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1、Fiber Optic Communications 光纤通信,吉驭嫔 西华大学物理与化学学院 E-mail: jiyupin163 手机：13730651742,Fiber Optic Communication,content：介绍了光纤通信的概念，光纤的传输特性、光发射机和光接收机的工作原理及工作特性、有源和无源光网络器件的工作原理及应用、光纤通信系统的设计、光纤网络等。,assignment：光纤通信是光信息科学学生的一门专业技术选修课，通过本课程的学习，学生将掌握光纤通信的基本原理和光纤通信系统的组成，了解光纤通信的未来与发展，为进一步学习光纤通信技术和设备打下基础。本课程对培养学生
2、综合应用以前所掌握的通信系统基本知识、波动光学等基本知识等有良好的促进作用。,光纤通信系统概述 光纤 光源和光发射机 光检测器和光接收机 光网络器件 光纤通信系统的设计,要求：做好课堂笔记，按时完成作业，每章交一次作业，做好每次实验，写好实验报告。 考核方式：平时成绩（考勤、作业、实验）：30% 期中考试+ 期末考试：70%,1.1 Historical Perspective 1.2 Main Characteristics 1.3 Composition and Classification,Chapter 1 Fiber Optic communications System,1.1 H
3、istorical Perspective,Smoke signals Blinker lights,1.1.1 Early optic communications,到了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。 贝尔用弧光灯或者太阳光作为光源，光束通过透镜聚焦在话筒的震动片上。当人对着话筒讲话时，震动片随着话音震动而使反射光的强弱随着话音的强弱作相应的变化，从而使话音信息“承载”在光波上（这个过程叫调制）。在接收端，装有一个抛物面接收镜，它把经过大气传送过来的载有话音信息的光波反射到硅光电池上，硅光电池将光能转换成电流（这个过程叫解调）。电流送到听筒，就
4、可以听到从发送端送过来的声音了。,The beginning of modern optic communication,-Bells Photophone,Bells Photophone,1880 - Photophone Transmitter,1880 - Photophone Receiver,Bell photophone,Three elements of optic communications,Optical Sources（transmitter） Transmission medium（information channel） Receiver,贝尔光电话和烽火报警一样，
5、都是利用大气作为光通道。 大气光通信优点：有一定的容量、传输距离，方便灵活 缺点：1 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。 2. 距离有限 3.通信两点必须直线可见,在大气光通信受阻之后，人们将研究的重点转入到地下光波通信的实验，先后出现过反射波导和透镜波导等地下通信的实验。,1.1.2 Fiber Optic communications ,Reflection waveguide and lens waveguide,1966年，英籍华裔学者高锟(K.C.Kao，当时工作于英国标准电信研究所) 发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤进行信
6、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。,高锟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。,1966年：光纤损耗为1000dB/km,高锟在论文光频介质纤维表面波导提出：通过改进制备工艺，减少原材料杂质 ，可使石英光纤的损耗大大下降 ，并有可能拉制出损耗低于20dB/km的光纤，从而使光纤可用于通信之中。称为“光纤之父”。,1970年，光纤研制取得了重大突破。美国康宁(Corning)公司就研制成功损耗20 dB/
7、km的石英光纤。,1972年，康宁公司将高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/km。,1973 年，美国贝尔(Bell)实验室取得了更大成绩，光纤损耗降低到2.5dB/km。,1974 年降低到1.1dB/km。,1976 年，日本电报电话(NTT)公司等单位将光纤损耗降低到0.47 dB/km(波长1.2m)。,在以后的 10 年中，波长为1.55 m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，作为光纤通信用的光源也取得了实质性的进展。 当年，美国贝尔实验室、日本电气公
8、司(NEC)和前苏联先后突破了半导体激光器在低温(-200 )或脉冲激励条件下工作的限制，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)。,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(约11.4年)，外推寿命达到100万小时，完全满足实用化的要求。,1979年, 美国电报电话(AT&T)公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为1.55 m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。,1.2 . Main characteristic
9、s 1.2.1 What is the optic fiber communications?,Electric communications 广义的电通信指的是一切运用电波作为载体而传送信息的所有通信方式的总称。 电通信又可分为有线电通信和无线电通信。,Communication:从广义的角度来说，就是彼此之间传递信息。,optic communications 广义的光通信指的是一切运用光波作为载体而传送信息的所有通信方式的总称。 光通信也可以分为利用大气进行通信的无线光通信和利用石英光纤或塑料光纤进行通信的有线光通信。,人们通常把应用石英光纤的有线光通信简称为光纤通信（optic fib
10、er communications）,optic fiber communications 用光作为信息的载体，以光纤作为传输介质的一种通信方式。,1.2.2 The advantages of Fiber Optic Communictions,1. The capacity of Optic Fiber is very large,信号进行传输且没有明显衰减的频率范围。,Shannon-Hartley：,C为信道容量（单位为比特/秒，b/s），B为信道带宽（单位为赫兹，Hz），SNR是信号功率与噪声功率的比值，称之为信噪比。,增加信道带宽可以有效地提高信道容量,Bandwidth（带宽）,
11、大多数光通信系统使用红外区域的波长,0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 1.0 1.5 2.0 Wavelength (m),Ultraviolet,Visible,Infrared,Optical Spectrum (Partial),Blue,Red,Wave Nature of Light,载波频率越高,信道的带宽就越大,The electromagnetic spectrum of Communication system,2. Low loss, and long Relay distance,Relay distance(中继距离),传输线路上不加放大器时信号所能传输的
12、最大距离。,3. Strong anti-interference ability,4. Good secrecy,5. Save non-ferrous metal,6.Others： thin Line diameter, light weight and long life,1. 抗拉强度低 2. 光纤维护检修困难 3. 连接不方便,1.2.3 The disadvantages of Fiber Optic Communications,1.3 Composition and Classification,1.3.1 The Composition of Fiber Optic com
13、munications system,光纤通信系统由光发射机(Light Transmitter)、光纤线路(Optic Fiber Links)和光接收机(Light Receiver)三部分组成。它首先要在发射机将需传送的电话、电报、图像和数据等信号进行光电转换，即将电信号变成光信号，再经光纤传输到接收机，接收机将接收到的光信号转变成电信号，最后还原成消息。,The basic component of the generalized optical fiber communication system,光发送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。光发送机一般由驱动电路
14、、光源和调制器构成。,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。它一般由光检测器、放大电路和恢复电路组成。,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。,中继器的主要作用就是延长光信号的传输距离。,Three component parts of the Basic Fiber Optic communications system,1、 Light Transmitter,Composition diagram ：,如果导带EC上的电子跃迁到价带EV上，就会将其间的能量差（也称能带差）以光的形式放出，光子的频率与能带差的关系为,我们可以通过控制半导体
15、材料的成份来改变能带差，从而改变其发光波长。,Radiation of Light,Wave Nature of Light,半导体发光二极管LED的工作正是基于电子从高能带跃迁到低能带将电能转变为光能的机理。把电流注入到半导体上，则原子中占据低能带的电子被激励到高能带后，再跃迁到低能带上，它们将自发辐射出光子。,光的自发辐射（发光二极管）,激光二极管LD的工作机理为受激辐射，即在入射光的激发下，产生与入射光频率、相位、偏振方向及传播方向一样的发射光。,光的受激发射（激光二极管）,Structural parameters： 发送功率，单位：dBm,输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和
16、光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定， 器件寿命长,在光通信系统中，经常用dBm表示发射光功率，接收光功率，它是在1mW为基准的光功率相对量的单位，用下式计算：,spectral characteristics of Light source,Light Source,LED,LD,(a) Analog modulation (b) Digital modulation,Modulator(调制器),A . Two distinct categories of modulation formation,Direct Intensity modulation 用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。 Outer Intensity modulation (Indirect Intensity modulation) 把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。,B. Two distinct categories of modulation method,Direct
