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1、光光纤通信原理通信原理 刘显文刘显文 重庆普天普科通信技术有限公司重庆普天普科通信技术有限公司通信是人的基本需求之一。通信是人的基本需求之一。人类的发展经历了农业文明和工业文明，人类的发展经历了农业文明和工业文明，现在已进入信息文明时代。现在已进入信息文明时代。通信通信 - 信息传递与交流信息传递与交流。（ 按照达成的按照达成的协议，信息在人、地点、，信息在人、地点、进程和机程和机器之器之间进行的行的传送送。）。） 电通信（通信（electrical communication）广广义的的电通信指的是一切通信指的是一切运用运用电波作波作为载体而体而传送信送信息息的所有通信方式的的所有通信方式的
2、总称，而不管称，而不管传输所使用的介所使用的介质是什么。是什么。电通信又可分通信又可分为有有线电通信通信和和无无线电通信通信。光通信（光通信（optical communication）广广义的光通信指的是一切的光通信指的是一切运用光波作运用光波作为载体而体而传送信送信息的所有通信方式息的所有通信方式的的总称，而不管称，而不管传输所使用的介所使用的介质是什么。是什么。光通信也可以分光通信也可以分为利用大气利用大气进行通信的行通信的无无线光通信光通信和和利用石英光利用石英光纤或塑料光或塑料光纤进行通信的行通信的有有线光通信光通信。 通通 信信 光光 通通 信信 光光 纤纤 通通 信信第一章：光纤
3、通信概论第一章：光纤通信概论光通信光通信-以光以光作作为为信息载体信息载体的通信的通信方式方式。光纤通信光纤通信-以光作为信息载体，以光纤作以光作为信息载体，以光纤作 为传输媒质的通信方式。为传输媒质的通信方式。光通信网络光通信网络-由光传输、光交换以及光终由光传输、光交换以及光终 端设备组成的智能网络。端设备组成的智能网络。什么是通信？什么是通信？“通通”传送传送，“信信”信息信息；信息的传送；信息的传送基本组成：发送、传输、接收基本组成：发送、传输、接收n n什么是光纤通信？什么是光纤通信？n n利用激光作为利用激光作为信息信息的载波信号，并通过的载波信号，并通过 光纤来光纤来传送信息传送
4、信息的通信系统。的通信系统。光纤通信是人类历史上光纤通信是人类历史上的重大突破，现今的光纤通信的重大突破，现今的光纤通信已成为信息社会的神经系统已成为信息社会的神经系统 现代通信方式示意图现代通信方式示意图用户环路交换设备电复接设备卫星通信微波通信光纤通信移动通信发送机接收机传输系统用户终端用户终端信息信息用户终端用户终端用户环路交换设备电复接设备信息信息现代通信方式示意图现代通信方式示意图用户环路交换设备电复接设备卫星通信微波通信光纤通信移动通信发送机接收机传输系统用户终端用户终端信息信息用户终端用户终端用户环路交换设备电复接设备信息信息信息指用户要求传送信息指用户要求传送的语音、图像、数据
5、的语音、图像、数据以及它们的各种组合以及它们的各种组合用户环路交换设备电复接设备卫星通信微波通信光纤通信移动通信发送机接收机传输系统用户终端用户终端信息信息用户终端用户终端用户环路交换设备电复接设备信息信息 现代通信方式示意图现代通信方式示意图用户终端用户终端交换设备交换设备接入网接入网电复接设备电复接设备传输系统传输系统 现代通信方式示意图现代通信方式示意图用户环路交换设备电复接设备卫星通信微波通信光纤通信移动通信发送机接收机传输系统用户终端用户终端信息信息用户终端用户终端用户环路交换设备电复接设备信息信息光纤通信经过光纤通信经过光纤通信经过光纤通信经过4040年的技年的技年的技年的技术发展
6、目前正在淘汰着术发展目前正在淘汰着术发展目前正在淘汰着术发展目前正在淘汰着其他的有线通信方式其他的有线通信方式其他的有线通信方式其他的有线通信方式电磁磁频谱：电磁波的波磁波的波长范范围光波是电磁波，光波范围光波是电磁波，光波范围包括红外线、可见光、紫外线，其波长范围为：包括红外线、可见光、紫外线，其波长范围为：300m6103m。光是一种电磁波可见光350nm750nm光光纤通信所用的波通信所用的波长(石英光石英光纤) 8001600nm光的反射、折射全反射通信波段划分及相应传输媒介通信波段划分及相应传输媒介频率率 Hz1011071021061031051041041051031061021
7、0710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015自由空自由空间波波长（m）电力、力、电话无无线电、电视微波微波红外外可可见光光双双铰线同同轴电缆光光纤卫星星/微波微波AM无无线电FM无无线电频段频段划分划分传传输输介介质质光纤损耗谱特性及单模光纤的带宽资源第三传输窗口第三传输窗口第二传输窗口第二传输窗口第一传输窗口第一传输窗口1300130015501550850850紫外吸收紫外吸收红外吸收红外吸收瑞利散射瑞利散射0.20.22.52.5损损 耗耗 (dB/km)(dB/km)波波 长长 (nm)(nm)OHOH离子
8、吸收峰离子吸收峰光纤带宽：光纤带宽：1300nm1300nm窗口约窗口约100nm100nm，1550nm1550nm窗口约窗口约100nm100nm，共共200nm200nm，约，约30THz30THz1、发展展2、特点、特点3、构成、构成4、分、分类5、新技、新技术光光 纤 通通 信信 的的 发 展展光光( (纤纤) )通信的发展简史通信的发展简史: :1880年年，贝尔发明了利用太阳光作明了利用太阳光作为光源光源的通的通话装置，光波在大气中装置，光波在大气中传输，通，通话距距离达离达213米米。后来改用孤光灯作。后来改用孤光灯作为光源，延光源，延长通信距离。但光源在大气中通信距离。但光源
9、在大气中传输受到雨、受到雨、雾、烟和、烟和尘土的阻抗或减弱，通信很不土的阻抗或减弱，通信很不稳定，定，应用上受到很大的限制。用上受到很大的限制。贝尔光电话贝尔光电话1966年年,高高锟等人提示了等人提示了实现低衰耗光低衰耗光导纤维的可的可能性。能性。1970年年，美国研制出衰耗，美国研制出衰耗为20分分贝/公里公里的石英光的石英光纤和体和体积很小的很小的半半导体激光器体激光器。此后，光。此后，光纤及激及激光器等部件的光器等部件的质量逐年迅速提高，因而以半量逐年迅速提高，因而以半导体体激光器作激光器作为光源，以石英光光源，以石英光纤作作为光的光的传输媒介，媒介，以半以半导体光体光电二极管作二极管
10、作为接收器件的光源通信系接收器件的光源通信系统迅速迅速发展起来。展起来。(光光纤通信元年）通信元年）1976年年，美国，美国贝尔实验室在室在亚特特兰大到大到华盛盛顿间建立了世界第一条建立了世界第一条实用化的光用化的光纤通信通信线路，速率路，速率为45Mb/s，采用的是多模光，采用的是多模光纤，光源用的是，光源用的是发光光管管LED，波，波长是是0.85微米的微米的红外光。外光。1966年 ， 高 锟 (C.K.Kao)和 霍 克 哈 姆(C.A.Hockham)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,指明通过“原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤”这一发展方向,奠定
11、了现代光通信光纤通信的基础。高锟高锟(左左)从瑞典国王手中接从瑞典国王手中接过过2009诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖1981年年实现了两了两电话局局间使用使用1.3微米多模光微米多模光纤的的通信系通信系统， 80年代，以短波年代，以短波长光源和多模光光源和多模光纤为标志的第一志的第一代光通信技代光通信技术已很成熟，无中断通信距离已很成熟，无中断通信距离约为10公里公里，通信容量，通信容量约为1000路路，已用作市，已用作市话局之局之间的中的中继线，也用于城市，也用于城市间的通信系的通信系统，但中，但中继站站较多，站距多，站距较短。以短。以长波波长光源和光源和单模光模光纤为标志的第二代光志的第二
12、代光纤通信技通信技术也已成熟，无中也已成熟，无中继通信通信距离距离约为30公里公里，通信容量，通信容量约为5000路路，适用于，适用于长途干途干线通信。通信。1989年年掺铒光光纤放大器放大器EDFA的研制成功的研制成功是光是光纤通信新一通信新一轮突破的开始。突破的开始。EDFA的的应用不用不仅解决了光解决了光纤传输衰减的衰减的补偿问题，而且，而且为一批光网一批光网络器件的器件的应用用创造造了条件。使得光了条件。使得光纤通信的数字通信的数字传输速率速率迅速提高迅速提高，促成了波分复用技，促成了波分复用技术的的实用用化化。2019年年WDM技技术取得突破，取得突破，贝尔实验室室发展了展了WDM技
13、技术，美国美国MCI公司在公司在2019年开年开通了商用的通了商用的WDM线路。路。光光纤通信系通信系统的速的速率从率从单波波长的的2.5Gb/s和和10Gb/s爆炸性地爆炸性地发展到多波展到多波长的的Tb/s(1Tb/s=1000Gb/s)传输。当今当今实验室光系室光系统速率已达速率已达10Tb/s，几乎是几乎是用之不尽的用之不尽的，所以它的前景，所以它的前景辉煌。煌。 实用光纤通信系统的发展实用光纤通信系统的发展19761976年年，美美国国在在亚亚特特兰兰大大( (Atlanta)Atlanta)进进行行了了世世界界上上第第一一个个实实用用光光纤通信系统的现场试验。纤通信系统的现场试验。
14、19801980年，美国标准化年，美国标准化FT - 3FT - 3光纤通信系统投入商业应用。光纤通信系统投入商业应用。19761976年年和和19781978年年，日日本本先先后后进进行行了了速速率率为为3434Mb/sMb/s的的突突变变型型多多模模光光纤纤通通信信系系统统， 以以及及速速率率为为100100Mb/sMb/s的的渐渐变变型型多多模模光光纤纤通通信信系系统统的试验。的试验。19831983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。19881988年年由由美美、日日、 英英、法法发发起起的的第第一一条条横横跨跨大大西西洋洋 TAT-8TAT-8海海
15、底底光缆通信系统建成。光缆通信系统建成。19891989年年第第一一条条横横跨跨太太平平洋洋 TPC-3/HAW-4 TPC-3/HAW-4 海海底底光光缆缆通通信信系系统统建建成成。从从此此，海海底底光光缆缆通通信信系系统统的的建建设设得得到到了了全全面面展展开开，促促进进了了全全球球通通信网的发展。信网的发展。当今世界范围的光纤通信系统当今世界范围的光纤通信系统海底光缆及洲际通信网雏形：古代烽火、手旗、灯光雏形：古代烽火、手旗、灯光1880年年 贝尔的光电话贝尔的光电话激光器激光器(发送源发送源)1960 Maiman发明红宝石激光器发明红宝石激光器1962 半导体激光器诞生半导体激光器诞
16、生(GaAs 870nm)70 年代室温工作年代室温工作LD(GaAsAI 850nm)1300、1550nm 多模多模LD单模单模LD光纤光纤(传输介质传输介质)1951 医用玻璃纤维医用玻璃纤维(损耗损耗1000dB/km)1966 高锟高锟 理论预言理论预言1970 康宁制出低损耗光纤康宁制出低损耗光纤(20dB/km)1300(0.5dB/km),1550nm(0.2dB/km)低损耗窗口光纤开发低损耗窗口光纤开发单模光纤单模光纤我国的光我国的光纤通信通信发展展七七十十年年代代初初武武汉汉邮邮电电科科学学研研究究院院赵赵梓梓森森院院士士就就提提出出了了开开展展光光纤纤通通信信技技术术研
17、研究究的的建建议议。当当时时国国际际上上也也刚刚刚刚开开始始相相关关研研究究。在在七七十十年年代代末末一一些些实实用用的的光光纤纤通通信信系系统统已已经经在在我我国国电电话话网网中中应应用用。如如，北北京京大大学学研研制制的的系系统统（比比特特率率8 Mbit/s，传传输输距距离离3 km）于于1979年年安安装装于于北北京京市市电电话话网网中中使使用用多多年年，获获国国家家科科技技进进步步二二等等奖奖。由由于于当当时时客客观观条条件件的的限限制制，我我国国研研制制的的系系统统比比特特率率不不高高，直直到到九九十十年年代代初初我我国国光光纤纤传传输输系系统统的的比比特特率率仍仍维维持持在在14
18、0Mbit/s。由由于于发发达达国国家家的的禁禁运运，进进口口系系统统也也限限制制在在140Mbit/s以以下下。这这一一速速率率已已经经不不能能适适应应我我国国国国民民经经济济和和社社会会发发展展的的需需要要。为为了了增增加加通通信信容容量量，当当时时只只能能增增加加光光缆缆中中的光纤芯数。的光纤芯数。1978年年改革开放后，光改革开放后，光纤通信的研通信的研发工作工作大大加快。上海、北京、武大大加快。上海、北京、武汉和桂林都研和桂林都研制出光制出光纤通信通信试验系系统。1982年年邮电部重部重点科研工程点科研工程“八二工程八二工程”在武在武汉开通。开通。该工工程被称程被称为实用化工程，要求
19、一切是商用用化工程，要求一切是商用产品而不是品而不是试验品，要符合国品，要符合国际CCITT标准，准，要由要由设计院院设计、工人施工，而不是科技、工人施工，而不是科技人人员施工。从此施工。从此中国的光中国的光纤通信通信进入入实用用阶段。段。 我国波分复用技术的研究和国际上同步进行。我国波分复用技术的研究和国际上同步进行。1992年年北京北京大学提出了采用大学提出了采用波分复用波分复用+光纤放大器技术实现我国通信干线扩光纤放大器技术实现我国通信干线扩容的建议容的建议，受到相关部委的重视，并开始立项研究。在，受到相关部委的重视，并开始立项研究。在当时该当时该项技术在国际上还没有得到共识项技术在国际
20、上还没有得到共识，国内外都有反对意见。直到，国内外都有反对意见。直到2019年波分复用技术被公认年波分复用技术被公认为当前光纤通信系统扩容的为当前光纤通信系统扩容的最佳方最佳方案案，并在国内外得到迅速发展。，并在国内外得到迅速发展。2019年由北京大学和有关公司年由北京大学和有关公司合作研制的合作研制的42.5 Gbit/s波分复用系统安装于国家光缆干线上，波分复用系统安装于国家光缆干线上，成为我国第一条实际使用的波分复用系统，获得国家科技进步成为我国第一条实际使用的波分复用系统，获得国家科技进步三等奖。三等奖。 随后又完成了随后又完成了82.5Gb/s、1610Gbl/s、3210Gb/s、
21、16010Gb/s WDM系统，系统，10Gb/s、40Gb/s0TDM试验系统，宽试验系统，宽带接入系统和全光通信试验网、自动交换光网络试验平台等一带接入系统和全光通信试验网、自动交换光网络试验平台等一系列项目系列项目。 自行研制成功的自行研制成功的WDM光光传输系系统已在多省市已在多省市提供运行和服提供运行和服务，各种光，各种光纤局域网局域网/城域网城域网/广域广域网已得到了广泛网已得到了广泛应用，我国已成用，我国已成为世界上世界上为数不数不多的几个掌握了全套多的几个掌握了全套SDH和和WDM光通信系光通信系统系列系列产品技品技术的国家之一，在世界光通信系的国家之一，在世界光通信系统和光网
22、和光网络领域已域已经占据了一席之地。占据了一席之地。 而且我国的通信网已而且我国的通信网已经成成为全球通信网的一部全球通信网的一部分。分。陆地上已有光地上已有光缆通到欧洲和通到欧洲和东南南亚。海上也。海上也有了中日、中有了中日、中韩和中美之和中美之间海底光海底光缆系系统。进进入入九九十十年年代代我我国国光光纤纤通通信信研研究究和和产产业业都都得得到到巨巨大大的的发发展展。商商用用系系统统的的比比特特率率从从140Mbit/s为为主主，跳跳过过了了565Mbit/s和和622mbit/s（这这两两个个比比特特率率在在我我国国使使用用较较少少）进进入入比比特特率率为为2.5Gbit/s的的系系统统
23、的的研研究究和和实实用用化化。当当前前我我国国已已有有10Gbit/s和和40Gbit/s的的实实用用化化系系统统，已已经经开开始始研研究究速速率率100Gbit/s以以上上的的系系统，与国际上基本同步。统，与国际上基本同步。 在在全全国国通通信信网网的的建建设设方方面面也也进进展展迅迅速速。“八八五五”和和“九九五五”计计划划期期间间（1991-2000），我我国国建建设设了了两两个个“八八纵纵八八横横”通通信光缆，通信干线网基本覆盖全国。信光缆，通信干线网基本覆盖全国。20世世纪80年代中期，数字光年代中期，数字光纤通信的速率通信的速率已达到已达到144Mb/s，可，可传送送1980路路电
24、话，超，超过同同轴电缆载波。于是，光波。于是，光纤通信作通信作为主流主流被大量采用，在被大量采用，在传输干干线上全面取代上全面取代电缆。经过国家国家“六五六五”、“七五七五”、“八五八五”和和“九五九五”计划，中国已建成划，中国已建成“八八纵八横八横”干干线网网，连通全国各省区市通全国各省区市。 19791979年年, ,北京大学研制的系统（比特率北京大学研制的系统（比特率8 Mbit/s8 Mbit/s，传输距，传输距离离3 km3 km）安装于北京市电话网中，获国家科技进步二等奖）安装于北京市电话网中，获国家科技进步二等奖19821982年年, ,邮电部重点科研工程邮电部重点科研工程“八二
25、工程八二工程”在武汉开通在武汉开通20192019年年, ,由北京大学和有关公司合作研制的由北京大学和有关公司合作研制的42.5 Gbit/s42.5 Gbit/s波分复用系统安装于国家光缆干线上，成为我国第一条实波分复用系统安装于国家光缆干线上，成为我国第一条实际使用的波分复用系统，获得国家科技进步三等奖际使用的波分复用系统，获得国家科技进步三等奖。 20192019年年, ,中国生产的中国生产的82.5Gb/sWDM82.5Gb/sWDM系统首次在青岛至大连开通，系统首次在青岛至大连开通，随之沈阳至大连的随之沈阳至大连的322.5Gb/sWDM322.5Gb/sWDM光纤通信系统开通。光纤
26、通信系统开通。20192019年年, ,3.2Tbps3.2Tbps超大容量的光纤通信系统在上海至杭州开超大容量的光纤通信系统在上海至杭州开通，是至今世界容量最大的实用线路通，是至今世界容量最大的实用线路 回顾光纤通信系统的发展历史，迄今为回顾光纤通信系统的发展历史，迄今为 止大致经历了止大致经历了5 5个发展阶段：个发展阶段：第一第一阶段：段：1973197619731976年的年的第第1 1代代光纤通信系统。光纤通信系统。其特征是：采用其特征是：采用0.85m0.85m短波长多模光纤，光纤损短波长多模光纤，光纤损耗为耗为2.52.53 dB/km3 dB/km，传输速率为，传输速率为505
27、0100Mb/s100Mb/s，中，中继距离为继距离为8 810 km10 km，于，于19781978年进入现场试用，年进入现场试用，8080年代初陆续在世界先进国家推广应用，多用做市年代初陆续在世界先进国家推广应用，多用做市话局间中继线路。话局间中继线路。第二第二阶段：段：1976198219761982年的年的第第2 2代代光纤通信系统。光纤通信系统。其特征是：采用其特征是：采用1.3m1.3m长波长多模或单模光纤，长波长多模或单模光纤，光纤损耗为光纤损耗为o.55o.55l dB/kml dB/km，传输速率为，传输速率为140 Mb/s140 Mb/s，中继距离为，中继距离为2020
28、50 km50 km，于，于19821982年开始陆继投入年开始陆继投入使用，一般用于中、短距离的长途通信线路，也使用，一般用于中、短距离的长途通信线路，也用做大城市市话局间中继线，以实现无中继传输。用做大城市市话局间中继线，以实现无中继传输。 第三第三阶段：段：1982198819821988年的年的第第3 3代代光纤通信系统，光纤通信系统，采用采用1.31m1.31m长波长单模光纤，光纤损耗降至长波长单模光纤，光纤损耗降至0.30.30.5 dB/km0.5 dB/km，实用化、大规模应用是其主要特征，实用化、大规模应用是其主要特征，传输信号为准同步数字系列传输信号为准同步数字系列(PDH
29、)(PDH)的各次群路信号，的各次群路信号，中继距离为中继距离为5050100 km100 km，于，于19831983年以后陆续投入年以后陆续投入使用，主要用于长途干线和海底通信，是光纤通使用，主要用于长途干线和海底通信，是光纤通信重点推广应用阶段。信重点推广应用阶段。 第四第四阶段：段：1988201919882019年的年的第第4 4代代光纤通信系统。光纤通信系统。其主要特征是：开始采用其主要特征是：开始采用1.55m1.55m波长窗口的光纤，波长窗口的光纤，光纤损耗进一步降至光纤损耗进一步降至O.2 dB/kmO.2 dB/km，主要用于建设同，主要用于建设同步数字系列步数字系列(SD
30、H)(SDH)同步传送网络，传输速率达同步传送网络，传输速率达2.5 2.5 Gb/sGb/s，中继距离为，中继距离为8080120 km120 km，并开始采用掺铒，并开始采用掺铒光纤放大器光纤放大器(EDFA)(EDFA)和波分复用和波分复用(WDM)(WDM)器等新型器件。器等新型器件。色散位移光纤色散位移光纤(I)SF7.G.653)(I)SF7.G.653)是应用于第是应用于第4 4代光纤代光纤通信系统的一项重要成就。普通单模光纤的零色通信系统的一项重要成就。普通单模光纤的零色散点在散点在1.31um1.31um附近，色散位移光纤将零色散点从附近，色散位移光纤将零色散点从1.31m1
31、.31m移到移到1.55m1.55m，有效地解决了，有效地解决了1.55m1.55m光通光通信系统的色散问题。信系统的色散问题。 第五第五阶段：段：20192019年以来的年以来的第第5 5代代光纤通信系统。其主要特征是：光纤通信系统。其主要特征是：采用采用密集波分复用密集波分复用(DWDM)(DWDM)技术技术的全光网络开发与应用，充分的全光网络开发与应用，充分利用光纤低损耗波段潜在容量实现传输系统的急剧扩容。由利用光纤低损耗波段潜在容量实现传输系统的急剧扩容。由于于WDMWDM具有大容量、透明性、可重构性、易扩容性等优异性能，具有大容量、透明性、可重构性、易扩容性等优异性能，近年来得到了极
32、大的重视和飞速的发展，其相关的光器件、近年来得到了极大的重视和飞速的发展，其相关的光器件、光系统、光网络等方面的发展代表了光通信技术的发展方向，光系统、光网络等方面的发展代表了光通信技术的发展方向，已成为国际和国内在光纤通信领域内的研究重点和应用热点。已成为国际和国内在光纤通信领域内的研究重点和应用热点。国际上，在高速光传输方面，目前已实现国际上，在高速光传输方面，目前已实现10.96 Tb/s(27410.96 Tb/s(274波波40(Gb/s)40(Gb/s)的实验系统的实验系统; ;在超长距离传输方面，已达到了在超长距离传输方面，已达到了4000 4000 kmkm无电中继的技术水平无
33、电中继的技术水平; ;在光网络方面，在光网络方面，“光网技术合作计划光网技术合作计划(ONTC)”(ONTC)”、“多波长网络多波长网络(MONET)”(MONET)”、“国家透明光网络国家透明光网络(NTON)”(NTON)”、“泛欧光子传送重叠网泛欧光子传送重叠网(PHOTON)”(PHOTON)”、“泛欧光网泛欧光网络络(OPEN)”(OPEN)”、“光通信网管理光通信网管理(MOON)”(MOON)”、“光城域通信网光城域通信网(MTON)”(MTON)”、“波长捷变传送接入网波长捷变传送接入网(WOTAN)”(WOTAN)”和和“社团光纤骨社团光纤骨干网干网(COBNET)”(COB
34、NET)”等一系列光网络研究项目的相继启动、实施等一系列光网络研究项目的相继启动、实施与完成，为下一代宽带信息网络，尤其是为承载未来与完成，为下一代宽带信息网络，尤其是为承载未来IPIP业务业务的下一代光通信网络奠定了良好基础。的下一代光通信网络奠定了良好基础。 四大里程碑四大里程碑1960年，世界上第一台相干振年，世界上第一台相干振荡光源光源红宝石宝石激光器激光器问世。世。 1970年，美国康宁玻璃公司的卡普隆（年，美国康宁玻璃公司的卡普隆（Kapron）博士）博士等等 拉制出拉制出损耗耗仅为20 dB/km的的光光纤(元年元年说） 1985年，南安普敦大学的年，南安普敦大学的Mears等人
35、制成了等人制成了掺铒光光纤放放大器大器（erbium-doped fiber amplifier, EDFA） 90年代，年代，光光纤光光栅、全光、全光纤光子器件、平面波光子器件、平面波导器件器件及其集成的出及其集成的出现 20世世纪90年代初年代初。1989年年掺铒光光纤放大器放大器EDFA的研制成功是光的研制成功是光纤通信新一通信新一轮突破的开突破的开始。始。EDFA的的应用不用不仅解决了光解决了光纤传输衰减的衰减的补偿问题，而且，而且为一批光网一批光网络器件的器件的应用用创造了条件。使得光造了条件。使得光纤通信的数字通信的数字传输速率迅速率迅速提高速提高，促成了波分复用技，促成了波分复用
36、技术的的实用化用化。 2.5Gb/s 10Gb/s 40Gb/s10Gb/s 40Gb/s20Gb/s 80Gb/s80Gb/s 320Gb/s3216841WDM 波长数波长数每波长比特率每波长比特率40Gb/s 网络容量演进战略网络容量演进战略工作波长工作波长光纤光纤激光器激光器 比特率比特率B中继距离中继距离L第一代第一代70年代年代850nm多模多模多模多模44.7Mb/s 10Km第二代第二代80年代初年代初1300nm多模多模单模单模多模多模140Mb/s20 50Km第三代第三代80年代中年代中90年代初年代初1550nm单模单模单模单模PDH群路（群路（ 140Mb/s）50
37、100Km工作工作波长波长光纤光纤 激光激光器器比特率比特率B中继距离中继距离L第四第四代代90年代年代1550nm单模单模单模单模SDH，WDM技技术术2.5Gb/s无中继：无中继：80 120KmEDFA：1500Km第五第五代代1550nm单模单模单模单模WDM网络，网络，单波长单波长10,40,160Gb/s信道数信道数: 8,16,64,128,1022超长传输距离超长传输距离:27000Km(Loop) 6380(Line)目前目前研究研究内容内容WDM光网络；全光分组交换；光时分复用；光孤子通信；光网络；全光分组交换；光时分复用；光孤子通信；新型的光器件新型的光器件有人有人认为，
38、我国光，我国光纤通信主要干通信主要干线已已经建成，光建成，光纤通信容量达到通信容量达到Tb/s，几乎用不完几乎用不完，光，光纤的价格的价格低到每公里低到每公里100元元，几乎无利可，几乎无利可图。因此。因此不要不要发展展光光纤通信技通信技术了了。实际上，特上，特别是中国，省内是中国，省内农村有村有许多空白多空白需要建需要建设；3G移移动通信网的建通信网的建设也需要光也需要光纤网来网来支持；随着支持；随着宽带业务的的发展、网展、网络需要需要扩容等，容等，光光纤通信仍有巨大的市通信仍有巨大的市场。现在每年光在每年光纤通信通信设备和光和光缆的的销售量是上升的。售量是上升的。FTTH（光（光纤到家庭）
39、是光到家庭）是光纤通信通信进一步一步发展的方向，它被公展的方向，它被公认为理想的理想的宽带接入网接入网目前，目前，发达国家达国家FTTH建建设普遍开展，日本、普遍开展，日本、韩国和美国国和美国领先先发展，采用各种无源光网展，采用各种无源光网PON和以太网技和以太网技术。中国的运。中国的运营商和房地商和房地产开开发商已商已对FTTH进行了行了试点。点。 光纤通信是目前世界上发展最快的领域，平均每9个月性能翻一番、价格降低一半，其速度已超过了计算机芯片性能每18个月翻一番的摩尔定律的一倍。在短短的30多年时间里已经经历了五代通信系统的使用。爆炸性发展爆炸性发展 21世纪是光子的世纪，是光网络的世纪
40、是光子的世纪，是光网络的世纪，通信走向全光网络必然要涉及开世纪，通信走向全光网络必然要涉及开发一系列不同于以往传统光纤通信要求发一系列不同于以往传统光纤通信要求的新技术、新器件。的新技术、新器件。n未来技术角色未来技术角色 v超大容量光纤通信系统超大容量光纤通信系统 v光集成器件和光电集成器件的研究光集成器件和光电集成器件的研究 v新类型光纤的研究新类型光纤的研究 v解决全网瓶颈的手段解决全网瓶颈的手段光接入网光接入网 光光纤通信技通信技术特点特点n光纤通信技术特点光纤通信技术特点 n传输容量大。传输容量大。 n传输损耗小，中继距离长传输损耗小，中继距离长 n抗干扰性好，保密性强，使用安全抗干
41、扰性好，保密性强，使用安全n材料资源丰富，可节约金属材料材料资源丰富，可节约金属材料n重量轻，可挠性好，敷设方便重量轻，可挠性好，敷设方便 1、频带宽频带宽 频带的宽窄代表传输容量的大小。频带的宽窄代表传输容量的大小。载载波波的频率越高，可以的频率越高，可以传输信号传输信号的频带宽度的频带宽度就越大。可见光的频率达就越大。可见光的频率达100000GHz100000GHz，目前，目前单个光源的带宽只占了其中很小的一部分单个光源的带宽只占了其中很小的一部分( (多模光纤的频带约几百兆赫，好的单模光多模光纤的频带约几百兆赫，好的单模光纤可达纤可达10GHz10GHz以上以上) )， 光纤通信是以光
42、纤为传输媒介，光波为载波的通信系统，其载波光波具有很高的频率(约1014Hz)，因此光纤具有很大的通信容量。目前的光纤容量已经达到十多个Tbit/s(理论可达100 Tbit/s）理理论上上讲一根一根单模光模光纤可利用的可利用的带宽达达20THz(1THz=1012Hz)以上，可通上以上，可通上亿路路电话。现在最先在最先进的光的光纤通信系通信系统达达400GHz,而一路而一路电话带宽约占占4KHz频带,一路彩色一路彩色电视约占占6MHz频带光纤通信的容量有多大光纤通信的容量有多大?光波中心波长光波中心波长1.5 m，中心频率，中心频率1014Hzn目前商用水平：目前商用水平：312万路电话万路
43、电话/纤纤n速率：速率：2.510Gb/s提高数据率的途径提高数据率的途径n电复用电复用n光复用光复用密集波分复用密集波分复用 (DWDM)：光时分复用光时分复用 (OTDM)2损耗低损耗低在同轴电缆组成的系统中，最好的电缆在传输在同轴电缆组成的系统中，最好的电缆在传输800MHz800MHz信号时，信号时，每公里的损耗都在每公里的损耗都在40dB40dB以上以上。相比之。相比之下，光导纤维的损耗则要小得多，传输下，光导纤维的损耗则要小得多，传输1.31um1.31um的光，的光，每公里损耗在每公里损耗在0 035dB35dB以下以下若传输若传输1.55um1.55um的光，每公的光，每公里损
44、耗更小，可达里损耗更小，可达0 02dB2dB以下以下。这就比同轴电缆的功。这就比同轴电缆的功率损耗要率损耗要小一亿倍小一亿倍，使其能传输的距离要远得多。此，使其能传输的距离要远得多。此外，光纤传输损耗还有外，光纤传输损耗还有两个特点两个特点，一是，一是在全部有线电在全部有线电视频道内具有相同的损耗视频道内具有相同的损耗，不需要像电缆干线那样必，不需要像电缆干线那样必须引入均衡器进行均衡；二是须引入均衡器进行均衡；二是其损耗几乎不随温度而其损耗几乎不随温度而变变，不用担心因环境温度变化而造成干线电平的波动。，不用担心因环境温度变化而造成干线电平的波动。 七O年：20dB/km七二年： 4 dB
45、/km七四年：1.1dB/km七六年：0.5dB/km七九年：0.2dB/km九O年：0.14dB/km 同同轴电缆通信的中通信的中继距离只有几千米，最距离只有几千米，最长的微波通信是的微波通信是 50 千米千米左右，而光左右，而光纤通信通信系系统的最的最长中中继距离已达距离已达 300千米千米。 例如，对于400Mb/s速率的信号，光纤通信系统可达到100km以上的无中继传输距离，然而，同样速率的同轴电缆通信系统，无中继传输距离仅为1.6km左右。如将来采用非石英系的超长波长光纤，传输损耗会更小，有可能实现1000km以上的无中继传输，这一点对于海底光缆通信等长途干线业务具有重大意义。 如果
46、今后采用非石英光纤，并工作在超长波长(2m)，光纤的理论损耗系数可以下降到10-310-5dB/km，此时光纤通信的中继距离可达数千，甚至数万公里。那在许多情况下，通信线路中就可以不设中继站了。这对越洋通信意义尤其重大，因为在海底设立中继站，不仅使线路成本大为提高，也大大增加了维修工作的困难。 3重量重量轻 因为光纤非常细，单模光纤芯线直径一般为4um10um，外径也只有125um，加上防水层、加强筋、护套等，用448根光纤组成的光缆直径还不到13mm，比标准同轴电缆的直径47mm要小得多，加上光纤是玻璃纤维，比重小，使它具有直径小、重量轻的特点，安装十分方便。制造 1000 千米的 8 管同
47、轴电缆却需要消耗120吨铜和 500 吨铅。拉制成千上万千米光纤1 千克千克高纯度石英玻璃可以了。18 管同轴电缆每米重 11 千克；100 芯铅皮对称电缆每米重 2.9 千克，而同等容量的光缆每米只有90克克重。 4抗干抗干扰能力能力强 因为光纤的基本成分是石英，只传光，不导电，不受电磁场的作用，在其中传输的光信号不受电磁场的影响，故光纤传输对电磁干扰、工业干扰有很强的抵御能力。也正因为如此，在光纤中传输的信号不易被窃听，因而利于保密。 5保真度高保真度高 因为光纤传输一般不需要中继放大，不会因为放大引人新的非线性失真。可高保真地传输电视信号。 6工作性能可靠工作性能可靠 我们知道，一个系统
48、的可靠性与组成该系统的设备数量有关。设备越多，发生故障的机会越大。因为光纤系统包含的设备数量少(不像电缆系统那样需要几十个放大器)，可靠性自然也就高，加上光纤设备的寿命都很长，无故障工作时间达50万75万小时，其中寿命最短的是光发射机中的激光器，最低寿命也在10万小时以上。光纤系统的工作性能是非常可靠的。7成本不断下降成本不断下降目前，有人提出了新摩尔定律，也叫做光学定律（Optical Law）。该定律指出，光纤传输信息的带宽，每6个月增加1倍，而价格降低1倍。光通信技术的发展，为Internet宽带技术的发展奠定了非常好的基础。这就为大型有线电视系统采用光纤传输方式扫清了最后一个障碍。由于
49、制作光纤的材料(石英)来源十分丰富，随着技术的进步，成本还会进一步降低；而电缆所需的铜原料有限，价格会越来越高。显然，今后光纤传输将占绝对优势，成为建立全省、以至全国有线电视网的最主要传输手段。光光纤通信的缺点通信的缺点 事物都是一分为二的，光纤通信有许多优点，因而发展很快，但光纤通信也有以下缺点。n抗拉强度低，容易折断 (比如经常被挖断) n光纤连接困难(断面是否垂直、焊接点是否有气泡等)n光纤通信过程中怕水、怕冰 (OH-根吸收增大损耗)n光纤怕弯曲 (导致损耗增加)案例：新疆某地区大雪导致光纤故障 (2019年10月报道)原因：光缆没有防护好被冰雪包裹，并由于冰雪压力和热胀冷缩导致光纤弯
50、曲缺点质地脆,机械强度低光纤切断和接续需要一定的工具,设备和技术分路,耦合不灵活光纤,光缆弯曲半径不能过小(20CM)在偏僻地区存在有供电困难问题光纤通信是不是完美无缺？光纤通信是不是完美无缺？ 光纤通信除了上述优点外，也存在一些缺点。例如光纤通信除了上述优点外，也存在一些缺点。例如组件昂贵，光纤质地脆、机械强度低，连接比较困难，分组件昂贵，光纤质地脆、机械强度低，连接比较困难，分路、耦合不方便，弯曲半径不宜太小，不能远端供电等。路、耦合不方便，弯曲半径不宜太小，不能远端供电等。 这些缺点在技术上都是可以克服的，它不影响光纤这些缺点在技术上都是可以克服的，它不影响光纤通信的实用。通信的实用。光
51、光纤通信系通信系统的的结构构光纤通信系统的组成光纤通信系统的结构1.3.1 光光纤通信系通信系统的的组成成光纤通信系统是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统。主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。 系统中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、光源和调制器构成，如果是直接强度调制可以省去调制器。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。它一般由光电检测器和解调器组成，对于直接强度调制解调器可以省略。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。中继器分为电中继器和光中继器(光放大器)两种，其主要
52、作用就是延长光信号的传输距离。光光纤通信系通信系统的分的分类根据光纤通信系统所使用的光波长、传输光纤、传输信号形式、光电检测方式、复用方式等不同，可分为各种光纤通信系统。这些系统各有不同的特点，其分类如表7.1所示。光纤通信系统分类表光纤通信系统分类表 光纤通信系统分类表 n根据调制信号的类型，光纤通信系统可以分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统。n根据光源的调制方式，光纤通信系统可以分为直接调制光纤通信系统和间接调制光纤通信系统。n根据光纤的传导模数量，光纤通信系统可以分为多模光纤通信系统和单模光纤通信系统。n根据系统的工作波长，光纤通信系统可分为短波长光纤通信系统、长波长光纤通信系统和超
53、长波长光纤通信系统。光纤通信网光纤通信网n光纤局域网n光纤宽带网n光纤接入网n海底光缆及洲际通信网 光纤通信的发展方向和新技术光纤通信的发展方向和新技术1. 相干光通信相干光通信目前，大多数光纤通信系统采用的都是直接检测方式，在相干光通信中将采用相干检测方式。相干检测方式的最大优点是能提高光纤通信系统接收机的检测灵敏度。相干检测可分为自差法和外差法两种。为了实现相干光通信，要求光源是相干性很好、谱线很纯、频率很稳定的单频激光器；光纤应是单模单偏振的保偏光纤；还需要性能很好的光隔离器、偏振控制器等等。（相干光：频率相同，偏振方向相同，相位相同或相位差恒定）2. 光孤子通信光孤子通信在增大传输中继
54、距离方面，光纤的传光损耗和光接收机灵敏度不是惟一的障碍，而光纤的色散使脉冲展宽也是一个重要的限制因素。光纤孤子脉冲传输，其原理是利用光纤在大功率注入时的非线性作用与光纤中的色散作用达到平衡，使光脉冲在传输中无展宽。具体来说，就是在大功率光源注入光纤的非线性作用下，产生一种“自相位调制”，使脉冲波前沿速度变慢，而后沿速度变快，从而使脉冲不发生展宽。类似于流水中一个不变形的旋涡孤子，故称孤子传输。自从光纤放大器在补偿光纤损耗延长通信距离方面起了巨大作用以后，有人认为孤子传输的研究更应加速赶上。3 3. 全光网络技术全光网络技术 全全光光网网络络是是指指用用户户与与用用户户之之间间的的信信号号传传输
55、输与与交交换换全全部部采采用用光光波波技技术术完完成成的的先先进进网网络络，它它包包括括光光传传输输、光光放放大大、光光再再生生、 光光交交换换、 光光存存储储、 光光信信息息处处理理、 光光信信号号多多路路复复用用/ /分分插插、进进网网/ /出出网网等等许许多多先先进进的的全全光光技技术术。 全全光光网网络络中中的的光光交交叉叉连连接接设设备备(OXC)(OXC)主主要要由由光光交交叉叉连连接接矩矩阵阵、 输输入入/ /输输出出接接口口和和管管理理控控制制单单元元等等模模块块组组成成，具具有有光光信信号号交交叉叉连连接接、分分插插复复用用、波波长长变变换换、波波长长再再用用、可可重重构构无
56、无阻阻塞塞连连接接、 透透明明性性连连接接、广广播播分分配配、 信信号号监监视视与与节节点点控控制制、 光光接接口口和和信信号号中中继继等等功功能能。其其中中，OXCOXC结结构构透透明明性性是是指指比比特特率透明、调制格式透明或码格式透明。率透明、调制格式透明或码格式透明。作业：p你眼中的光通信系你眼中的光通信系统 XXXXXX提示：提示：光通信技光通信技术存在的存在的问题？研究？研究进展？展？光通信在光通信在XXX行行业中的中的应用？存在用？存在问题？研？研究究进展？展？谢谢 谢谢 资 料料 光纤通信的优点光纤通信的优点 1.巨大的传输容量巨大的传输容量前已说到光波载波频率比微波高得多，光
57、纤通信使用的波段载频约为1014Hz量级,而微波大约1010Hz量级，两者差四个量级，带宽资源比微波大得多。具体说现有普通单模光纤在1.3m和1.55m波段可用于光纤通信的低损耗窗口的带宽各有25,000GHz，如图1.1所示（参考图3.1）。若把1.39m附近的氢氧根离子吸收峰清除掉，将两个低损耗区连接起来则可有50,000GHz(波长范围400nm，即波长在12601660nm之间)以上的低损耗带宽，当前技术还不能完全利用，也还没有如此大的带宽需求，因此光纤通信技术在将来还有巨大的发展潜力。2.优越的传输性能优越的传输性能在1.55m波段最低传输损耗约0.2dB/km，即传输100km光信
58、号才衰减20dB。完全可以用光放大器来补偿损耗，即放大器间距100km是可能的。而同轴电缆中继放大器间距在500m几km。此外光纤不存在外来的信道噪声的干扰，这一点是其它通信体系所不具备的。以后我们会讲到，以发射机的功率和接收机的灵敏度作比较，电通信系统比光通信系统好，但光通信中继距离反而长，这都是得益于光纤优良的传输特性。其它优点还有制作光纤的材料易于得到、价格便宜（光纤材料的基质是石英玻璃，即二氧化硅(SiO2)，可以从石英砂中提炼，而石英砂在世界上的储量非常丰富）；光纤质量轻、直径细，只占据很小空间，易于铺设。由于外界信号不能干扰光纤中传输的信号，光纤中传输的信号几乎不能辐射出光纤，因此
59、光纤的电磁兼容性非常好。光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信超高速超高速超高速超高速大容量大容量大容量大容量长距离长距离长距离长距离网络化网络化网络化网络化一根光纤中可同时传输一百一根光纤中可同时传输一百一根光纤中可同时传输一百一根光纤中可同时传输一百多路信号，采用特殊技术多路信号，采用特殊技术多路信号，采用特殊技术多路信号，采用特殊技术甚至可以同时传输甚至可以同时传输甚至可以同时传输甚至可以同时传输10221022路路路路单路速率不断提升，单路速率不断提升，单路速率不断提升，单路速率不断提升，已达到已达到已达到已达到1010、2020、40Gb/s40Gb/s采用采用采用采用OTDMOTDM技术
60、甚至技术甚至技术甚至技术甚至可达可达可达可达640Gb/s640Gb/s各种通信技术的快速各种通信技术的快速各种通信技术的快速各种通信技术的快速发展使上千甚至上万公发展使上千甚至上万公发展使上千甚至上万公发展使上千甚至上万公里的长距离传输成为可能里的长距离传输成为可能里的长距离传输成为可能里的长距离传输成为可能全光网成为目前光通信全光网成为目前光通信全光网成为目前光通信全光网成为目前光通信领域最热门的话题之一领域最热门的话题之一领域最热门的话题之一领域最热门的话题之一光纤通信最具代表性技术光纤通信最具代表性技术 波分复用波分复用WDMWDM和光纤放大器和光纤放大器EDFAEDFA 光集成器件光
61、集成器件光纤通信系统的新波段1450 1490 1530 1570 1610 1650S+ S C L L+ 波波 长长 (nm)波段波段波长范围波长范围(nm)(nm)带宽带宽(THz)(THz)光放大器光放大器应用应用C C1530-15701530-15705.05.0有有长途干线长途干线C+LC+L1530-16101530-16109.79.7有有长途干线长途干线S+C+LS+C+L1490-16101490-161015.015.0无无城城/ /局域网局域网S S+ +S+C+L+L+S+C+L+L+ +1450-16501450-165025.125.1无无城城/ /局域网局域网
62、全波全波1300-16501300-165048.948.9无无城城/ /局域网局域网寻找合适的光纤，实用化的光损耗为寻找合适的光纤，实用化的光损耗为20dB/km (99.5%/m)20dB/km (99.5%/m)；6060年代研年代研究，究，7070年代突破，年代突破，20002000年年0.2dB/km (99.995%/m);0.2dB/km (99.995%/m);新的实用化光纤不新的实用化光纤不断涌现断涌现1cm 1mm 100um 10um 1um 100nm 10nm 1nm 波長波長10G 100G 1T 10T 100T 1015 1016 1017 f (Hz)1.6u
63、m 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0um 900 800 700 600nm光通信使用范围光通信使用范围红外线红外线紫外线紫外线电磁磁频谱：电磁波的波长范围光波是电磁波，光波范围包括红外线、可见光、紫外线，其波长范围为：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。频率（Hz）1021041061081012101410161018102010221061041021101010-210-410-610-810-1010-1210-14波长名称长波中波短波超短波微波毫米波红外线可见光紫外线X射线10mm1mm100m10m1m100nm10n
64、m1nm红外线可见光紫外线光是一种电磁波可见光350nm750nm光纤通信所用的波长(石英光纤) 8001600nm光的反射、折射全反射七六年，美国在亚特兰大开通了世界上第一个实用化光纤通信系统。码率为45Mb/s，中继距离为10 km。八年，多模光纤通信系统商用化（140Mb/s），并着手单模光纤通信系统的现场试验工作。九年，单模光纤通信系统进入商用化阶段（565Mb/s），并着手进行零色散移位光纤和波分复用及相干通信的现场试验，而且陆续制定数字同步体系（SDH）的技术标准。九三年，SDH产品开始商用化（622Mb/s 以下）。九五年，2.5Gb/s 的SDH产品进入商用化阶段。九六年，10
65、Gb/s 的SDH产品进入商用化阶段。九七年，采用波分复用技术（WDM）的20Gb/s 和40Gb/s 的SDH产品试验取得重大突破。七O年：20dB/km七二年： 4 dB/km七四年：1.1dB/km七六年：0.5dB/km七九年：0.2dB/km九O年：0.14dB/km 思考题与习题思考题与习题1.1试讨论当代通信技术发展的特点（主要讨论除通信容量迅速增加外的其它特点）。1.2试讨论为什么光纤通信技术发展如此迅速（从需要和可能两方面讨论）。1.3下面要提到的全波光纤具有可能的低损耗带宽约为12601660nm，试估算这一带宽占图1.1中所画的1020Hz带宽的多大分数？当前光纤通信系统
66、中使用的单信道最高比特率为40Gbit/s，如果系统的带宽利用率为0.5(bit/s)/Hz，试估算该系统占据光纤可用的低损耗带宽的分数是多大？1.4试举例说明图1.1所示的无线电波的各个波段可能在哪些领域应用。未来的信息高速公路将首先在现有光纤通道基础上，增设“大道”，先将光缆铺到公路旁、住宅前，最终目标是实现光纤进入千家万户。目前，光缆线路铺设的最大问题不在于干线，而在于入户，即连结每一户居民。如果要把全美国9600万个住户入户铜芯同轴电缆都改成光缆，估计需要2000亿美元，要花费20年甚至更多的时间，这是信息高速公路最大的瓶颈之一。目前，信息高速公路尚在起步阶段。光纤通信是现代化通信网络
67、的基础平台。光导纤维的巨大潜力，将使信息高速公路不仅成为数据传输媒介，还将输送电视、电话、教育、金融等多种服务，成为继本世纪50年代开始美国大规模普及电话之后最重大的通信手段革命。展望国际光纤通信技术的发展，其趋势将是日益网络化，智能化，在信息时代，光纤网将日益发挥它的巨大作用，成为信息高速公路的强大的后盾。1976年，美国贝尔实验室在亚特兰大到华盛顿间建立了世界第一条实用化的光纤通信线路，速率为45Mb/s，采用的是多模光纤，光源用的是发光管LED，波长是0.85微米的红外光。 1977年美国在芝加哥相距7000米的两电话局之间，首次用多模光纤成功地进行了光纤通信试验。85微米波段的多模光纤
68、为第一代光纤通信系统。1981年又实现了两电话局间使用1.3微米多模光纤的通信系统，为第二代光纤通信系统。1984年实现了1.3微米单模光纤的通信系统，即第三代光纤通信系统。80年代中后期又实现了1.55微米单模光纤通信系统，即第四代光纤通信系统。用光波分复用提高速率，用光波放大增长传输距离的系统，为第五代光纤通信系统。 表表7.3 OXC与与DXC功能的比较功能的比较 1870年的一天，英国物理学家丁达尔到皇家学会的演讲厅讲光的全反射原理，他做了一个简单的实验：在装满水的木桶上钻个孔，然后用灯从桶上边把水照亮。结果使观众们大吃一惊。人们看到，放光的水从水桶的小孔里流了出来，水流弯曲，光线也跟
69、着弯曲，光居然被弯弯曲曲的水俘获了。 人们曾经发现，光能沿着从酒桶中喷出的细酒流传输；人们还发现，光能顺着弯曲的玻璃棒前进。这是为什么呢？难道光线不再直进了吗？这些现象引起了丁达尔的注意，经过他的研究，发现这是全反射的作用，即光从水中射向空气，当入射角大于某一角度时，折射光线消失，全部光线都反射回水中。表面上看，光好像在水流中弯曲前进。实际上，在弯曲的水流里，光仍沿直线传播，只不过在内表面上发生了多次全反射，光线经过多次全反射向前传播。 编年大事年大事记1880-AlexandraGrahamBell发明光束通话传输 1960-电射及光纤之发明 1960-玻璃纤维的传输损耗大于1000dB/k
70、m，其他材料包括光圈波导、气体透镜波导、空心金属波导管等 1966-七月，英藉、华裔学者高锟博士（K.C.Kao）在PIEE 杂志上发表论文光频率的介质纤维表面波导，从理论上分析证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性，并预言了制造通信用的超低耗光纤的可能性 1970-美国康宁公司三名科研人员马瑞尔、卡普隆、凯克用改进型化学相沉积法（MCVD 法）成功研制成传输损耗只有20dB/km的低损耗石英光纤。 1970-美国贝尔实验室研制出世界上第一只在室温下连续波工作的砷化镓铝半导体激光器 1972-传输损耗降低至4dB/km 1973-我国邮电部武汉邮电学院开始研究光纤通信 1974-美国贝尔
71、研究所发明了低损耗光纤制作法CVD法（汽相沉积法），使光纤传输损耗降低到1.1dB/km。 1976-美国在亚特兰大的贝尔实验室地下管道开通了世界上第一条光纤通信系统的试验线路。采用一条拥有144个光纤的光缆以44.736Mbps的速率传输信号，中继距离为10 km。采用的是多模光纤，光源用的是发光管LED，波长是0.85微米的红外光。 1976-传输损耗降低至0.5dB/km 1977-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 1977-世界上第一条光纤通信系统在美国芝加哥市投入商用，速率为45Mb/s 1977-首次实际安装电话光纤网
72、路 1978-FORT在法国首次安装其生产之光纤电 1979-赵梓森拉制出我国自主研发的第一根实用光纤，被誉为“中国光纤之父” 1979-传输损耗降低至0.2dB/km 1980-多模光纤通信系统商用化（140Mb/s），并着手单模光纤通信系统的现场试验工作 1982-我国邮电部重点科研工程“八二工程”在武汉开通 1990-单模光纤通信系统进入商用化阶段（565Mb/s），并着手进行零色散移位光纤和波分复用及相干通信的现场试验，而且陆续制定数字同步体系（SDH）的技术标准 1990-传输损耗降低至0.14dB/km，已经接近石英光纤的理论衰耗极限值0.1dB/km 1990-区域网络及其他短距
73、离传输应用之光纤 1992-贝尔实验室与日本合作伙伴成功地试验了可以无错误传输9000公里的光放大器，其最初速率为5Gbps，随后增加到10Gbps 1993-SDH产品开始商用化（622Mb/s 以下） 2019-2.5Gb/s 的SDH产品进入商用化阶段 2019-10Gb/s 的SDH产品进入商用化阶段 2019-采用波分复用技术（WDM）的20Gb/s 和40Gb/s 的SDH产品试验取得重大突破 2019-中国生产的82.5Gb/sWDM系统首次在青岛至大连开通，沈阳至大连的322.5Gb/sWDM光纤通信系统开通 2000-到屋边光纤=到桌边光纤 2019-3.2Tbps超大容量的
74、光纤通信系统在上海至杭州开通 2019 FTTH(Fiber To The Home)光纤直接到家庭 1.光是一种电磁波 可见光部分波长范围是：390760nm(毫微米)。大于760nm部分是红外光，小于390nm部分是紫外光。光纤中应用的是：850，1310，1550三种。 1.2 国内外光国内外光纤通信技通信技术发展概况展概况由于光纤通信技术无可比拟的优点，在大容量、长距离传输系统中已经普遍采用光纤通信系统和网络，现在的所谓三大网（电话网、电视网和计算机网）也都采用了光纤网。表1.1给出了各个时期光纤通信系统研究的最高水平。其中用了比特率和无电中继传输距离的乘积（BL）来表示光纤通信系统的
75、水平。以后本书也常用这一参量表示系统水平。从服务范围看，光纤通信网可以分为用于长途干线系统组成的广域网以及城域网、局域网和接入网。长途干线系统又有陆上系统和海底光缆系统的分别。陆上光纤通信干线系统主要指各个国家的光纤通信干线网，包括各发达国家和许多发展中国家的干线网和部分跨国和跨州的光缆通信干线。海底光缆系统包括跨海和跨洋的光缆系统、以及沿海岸海底光缆系统和岛屿间光缆系统。其中以TAT（ Trans-Atlantic Transmission） 和 TPC（ Trans-PacificCommunication)为代号的跨大西洋和跨太平洋光缆通信系统从八十年代后半期开始建设，现在已有多条跨这两
76、个大洋的光缆通信系统。其它著名的系统还有FLAG系统（连接欧洲和东南亚，全长26,000km），和AFRICAONE系统（环非洲海岸海底光缆系统，全长40,000km）。全球海底光缆系统分布如图1.2所示。光纤通信最主要的优点是：(1) 容量大。光纤工作频率比目前电缆使用的工作频率高出8-9个数量级，故所开发的容量很大。(2) 衰减小。光纤每公里衰减比目前容量最大的通信同轴电缆的每公里衰减要低一个数量级以上。(3) 体积小，重量轻。 同时有利于施工和运输。(4) 防干扰性能好。光纤不受强电干扰、电气化铁道干扰 和雷电干扰，抗电磁脉冲能力也很强，保密性好。(5) 节约有色金属。一般通信电 缆要耗
77、用大量的铜、铝或铅等有色金属。光纤本身是非金属，光纤通信的发展将为国家 节约大量有色金属。(6) 成本低。目前市场上各种电缆金属材料价格不断上涨，而 光纤价格却有所下降。这为光纤通信得到迅速发展创造了重要的前提条件。 1988年，在美国与英国、法国之间敷设了越洋的海底光缆（TAT-8）系统，全长6700公里。这条光缆含有3对光光纤，每对的传输速率为280Mbs，中继站距离为67公里。这是第一条跨越大西洋的通信海底光缆，标志着海底光缆时代的到来。1989年，跨越太平洋的海底光缆（全长13200公里）也建设成功，从此，海底光缆就在跨越海洋的洲际海缆领域取代了同轴电缆，远洋洲际间不再敷设海底电缆。
78、光纤通信具有怎么样的抗干扰能力呢？第一个原因是光纤属绝缘体，不怕雷电和高压；另一个原因是光纤中传输着频率极高的光波，各种干扰源的频率一般都比较低，干扰不了频率比它们高得多的光。还有一种重要的干扰源是原子辐射。据专家们测算，如果在美国本土中心上空 463 千米处爆炸一颗原子弹，1 秒钟内即可使全美国未暴露的通信电缆，包括地面、飞机、舰艇等上面的通信电缆全部失效，通信中断，但光纤通信线路却照样畅通无阻，基本不受影响。3. 抗电磁干扰能力强 我们知道，电话线和电缆一般是不能跟高压电线平行架设的，也不能在电气铁化路附近铺设。任何通信系统都应具有一定的抗干扰能力，否则无法保证通信工作的可靠和稳定。最主要
79、的干扰是电磁干扰。天然的电磁干扰包括雷电干扰、电离层的变化和太阳核子活动引起的干扰，人为的电磁干扰有电动机、高压电力线造成的干扰等。这些干扰都必须认真对待。现有的电通信系统无法令人满意地解决这个问题。 光纤通信具有怎么样的抗干扰能力呢？第一个原因是光纤属绝缘体，不怕雷电和高压；另一个原因是光纤中传输着频率极高的光波，各种干扰源的频率一般都比较低，干扰不了频率比它们高得多的光。还有一种重要的干扰源是原子辐射。据专家们测算，如果在美国本土中心上空 463 千米处爆炸一颗原子弹，1 秒钟内即可使全美国未暴露的通信电缆，包括地面、飞机、舰艇等上面的通信电缆全部失效，通信中断，但光纤通信线路却照样畅通无
80、阻，基本不受影响。 光纤通信是保密性能最好的通信方式之一，这是因为光在光纤中传输时不会跑出光纤和向外辐射电磁波。即使在拐弯非常厉害的地方，漏出的光也微乎其微，而且如果在光纤表面再涂上一层吸光剂，那连这样的“漏网之鱼”也休想溜走。任凭你采用什么办法，也不能在光纤外面搜集到光纤里面的“情报”。光纤通信真是一位“守口如瓶”、“滴水不漏”的“保密员”。5. 体积小，重量轻 1 千克高纯度石英玻璃可以拉制成千上万千米光纤，而制造 1000 千米的 8 管同轴电缆却需要消耗120吨铜和 500 吨铅。18 管同轴电缆每米重 11 千克，100 芯铅皮对称电缆每米重 2.9 千克，而同等容量的光缆每米只有9
81、0克重。 光纤不仅体积小、重量轻，而且很柔软，可以自由弯曲，铺设非常方便。可广泛应用于航天航空、汽车电子等领域。6. 节省有色金属和原材料 电线要用铜、铅等有色金属材料来制作，制作光纤的原材料却是普普通通的石英砂。铜是一种很重要的战略金属，地球上的储量按目前的开采速度估计，只够使用 50年左右。而二氧化硅，在地壳的化学成分中占了一半 以上，真正可以说是 取之不尽、用之不竭 的。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
82、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.其它光纤通信系统的结构我国波分复用技术的研究也是和国际上同步进行。1992年北京大学提出了采用波分复用+光纤放大器技术实现我国通信干线扩容的建议，受到相关部委的重视，并开始立项研究。在当时该项技术在国际上还没有得到共识，国内外都有反对意见。直到2019年波分复用技术被公认为当前光纤通信系统扩容的最佳方案，并在国内外得到迅速发展。2019年由北京大学和有关公司合作研制的42.5 Gbit/s波分复用系统安装于国家光缆干线上，成为我国第一条实际使用的波分复用系统，获得国家科技进步三等奖。2. 能源、交通和其他n电力系统的监视、
83、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，由于是光纤传输，对观测记录仪不会造成影响。n 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。n铁路通
84、信网 铁路通信网是直接为铁路运输调度服务的独立通信网。它具有结点多，分支、插入话路频繁，通信容量有大有小，通信距离长短不一，组网方式多种多样，传输信号种类各异等特点。电气化铁路对通信要求：通信容量要大，不受电力机车强电磁干扰，传输电话、数据以外还要传输列车运行的长距离无人监控图像信号。除了光纤通信，没有哪一种通信方式能满足这些要求。n地铁控制系统n高速公路监控系统3. 军事n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。n水下通信系统是扫雷舰与浮游载体之间的数据传输
85、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 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。n航空母舰：机载通信、舰载通信。n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
86、中心的安全。n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. 医学应用n利用传光束的照明器和测氧计n利用传像束的内窥镜n激光手术刀。5. 机车电子宽带应用用三网融合三网融合三重播放三重播放业务的的驱动(3 Play: 数据数据IP 视频宽带语音音):带宽需求大量增长支持单播业务和组播业务的高效率传送支持接入技术的不断演进 (例如： ATM 转向 Ethernet)对语音和视频业务提供高可靠性的传送保障商商业用用户业务的的演演进：IP-VPN, 以太网VPNs, 存储区域网络SAN高带宽的业务需
87、求提供网络高可用性和高安全性业务的快速提供和端到端管理及故障定位固定固定/移移动网网络的的融合融合:公共的网络汇聚层 (在网络L2/L1/L0提供业务疏导)支持接入技术的不断演进 (e.g., TDM to Ethernet for WiMAX)减少独立的骨干网络数量，优化网络结构，降低网络建设维护成本卓越的多层业务OAM，提供高可用性和可恢复的网络支持目前的叠加的城域传送网 汇聚汇聚Aggregate接入接入/Access边缘边缘Edge/核心核心Core城域传送城域传送Metro Transmission核心传送核心传送Core Network TransmissionFEWireless
88、IP/MPLS业务路由器业务路由器Service Router3G 核心网核心网3G Core Network传送节点传送节点Node-BWiMAXE1语音语音/VoiceSTM/OCIP-DSLAMN x GEFTTxGEDSL视频视频/Video数据数据/DataGEE1RNCSGSNGGSN传送节点传送节点Transmission NodeSDH 环环SDH以太网交换机Ethernet Switch端局COSDH/环环SDH RingSDH/MSTPSDHBRASSDH Ring长三角地区试验网（一期）Each user can possess about 50 Mb/s bandwid
89、th.One user can enjoy 1 HDTV channel with 25 Mb/s, 2 SDTV channels with 14 Mb/s, and 9 Mb/s high speed Internet simultaneously. Users can enjoy 101 DTV/HDTV and 2000 interactive VODse-health, e-learning, e-show, e-science10GEGEFEACREMDRIUASONACR 光波在电磁波频谱中的大体位置分布（注意：通常将频率为1GHz以上的无线电波称为微波）。光波的频频率率一般可达
90、到1013-1014 Hz，对应的波波长长在10-100000 nm之间。 可进一步将光波细分为红红外外线线、可可见见光光和紫外线紫外线。通信波段划分及相应传输媒介通信波段划分及相应传输媒介频率率 Hz10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015自由空自由空间波波长（m）电力、力、电话无无线电、电视微波微波红外外可可见光光双双铰线同同轴电缆光光纤卫星星/微波微波AM无无线电FM无无线电频段频段划分划分传传输输介介质质电磁波谱的划分电磁波谱的划
91、分光纤通信技术与应用光纤通信技术与应用光纤基本理论光纤基本理论光纤通信技术与应用光纤通信技术与应用max=arcsin(NA)n1n21966年 ， 高 锟 (C.K.Kao)和 霍 克 哈 姆(C.A.Hockham)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,指明通过“原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤”这一发展方向,奠定了现代光通信光纤通信的基础。高锟高锟(左左)从瑞典国王手中接从瑞典国王手中接过过2009诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖1.1.4 现代光纤通信现代光纤通信1960年左右，最好的光纤损耗也在1000 分贝/公里 (dB/km)。由于，损耗很大，它最初
92、被用于医疗，如内窥镜。1953年，英国伦敦学院卡帕尼博士首次发明了用极细的玻璃制作的光导纤维：芯层+包层。芯层的折射率大于包层，光在其中做全反射。光纤通信的光波波谱光纤通信的光波波谱 光纤通信的波谱在光纤通信的波谱在1.671014Hz3.751014Hz之间，即波长在之间，即波长在0.8m1.8m之间，属于红外波段，将之间，属于红外波段，将0.8m0.9m称为短波长，称为短波长，1.0m1.8m称为长波长，称为长波长，2.0m以上称为超长波长。以上称为超长波长。 表表1-1 各种单位的换算公式各种单位的换算公式c3108m/s1MHz（兆赫）106 Hzc/f1GHz（吉赫）109 Hz1m（微米）106m1THz（太赫）1012Hz1nm（纳米）109m1PHz（拍赫）1015 Hz1（埃）1010m 外径一般为外径一般为125um(一根头发平均一根头发平均100um)内径：单模内径：单模9um 多模多模50/62.5um12595012562.5125光纤的尺寸
