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1、第一章第一章 光纤通信概述光纤通信概述课程概述n一、传输技术的地位一、传输技术的地位n二二课程的内容安排课程的内容安排n三、考核方法三、考核方法n光纤通信概述光纤通信概述n光纤和光缆光纤和光缆n通信用光器件通信用光器件n光端机光端机n光纤光纤fiber 或或 fibre，是是光导纤维光导纤维的简称。的简称。n何谓何谓光纤通信光纤通信n用用光波光波作为载波，以作为载波，以光导纤维光导纤维作为传输作为传输介质的一种通信方式。介质的一种通信方式。光纤通信概述光纤通信概述1.1 1.1 光纤通信发展历史和现状光纤通信发展历史和现状1. 1. 探索时期的光通信探索时期的光通信目视光通信目视光通信阶段阶段
2、利用大气来传播可见光，由人眼来接收。利用大气来传播可见光，由人眼来接收。3 3千多年前，中国古代的烽火台千多年前，中国古代的烽火台信号弹信号弹, ,交通灯交通灯 新疆呼图壁县境内的烽火台n光电话通信阶段光电话通信阶段现代光通信的历史，一般都从光电话的现代光通信的历史，一般都从光电话的发明开始算起。发明开始算起。 1880 1880年，美国人贝尔年，美国人贝尔（BellBell）发明了用光波作载波传送话音发明了用光波作载波传送话音的的“光电话光电话”。利用太阳光作光源，成功进行了光电话的实利用太阳光作光源，成功进行了光电话的实验验 ，传输距离，传输距离200多米。多米。说明：利用光波作为载波传送
3、信息是可行的。说明：利用光波作为载波传送信息是可行的。要解决两个问题要解决两个问题 有稳定的、低损耗的传输媒质有稳定的、低损耗的传输媒质 光在大气中的传送要受到气象条件的很大限制，比如光在大气中的传送要受到气象条件的很大限制，比如在遇到下雨、下雪、阴天、下雾等情况，就会看不远和在遇到下雨、下雪、阴天、下雾等情况，就会看不远和看不清，这叫做大气的能见度降低，使信号传输受到很看不清，这叫做大气的能见度降低，使信号传输受到很大阻碍。大阻碍。 高强度的、可靠的光源高强度的、可靠的光源 太阳光、灯光等普通的可见光源，都不适合作为通信太阳光、灯光等普通的可见光源，都不适合作为通信的光源。的光源。 n光源的
4、探索光源的探索阶段阶段n认识一下激光认识一下激光n激光（激光（LASER）：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation-受激受激辐射的光放大。辐射的光放大。n和普通光源相比，激光的和普通光源相比，激光的优点优点n单色性好单色性好n相干性高相干性高n方向性强方向性强 频频率率稳稳定定，约约为为300THZTHZ。这这种种光光的的频频率率比比已已经经广广泛泛应应用用的的微微波波（1 1GHzGHz40GHz40GHz）的的频频率率高高近近万万倍倍。激激光光来来传传送送信信息息从从理理论论上上来来说说，通通信信的的容容量量可可以以比
5、比微微波波通信的容量也大近万倍！通信的容量也大近万倍！ 1960年年7月月8日，美国科学家梅曼发明了日，美国科学家梅曼发明了第第一台一台激光器激光器( (LASER)LASER) ，给光通信带来了新给光通信带来了新的希望的希望，研究研究现代化光通信的时代开始。现代化光通信的时代开始。（在室温下不能连续工作在室温下不能连续工作 ）1970年，贝尔研究所的林严雄等人研制出年，贝尔研究所的林严雄等人研制出能在室温下连续工作的半导体激光器。能在室温下连续工作的半导体激光器。 这种激光器只有米粒大小，尽管最初的激这种激光器只有米粒大小，尽管最初的激光器寿命很短，但它已被认为可以作为光光器寿命很短，但它已
6、被认为可以作为光通信的光源。通信的光源。n第一种方式第一种方式:使激光在大气中传输使激光在大气中传输 通信能力和质量受周围大气环境的影通信能力和质量受周围大气环境的影响很大，响很大，如雨可造成如雨可造成3030dB/kmdB/km的损耗，的损耗，浓雾衰减可达浓雾衰减可达120120dB/kmdB/km 传输光路的探索传输光路的探索 10 10dB/kmdB/km的损耗意味着输入的信号传送的损耗意味着输入的信号传送1 1公里后公里后只剩下十分之一只剩下十分之一 20 20dB/kmdB/km的损耗意味着输入的信号传送的损耗意味着输入的信号传送1 1公里后公里后只剩下百分之一只剩下百分之一 30
7、30dB/kmdB/km的损耗意味着输入的信号传送的损耗意味着输入的信号传送1 1公里后公里后只剩下千分之一只剩下千分之一n第二种方式：把光束限制在特定空间第二种方式：把光束限制在特定空间n透镜波导透镜波导：在金属管内每隔一定距离：在金属管内每隔一定距离安装一个透镜，每个透镜把经传输的安装一个透镜，每个透镜把经传输的光束聚到下一个透镜而实现。光束聚到下一个透镜而实现。图图 透镜波导透镜波导反射镜波导：反射镜波导：用与光束传输方向成用与光束传输方向成4545度度角的两个平行反射镜代替透镜而构成。角的两个平行反射镜代替透镜而构成。首先：现场施工中校准和安装十分复杂；首先：现场施工中校准和安装十分复
8、杂；其次：地面活动对波导影响很大其次：地面活动对波导影响很大 必须把波导深埋或选择在人车稀少的地区使用。必须把波导深埋或选择在人车稀少的地区使用。 光纤即玻璃纤维（透明度很高的石英玻璃光纤即玻璃纤维（透明度很高的石英玻璃丝）丝） ，人们用它制造了医疗上用的内窥，人们用它制造了医疗上用的内窥镜，如做成胃镜，可以观察到距离体内镜，如做成胃镜，可以观察到距离体内1 1米左右的情况。但是它的衰减损耗特别大，米左右的情况。但是它的衰减损耗特别大，只能传输很短的距离。直到只能传输很短的距离。直到2020世纪世纪6060年代，年代，最好的光纤的损耗仍在最好的光纤的损耗仍在10001000dB/kmdB/km
9、以上。以上。这是不能用于通信的。这是不能用于通信的。 2 2现代光纤通信现代光纤通信 光纤的发展光纤的发展1966年年7月，英籍华裔学者月，英籍华裔学者高锟高锟大胆预言：大胆预言：只要能设法降低玻璃纤维的杂质，就有可只要能设法降低玻璃纤维的杂质，就有可能使光纤的损耗从能使光纤的损耗从1000dB/km降低到降低到20dB/km，甚至更低，从而可以用于通信。甚至更低，从而可以用于通信。 1970年美国康宁公司年美国康宁公司用高纯石英生产用高纯石英生产出世出世界上第一根界上第一根低损耗光纤（低损耗光纤（20dB/km），开创，开创了光纤通信的新篇章。了光纤通信的新篇章。 1970年被称为光纤通信元
10、年。年被称为光纤通信元年。1972年，康宁公司年，康宁公司 4dB/km1973年，美国年，美国Bell实验室实验室 2.5dB/km1974年，美国年，美国Bell实验室实验室 1.1dB/km1979年，年，0.2dB/km1984年，年，0.157dB/km1986年，年，0.154dB/km 接近了光纤最低损耗的接近了光纤最低损耗的理论极限理论极限光纤通信发展的几个阶段光纤通信发展的几个阶段n 1973年年1976年的第一代光纤通信系统年的第一代光纤通信系统。 其特征是：其特征是：采用采用0.85 m短波长多模光纤短波长多模光纤，光光纤损耗为纤损耗为2.53dB/km,传输速率为传输速
11、率为50100Mbit/s，中继距离为中继距离为810km，于于1977年进入现场试用，年进入现场试用，80年代初陆续在世界先进年代初陆续在世界先进国家推广应用，多用作市话局间中继线路使国家推广应用，多用作市话局间中继线路使用。用。1976年年1982年的第二代光纤通信系统。年的第二代光纤通信系统。 其特征是：其特征是：采用采用1.31 m长波长多模或单模长波长多模或单模光纤，光纤损耗为光纤，光纤损耗为0.551dB/km，传输速率传输速率为为140Mbit/s，中继距离为中继距离为2050km，于于1982年开始陆继投入使用，一般用于中、年开始陆继投入使用，一般用于中、短距离的长途通信线路，
12、也用作大城市市短距离的长途通信线路，也用作大城市市话局间中继线，以实现无中继传输话局间中继线，以实现无中继传输。n1982年年1988年的第三代光纤通信系统。年的第三代光纤通信系统。 其特征是：其特征是：采用采用1.31 m长波长单模光纤，长波长单模光纤，光纤损耗降至光纤损耗降至0.30.5dB/km，实用化、大实用化、大规模应用，传输信号为准同步数字系列规模应用，传输信号为准同步数字系列（PDH）的各次群路信号，中继距离为的各次群路信号，中继距离为50100km，于于1983年以后陆续投入使用，年以后陆续投入使用，主要用于长途干线和海底通信，是光纤通主要用于长途干线和海底通信，是光纤通信重点
13、推广应用阶段。信重点推广应用阶段。n19881996年的第四代光纤通信系统。年的第四代光纤通信系统。 其特征是：其特征是：开始采用开始采用1.55 m波长窗口的波长窗口的光纤，光纤损耗进一步降至光纤，光纤损耗进一步降至0.2dB/km，应应用中主要用于建设同步数字系列（用中主要用于建设同步数字系列（SDH）同步传送网络，同步传送网络，传输速率达传输速率达2.5Gbit/s，中中继距离为继距离为80120km，并开始采用掺铒光并开始采用掺铒光纤放大器纤放大器（EDFA）和波分复用和波分复用（WDM）器等新型器件。器等新型器件。 n1996年年今的第五代光纤通信系统。今的第五代光纤通信系统。 其特
14、征是：采用其特征是：采用密集波分复用（密集波分复用（DWDM）技技术的全光网络开发与应用，充分利用光纤低术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，损耗波段潜在容量实现传输系统的急剧扩容，采用采用DWDM技术不仅仅是带来巨大容量方面技术不仅仅是带来巨大容量方面的好处，可以预计，随着的好处，可以预计，随着DWDM技术的推广技术的推广应用，将会对现行的光纤网络带来深刻的变应用，将会对现行的光纤网络带来深刻的变革，最终会成为全光网络（革，最终会成为全光网络（AON）的基石。的基石。 因此，因此，电信界又将电信界又将1997年称为年称为WDM年。年。 1.21.2基本
15、概念基本概念1 1何谓光纤通信何谓光纤通信n用用光波光波作为载波，以作为载波，以光导纤维光导纤维作为传作为传输介质的一种通信方式。输介质的一种通信方式。 “总有一天光通信会取代有线和微总有一天光通信会取代有线和微波通信而成为通信主流波通信而成为通信主流”。2 2光纤通信的容量光纤通信的容量n香农公式香农公式通信系统的传输容量(capacity)取决于对载波调制的频带宽度，即在某种程度上，载波频率越高，频带越宽，系统容量越大。通信技术发展的历史，实际上是一个不断提高载波频率和增加传输容量的历史。n一对光纤一对光纤理论理论上上每秒可传送每秒可传送2525兆兆兆兆(10(101212) )比特比特的
16、信息的信息各种传输介质所能承载的载波大小：各种传输介质所能承载的载波大小：铜线铜线11MHzMHz同轴电缆同轴电缆100100MHzMHz无线电无线电500500kHz kHz 100MHz 100MHz微波（包括卫星信道）微波（包括卫星信道）100100GHzGHz光纤光纤几百几百THzTHz在在20012001年年OFCOFC会议上，会议上，NECNEC和和AlcatelAlcatel报道他们的报道他们的传输容量分别达到传输容量分别达到10.9210.92Tb/sTb/s和和10.0210.02Tb/sTb/s。（采用波分复用技术）采用波分复用技术）3 光纤通信使用的波长光纤通信使用的波长
17、 n近红外光，频率为几百近红外光，频率为几百THz，常用波长常用波长0.85 m 、1.31 m 、1.55 m70年代年代80年代年代90年代年代 以后以后图光纤通信的三个低损耗窗口图光纤通信的三个低损耗窗口1.3 光纤通信系统的基本组成和光纤通信系统的基本组成和分类分类光纤通信以光作为信息载体，利用光纤传输携带信息的光波，以达到通信之目的。 数字光纤通信系统的基本组成：光发送机光接收机光纤n典型的数字光纤通信系统方框图典型的数字光纤通信系统方框图华为技术电端机（模电端机（模/数）数）光发送机光发送机光纤光纤中继器中继器光接收机光接收机电端机（模电端机（模/数）数）模拟信号模拟信号模拟信号模
18、拟信号 发送端的电端机把信息（如话音）进行模/数转换，用转换后的数字信号去调制发送机中的光源器件LD，输出发出携带信息的光波。光波经光纤传输后到达接收端，光接收机把数字信号从光波中检测出来送给电端机，而电端机再进行数/模转换，恢复成原来的信息。光纤光纤模拟信号模拟信号1.41.4光纤通信的优点光纤通信的优点 传输频带宽，通信容量大传输频带宽，通信容量大 90 90年代，光纤的传输速率已经达到了每秒年代，光纤的传输速率已经达到了每秒T T比比特级（特级（10101212），），1 1Tb/sTb/s的速率意味着我们可以用一的速率意味着我们可以用一对只有头发丝粗细的光纤在对只有头发丝粗细的光纤在1
19、 1秒钟之内将秒钟之内将300300年的年的泰晤士报传送到世界上任何一个角落，或者同时泰晤士报传送到世界上任何一个角落，或者同时传送传送1010万路电视节目，或同时通万路电视节目，或同时通12001200万路电话。万路电话。 中继距离长中继距离长减少长距离通信的中继站，最主要的方法是减少长距离通信的中继站，最主要的方法是减少传输线路的损耗减少传输线路的损耗。光纤的损耗：在光波长为光纤的损耗：在光波长为1.31u um附近，传输附近，传输损耗为损耗为0.5dB/km；在光波长为在光波长为1.55u um附近附近损耗已达损耗已达0.2dB/km,甚至更低。（光传送甚至更低。（光传送1515公里，其
20、强度还有原来的一半。）公里，其强度还有原来的一半。） 单模光纤最大中继距离可达上百公里，如果再单模光纤最大中继距离可达上百公里，如果再加上光纤放大器，则可以直通上万公里而不需要再加上光纤放大器，则可以直通上万公里而不需要再生中继。生中继。 n抗抗电电磁磁干干扰扰能能力力强强，光光纤纤之之间间也也不不易易引引起起串串音音与与干干扰扰，故故可可用用于于强强电电磁磁环环境境下下的的通通信。信。光光纤纤是是石石英英介介质质材材料料构构成成的的，它它是是绝绝缘缘体，不怕雷电和高压，不受电磁干扰；体，不怕雷电和高压，不受电磁干扰；光光纤纤中中传传输输的的是是频频率率很很高高的的光光波波，而而各各种种干干扰
21、扰的的频频率率一一般般都都比比较较低低，所所以以它它不不能干扰频率比它高的多的光波。能干扰频率比它高的多的光波。n光缆重量轻，体积小，便于敷设和运输光缆重量轻，体积小，便于敷设和运输 相同话路的光缆要比电缆轻相同话路的光缆要比电缆轻90%95%(光缆重量仅为光缆重量仅为电缆重量的十分之一到二十分之一电缆重量的十分之一到二十分之一)，而直径不到电缆的，而直径不到电缆的五分之一。通五分之一。通2万万1千话路的千话路的900对双绞线，其直径为对双绞线，其直径为3英英寸，重量为寸，重量为8 吨吨/公里；通讯量为其十倍的光缆，直径仅公里；通讯量为其十倍的光缆，直径仅0.5英寸，重量仅英寸，重量仅450磅
22、磅/公里公里。 军事，航空，宇宙飞船军事，航空，宇宙飞船 美国在军用飞机上用光纤代替电缆，在美国在军用飞机上用光纤代替电缆，在A7A7飞机飞机上，重量减轻了上，重量减轻了12.2512.25公斤，节省了约公斤，节省了约2727万美元万美元n材料丰富，成本低材料丰富，成本低 SiOSiO2 2，就是随处可见的沙子，而且就是随处可见的沙子，而且1 1公公斤高纯度的石英玻璃可以制成上万公里斤高纯度的石英玻璃可以制成上万公里的光纤，而制造的光纤，而制造1 1公里公里1818管的同轴电缆需管的同轴电缆需120120公斤的铜，或公斤的铜，或500500公斤的铅。公斤的铅。缺点缺点：光纤质地脆、机械强度低、
23、需要比较好光纤质地脆、机械强度低、需要比较好的切割及连接技术，分路、耦合比较麻烦的切割及连接技术，分路、耦合比较麻烦 。1.5光纤通信的发展趋势光纤通信的发展趋势我国光纤通信的发展 1961年年9月月由由中中国国科科学学院院长长春春光光学学精精密密机机械械研研究究所所研研制制成成功功中中国国第第一一台台激激光器。光器。70年代中期研制出低损耗光纤和室温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。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年分别在北京和上海建成了市话光缆通信试验系统。光缆通信试验系统。“八五八五”期间，建成了含期间，建成了含2222条光缆干线、条光缆干线、总长达总长达3.33.3万公里的万公里的“八横八纵八横八纵”大容量光大容量光纤通信干线传输网（纤通信干线传输网（SDHSDH）。）。 19991999年年1 1月，我国第一条最高传输速率的国月，我国第一条最高传输速率的国家一级干线（济南家一级干线（济南青岛）青岛）82.82.5Gbit/s密集波分复用（密集波分复用（DWDMDWDM）系统系统建成建成。
