第1章节光纤通信系统幻灯片

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1、第1章 光纤通信系统,1.光纤通信的概念 2. 光纤通信的发展历程 3. 光纤通信的特点与应用 4. 光纤通信系统的基本组成,1、光纤通信的概念,1、光通信 光通信是利用光波来传送信息的。,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。,人们通常把应用石英光纤的有线光通信简称为光纤通信（optical fiber communication）,电磁频谱：电磁波的波长范围,发送信号的频率越高（波长越短）， 可载送的信息量就越多,光波是电磁波，光波范围包括红外线、可见光、紫外线，其波长范围为：300m6103m。,光纤通信的光波波谱 光纤通信的波谱在1.671014Hz

2、3.751014Hz之间，即波长在0.8m1.8m之间，属于红外波段，将0.8m0.9m称为短波长，1.0m1.8m称为长波长，2.0m以上称为超长波长。 表1-1 各种单位的换算公式,光电话机,红宝石激光器,光导纤维,2、光纤通信的发展历程, 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。,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。,由于当时没有理想的光源和传输介质， 这种光电话的传

3、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。,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。, 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。,红宝石激光器,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。,大气光通信 激光器一问世，人们就

4、模拟无线电通信进行了大气激光通信的研究。,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。,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。,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用于光频的光纤表面波导, 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。,光导纤维,高锟(K.C.Kao)博

5、士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，他还发现一些玻璃纤维在红外光区的损耗较小。,光纤之父： 英籍华人高锟(K.C.Kao)博士 工作地点：英国标准电信研究所,光纤通信发明家高锟(左) 1998年在英国接受 IEE 授予的奖章, 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。,1970年，光纤研制取得了重大突破, 1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损

6、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。 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1.55m 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。,1、频带很宽，传输容量很大,光纤的容量大“超高速公路”,马路越宽，容许通过的车辆越多，交通运输能力也越大。 如果把通信线路比作马路，那么应该说是通信线路的频带越宽，容许传输的信息越多，通信容量就越大。,3、光纤

7、通信的特点与应用,光纤通信与电缆或微波通信传输能力的比较,2. 损耗很小，中继距离很长且误码率很小。,目前，实用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光纤，此类光纤在1.55m波长区的损耗可低到0.18dB/km，比已知的其他通信线路的损耗都低得多，因此，由其组成的光纤通信系统的中继距离也较其它介质构成的系统长得多。 例如，同轴电缆通信的中继距离只有几千米，最长的微波通信是 50 千米左右，而光纤通信系统的最长中继距离已达 300千米。,3. 重量轻、 体积小 光纤重量很轻，直径很小。即使做成光缆，在芯数相同的条件下，其重量还是比电缆轻得多，体积也小得多。,4. 抗电磁干扰性能好 光纤由电绝缘的石英

8、材料制成，光纤通信线路不受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损坏。无金属光缆非常适合于存在强电磁场干扰的高压电力线路周围和油田、煤矿等易燃易爆环境中使用。光纤(复合)架空地线(Optical Fiber Overhead Ground Wire，OPGW)是光纤与电力输送系统的地线组合而成的通信光缆，已在电力系统的通信中发挥重要作用。,5. 泄漏小，保密性能好 在光纤中传输的光泄漏非常微弱，即使在弯曲地段也无法窃听。没有专用的特殊工具，光纤不能分接，因此信息在光纤中传输非常安全。 6. 节约金属材料，有利于资源合理使用 制造同轴电缆和波导管的铜、铝、铅等金属材料，在地球上的储存量是有限的；而制造光纤

9、的石英(SiO2)在地球上基本上是取之不尽的材料。制造8 km管中同轴电缆，1 km需要120 kg铜和500 kg铝；而制造8 km光纤只需320 g石英。所以，推广光纤通信，有利于地球资源的合理使用。,光纤还有其他一些优良特性，也为普通金属导线所不及。它不怕潮湿和腐蚀，可以架在空中，也可埋入地下；它有较高的抗拉强度，与铁接近，比铜还高得多；它有较强的耐高低温能力，从 - 65 200C，在一般的飞机、舰艇和车辆上都可使用；它可实现多功能传输，同时传递话音、数据、传真、图像等各种信息。,7.其它,光纤通信的缺点, 质地脆、机械强度低； 切断、连接技术要求高； 分路、耦合比较麻烦；,光纤通信的

10、应用,1. 光纤通信网 光纤公用电信网：核心网、城域网 我国市内电话光缆传输试验从 1978 年开始。目前，公用电信网的传输线基本上均是采用光纤光缆连接。 光纤局域网 光纤宽带网 光纤接入网 无线通信网 海底光缆及洲际通信网,2. 能源、交通和其他 电力系统的监视、控制和管理：由于使用了光纤，不受强电磁干扰，不仅信息传输量增大，而且工作更加可靠。传输信息用的光纤，可以放在输电线、地线的中心，不受干扰，施工方便。用电设备观测雷击很困难，因为雷击对电设备也可能造成破坏。而用光纤却可以直接观测雷击现象，观测装置由检测器、 光纤和观测记录仪等组成。 雷击时位于铁塔上的检测器产生 瞬间高电压，由于是光纤

11、传输， 对观测记录仪不会造成影响。,煤炭系统的监视、控制和管理： 电监控系统信号均为电信号，在含瓦斯高的矿井中容易引起爆炸。因此，如果考虑安全因素，电信号功率不能太大，这又导致传输距离受限。而如果采用光纤系统，很多设备可以无源化，即保证了安全，又能实现远距离监控。,3. 军事 战术通信主要有两种系统：一种是本地分配系统，包括战地指挥所的布线，兵器之间的连接，野战计算机的互连，以及基地信息传输系统等；一种是长距离战术通信系统，一般通信距离超过 1千米。 水下通信系统是扫雷舰与浮游载体之间的数据传输线路。扫雷舰的主要任务是清扫航道上的水雷，而利用浮游载体扫雷最为安全而可靠。扫雷舰与浮游载体之间连着

12、 3根光纤：一根光纤把水下浮游载体探测到的声纳信号和遥测信号（都是视频信号）传给舰船；另一根光纤用来传输舰船给水下浮游载体的控制信息；第三根光纤备用。光纤反潜战网络，也就是把光纤传输线路与水听器相连，把监测到的敌潜声音信号通过光纤传输到舰上或岸上信息处理中心，以便确定作战方案。光纤用于水下通信，探测的灵敏度高，传输的信息量大，抗各种干扰的能力强，而且重量轻、浮力大。,航空母舰：机载通信、舰载通信。 雷达：在雷达室与作战情报中心之间传输信息，不仅改善了抗干扰能力和保密性能，而且还能更好保证作战情报中心的安全。 光纤制导武器主要包括光纤制导导弹和光纤制导鱼雷。它用光纤传输目标图像，制导精度高，导弹

13、射程远，而且更安全可靠，是一种由射击手控制的人工智能武器。,4、光纤通信的基本组成,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。 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

14、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。,(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。,光纤的结构,光纤通信中采用的传输媒介是光纤，光纤与加强元件、外护层等组合而成光缆。,光纤的结构,由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成，其作用是增加光纤的机械强度与可弯曲性。,光纤导光的原理,光纤是一种介质波导，具有把光封闭在其中并沿轴向进行传播的波导结构，其直径大约只有0.1mm，它是由两种折射率不同的玻璃构成的。,光纤的折射率分布,阶跃型多模光纤,渐变型多模光纤

15、,光纤的折射率分布,光在阶跃折射率多模光纤中的传播,光在渐变折射率多模光纤中的传播,光纤的模式,光在光纤中只能以一组独立的光线传播。一般来说，在纤芯内一组光束是以不同的角度传播，传播的角度范围从零到临界角。大于临界角的光线不满足全反射的条件，穿过纤芯进入包层。 这此不同的光束称为模式。 把严格按照光纤中心轴线传播的模式称为零级模式，或基模；其他与光纤中心轴线成一定角度的光束称为高次模。,光纤的类型,按传导光波的模数不同，光纤可分为多模光纤和单模光纤。,(1) 多模光纤 当光纤的几何尺寸（主要是芯径d1）远大于光波波长时，光纤传输的过程中会存在着多种传输模式，这样的光纤称为多模光纤。,(2) 单

16、模光纤 当光纤的几何尺寸(主要是芯径d1)较小，与光波长在同一数量级(如在 810m范围)，这时，光纤只允许一种模式(基模)在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤称为单模光纤。此时不存在模间时延差，具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速传输非常重要。,三种基本类型光纤的结构,(a) 突变型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤； (c)单模光纤,多模光纤的优点与单模比较,由于多模光纤的纤芯较粗，容易将光功率注入光纤 易于将相同的光纤连接在一起 可以使用发光二极管LED作为光源，因为LED价格便宜，使用寿命长，电路简单 多模光纤的主要缺点：因为每个模的传播速度略微不同，所以其存在模间色散 。,单模光纤的优点,它的带宽很宽 它的缺点是： 必须使用半导体激光器作为光源，所以价格较贵，电路复杂 操作不如多模方便，因为纤芯较细,光纤的损耗,1.吸收损耗 本征吸收 杂质吸收,2.散射损耗,当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐减小，这种现象即称