光线通信第1章 概述课件

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1、第1章 概述,1.1 光通信的基本概念 1.2 光纤通信的优点 1.3 光纤通信的系统组成 1.4 光纤通信的回顾与展望 1.5 光波技术基础 习题一,1.1 光通信的基本概念,光通信是利用光波来传送信息的。 光波的频率比目前电通信使用的频率高得多， 因而其通信容量很大。 通信系统的通信容量与系统的带宽成正比。 为了比较方便， 通常系统的带宽用载频的百分比， 即带宽利用系数来表示。,例如， 一个载波频率为100 MHz的无线电通信系统， 如果带宽利用系数为10%， 则系统带宽为10 MHz； 而对于载频为10 GHz的微波通信系统， 若带宽利用率仍为10%， 则系统带宽为1 GHz。 光波的频

2、率一般在1101441014 Hz范围内， 在带宽利用率仍为10%的情况下， 系统的利用带宽在10 00040 000 GHz范围内， 这是电通信无法比拟的。 ,1.1.1 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,（1.1）,其中： 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 3108 m/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。,对于光波来说， 波长常用单位有微米 m(1 m=10-

3、6 m)、 纳米nm(1 nm=10-9 m)、 埃(1=10-10 m)。 图1.1给出了光波在电磁波频谱中的大体位置分布（注意： 通常将频率为1 GHz以上的无线电波称为微波）。 光波的频率一般可达到10131014 Hz， 对应的波长在10100 000 nm之间。 可进一步将光波细分为红外线、 可见光和紫外线。,图 1.1 电磁波频谱图,红外线（波长0.76 m）： 这一波段的波长比人眼实际可见的光的波长要长得多， 可细分为近红外（波长为0.7615 m）、 中红外（波长为1525 m）和远红外（波长为 25300 m）。 这一波段的信号主要用于光波通信、 红外制导、 电子摄像及天文学

4、。 可见光（波长位于0.390.76 m）： 这一波段就是人眼实际可见的波长， 像自然光源(如太阳光)和白炽灯、 日光灯以及许多激光源(如He-Ne激光器)等装饰性的人造光源， 它们发出的光都是人眼可见的可见光。,紫外线（波长0.39 m）： 这一波段的波长比人眼实际可见的光的波长要短得多， 这一波段的信号很少应用于通信。 目前光通信所使用的光波波长大约为1 m， 主要位于近红外波段。 通常将小于1 m的红外波长称为短波长， 将大于1 m的红外波长称为长波长。,1.1.2 激光器产生的理想光载波 早期的光通信， 如用烽火台的火光传递简短的消息， 贝尔的光电话利用太阳光来传递话音信号， 它们所传

5、送信息的容量小、 距离短、 可靠性低、 设备笨重， 究其原因是由于采用了太阳光等普通光源。,1960年7月8日， 美国科学家梅曼(Maiman)发明了世界上第一台红宝石激光器。 激光器发出的激光与普通光源发出的光相比， 其光束的强度极高， 方向性极好， 光谱的范围小， 相位和频率一致性好， 其特性与无线电磁波类似， 是一种理想的通信载波， 可用来携带信息进行长距离传输。 因此激光器的出现使得光通信进入了一个崭新的阶段。,激光一词是从英文LASER翻译过来的， 而LASER一词是由英文“Light Amplification by Stimulated Emission Radiation”中的

6、首字母构成的， 其含义是受激辐射光放大。 由于其频率很高, 可极大地提高通信容量， 因此引起了通信工作者的广泛重视， 使激光很快在通信领域得到应用。 继红宝石激光器问世后， 各种不同材料的激光器相继出现， 如氦-氖激光器、 二氧化碳激光器、 氩离子激光器和半导体激光器等。,1.1.3 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， 采用的激光源有氦-氖激光器和二氧化碳激光器等。 由于发射功率很大， 因此那时所需的激光器的体积相对较大， 相应的设备较笨重。 近年来大功率半导体激光器的研制成功， 使得大气激光通信在实用化的道路上迈出了一大步。,目前， 大气激光通信（由于

7、光通信使用的光源无一例外地都采用激光器， 因而光通信实际上就是激光通信）在民用和军事通信中都具有重要作用， 为建立全天候、 具有高机动性和高灵活性、 工作稳定可靠的信息平台开辟了广阔前景。 这主要是由于其具有如下优点：,(1) 具有安装便捷、 使用方便的特点， 很适合于在特殊地形、 地貌及有线通信难以实现和机动性要求较高的场所工作。 (2) 具有不挤占宝贵的无线电频率资源、 电磁兼容性好、 抗强电磁干扰能力强、 保密性好等特点。 当然其有效通信距离和带宽有待进一步提高。 (3) 跟微波、 毫米波通信相比， 半导体激光通信系统在价格上也有较强的竞争优势， 是一种易于被市场和用户接受的通信手段。,

8、(4) 它是组建各种室内、 室外局域网和最后1000 m接入的有效手段。 因为它的合理应用， 会使蜂窝网中宝贵的频率资源得到更加充分的利用， 所以它对于城市中移动电话蜂窝网的建设和发展有着不可低估的价值。 (5) 它是未来实现卫星之间通信的有效手段， 因此， 在构筑外层空间通信网上， 半导体激光自由空间通信将发挥重要的作用。 (6) 由于它利用极窄的激光束作为载波， 传播的发散角非常小， 不易捕获， 保密性好， 因此具有很好的军事应用前景。,虽然大气光通信与其他无线通信相比， 具有如上的优点， 但是由于它以大气作为光波的传输介质， 因而存在致命的缺点， 目前远未得到应有的发展和推广应用。 大气

9、光通信主要存在以下的技术问题： (1) 大气信道衰减随机变化量大（雨、 雾、 灰尘和自然辐射对光能的吸收和散射， 使光能迅速衰减）， 需要补偿。 (2) 大气湍流现象（因大气中各处的密度和温度不同而引起的）使介质折射率发生不均匀的随机变化， 其结果是使接收光斑发生所谓的闪烁现象和漂移现象。,(3) 需要功耗小， 转换效率高， 激光输出功率大， 调制带宽及伺服系统简单的激光发射器件。 (4) 需要灵敏度高， 噪声特性好， 适合于常温环境下工作的接收器件。 (5) 需要体积小, 重量轻, 光学特性好, 便于安装、 调整校准的光学收发天线。 (6) 需要背景噪声的滤除技术。 (7) 在机动性要求高和

10、工作平台方位稳定性差的场合应用时需要自动跟踪瞄准。,1.1.4 理想的光波传输介质光纤 大气光通信虽然在机动性、 灵活性方面具有优势， 适合于大气层视距范围、 星际之间、 水下等特殊场合的通信， 但用于长距离的陆地和海底通信显然不理想。 然而光通信的许多优点驱使人们进一步探索光波新的传输介质。,为了克服大气对激光束的影响， 人们将光波在大气中的传输转移到地下， 如在金属或水泥管道内每隔一段距离安放一个反射镜， 通过反射镜的反射使光波限制在管道内向前传输， 如图1.2所示。 这种方法虽然克服了大气对激光束的影响， 但需要摆放许多反射镜， 给实际的施工、 维护带来诸多不便， 而且每反射一次， 光能

11、就损耗一次， 经过多次反射之后光能迅速降低， 传输距离受到限制。,图 1.2 利用反射镜传送光束,1.2 光纤通信的优点,就在对光纤损耗的研究获得巨大突破的同时， 美国贝尔实验室于1970年研制成功了可在室温连续工作的半导体激光器。 与气体、 液体、 固体、 离子等激光器相比， 半导体激光器体积小, 耗电少, 通过改变注入电流可方便地实现对信号的调制， 具有寿命长、 可靠性高等优点。 至此， 可以说光纤通信向实用化方向发展的两大障碍没有良好的激光源和理想的传输介质， 都得到了圆满的解决。 此后各种各样的光纤通信系统如雨后春笋般地发展起来。,1976年， 在美国亚特兰大成功进行了速率为44.7

12、Mb/s的光纤通信系统实验。 1977年， 美国芝加哥电话局进行了速率为44.7 Mb/s的光纤通信系统现场试验。 1978年， 日本进行了速率为100 Mb/s的光纤通信系统现场试验。 1980年， 日本进行了速率为400 Mb/s的光纤通信系统现场试验。 1989年， ITU-T（国际电信联盟电信委员会）制定了155 Mb/s、 622 Mb/s、 2.5 Gb/s等速率标准。 现在， 10 Gb/s 系统也已商用化。,自1982年以后， 光纤通信迅速发展， 促进了光纤的应用和产业化， 光纤的需求量呈指数规律上升。 无论是在陆地， 还是在海底都敷设了光纤， 光纤甚至已经延伸到了我们的办公桌

13、和家中。 光纤之所以在世界各国的各个领域得到广泛的应用， 成为高质量信息传输的主要手段， 是因为光纤与传统的金属同轴电缆相比， 具有如下的优点：,(1) 通信容量大。 由于光纤的可用带宽较大， 一般在10 GHz以上， 使光纤通信系统具有较大的通信容量。 而金属电缆存在的分布电容和分布电感实际起到了低通滤波器的作用， 使传输频率、 带宽以及信息承载能力受到限制。 现代光纤通信系统能够将速率为几十 Gb/s以上的信息传输上百英里， 允许大约数百万条话音和数据信道同时在一根光缆中传输。 实验室里， 传输速率达Tb/s级的系统现已研制成功。 光纤通信巨大的信息传输能力， 使其成为了信息传输的主体。,

14、(2) 传输距离长。光缆的传输损耗比电缆低， 因而可传输更长的距离。 光纤系统仅需要少量的中继器， 而光缆与金属电缆的造价基本相同， 少量的中继器使光纤通信系统的总成本比相应的金属电缆通信系统的要低。 (3) 抗电磁干扰。 光纤通信系统避免了电缆间由于相互靠近而引起的电磁干扰。 金属电缆发生干扰的主要原因就是金属导体向外泄漏电磁波。 由于光纤的材料是玻璃或塑料， 都不导电， 因而不会产生电磁波的泄漏， 也就不存在相互之间的电磁干扰。,(4) 抗噪声干扰。 光纤不导电的特性还避免了光缆受到闪电、 电机、 荧光灯及其他电器源的电磁干扰（EMI）， 外部的电噪声也不会影响光波的传输能力。 此外， 光

15、缆不辐射射频（RF）能量的特性也使它不会干扰其他通信系统， 这在军事上的运用是非常理想的， 而其他种类的通信系统在核武器的影响下（电磁脉冲干扰）会遭到毁灭性的破坏。,(5) 适应环境。 光纤对恶劣环境有较强的抵抗能力。 它比金属电缆更能适应温度的变化， 而且腐蚀性的液体或气体对其影响较小。 (6) 重量轻， 安全， 易敷设。 光缆的安装和维护比较安全、 简单， 这是因为： 首先，玻璃或塑料都不导电， 没有电流通过或电压的干扰； 其次， 它可以在易挥发的液体和气体周围使用而不必担心会引起爆炸或起火； 第三， 它比相应的金属电缆体积小, 重量轻, 更便于机载工作， 而且它占用的存储空间小， 运输也

16、方便。,(7) 保密。 由于光纤不向外辐射能量， 很难用金属感应器对光缆进行窃听， 因此， 它比常用的铜缆保密性强。 这也是光纤通信系统对军事应用具有吸引力的又一个方面。 (8) 寿命长。 尽管还没有得到证实， 但可以断言， 光纤通信系统远比金属设施的使用寿命长， 因为光缆具有更强的适应环境变化和抗腐蚀的能力。,当然光纤系统也存在一些不足: (1) 接口昂贵。 在实际使用中， 需要昂贵的接口器件将光纤接到标准的电子设备上。 (2) 强度差。 光缆本身与同轴电缆相比抗拉强度要低得多。 这可以通过使用标准的光纤包层PVC得到改善。 (3) 不能传送电力。 有时需要为远处的接口或再生的设备 提供电能， 光缆显然不能胜任，在光缆系统中还必须额外使用金属电缆。,(4) 需要专用的工具、 设备以及培训。 需要使用专用工具完成光纤的焊接以及维修； 需要专用测试设备进行常规测量； 光缆的维修既复杂又昂贵， 从事光缆工作的技术人员需要通过相应的技