光纤通信系统的基本组成

部分电磁波频谱图
X-射线 X-Rays 伽玛射线
Gamma
Rays
可见光 Visible
紫外线 UV
红外线 IR
微波 Microwave
无线电 Radio
10－11
10－9
10－7
10－5
10－3
10－1
10
103
波长Wavelength(cm)
电磁波频谱图
1.2.2 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。
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 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 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。
(2) 光收信机
光收信机是实现光/电转换的光端机。 它由光检测器和光放大器组成。
(4) 中继器
中继器由光检测器、光源和判决再生 电路组成。
它的作用有两个：一个是补偿光信号 在光纤中传输时受到的衰减；另一个是对 波形失真的脉冲进行整形。
(5) 无源器件
由于光纤或光缆的长度受光纤拉制工 艺和光缆施工条件的限制，且光纤的拉制 长度也是有限度的（如1Km)。 因此一条 光纤线路可能存在多根光纤相连接的问题。 于是，光纤间的连接、光纤与光端机的连 接及耦合，对光纤连接器、耦合器等无源 器件的使用是必不可少的。
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
• 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”。
这种光电话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。
其功能是将光纤或光缆传输来的光信 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。 其功能是将发信端发出的已调光信号， 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。
• 第一条横跨太平洋海底光缆通信系统于 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。
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。
贝尔光电话
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。
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。
因此，可以说贝尔光电话是现代光 通信的雏型。
• 1976年，日本电报电话(NTT)公司将 光纤损耗降低到 0.47 dB/km 。
• 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 最低损耗的理论极限。
1970 年，光纤通信用光源取得了实 质性的进展:
• 1977年，贝尔实验室研制的半导体激光 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 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。
实用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 试验。
系 10000
相干检测
统
1.55μm
性 1000
直接检测
光
能
1.3μm
放
100 0.8μm 单模
大 器
10
多模
）1
0.1 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 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。
1.2.3 光纤通信的应用
光纤可以传输数字信号，也可以传输 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。
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
1970年，光纤研制取得了重大突破
• 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。
• 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。
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，对应的波长在10-100000 nm 之间。
可进一步将光波细分为红外线、可见 光和紫外线。
频率
波长
名称
100 THz 10 THz 1 THz 100 G Hz 10 GHz 1 GHz 100 M Hz 10 M Hz 1 M Hz
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。
目前光纤已成为信息宽带传输的主要 媒质，光纤通信系统将成为未来国家信息 基础设施的支柱。
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。
光纤通信整体发展时间表
(Gb/s•Km
100000
1.55μm 光孤子
1 m 10 m 1 00 m 1 mm 1 0 mm 1 0 0 mm 1m 10 m 1 00 m
紫外 线 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)
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。在
讨论高频电磁波时，我们习惯采用波长 来代替频率描述。波长与频率的关系为：
c
f
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。
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 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 。
光发信机
中继器
光收信机
电 端 机
调 制
光纤 光 判
检 测
决 再 生
光 源
光纤
光 检 测
放 大
电 端 机
光 源
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。
• 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。
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。
大气光通信 激光器一问世，人们就模拟无线电通信进
• 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 的突变型多模光纤通信系统， 以及速率为100 Mb/s 的渐变型多模光纤通 信系统的试验。
• 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于1988年建 成。
• 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 下连续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半 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。
• 1973年，半导体激光器寿命达到7000 小时。
• 1976年，日本电报电话公司研制成功发 射波长为1.3μm 的铟镓砷磷(InGaAsP)激光 器。
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。
1.1.2 现代光纤通信
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。
光纤通信发明家高锟(左) 1998年在英国接受 IEE 授予的奖章
• 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。
1.1.3 国内外光纤通信发展的现状 1976年美国在亚特兰大进行的现场试
验，标志着光纤通信从基础研究发展到了 商业应用的新阶段。
此后，光纤通信技术不断创新：光纤 从多模发展到单模，工作波长从0.85μm发 展到1.31μm和1.55μm (短波长向长波长）， 传输速率从几十Mb/s发展到几十Gb/s。