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1、课前准备知识通信：交换、传输、处理光纤通信：以光波为载波，以光导纤维为传输媒质的一种通信方式。本课程的特点：专业课（基础课、专业基础课的区别）要求：提高自学能力、建立总体构架前序课程：通信原理、交换技术、电磁场与电磁波学习方法：注意连接词，章节间的关系。记笔记（两本合一），多阅读几本书成绩分布：平时30%，期中20%，期末50%（考试）。平时30%，期末70%（考查）。课程编排：基础理论知识通信用光源光通信信道光检测器与光放大器光学网络器件光纤通信系统新技术光纤通信网（接入网、SDH传送网）空间光通信系统参考书现代光纤通信与网络教程张宝富人邮光通信原理与技术李玉泉科学出版社光网络实用指南（美）
2、王廷华译清华光纤通信刘增基西电光纤通信顾畹仪人邮第第1 章章 概概 论论第第2 章章 通通信用光源信用光源第第3 章章 光光通信信道通信信道第第4 章章 光光检测器与光放大器检测器与光放大器第第5 章章 光光学网络器件学网络器件第第6 章章 光纤通信系统光纤通信系统第第7 章章 光通信新技术光通信新技术第第8 章章 空间光通信系空间光通信系统统 目目 录录11 光纤通信发展的历史和现状光纤通信发展的历史和现状（回顾）（回顾） 1.1.1 探索时期的光通信探索时期的光通信 1.1.2 现代光纤通信现代光纤通信 1.1.3 国内外光纤通信发展的现状国内外光纤通信发展的现状1 2 光纤通信的优点和应
3、用光纤通信的优点和应用（了解）（了解） 1.2.1 光通信与电通信光通信与电通信 1.2.2 光纤通信的优点光纤通信的优点 1.2.3 光纤通信的应用光纤通信的应用1 3 光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成（掌握）（掌握） 1.3.1 发射和接收发射和接收 1.3.2 基本光纤传输系统基本光纤传输系统 1.3.3 数字通信系统和模拟通信系统数字通信系统和模拟通信系统第第 1 章章 概概 论论返回主目录1.1 光纤通信发展的历史和现状光纤通信发展的历史和现状1.1.1 探索时期的光通信探索时期的光通信在这个时期，美国麻省理工学院利用He-Ne激光器和CO2激光器进行了大气激光通信试验大
4、气激光通信试验。由于没有找到稳稳定定可可靠靠和和低低损损耗耗的的传传输输介介质质，对光通信的研究曾一度走入了低潮。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。激激光光器器的的发发明明和和应应用用， 使沉睡了使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段年的光通信进入一个崭新的阶段。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”。贝尔光电话是现代光通信的雏型贝尔光电话是现代光通信的雏型。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。1.1.2 现代光纤通信现代光纤通信1966年 ， 英英 籍籍 华华 裔裔 学学
5、者者 高高 锟锟 (C.K.Kao)和和 霍霍 克克 哈哈 姆姆(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤(OpticalFiber)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光纤通信的基础。 指指明明通通过过“原原材材料料的的提提纯纯制制造造出出适适合合于于长长距距离离通通信信使使用用的的低低损损耗耗光光纤纤”这这一一发发展展方方向向光纤通信发明家光纤通信发明家高锟高锟( (左左) )1998年在英国接受年在英国接受IEE授予的奖章授予的奖章获得2009诺贝尔物理学奖“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”取得了突破性成就 1970年，年，光纤光
6、纤研制取得了重大突破研制取得了重大突破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。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4dB/km。 1973 年，美国贝尔(Bell)实验室的光纤损耗降低到2.5dB/km。1974年降低到1.1dB/km。1976年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到0.47dB/km(波长1.2m)。在以后的10年中，波长为1.55m的光纤损耗：1979年是0.20dB/km，1984年是0.157dB/km，1986年是0.154dB/km，接近
7、了光纤最低损耗的理论极限光纤最低损耗的理论极限。1970 年，光纤通信用年，光纤通信用光源光源取得了实质性的进展取得了实质性的进展1970年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联先后，研制成功室室温温下下连连续续振振荡荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器(短波长)。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。1973年，半导体激光器寿命达到7000小时。1976年，日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3m的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器。1977年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时。1979年美国电报电话(AT&T)公司和日本电报电话公司研制
8、成功发射波长为1.55m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年成为光纤通信发展的一个重要里程碑 实用实用光纤通信系统光纤通信系统的发展的发展1976年，美国在亚特兰大(Atlanta)进行了世世界界上上第第一一个个实用光纤通信系统的现场试验实用光纤通信系统的现场试验。1980年，美国标准化FT-3光纤通信系统投入商业应用。1976年和1978年，日本先后进行了速率为34Mb/s的突变型多模光纤通信系统，以及速率为100Mb/s的渐变型多模光纤通信系统的试验。1983年敷设了纵贯日本南北的
9、光缆长途干线。随后，由美、日、英、法发起的第一条横跨大西洋TAT-8海底光缆通信系统于1988年建成。第一条横跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光缆通信系统于1989年建成。从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全球通信网的发展。光纤通信的发展可以粗略地分为四个阶段光纤通信的发展可以粗略地分为四个阶段：第一阶段(19661976年)，这是从基础研究到商业应用的开发时期。第二阶段(19761986年)，这是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。第三阶段(19861996年)，这是以超大容量超长距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期。第四阶段(1996年至
10、今)，实现了超大容量的波分复用（WDM）光纤通信系统及基于WDM好波长选路的光网络；正研究超长距离的光孤子通信系统。光纤通信系统的发展波长模式损耗中继距离容量话路数第一代0.85mMM2dB/km10km50100Mb/s480第二代1.31mMM0.30.4550km1.7Gb/s1920第三代1.55mSM0.2100km2.4Gb/s7680第四代WDM+EDFA14300km5Gb/s第五代光孤子通信光孤子通信光孤子通信解决色散问题：光纤的色散使光脉冲展宽，光纤的非线性效应使光脉冲受到压缩。只需在光纤的非线性和色散效应之间取得平衡，则光脉冲在光纤中传输其形状不变，这样的光脉冲称为光孤子
11、。1.1.3 国内外光纤通信发展的现状国内外光纤通信发展的现状1976年年美美国国在在亚亚特特兰兰大大进进行行的的现现场场试试验验，标标志志着着光光纤纤通通信信从基础研究发展到了商业应用的新阶段从基础研究发展到了商业应用的新阶段。此后，光纤通信技术不断创新：光纤从多多模模发发展展到到单单模模，工作波长从0.85m发展到1.31m和1.55m(短短波波长长向向长长波波长长），传输速率传输速率从几十Mb/s发展到几十Gb/s。随着技术的进步和大规模产业的形成，光光纤纤价价格格不不断断下下降降，应用范围不断扩大。目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的支柱。在在
12、许许多多发发达达国国家家，生生产产光光纤纤通通信信产产品品的的行行业业已已在在国国民民经经济济中占重要地位中占重要地位。光纤通信整体发展时间表光纤通信整体发展时间表19741976197819801982198419861988199019921000001000010001001010.10.8m多模1.3m单模1.55m直接检测光孤子光放大器1.55m相干检测系统性能(Gb/sKm ）1.2 光纤通信的优点和应用光纤通信的优点和应用 1.2.1 光通信与电通信光通信与电通信通信系统的传传输输容容量量取决于对载波调制的频频带带宽宽度度，载载波波频率越高，频带宽度越宽频率越高，频带宽度越宽。光
13、通信的主要特点光通信的主要特点 载波频率高；频带宽度宽载波频率高；频带宽度宽（图1.1） 光光通通信信利利用用的的传传输输媒媒质质-光光纤纤，可可以以在在宽宽波波长长范范围围内内获获得得很小的损耗。很小的损耗。 （图1.2）图1.1部分电磁波频谱（1）、（2）图1.2各种传输线路的损耗特性1.2.2 光纤通信的光纤通信的优点优点 容许频带很宽，传输容量很大容许频带很宽，传输容量很大 损耗很小，损耗很小， 中继距离很长且误码率很小中继距离很长且误码率很小 重量轻、重量轻、 体积小体积小抗电磁干扰性能好抗电磁干扰性能好 泄漏小，泄漏小， 保密性能好保密性能好节约金属材料，节约金属材料， 有利于资源
14、合理使用有利于资源合理使用1.2.3 光纤通信的光纤通信的应用应用光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤在通信网、广播电视网与计算机网，以及在其它数据传输系统中，都得到了广泛应用。光纤宽带干线传送网和接入网发展迅速，是当前研究开发应用的主要目标。光纤通信的各种应用可概括如下：通信网通信网构成因特网的计算机局域网和广域网构成因特网的计算机局域网和广域网有线电视网的干线和分配网有线电视网的干线和分配网综合业务光纤接入网综合业务光纤接入网 ATMInternet骨干网骨干网DDN/ FRPSTN/ISDNTV业务分配节点业务分配节点 (COT)(COT)业务接入节点（业务接入节点（RTRT）
15、网管网管SNMP与电信网管中心相连Q3100/1000ME1/BRA/PRA155M622MSDH典型应用之一：宽带综合业务光纤接入系统拓扑结构SNMP简单网络管理协议简单网络管理协议典型应用之二：作为校园网的骨干传输网通信系统通信系统将一个用户的信息传送给另一个用户的全部将一个用户的信息传送给另一个用户的全部设备。设备。信信息息源源信信源源编编码码信信道道编编码码信信道道解解码码信信源源解解码码信信息息宿宿调调制制解解调调信道信道光纤通信系统组成：光纤通信系统组成：光发射机光发射机、光接收机光接收机、光纤光纤、各种耦合、各种耦合器等组成的信息传输系统。器等组成的信息传输系统。TR1.3 1.
16、3 光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成下下图图示示出出单单向向传传输输的的光光纤纤通通信信系系统统，包包括括发发射射、接接收收和和作作为广义信道的基本为广义信道的基本光纤传输系统光纤传输系统。 基本光纤传输系统基本光纤传输系统的三个组成部分的三个组成部分1 1、光发送机、光发送机组成框图：组成框图：光源、驱动器、调制器光源、驱动器、调制器 光光 源源调制器调制器通道耦合器通道耦合器电信号输入电信号输入光输出光输出驱动电路驱动电路结构参数：结构参数：发送功率，发送功率，dbm概念概念作用：作用：电信号转变成光信号（电信号转变成光信号（E/O转换转换），并将光信号耦合进入传），并将光信号
17、耦合进入传输光纤中。输光纤中。如何实现如何实现E/O转换转换电信号对光的调制的实现方式电信号对光的调制的实现方式 直接调制直接调制 用用电电信信号号直直接接调调制制半半导导体体激激光光器器或或发发光光二二极极管管的的驱驱动动电电流流，使输出光随电信号变化而实现的。使输出光随电信号变化而实现的。 这这种种方方案案技技术术简简单单，成成本本较较低低，容容易易实实现现，但但调调制制速速率率受激光器的频率特性所限制。受激光器的频率特性所限制。 外调制外调制 把把激激光光的的产产生生和和调调制制分分开开，用用独独立立的的调调制制器器调调制制激激光光器器的的输出光而实现的。输出光而实现的。 外外调调制制的
18、的优优点点是是调调制制速速率率高高，缺缺点点是是技技术术复复杂杂，成成本本较较高高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用 图图 1.5 1.5 两种调制方案两种调制方案 (a) (a) 直接调制；直接调制； (b) (b) 间接调制间接调制( (外调制外调制) ) 激光源激光源驱动器驱动器光纤光纤光信号输出光信号输出电信号电信号输入输入(a)(a)激光源激光源调制器调制器驱动和控制驱动和控制电信号输入电信号输入光纤光纤光信号输出光信号输出(b)(b) 2. 光纤线路光纤线路 功功能能：是是把把来来自自光光发发射射机机的的光光信信号号，
19、以以尽尽可可能能小小的的畸畸变变(失失真真)和衰减传输到光接收机和衰减传输到光接收机 组成组成:光纤、光纤接头和光纤连接器光纤、光纤接头和光纤连接器 低低损损耗耗 “窗窗口口”：普普通通石石英英光光纤纤在在近近红红外外波波段段，除除杂杂质质吸吸收收峰峰外外，其其损损耗耗随随波波长长的的增增加加而而减减小小，在在0.85 m、1.31 m和和1.55 m有三个损耗很小的波长有三个损耗很小的波长“窗口窗口”，见后图。，见后图。 光光源源激激光光器器的的发发射射波波长长和和光光检检测测器器光光电电二二极极管管的的波波长长响响应应，都要和光纤这三个都要和光纤这三个波长窗口相一致波长窗口相一致。 目目前
20、前在在实实验验室室条条件件下下，1.55 m的的损损耗耗已已达达到到0.154 dB/km， 接近石英光纤损耗的理论极限。接近石英光纤损耗的理论极限。0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5衰减（衰减（dB/km）第一窗口第一窗口第二窗口第二窗口波长波长（m）普通单模光纤的衰减随波长变化示意图普通单模光纤的衰减随波长变化示意图6 5 4 3 2 10。40。2第三窗口第三窗口 C 波段波段15251565nm 1.57 1.62 L波段波段 主要传输特性参数主要传输特性参数： 损耗损耗 、色散色散 （影响光纤通信系统（影响光纤通信系统的传输距离和传输容量）的传输距
21、离和传输容量） 损耗随波长的增加而减少损耗随波长的增加而减少 0.850.85 m m、1.311.31 m m、1.551.55 m m 2dB/km 2dB/km、0.4dB/km0.4dB/km、0.2dB/km0.2dB/km 零色散：零色散：石英光石英光纤纤在在1.311.31 m m处处，色散，色散为为零零 若通若通过过光光纤设计纤设计，将零色散波，将零色散波长长移至移至处处，可，可实现损实现损耗和色耗和色散都最小散都最小色散移位光色散移位光纤纤3 3、光接收机、光接收机功能功能：（O/EO/E转换）是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换转换）是把从光纤线路输出、产生畸
22、变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号组成部分：组成部分：耦合器，光电检测器，解调器耦合器，光电检测器，解调器组成框图：组成框图：电子电路电子电路光输入光输入耦合器耦合器光电检测器光电检测器解调器解调器电信号输出电信号输出结构参数：结构参数：接收机灵敏度，定为接收机灵敏度，定为BER10BER10-9-9条件下，所要求的最小平均接收条件下，所要求的最小平均接收功率。用功率。用SrSr（dBmdBm）来表示，）来表示，接收机灵敏度接收机灵敏度是反映光纤通信系统质量好坏的是反映光纤通信系统质量好坏的综合性指标。综合性指标
23、。检测方式：检测方式：直接检测和外差检测直接检测和外差检测1.3.3 1.3.3 数字通信系统和模拟通信系统数字通信系统和模拟通信系统 数数字字通通信信系系统统用用参参数数取取值值离离散散的的信信号号( (如如脉脉冲冲的的有有和和无无、电电平平的的高高和和低低等等) )代代表表信信息息，强强调调的的是是信信号号和和信信息息之之间间的的一一一一对对应应关系；关系； 模模拟拟通通信信系系统统则则用用参参数数取取值值连连续续的的信信号号代代表表信信息息，强强调调的的是变换过程中信号和信息之间的线性关系。是变换过程中信号和信息之间的线性关系。 这这种种基基本本特特征征决决定定着着两两种种通通信信方方式
24、式的的优优缺缺点点和和不不同同时时期期的的发展趋势。发展趋势。 数字通信系统的数字通信系统的优点优点如下：如下： 抗干扰能力强，传输质量好。抗干扰能力强，传输质量好。 可以用再生中继，传输距离长。可以用再生中继，传输距离长。 适用各种业务的传输，灵活性大。适用各种业务的传输，灵活性大。 容易实现高强度的保密通信。容易实现高强度的保密通信。 数数字字通通信信系系统统大大量量采采用用数数字字电电路路，易易于于集集成成， 从从而而实实现现小小型型化化、微微型型化化，增增强强设设备备可可靠靠性性，有有利利于于降降低低成成本。本。 模拟通信系统的模拟通信系统的优点优点 占用带宽较窄外，电路简单易于实现、
25、价格便宜等。占用带宽较窄外，电路简单易于实现、价格便宜等。1.4 1.4 空间光通信系统空间光通信系统1.4.11.4.1空间光通信概述空间光通信概述 随着通信业务量的大量增加，随着通信业务量的大量增加，“电波窗口电波窗口”日益日益拥挤，卫星通信采用传统的微波通信技术已经不能满拥挤，卫星通信采用传统的微波通信技术已经不能满足未来军事及商业的需要，如果采用较高的光频段作足未来军事及商业的需要，如果采用较高的光频段作为信息载体实现卫星通信将使这一问题得到很好的解为信息载体实现卫星通信将使这一问题得到很好的解决。决。空间光通信与传统的微波通信相比，其显著的优点为：空间光通信与传统的微波通信相比，其显
26、著的优点为：（1）通信容量大通信容量大，载波频率的增加增大了传输带宽，载波频率的增加增大了传输带宽，因此也增加了整个系统的通信容量。因此也增加了整个系统的通信容量。（2）体积小体积小，短波长的光通信天线尺寸成倍的减少，短波长的光通信天线尺寸成倍的减少，设备体积明显减小。设备体积明显减小。（3）功耗低功耗低，因为激光的发散角很小，能量高度集中，因为激光的发散角很小，能量高度集中，落在接收机望远镜天线上的功率密度高，发射机的发落在接收机望远镜天线上的功率密度高，发射机的发射功率可大大降低，功耗相对较低。射功率可大大降低，功耗相对较低。（4）空间光通信系统具有较低的建造经费和维护经费，）空间光通信系
27、统具有较低的建造经费和维护经费，不需要铺设光纤，整个空间光通信系统的不需要铺设光纤，整个空间光通信系统的造价和建设造价和建设经费较低经费较低。 （5）抗干扰和保密性好的优点抗干扰和保密性好的优点，因为光通信的传输光，因为光通信的传输光束非常窄，接收区域很小，所以很难探测到。束非常窄，接收区域很小，所以很难探测到。 正因为空间光通信具有抗电磁干扰和防窃听的突正因为空间光通信具有抗电磁干扰和防窃听的突出特点，可保障出特点，可保障天基综合信息网天基综合信息网的信息安全传输，可的信息安全传输，可应用于应用于军事卫星侦察军事卫星侦察。星间激光通信具有与其它光学。星间激光通信具有与其它光学系统兼容性好的特
28、点，应用于系统兼容性好的特点，应用于星载激光武器系统星载激光武器系统，可，可有效提高对激光武器系统的维护和控制能力，同时减有效提高对激光武器系统的维护和控制能力，同时减轻载荷的重量和体积。轻载荷的重量和体积。 1.4.2 1.4.2 空间光通信的定义空间光通信的定义空间光通信是指在两个或多个终端之间，利用在空间空间光通信是指在两个或多个终端之间，利用在空间传输的激光束作为信息载体，实现通信。又称为自由传输的激光束作为信息载体，实现通信。又称为自由空间光通信空间光通信(Free Space Optical Communication(Free Space Optical Communicatio
29、n，简，简称称FSOFSO) )、无线激光通信（、无线激光通信（Wireless Optical Wireless Optical CommunicationCommunication）。）。环绕地球可以建立的光学空间通信链路有：轨道高度环绕地球可以建立的光学空间通信链路有：轨道高度小于小于1000km1000km的低轨道卫星的低轨道卫星( (LEOLEO) )与与36000km36000km高的同步轨高的同步轨道上的卫星道上的卫星( (GEOGEO) )间的轨道间链路间的轨道间链路(IOL)(IOL)；GEOGEO与与GEOGEO间间的星间链路；的星间链路；LEOLEO与与LEOLEO间的链
30、路；间的链路；GEOGEO与地面之间的链与地面之间的链路；飞机与路；飞机与GEOGEO或或LEOLEO之间的链路；飞机与飞机之间的之间的链路；飞机与飞机之间的链路；地面间的链路等，如图链路；地面间的链路等，如图1.41.4所示。所示。图1.5空间数据中继示意图图图1.6 美国国家弹道导弹防御组织空间光通信链路计划图美国国家弹道导弹防御组织空间光通信链路计划图1.4.4 1.4.4 空间光通信系统组成空间光通信系统组成图图1.7 1.7 激光通信终端与相关的卫星载荷的关系激光通信终端与相关的卫星载荷的关系图图1.8 1.8 激光通信终端的组织结构图激光通信终端的组织结构图1.5 空间光通信关键技术空间光通信关键技术1.5.1 激光器技术激光器技术1.5.2 捕获、瞄准、跟踪技术捕获、瞄准、跟踪技术1.5.3 调制、接收技术调制、接收技术1.5.4 空间环境（尤其是空间辐射环境）适应性技术空间环境（尤其是空间辐射环境）适应性技术1.5.5 小型、轻量、低功耗一体化设计和制造技术小型、轻量、低功耗一体化设计和制造技术1.6 通信链路分析通信链路分析空间光通信的链路方程为：空间光通信的链路方程为：其中：其中： 是发射天线增益是发射天线增益; 是自由空间损耗是自由空间损耗; 是接收天线增益是接收天线增益
