 多优点，因而发展很快，但光纤通信也有 以下缺点。
1. 抗拉强度低 2. 光纤连接困难 3. 光纤怕水
29
1.2.3 光纤通信的应用
通信网 计算机网络 广播电视网 综合业务光纤接入网
30
TV
622M SDH
PSTN/ISDN 业务分配节点 (COT)
对通信系统的重要要求之一是保密性好。 然而，随着科学技术的发展，电通信方式 很容易被人窃听：只要在明线或电缆附近 (甚至几公里以外)设置一个特别的接收装 置，就可以获取明线或电缆中传送的信息。 更不用去说无线通信方式。
5. 体积小，重量轻 6. 节省有色金属和原材料
28
1.2.2 光纤通信的缺点
现代光纤通信系统
教材：光纤通信 刘增基等编著，西安电子科技大学出版社
1
2
第1章
概
论
1.1 光纤通信的历史与现状 1.2 光纤通信的主要优点
1.3 光纤通信系统的基本组成
3
1.1 光纤通信的发展与现状
1.1.1 早期的光通信
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 红绿灯等均可划入光通信的范畴。
根据光纤的传导模数量，光纤通信系
统可以分为多模光纤通信系统和单模光纤
通信系统。
根据系统的工作波长，光纤通信系统
可分为短波长光纤通信系统、长波长光纤
通信系统和超长波长光纤通信系统。
41
通信网络结构的发展
第一代为纯电信网
第二代通信网仅仅是用光纤代替铜线，使通信
网的性能得到了某种改善，而网络的拓扑骨架基 本上之前的模式，光波通信的潜力尚未完全发挥。 第三代通信网为全光通信网。1990年后，随着 光纤与光波电子技术的发展，新颖光纤与半导体 功能光器件相继问世，掀起了发展全光通信网的 潮流。这种通信网中，不仅用光波系统传输信号， 交换、复用、控制与路由选择等亦全部在光域完 成，由此构建真正的光波通信网。
7
大气激光通信
8
9
10
11
地下光波通信
图1.2 反射波导和透镜波导
12
1.1.2 现代光纤通信
1966年，英籍华人高锟(K.C.Kao，当时工 作于英国标准电信研究所)博士深入研究了光在 石英玻璃纤维中的严重损耗问题，发现这种玻璃 纤维引起光损耗的主要原因是其中含有过量的铬、 铜、铁与锰等金属离子和其他杂质，其次是拉制 光纤时工艺技术造成了芯、包层分界面不均匀及 其所引起的折射率不均匀，他还发现一些玻璃纤 维在红外光区的损耗较小。
混频 器 信号 光 光检 测器
ωIF
电信 号 处理
S L
本地 光 振荡 器
基带 信号
39
1.3.2 光纤通信系统的分类
根据调制信号的类型，光纤通信系统 可以分为模拟光纤通信系统和数字光纤通 信系统。 根据光源的调制方式，光纤通信系统 可以分为直接调制光纤通信系统和间接调 制光纤通信系统。
40
可见 光线 ( 光纤 通信 用） 近红 外线 远红 外线 亚毫 米波 毫米 波(E H F ) 厘米 波(S H F ) 分米 波(U H F) 米波(V H F) 短波(H F ) 中波(M F)
电磁波频谱
22
2. 损耗低、中继距离长
目前，实用的光纤通信系统使用的光 纤多为石英光纤，此类光纤在1.55μm波长 区的损耗可低到0.18dB/km，比已知的其 他通信线路的损耗都低得多，因此，由其 组成的光纤通信系统的中继距离也较其它 介质构成的系统长得多。
如果今后采用非石英光纤，并工作在 超长波长(＞2μm)，光纤的理论损耗系数可 以下降到10 -3～10 -5 dB/km，此时光纤通信 的中继距离可达数千，甚至数万公里。
3. 抗电磁干扰能力强
我们知道，电话线和电缆一般是不能 跟高压电线平行架设的，也不能在电气铁 化路附近铺设。
27
4. 保密性能好
15
16
在高锟理论的指导下，1970年美国的 康宁公司拉出了第一根损耗为20dB/km的 光纤。 1977年美国在芝加哥进行了 44.736Mbit/s的现场实验，1978年，日本开 始了32.064Mbit/s和97.728Mbit/s的光纤通 信实验；1979年，美国AT&T和日本NTT 均研制出了波长为1.55μm的半导体激光器
35
电信号输入 激光源 光纤 激光源 光信号输出 电信号 输入 驱动器 (a) 驱动和控制 (b) 调制器 光纤
光信号输出
图 1.5两种调制方案 (a) 直接调制； (b) 间接调制(外调制)
36
2. 光纤线路
光纤的作用是为光信号的传 送提供传送媒介(信道)，将 光信号由一处送到另一处。 光纤是通信系统的传输介质， 是由两种不同折射率的石英 玻璃（SiO2）在高温下拉制 而成的。内层为纤芯，作用 是传输光信号，外层为包层， 作用是使光信号尽可能封闭 在纤芯中传输，为了将信号 限制在纤芯中，必须在纤芯 和包层的界面实现光的全内 反射
4
1880年，贝尔发明了 第一个光电话，这一 大胆的尝试，可以说 是现代光通信的开端。 在这里，将弧光灯的 恒定光束投射在话筒 的音膜上，随声音的 振动而得到强弱变化 的反射光束，这个过 程就是调制。
5
图1.1 贝尔光电话系统
6
wk.baidu.com
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。 在这个时期，美国麻省理工学院利用He Ne激光器和CO2激光器进行了大气激光通信试 验。 利用大气作为光通信通道，光波传播易受 气候的影响，在大雾天气，它的可见度距离很 短，遇到下雨下雪天也有影响。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。
发 射 信 息 源 电 发 射 机 电信 号 输入 光 发 射 机 光信 号 输出 光信 号 输入 光纤 线路 基本 光纤 传输 系统 光 接 收 机 接 收 电 接 收 机 电信 号 输出
32
信 息 宿
33
1. 光发射机
系统中光发射机的作用是将电信号转换为光信号，并将生 成的光信号注入光纤。光发射机一般由驱动电路、光源和 调制器构成。光源是光发射机的核心部件。目前光纤通信 系统中常用的光源有发光二极管LED和激光器LD两种，这两 种器件都是用半导体材料制成。
20
1.2 光纤通信的优点和应用
1.2.1 光纤通信的优点
1. 光纤的容量大
光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载 波的通信系统，其载波—光波具有很高的 频率(约1014Hz)，因此光纤具有很大的通信 容量。
21
频率
波长
名称 紫外 线
1 m 1 00 T H z 1 0 m 10 THz 1 00 m 1 TH z 1 mm 1 00 G H z 1 0 mm 10 GH z 1 00 mm 1 G Hz 1 m 1 0 0 MH z 10 m 10 MHz 1 00 m 1 MHz
光纤通信技术专家高锟 1998年在英国接受IEE授予的奖章
14
1966年，高锟在英国电气工程 师学会学报（PIEE）上发表了 一篇题为Dielectric-fibre surface waveguides for optical frequencies的论文， 论文通过理论分析得出，只要 纯度足够高，光纤就可以用来 长距离传输信号。他计算出如 何使光在光导纤维中进行远距 离传输，这项成果最终促使光 纤通信系统问世，而正是光纤 通信为当今互联网的发展铺平 了道路。随着第一个光纤系统 于1981年成功问世，高锟“光 纤之父”美誉传遍世界。
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电信号对光源的调制方式
直接强度调制（Intensity Modulation），即用 电信号对光源的注入电流进行调制，然后使输出光 波的强度随调制信号而变化。 外调制，利用晶体的电光、磁光和声光等效应对 光辐射进行调制，即在光源光辐射产生后再加载调 制信号，外调制器放置在光源输出端的光路上，在 调制器上加调制电压后，使激光器输出的连续波， 通过调制器转换成一个随时间变化的光输出信号。
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第一窗口
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0。 4 0。 2
1
C 波段 1525~1565nm 第二窗口 第三窗口
0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.57 1.62
波长——λ（μm）
L波段
普通单模光纤的衰减随波长变化示意图
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光纤的吸收
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光纤损耗的改进
通过降低杂质的含量（包括水份）和改进工艺，掺锗的单模光纤 损耗可小于0.19dB/Km。 26 纯硅纤心和掺氟包层的单模光纤，损耗小于0.15dB/Km。
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日本也做出了超低损耗的光纤(损耗为 0.2dB/km，波长为1.55μm)，同时进行了多 模光纤(同时允许多个方向的光线在其中传 送的光纤)1.31μm的长波长传输系统的现场 试验。 到如今，光纤通信已经发展到以采用 光放大器(Optical Amplifier，OA)增加中 继 距 离 和 采 用 波 分 复 用 ( Wavelength Division Multiplexing，WDM)增加传输容 量为特征的第四代系统。
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光纤通信整体发展时间表
100000 系 统 性 能 (Gb/s•Km 1.55μm 相干检测 1.55μm 直接检测 光孤子
10000
1000
100
10 1 0.1
0.8μm 多模
1.3μm 单模
光 放 大 器
）
1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992
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3.光接收机
光接收机的作用是将光纤送来的光信号还原成原始的电信 号。它一般由光电检测器和解调器组成。
检测方式有直接检测和外差检测两种。直接检测是用检测 器直接把光信号转换为电信号。这种检测方式设备简单、 经济实用， 是当前光纤通信系统普遍采用的方式。
光接收机前端
38
外差检测要设置一个本地振荡器和一个光混频器，使本 地振荡光和光纤输出的信号光在混频器中产生差拍而输 出中频光信号，再由光检测器把中频光信号转换为电信 号。外差检测方式的难点是需要频率非常稳定，相位和 偏振方向可控制，谱线宽度很窄的单模激光源；优点是 有很高的接收灵敏度。
DDN/ FR SNMP ATM
业务接入节点（RT）
100/1000M E1/BRA/PRA 155M
Internet骨干网
Q3
网管
与电信网管中心相连 典型应用：宽带综合业务光纤接入系统拓扑结构
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1.3 光纤通信系统的基本组成
1.3.1 光纤通信系统的组成
光纤通信系统是以光纤为传输媒介，光 波为载波的通信系统。基本光纤传输系统主 要由光发射机、光纤光缆和光接收机组成。
事物都是一分为二的，光纤通信有许 多优点，因而发展很快，但光纤通信也有 以下缺点。
1. 抗拉强度低 2. 光纤连接困难 3. 光纤怕水
29
1.2.3 光纤通信的应用
通信网 计算机网络 广播电视网 综合业务光纤接入网
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TV
622M SDH
PSTN/ISDN 业务分配节点 (COT)
对通信系统的重要要求之一是保密性好。 然而，随着科学技术的发展，电通信方式 很容易被人窃听：只要在明线或电缆附近 (甚至几公里以外)设置一个特别的接收装 置，就可以获取明线或电缆中传送的信息。 更不用去说无线通信方式。
5. 体积小，重量轻 6. 节省有色金属和原材料
28
1.2.2 光纤通信的缺点
现代光纤通信系统
教材：光纤通信 刘增基等编著，西安电子科技大学出版社
1
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第1章
概
论
1.1 光纤通信的历史与现状 1.2 光纤通信的主要优点
1.3 光纤通信系统的基本组成
3
1.1 光纤通信的发展与现状
1.1.1 早期的光通信
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 红绿灯等均可划入光通信的范畴。
根据光纤的传导模数量，光纤通信系
统可以分为多模光纤通信系统和单模光纤
通信系统。
根据系统的工作波长，光纤通信系统
可分为短波长光纤通信系统、长波长光纤
通信系统和超长波长光纤通信系统。
41
通信网络结构的发展
第一代为纯电信网
第二代通信网仅仅是用光纤代替铜线，使通信
网的性能得到了某种改善，而网络的拓扑骨架基 本上之前的模式，光波通信的潜力尚未完全发挥。 第三代通信网为全光通信网。1990年后，随着 光纤与光波电子技术的发展，新颖光纤与半导体 功能光器件相继问世，掀起了发展全光通信网的 潮流。这种通信网中，不仅用光波系统传输信号， 交换、复用、控制与路由选择等亦全部在光域完 成，由此构建真正的光波通信网。
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大气激光通信
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地下光波通信
图1.2 反射波导和透镜波导
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1.1.2 现代光纤通信
1966年，英籍华人高锟(K.C.Kao，当时工 作于英国标准电信研究所)博士深入研究了光在 石英玻璃纤维中的严重损耗问题，发现这种玻璃 纤维引起光损耗的主要原因是其中含有过量的铬、 铜、铁与锰等金属离子和其他杂质，其次是拉制 光纤时工艺技术造成了芯、包层分界面不均匀及 其所引起的折射率不均匀，他还发现一些玻璃纤 维在红外光区的损耗较小。
混频 器 信号 光 光检 测器
ωIF
电信 号 处理
S L
本地 光 振荡 器
基带 信号
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1.3.2 光纤通信系统的分类
根据调制信号的类型，光纤通信系统 可以分为模拟光纤通信系统和数字光纤通 信系统。 根据光源的调制方式，光纤通信系统 可以分为直接调制光纤通信系统和间接调 制光纤通信系统。
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可见 光线 ( 光纤 通信 用） 近红 外线 远红 外线 亚毫 米波 毫米 波(E H F ) 厘米 波(S H F ) 分米 波(U H F) 米波(V H F) 短波(H F ) 中波(M F)
电磁波频谱
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2. 损耗低、中继距离长
目前，实用的光纤通信系统使用的光 纤多为石英光纤，此类光纤在1.55μm波长 区的损耗可低到0.18dB/km，比已知的其 他通信线路的损耗都低得多，因此，由其 组成的光纤通信系统的中继距离也较其它 介质构成的系统长得多。
如果今后采用非石英光纤，并工作在 超长波长(＞2μm)，光纤的理论损耗系数可 以下降到10 -3～10 -5 dB/km，此时光纤通信 的中继距离可达数千，甚至数万公里。
3. 抗电磁干扰能力强
我们知道，电话线和电缆一般是不能 跟高压电线平行架设的，也不能在电气铁 化路附近铺设。
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4. 保密性能好
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在高锟理论的指导下，1970年美国的 康宁公司拉出了第一根损耗为20dB/km的 光纤。 1977年美国在芝加哥进行了 44.736Mbit/s的现场实验，1978年，日本开 始了32.064Mbit/s和97.728Mbit/s的光纤通 信实验；1979年，美国AT&T和日本NTT 均研制出了波长为1.55μm的半导体激光器
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电信号输入 激光源 光纤 激光源 光信号输出 电信号 输入 驱动器 (a) 驱动和控制 (b) 调制器 光纤
光信号输出
图 1.5两种调制方案 (a) 直接调制； (b) 间接调制(外调制)
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2. 光纤线路
光纤的作用是为光信号的传 送提供传送媒介(信道)，将 光信号由一处送到另一处。 光纤是通信系统的传输介质， 是由两种不同折射率的石英 玻璃（SiO2）在高温下拉制 而成的。内层为纤芯，作用 是传输光信号，外层为包层， 作用是使光信号尽可能封闭 在纤芯中传输，为了将信号 限制在纤芯中，必须在纤芯 和包层的界面实现光的全内 反射
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1880年，贝尔发明了 第一个光电话，这一 大胆的尝试，可以说 是现代光通信的开端。 在这里，将弧光灯的 恒定光束投射在话筒 的音膜上，随声音的 振动而得到强弱变化 的反射光束，这个过 程就是调制。
5
图1.1 贝尔光电话系统
6
wk.baidu.com
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。 在这个时期，美国麻省理工学院利用He Ne激光器和CO2激光器进行了大气激光通信试 验。 利用大气作为光通信通道，光波传播易受 气候的影响，在大雾天气，它的可见度距离很 短，遇到下雨下雪天也有影响。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。
发 射 信 息 源 电 发 射 机 电信 号 输入 光 发 射 机 光信 号 输出 光信 号 输入 光纤 线路 基本 光纤 传输 系统 光 接 收 机 接 收 电 接 收 机 电信 号 输出
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信 息 宿
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1. 光发射机
系统中光发射机的作用是将电信号转换为光信号，并将生 成的光信号注入光纤。光发射机一般由驱动电路、光源和 调制器构成。光源是光发射机的核心部件。目前光纤通信 系统中常用的光源有发光二极管LED和激光器LD两种，这两 种器件都是用半导体材料制成。
20
1.2 光纤通信的优点和应用
1.2.1 光纤通信的优点
1. 光纤的容量大
光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载 波的通信系统，其载波—光波具有很高的 频率(约1014Hz)，因此光纤具有很大的通信 容量。
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频率
波长
名称 紫外 线
1 m 1 00 T H z 1 0 m 10 THz 1 00 m 1 TH z 1 mm 1 00 G H z 1 0 mm 10 GH z 1 00 mm 1 G Hz 1 m 1 0 0 MH z 10 m 10 MHz 1 00 m 1 MHz