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1、光纤技术及应用授课教师：张爱红谭凡教二一二年二月Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望 导论导论 教学目的教学目的 作业及考试方式作业及考试方式 教材及参考书教材及参考书 课程主要内容课程主要内容 授课方式及要求授课方式及要求 导论导论 教学目的教学目的 1 1、光纤通信技术及系统、光纤通信技术及系统 通过通过“光纤技术及应用光纤技术及应用”这门课程向大家介绍这门课程向大家介绍光纤技术应用领域所涉及的基础知识和相关技术。光纤技术应用领域所涉及的基础知识和相关技术。 主要包括
2、两大部分。主要包括两大部分。 2 2、光纤传感技术、光纤传感技术导论导论 课程主要内容课程主要内容第五章第五章 光纤传感技术（光纤传感技术（1010学时学时） 总结课（总结课（2 2学时学时）第一章第一章 光纤传输原理和传输特性（光纤传输原理和传输特性（9 9学时学时）( (光纤组成、导光原理，光纤的损耗特性、色散特性、非线性效应、光缆结构光纤组成、导光原理，光纤的损耗特性、色散特性、非线性效应、光缆结构) )第二章第二章 光纤通信器件（光纤通信器件（8 8学时学时）( (有源器件有源器件包括光源、光纤放大器和光检测器等，这些器件是光发射机、光接收包括光源、光纤放大器和光检测器等，这些器件是光
3、发射机、光接收机和光中继器的关键器件，决定整个系统的水平。机和光中继器的关键器件，决定整个系统的水平。无源器件无源器件主要有连接器、耦主要有连接器、耦合器、波分复用器、调制器、光开关、隔离器、环形器和衰减器等。合器、波分复用器、调制器、光开关、隔离器、环形器和衰减器等。) )第三章第三章 光纤通信系统光纤通信系统 （3 3学时学时）（系统结构系统结构 光发射机光发射机 光接收机、）光接收机、）第四章第四章 模拟光纤和数字光纤通信系统（模拟光纤和数字光纤通信系统（7 7学时学时）绪论：绪论：光纤技术发展趋势、光纤通信的特点、光纤通信系统的基本组成光纤技术发展趋势、光纤通信的特点、光纤通信系统的基
4、本组成 （1 1学时学时） 导论导论 教材及参考书教材及参考书 2 2、光纤通信光纤通信 聂兵主编聂兵主编 （北京理工大学出版社）（北京理工大学出版社）（20102010年年1 1月）月） 1 1、 光纤通信光纤通信 ( (第二版第二版) ) 刘增基等刘增基等 编著（西安电子科技大编著（西安电子科技大学出版社）（学出版社）（20082008年年1212月）月） 3 3、光波导与光纤通信基础光波导与光纤通信基础丁么明等编著丁么明等编著( (高等教育出版社高等教育出版社) ) (2005(2005年年) ) 4 4、 光纤光学光纤光学 廖延彪廖延彪 编著（清华大学出版社）（编著（清华大学出版社）（
5、20002000年）年） 5 5、 光纤通信光纤通信 张宝富等张宝富等 编著（西安电子科技大学出版社）编著（西安电子科技大学出版社）（20042004年）年） 6 6、光纤传感技术及应用光纤传感技术及应用王玉田等编著王玉田等编著 （北京航天航空大学（北京航天航空大学等五所高校出版社）（等五所高校出版社）（20092009年）年） 导论导论 作业及考试方式作业及考试方式 本门课程是本门课程是考试课考试课，成绩包括三个部分：，成绩包括三个部分： 期末考试占期末考试占60%60%。不进行期中考试。不进行期中考试。 作业（作业（1 1、调研报告；、调研报告；2 2、设计一个无源器件；、设计一个无源器件
6、；3 3、设计一个传感型光纤传感器；占总成绩的设计一个传感型光纤传感器；占总成绩的30%30%； 平时表现（预习、回答问题、出席情况）占总平时表现（预习、回答问题、出席情况）占总成绩的成绩的10%10%； 导论导论 2 2、通过设计型大作业培养学生创新思维和解决实际、通过设计型大作业培养学生创新思维和解决实际 问题的能力。问题的能力。 1 1、采用课堂教学与预习、查阅资料、课堂回答问题、采用课堂教学与预习、查阅资料、课堂回答问题相结合相结合, ,充分调动同学们学习的自觉性和积极性。充分调动同学们学习的自觉性和积极性。 3 3、本课程是专业课，除学习掌握基本原理、基础知识、本课程是专业课，除学习
7、掌握基本原理、基础知识和单元技术外，还要注意学以致用，系统地将所学知识、和单元技术外，还要注意学以致用，系统地将所学知识、技术用于实践。技术用于实践。 授课方式及要求授课方式及要求一、光纤通信发展历史及展望一、光纤通信发展历史及展望二、光纤通信的特点二、光纤通信的特点三、光纤通信系统的基本组成三、光纤通信系统的基本组成 概论概论概论概论一、光纤通信发展历史及展望一、光纤通信发展历史及展望 教材第一章，课后查阅资料完成作业：调研报告教材第一章，课后查阅资料完成作业：调研报告 初期光通信的方式初期光通信的方式 简述现代光纤通信的起始时间及几个发展阶段简述现代光纤通信的起始时间及几个发展阶段光纤通信
8、的新技术有哪些？光纤通信的新技术有哪些？ 选择其中一种你感兴趣或你认为有发展前景的选择其中一种你感兴趣或你认为有发展前景的新技术进行比较详细地论述。新技术进行比较详细地论述。二、光纤通信的特点二、光纤通信的特点 （一）光纤通信与电通信（一）光纤通信与电通信概论概论通信系统追求的最终技术目标通信系统追求的最终技术目标 信息信息：1.1.传输容量传输容量 2.2.传输距离传输距离 传输容量传输容量取决载波调制的频带宽度，频率越高，频带越宽。取决载波调制的频带宽度，频率越高，频带越宽。传输距离传输距离取决损耗和（色散），损耗越小，（色散越小），取决损耗和（色散），损耗越小，（色散越小）， 传输距离越
9、长。传输距离越长。发射机发射机信信 道道接收机接收机待发待发消息消息消息消息接收接收通信系统模型图通信系统模型图二、光纤通信的特点二、光纤通信的特点（一）光纤通信与电通信（一）光纤通信与电通信模拟信号转成数字信号的取样频率模拟信号转成数字信号的取样频率f fs s满足奈奎斯特准则满足奈奎斯特准则 为模拟信号带宽为模拟信号带宽概论概论1 1、电通信、电通信 以电波作为信息载体，以电波作为信息载体，以电缆作为传输媒介以电缆作为传输媒介 模拟信号模拟信号 数字信号数字信号 两者可以相互转换两者可以相互转换 A/D 或或 D/A 比特时间比特时间：每个码持续的时间：每个码持续的时间T TB B 。比特
10、率比特率：每秒钟的比特数：每秒钟的比特数B=1/TB=1/TB B 。86420时间时间5765686420 1 5 7 6 5 60 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 0TB模拟信号模拟信号取样量化取样量化编码编码二、光纤通信的特点二、光纤通信的特点 （一）光纤通信与电通信（一）光纤通信与电通信 m m为二进制码的位数，为二进制码的位数，量化信号值为量化信号值为M M数字信号的比特率数字信号的比特率 （取样频率为（取样频率为f fs s） 信噪比：信噪比： 动态范围动态范围：模拟信号的最大幅值：模拟信号的最大幅值A Amaxmax与模拟信号的均方根噪声幅度与模拟
11、信号的均方根噪声幅度 A An n之比。量化信号值之比。量化信号值M M必须满足必须满足概论概论概论概论2 2、光信号、光信号以光波作为信息载体，以光纤作为传输媒介以光波作为信息载体，以光纤作为传输媒介 对数字信号有两种码型：归零码对数字信号有两种码型：归零码(RZ)(RZ)和非归零码和非归零码(NRZ)(NRZ)非归零码非归零码(NRZ)(NRZ)：表示：表示1 1的光脉冲时间的光脉冲时间等于比特时间。等于比特时间。 光脉冲宽度随信号而变。脉冲展宽容易产生误码。光脉冲宽度随信号而变。脉冲展宽容易产生误码。归零码归零码(RZ): (RZ): 表示表示1 1的光脉冲时间的光脉冲时间小于比特时间，
12、小于比特时间， 光脉冲宽度不变。光脉冲宽度不变。时间时间RZNRZ 0 1 0 1 1二、光纤通信的特点二、光纤通信的特点 （一）光纤通信与电通信（一）光纤通信与电通信概论概论数字信号调制数字信号调制：移幅键控：移幅键控(ASK)(ASK)、移频键控、移频键控(FSK)(FSK)、 移相键控移相键控(PSK) (PSK) 对光载波的调制有三个方式：对光载波的调制有三个方式：模拟信号调制模拟信号调制：调幅：调幅(AM)(AM)、调频、调频(FM)(FM)、调相、调相(PM)(PM)最简单的一种最简单的一种(ASK)(ASK)称开关调制称开关调制(OOK)(OOK)二、光纤通信的特点二、光纤通信的
13、特点 （一）光纤通信与电通信（一）光纤通信与电通信 2 2、光信号、光信号概论概论二、光纤通信的特点二、光纤通信的特点 （二）光纤通信的优点（二）光纤通信的优点： (4) (4) 抗噪声干扰抗噪声干扰。光纤不导电的特性还避免了光缆受到闪电、。光纤不导电的特性还避免了光缆受到闪电、 电机、电机、 荧光灯及其他电器源的电磁干扰（荧光灯及其他电器源的电磁干扰（EMIEMI），）， 外部的电噪声也不会影响光外部的电噪声也不会影响光波的传输能力。此外，光缆不辐射射频（波的传输能力。此外，光缆不辐射射频（RFRF）能量的特性也使它不会干）能量的特性也使它不会干扰其他通信系统，扰其他通信系统， 这在军事上的
14、运用是非常理想的，而其他种类的通信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。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。 (3) (3) 抗电磁干扰抗电磁干扰。 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。起的电磁干扰。 (2) (2) 传输距离长传输距离长。光缆的传输损耗比电缆低，因而可传输更长的距离。光缆的传输损耗比电缆低，因而可传输更长的距离。 (1) (1) 通信容量大通信容量大。由于光纤的可用带宽较大，一般在。由于光纤的可用带宽较大，一般在10 GHz10 GHz
15、以上，以上，使光纤通信系统具有较大的通信容量。使光纤通信系统具有较大的通信容量。概论概论 (5) (5) 适应环境适应环境。 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。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。 (8) (8) 寿命长寿命长。因为光缆具有更强的适应环境变化和抗腐蚀的能力。因为光缆具有更强的适应环境变化和抗腐蚀的能力。 (7) (7) 保密保密。由于光纤不向外辐射能量，很难用金属感应器对光缆进行。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，对军事应用具有
16、吸引力的又一个方面。窃听，对军事应用具有吸引力的又一个方面。 (6) (6) 重量轻，安全，易敷设重量轻，安全，易敷设。光缆的安装和维护比较安全、简单，这。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火；第三，它比相应的金属电缆体积小, ,重量轻重量轻, ,更便于机载工作，而且更便于机载工作，而且它占用的存储空间小，运输也方便
17、。它占用的存储空间小，运输也方便。 二、光纤通信的特点二、光纤通信的特点 （二）光纤通信的优点（二）光纤通信的优点： 概论概论 二、光纤通信的特点二、光纤通信的特点 （三）（三）光纤通信光纤通信存在的不足存在的不足: : (1) (1) 接口昂贵接口昂贵。 在实际使用中，需要昂贵的接口器件将光纤在实际使用中，需要昂贵的接口器件将光纤接到标准的电子设备上。接到标准的电子设备上。 (5) (5) 未经受长时间的检验未经受长时间的检验。光纤通信系统的普及时间不太长，。光纤通信系统的普及时间不太长， 还没有足够的时间证实它的可靠性还没有足够的时间证实它的可靠性 (4) (4) 需要专用工具需要专用工具
18、 设备以及培训设备以及培训。需要专用工具焊接维修、。需要专用工具焊接维修、专用测试设备进行常规测量，维修既复杂又昂贵，技术人员需要专用测试设备进行常规测量，维修既复杂又昂贵，技术人员需要通过相应的技术培训并掌握一定的专业技能。通过相应的技术培训并掌握一定的专业技能。 (3) (3) 不能传送电力不能传送电力。有时需要为远处的接口或再生的设备提供。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。缆。 (2) (2) 强度差强度差。 光缆本身与同轴电缆相比抗拉强度要低得多。光缆本身与同轴电缆相比
19、抗拉强度要低得多。 这可以通过使用标准的光纤包层这可以通过使用标准的光纤包层PVCPVC得到改善。得到改善。 概论概论三、光纤通信系统的基本组成三、光纤通信系统的基本组成 光纤通信系统链路的简化框图如下图所示。光纤通信系统链路的简化框图如下图所示。概论概论三、光纤通信系统的基本组成三、光纤通信系统的基本组成 通信链路中最基本的通信链路中最基本的三个三个组成部分是组成部分是光发射机光发射机( (电光转换或电光转换或E/O)E/O)、光接收机光接收机( (光电转换或光电转换或O/E)O/E)和和光纤链路光纤链路。 光发射机：光发射机：由模拟或数字电接口、电压由模拟或数字电接口、电压电流驱动、光源和
20、光源与电流驱动、光源和光源与光纤之间的耦合接口等组成。光纤之间的耦合接口等组成。 光纤链路：光纤链路：光纤是高纯度的玻璃或塑料光纤，长距离大容量的光光纤是高纯度的玻璃或塑料光纤，长距离大容量的光纤链路普遍采用玻璃光纤，对于低速率短距离的传输系统可以采用塑纤链路普遍采用玻璃光纤，对于低速率短距离的传输系统可以采用塑料光纤。料光纤。 光接收机：光接收机：包括光纤与光检波器之间的耦合器件、光检测器、电包括光纤与光检波器之间的耦合器件、光检测器、电流流电压转换器、放大器和模拟或数字接口等。电压转换器、放大器和模拟或数字接口等。概论概论三、光纤通信系统的基本组成三、光纤通信系统的基本组成 发射机中的光源
21、是半导体发光二极管（发射机中的光源是半导体发光二极管（LEDLED）或注入式半导体激光）或注入式半导体激光二极管（二极管（ILDILD），简称），简称LDLD。这两种二极管的。这两种二极管的光功率与驱动电流成正比。光功率与驱动电流成正比。 数字调制：数字调制： 信号源已经是数字形式了，若信号为模拟信号，则应信号源已经是数字形式了，若信号为模拟信号，则应先转变成数字脉冲流，此时输入接口应包含模数转换器。先转变成数字脉冲流，此时输入接口应包含模数转换器。模拟调制：输入接口要求阻抗匹配并限制输入信号的振幅；模拟调制：输入接口要求阻抗匹配并限制输入信号的振幅； 电压电压电流驱动是输入电路与光源间的电接
22、口。电流驱动是输入电路与光源间的电接口。在光发射机中，在光发射机中， 光源可由数字信号或模拟信号调试光源可由数字信号或模拟信号调试。概论概论三、光纤通信系统的基本组成三、光纤通信系统的基本组成 电压电压电流驱动电路电流驱动电路是用来将输入信号的电压转换为电流以驱动光是用来将输入信号的电压转换为电流以驱动光源的。可采用源的。可采用直接调制直接调制和和间接调制。间接调制。驱动器驱动器激光源激光源电信号电信号输入输入光信号输出光信号输出光纤光纤直接调制方式直接调制方式驱动和控制驱动和控制激光源激光源电信号输入电信号输入光信号输出光信号输出光纤光纤间接调制（外调制）方式间接调制（外调制）方式调制器调制
23、器概论概论三、光纤通信系统的基本组成三、光纤通信系统的基本组成 光源光源光纤耦合器光纤耦合器是一种机械式接口，它的作用是把光源发出的是一种机械式接口，它的作用是把光源发出的光耦合到光纤或光缆中，光耦合到光纤或光缆中，光缆光缆由玻璃或塑料纤维光纤、金属包层和外由玻璃或塑料纤维光纤、金属包层和外套管组成。套管组成。光纤光纤光检波器的耦合器件光检波器的耦合器件也是一种机械接口，其作用是也是一种机械接口，其作用是把光缆中的光尽可能多地耦合到光检测器中。把光缆中的光尽可能多地耦合到光检测器中。 目前在实际的系统中，都是将光源、光源与光纤的接口和一段光目前在实际的系统中，都是将光源、光源与光纤的接口和一段
24、光纤封装在一起，形成光源组件。这样就增加了系统的可靠性。这一小纤封装在一起，形成光源组件。这样就增加了系统的可靠性。这一小段光纤常称为段光纤常称为尾纤尾纤或或光纤跳线光纤跳线。同样，将光纤、光纤与光检测器之间。同样，将光纤、光纤与光检测器之间的接口和光检测器封装在一起，就形成光检测器组件。的接口和光检测器封装在一起，就形成光检测器组件。 概论概论三、光纤通信系统的基本组成三、光纤通信系统的基本组成 光检测器光检测器常用的有光电二极管（常用的有光电二极管（PINPIN）和雪崩光电二极管（）和雪崩光电二极管（APDAPD），）， 二者都能将光能转化为电流，然后再通过电流二者都能将光能转化为电流，然后再通过电流电压转换器变成输出电电压转换器变成输出电压信号。检测方式分为压信号。检测方式分为直接检测直接检测和和外差检测外差检测。 中继器中继器主要用于补偿信号由于长距离传送所损失的能量。主要用于补偿信号由于长距离传送所损失的能量。光纤链路光纤链路由光纤光缆、光纤光缆线路由光纤光缆、光纤光缆线路( (接续接续) )盒、中继器等构成。盒、中继器等构成。 光接收机输出端的模拟或数字接口是一种电接口。该接口对输出光接收机输出端的模拟或数字接口是一种电接口。该接口对输出电路起阻抗匹配和信号电平匹配的作用。电路起阻抗匹配和信号电平匹配的作用。
