光纤通信发展历程及原理简介

光纤的结构

光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石英经复杂的 工艺拉制而成。 光纤中心部分(芯Core)＋同心圆状包裹层(包层 Clad)＋涂覆层
树脂被覆层
包层
芯

特点：ncore>nclad 光在芯和包层之间的界面上反 复进行全反射，并在光纤中传递下去。

光纤加上涂覆层并按 一定的结构组成光缆

1976年，美国贝尔研究所在亚特兰大建成第一条光 纤通信实验系统。 1980年，由多模光纤制成的商用光缆开始在市内局 间中继线和少数长途线路上采用。


1988年，连接美国与英法之间的第一条横跨大西洋 海底光缆敷设成功。
1978年，中国自行研制出通信光缆，采用的是多模 光纤，缆心结构为层绞式。 1984年以后，逐渐用于长途线路，并开始采用单模 光纤。


多模光纤的历史与发展

1971-1980年期间，是多模光纤的研究开发期。 在此期间，国际上逐步淘汰了传统的双坩埚工艺，开发了MCVD、OVD、VAD、PCVD等四种 化学汽相沉积预制棒新工艺；从多组分氧化物玻璃光纤转向石英玻璃光纤;研究了多模光纤 传输理论与光纤设计，其中特别重要的是,开发了通过微分模时延（DMD）测量结果的分析 来优化预制棒工艺提高多模光纤带宽的关键技术; 进行了多模光纤通信系统现场试验。 1980 年的全球光纤年产量不足10万km，100%是多模光纤
3、光接收机
光接收机是实现光 / 电转换的光端机。它由光检测器和光放 大器组成。 收端：由光接收机把从光纤传过来的光信号转变为电信号。 光接收机的核心部件是光检测器，光检测器的主要功能是完 成光电转换。然后把电信号传给电接收机。
M2M 系统安全措施
在 M2M系统中，如果想要保证系统的安全稳定运行，就必须要全方位做好系统 的安全防护措施，如果其中的任意一个环节出现漏洞，都会影响到整个系统的正常 运行，下面提出了几点针对 M2M系统所实施的安全措施. 1 .基于身份识别的密码系统 因为 M2M系统通常包含大量的物品，因此在对考虑到密钥更新以及硬件成本的 情况下，对称式密钥系统并非较好的安全措施。在 M2M系统中，因为所设计的物品 过多，如果使用密钥进行管理就容易导致整个网络达到效能瓶颈，对整个M2M系统 的运行效率产生较大影响。基于身份识别的密码系统实在 1984 年由 Shamir 所提出的 一种概念。这个概念能够应邀到 M2M系统中。在 M2M系统中，该技术通过为每个物 品附加一个独立的 ID，在任意物品之间需要进行通信时，只需要知道对方的 ID 就可 以透过公用密钥建立彼此之间的密钥，保证通信的安全。


在光纤通讯技术方面获得专利31项出版专著四本， 发表论文超过百余篇
获得众多国际性大奖 1976年美国硅酸盐学会Morey奖，1977年美国 Franklin研究所Stewart Ballantine 奖。1978美国 IEEE授予morris Liebmann纪念奖…… 世界各国国家级学术单位院士、会士、著名大学 博士等荣誉称号 美国国家工程院院士，英国皇家工程科学院院士， 瑞典皇家工程科学院外籍院士…… 2009年诺贝尔物理学奖
光纤特性

（一）光的性质 波动性、粒子性 ①反射、折射、 全反射 ② 干涉、衍射、 偏振


③ 光的吸收、 色散、散射
光疏媒质 光密媒质
fc
光纤的种类

（1）工作波长：紫外光纤、可观光纤、近红外光纤、 红外光纤。 （2）折射率分布：阶跃（SI）型光纤、近阶跃型光 纤、渐变（GI）型光纤、其它（如三角型、W型、凹 陷型等）。 （3）传输模式：单模光纤（含偏振保持光纤、非偏 振保持光纤）、多模光纤。
图 1 光纤通信系统的构成框图
1、光发射机
光发射机是实现电 / 光转换的光端机。发端：首先由电发射 机发出电信号，送给光发射机，光发射机完成电 / 光转换。 光发射机的关键部件是光源，光源的主要功能是完成电 / 光 的转换。目前光纤通信中常用的光源有：半导体激光二极管 （LD）和 半导体发光二级管（LED）。由光发射机发出光信 号以后送入光纤或者光缆进行传输。

第四阶段：借助互联网与无线通信传递信息阶段。随着计算
机技术与电子技术的飞速发展，信息共享和快速交换促进互联网
的诞生，信息包括语音、图像、视频多种形式，每个人有机会在 数据海洋中找到需要的资讯，进行信息的分享和交流。上世纪70 年代，美国贝尔实验室推出蜂窝模拟移动通信系统开启了个人移 动通信领域，移动通信进入高速发展时期，2G 的GSM、CDMA 通信技术、3G 的CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA 通信技术、 4G 的LTE 技术，改变人们的生活方式、丰富者人们的生活。


华裔科学家高锟

1922年出生于上海
1957年在英国标准通信研究所从事科学研究工作
1966年发表《光频率介质纤维表面波导》，因为这 篇文章获2009年诺贝尔奖

1974年至1986年, 高银博士在国际电话电报公司美 国总部任职, 先后担任工程部主任、首席执行科学家、 以至科学研究总裁 1987年至1996年香港中文大学校长，同年当选中国 科学院外籍院士


什么是光纤通信？ 利用激光作为信息的载波信号，并通过 光纤来传送信息的通信系统。
光纤能干些什么？

光纤的应用范围很广,光纤除了作通讯用途外, 还可以用来制造内窥镜等医疗器材,光纤感应器或光纤装饰,交通,夜视 感测器度量测量和控制工程显微镜学,显微镜学,机器视觉,照明,成像,健康, 电荷耦合元件(CCD)汽车等. 例如内 视镜,它是一根柔软可弯曲且内含数条光纤的管子.当它滑入病人的嘴,鼻, 消化道及其它心脏等 由体外看不到的地方时,医生便能由内视镜看到内部变化, 而减少进行冒险性手术的需要.


光纤通信的原理
一、光纤的传输特性
二、光纤通信系统的组成
三、M2M 系统安全措施
光纤的传输特性
1、损耗
光在光纤中传输，随着传输距离的增加，光功率会越 来越小，这种现象称为光纤的传输损耗。光纤的传输损耗 是影响中继距离的重要因素。吸收损耗和散射损耗是光纤 本身的主要损耗。另外，耦合损耗是光源与光纤之间的损 耗、连接损耗是光纤之间损耗等，这些都是光纤传输损耗 的因素。为了实现低损耗传输，光纤有三个低损耗窗口： 0.85um，1.31um，1.55um。况且随着波长的增加，光纤的 损耗会越来越小。
（3）光纤的色散主要有模式色散、材料色散和波导色散。
（4）模式色散：不同模式的光传输途径不同，速度不同所引起的色散。 （6）波导色散：光纤的几何结构不完善引起的色散。
（5）材料色散：由于光纤材料本身的折射指数随波长而变化引起的色散。
光纤通信系统的构成
光纤通信系统由光发射端机、光纤、光中继器和光接收端机组 成，见下图所示。

通信技术的发展可分为如下四个阶段：
第一阶段：借助器物和声音传递信息阶段。解放前我国云南
景颇族就有把辣椒送给朋友表示自己遇到了很大的麻烦的器物信 息传递模式。在文字发明之前人类通过手势、表情来传递信息， 信息在视距范围。通过声音实现超视距传递信息，但距离依然受 到声音传播距离的影响。这个阶段信息传递速度慢、不精确。这
种通信模式在当时有十分成功的典范，如古代的“烽火”技术须
臾间能把紧急军情传递到千里之外。因其简洁方便的特点，现代 通信依然保留如旗语等简便快捷的近距离通信模式。

第二阶段：借助文字传递信息阶段。文字与印刷术发明后，
信息可以通过书籍、书信、报纸、杂志等方式呈现。文字促进了
邮政业的发展，中国早在商代就有驿传的通信方式，通过飞鸽、 快马等方式传递书信、情报；现代逐步演变成邮政系统。这种通 信模式信息保持时间更长久，传递信息更加准确，传递距离更加 远，但传递速度慢、信息单一。
光纤发展历史

1970年，康宁公司率先研制出了世界上第一根衰减低于20dB/km 的石英玻璃光纤—这个20dB/km的数据，当时被认为是光纤可用 于通信的阈值，也是由高锟博士计算确定的，而当时已有的玻璃 光纤的衰减高达1000dB/km以上，因衰减太高, 不能用于通信。此 后不久，也是在1970年，第一个半导体激光器实现了室温工作。 这样，光源和传输介质问题的解决有望，全世界因此而雀跃！从 此拉开了光纤研制和光纤通信研究的序幕，开始了现代光纤通信 的发展。
中继器 光纤
光纤通信的优点
容许频带很宽，传输容量很大； 理论上说一根头发丝粗细的光纤可以传输100亿话电路。目前 一根光纤传输50万话电路（40Gb/s）试验成功。比电缆等高出 几千几十万倍以上。 损耗很小，中继距离很长且误码率很小； 光纤的衰减系数极低（目前已达0.25db/km以下）。中继距离 可达100km. 重量轻，细、体积小; 直径一般为几微米到几十微米。相比电缆轻90%~95%（是电 缆质量的1/20~1/10），直径不到电缆的1/5. 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。
通 信 材 料——光 纤
什么是通信？

通信就是将信息从一方准确安全地传递到另外一方，通信技
术是实现信息准确、安全、高效的传递的保障。从有记载的人类
文明以来，通信技术获得了长足的发展，并且发展速度越来越快。
等功能使用的材料。
人类通信技术的发展历程

第三阶段：借助电子通信技术传递信息阶段。随着麦克斯韦
发现电磁波、赫兹验证电磁理论催生电子技术，波波夫/ 马可尼
发明电报，促进电报业的发展，邮政系统通过电报能够瞬间将文 字传递到地球的任何一个地方。贝尔发明电话，实现万里之外的 实时声音通信，进一步缩短了人类相互沟通和交流的距离，是人 类通信发展史上的重大里程碑。




国内光纤通信发展现状

1963年 开始光通信的研究
1974年 研究光纤通信
“六五”、“七五”、“八五”铺设“八纵八横”光纤线路总长 约七万公里

传输码率：从140Mb/s~2.5Gb/s，10Gb/s，40Gb/s已开始 研究。
DFB（量子阱）激光器和EDFA（掺铒光纤放大器）研制成功， 可供应用 高速电子器件、波导器件尚有差距


1981-1995年期间，是多模光纤实用化并不断增加新品种的发展期。
1996-2002年期间，多模光纤研究与开发进入了最新一个活跃期。 在此期间, LAN系统向Gb/s以上的超高速率发展。IEEE于1998年6月通过了千兆比特以太网标 准; 2002年6月刚刚通过了10Gb/s以太网标准。
光纤通讯发展的几个阶段

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。 第三阶段(1986年至今)，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。


光纤原理
驱动电路 调制器 光源 光电二 极管 光纤 放大器 判决器
2、光中继器
由于光纤存在损耗和色散，光信号经过一段距离传输后会发生衰减 和失真，如果不及时进行修复，很可能无法继续向前传输。有可能信 号衰减掉了，有可能严重变形，总之，必须马上进行修复。修复的办 法就是：对衰减的信号进行放大，对失真的波形进行修复，把波形重 新整形到发送端的状态。光纤通信中光中继器的形式主要有两种，一 种是光 -电 - 光转换形式的中继器，另一种是在光信号上直接放大的光 放大器。光 - 电 - 光转换形式的中继器：光中继器需要先把光信号变 成电信号 ，对电信号再放大、再定时、再整形以后，通过这三个过程， 得到接近于发射端的光信号的复制，从而起到延长传输距离，提高信 号质量的效果。 光放大器：光放大器能直接放大光信号，无需转换成电信号，对信号 的格式和速率具有高度的透明性，使得整个光纤通信传输系统更加简 单和灵活。光放大器主要有半导体光放大器和光纤放大器两大类。
2、色散 光脉冲信号经光纤传输，到达输出端会发生时间上的展宽，这种现象称 为色散。 （1）产生原因：光脉冲信号的不同频率成分不同模式，在光纤中传输时 途径不同，速度不同，到达终点所用时间不同，即群时延差引入了色散。 （2）导致问题：信号波形畸变，表现为脉冲展宽，产生码间干扰，增加 误码率。 限制带宽，影响通信容量和传输速率。