光纤通信概论课件第一章

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1、光纤通信概论,主要参考书目,光纤通信系统杨祥林 编著 国防工业出版社 光纤通信系统顾畹仪 编著 北京邮电大学出版社 光通信原理与技术李玉权等 编著 电子科技大学出版社 光纤通信技术Djafar K.Mynbaev等著 科学出版社 光纤光学廖延彪编著 清华大学出版社,学习意义,光纤通信技术在近30、40年里得到了极大的发展，目前它和移动通信、数据通信已经成为电信领域发展的基石。 掌握一些光纤通信技术有助于学习现代通信技术和拓宽知识面,为以后的学习深造和工作 做好知识储备。,,主要内容,第1 章 引言 第2章 光纤制造技术与光缆 第3章 光纤的基本特性 第4章 有源光器件 第5章 无源光器件 第6

2、章 数字光纤通信系统 第7章 光纤通信新技术 第8章 光纤通信网络,第1章 引言,第一章 引言,1.1 光纤通信发展的历史和现状 1.1.1 探索时期的光通信 1.1.2 现代光纤通信 1.1.3 国内外光纤通信的发展 1.2 光纤通信的优点和应用 1.2.1 光通信和电通信 1.2.2 光纤通信的优点 1.2.3 光纤通信的应用 1.3 光纤通信系统的基本组成 1.3.1 光发射机与接收机 1.3.2 光纤线路 1.3.3 模拟和数字通信系统 1.4 光纤通信技术的展望,1.1.1 探索时期的光通信,原始形式的光通信:中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传送信息。,旗语,目视光通信,白色旗

3、表示跑道上有缓慢移动的车辆 红色旗表示比赛已停止 黑色旗表示指定的赛车下次通过修理站时要停车 黄底红道旗意思是告诉车手跑道较滑,F1赛车, 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”,通话距离达到213米。贝尔光电话是现代光通信的雏型。,光电话原理图,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

4、过程叫解调）。电流送到听筒，就可以听到从发送端送过来的声音了。,接收镜,光电话实用的制约因素,信道：Bell的光电话利用大气作为传输介质，损耗非常大，同时自然界气象条件变化万千，对光信号的干扰很大 光源：Bell的光电话利用自然光作为载波，这种光的频率和相位杂乱无章，不能用于大容量的通信,困难在哪里？,没有合适的光源，一般光源相干性太差，类似于噪声，无法调制。 没有合适的传输介质，由于光频极高，透过障碍的能力很差，必须通过波导介质传播。 没有合适的检测设备。 没有.,长路漫漫，谁能打开光纤通信的大门？,1917年爱因斯坦提出“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础。1958年美国科学家肖洛和汤

5、斯发现了一种奇怪的现象：当他们将闪光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。由此他们提出了“激光原理”，受激辐射可以得到一种单色性很好、亮度又很高的新型光源。 1960年，美国人梅曼(T. H. Maiman)发明了世界上第一台红宝石激光器。梅曼利用红宝石晶体做发光材料，用发光度很高的脉冲氙灯做激发光源，获得了人类有史以来的第一束激光。1965年，第一台可产生大功率激光的器件-二氧化碳激光器诞生。1967年，第一台射线激光器研制成功。1997年，美国麻省理工学院的研究人员研制出第一台原子激光器。,曙光出现了！,1960年梅曼发明了红宝石激光器，光源问题

6、得到解决。相关的半导体技术：激光器，检测器，.相继问世。 激光单色性和方向性良好，是人类所能获得的最理想的光载波。 半导体激光器采用注入电流的方式进行泵浦，体积小，可用电流信号直接进行高频调制，成为最理想的光通信光源。 对光信号的检测可用基于光电效应的真空光电管或半导体光电二极管将光信号转变为电信号进行处理。,激光器的发明使人们认识到一个以光波为基础的新的通信时代已经到来。接下来所面临的最重要的问题就是需要寻找适当的光传输介质，实现光信号的低损耗远距离传输。,1.1.2 现代光纤通信,大气作为光传输介质的可行性,大气和自由空间是天然的光学信道。在无障碍情况下，光信号可以通过大气进行传输，构成所

7、谓空间光通信系统。,空间光通信系统所面临的困难： 稳定性问题：尘埃、雨雪、大雾 可致通信中断 背景噪声问题：太阳、月亮、星系、民用光源等 激光光束的发散问题 光源与探测器之间的对准问题 建筑物与地球弧形表面对光的直线传播的影响,依靠大气介质无法建立商用化大容量光通信系统。 近年来，空间光通信在航空航天器之间、航空航天器与地面基站之间以及野战条件下的军事通信等特殊领域的应用方面所具有的优势开始显现，正逐渐受到通信研究领域重视并得到初步应用。,介质光波导,光沿水流传输并且能随之弯曲 此现象首次由英国物学家John Tyndall 于1870年证明,在 1920-1950期间,纤细的有柔韧性的玻璃和

8、塑料光纤可以用于导光 这个时期的光纤称为“裸”光纤,因为光纤表面直接暴露在空气中,用介质光波导可以实现对光的空间约束与定向导引 为实现光信号的长距离传输，需要研制出具有极低损耗的光导纤维 市场前景巨大，大量人力与资金被用于通信光纤研制,石英光纤,于1954年由荷兰人van Heel提出的光纤结构,石英是已知的具有最低光学损耗的介质材料 芯子通常为掺锗石英（SiO2:Ge），包层通常为纯石英（SiO2），涂覆层为树脂材料 在芯包界面上满足全反射条件的光将被约束在芯子内沿光纤传输,Optical Fiber in 1966,光纤损耗分贝表示：,L km,Pin,Pout,20dB的衰减表示输出功率

9、仅剩1，1000dB/km的损耗意味着 这种光纤根本无法用于信号传输!,衰减为 1000 dB/km, 远远达不到实用的水平,如何降低衰减,从而达到实用的水平?,传输介质问题由一位华人解决！,1966年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)及其同事霍克哈姆(C.A.Hockham)在其发表的研究论文中指出，光纤的高损耗来自石英中的杂质，通过对原材料的提纯可以制作出适合长距离通信的低损耗光纤,预见玻璃可制成衰耗20dB/km以下的光导纤维，即光纤。,高锟(C.K.Kao)上述发现的重要意义在于指出了光纤高损耗的真正来源以及研制通信光纤的正确方向。这一发现直接导致了在其后数年内通信光纤制造领域所发生

10、的质的飞跃，以及光纤通信产业的迅速兴起。,由于在光纤领域的杰出贡献高锟(左)在英国接受IEE授予的奖章(1998年),1970年，光纤诞生！,康宁玻璃公司1970年首先研制出衰耗20dB/km的光纤。光纤通信正式开始！ 据说康宁公司花费3000万美元，得到30米光纤样品，认为非常值得。这一突破，引起整个通信界的震动，世界发达国家开始投入巨大力量研究光纤通信。, 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

11、到2.5dB/km。 1974 年降低到1.1dB/km。 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，光纤研制取得了重大突破,光 纤, 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0.850m)。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。 里程碑 1973 年，半导体激光器寿命达到7000小时。 1976年，日本电报电

12、话公司研制成功发射波长为1.3 m的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器。 1977 年，贝尔研究所和日本电报电话公司几乎同时研制成功寿命达100万小时（实用中10年左右）的半导体激光器。真正实用 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。,1970 年，光纤通信用光源取得了实质性的进展,自20世纪70年代，各种各样的光纤通信系统大体经过了这样几个阶段： 1、第一代光纤通信系统在20世纪70年代末大量投入运营。由0.85微米的光源和多模光纤构成

13、。光纤损耗大，多模光纤的传输带宽有限。应用在低速率、短距离条件。76年亚特兰大安装的商用系统，传输码速率44Mbit/s，传输距离10公里。,1.1.3 国内外光纤通信的发展,2、20世纪80年代初，采用1.3微米的半导体发光二极管或激光二极管作为光源，再加上多模光纤构成了早期的第二代光纤传输系统。 无中继距离20公里。 传输速率140 Mbit/s 。 20世纪80年中期，投入运营的第二代光纤通信系统由1.3微米的半导体激光器和单模光纤构成。 传输损耗低，色散小。,3、第三代光纤通信系统采用了1.55微米作为工作波长，以色散位移光纤作为传输媒介。适宜于超高速、长距离无中继传输。典型传输速率为

14、565 Mbit/s、622bit/s、2.488GMbit/s。中继距离超过100公里。自80年代后期已经大量投入商用。,4、第四代光纤通信系统采用波分复用（WDM）技术，即在同一根光纤中传输多个光载波，获得了更高的传输速率，同时采用光纤放大器（EDFA）直接放大光信号以代替传统的光-电-光中继方式。90年代中期投入商用。160*10Gbit/s。,5、第五代，即下一代它主要具有以下特征： 超宽带单根光纤传输容量达到Tbit/s。 超长距离光放大传输距离达到100010000Km。 光交换克服电交换的瓶颈。 智能化智能光网络技术。,相关核心器件的演进,激光器：LED半导体发光二极管半导体激光

15、器LD同质结半导体LD双异质结LD分布反馈LD量子阱LD 速率：MHz Gb/s10Gb/s 40Gb/s 光电探测器：PIN光电二极管APD雪崩光电二极管 SiGaAsGeInGaAs 速率：MHz Gb/s 10Gb/s 40Gb/s,近几十年光纤通信已经取得了突飞猛进的进展传输容量上：2.5Gbit/s、10Gbit/s、40Gbit/s大量采用WDM系统。提高中继距离，上千公里的无电中继距离技术上已经可行。,光纤通信在中国,1974年开始了低损耗光纤和光通信的研究工作。 70年代中期研制出低损耗光纤和室温下可连续发光的半导体激光器。 1979年分别在北京和上海建成了市话光缆通信试验系统

16、。,光纤通信在中国,邮电部于1988年开始了八纵八横通信干线光纤工程的建设，我国开始建设包含22条光缆干线、总长达33000公里的“八横八纵”大容量光纤通信干线传输网。至1998年兰西拉(兰州西宁拉萨)工程建成，标志着八纵八横格状形光缆骨干网提前两年建成，兰西拉光缆干线穿越平均海拔3000多米的高寒冻土区，全长2700公里，是我国通信建设史上施工难度最大的工程，由邮电部与解放军官兵联合建设。由此我国网络覆盖全国省会以上城市和90%地市，全国长途光缆达到20万公里，形成以光缆为主，卫星和数字微波为辅的长途骨干网络。,“八横八纵”大容量光纤通信网,八纵是： （）哈尔滨沈阳大连上海广州； （）齐齐哈尔北京郑州广州海口三亚； （）北京上海； （）北京广州； （）呼和浩特广西北海；工程总长4000