第1章光纖通信概述

1、光纖通信光纖通信Optical Fiber CommunicationOptical Fiber Communication2為什么為什么要講這門(mén)要講這門(mén)課？課？v光纖通信在通信產(chǎn)業(yè)中占重要地位！光纖通信在通信產(chǎn)業(yè)中占重要地位！v光纖通信乃至光通信具有無(wú)可比擬的巨大優(yōu)勢(shì)！光纖通信乃至光通信具有無(wú)可比擬的巨大優(yōu)勢(shì)！ 什么是通信？什么是通信？ “通通”傳送，傳送，“信信”信息；信息的傳送信息；信息的傳送 基本組成：發(fā)送、傳輸、接收基本組成：發(fā)送、傳輸、接收 什么是光纖通信？什么是光纖通信？ 以光波為載波以光波為載波，光纖為媒介的信息傳輸方式光纖為媒介的信息傳輸方式 光纖通信的最大優(yōu)勢(shì)光纖通信的最大

2、優(yōu)勢(shì)極大的通信容量極大的通信容量 理論容量理論容量50Gbit/s50Gbit/s，實(shí)際已達(dá)到，實(shí)際已達(dá)到25.6Tbit/s25.6Tbit/s 相當(dāng)于同時(shí)傳輸相當(dāng)于同時(shí)傳輸4 4億路電話（每路電話億路電話（每路電話64kb/s64kb/s）！）！3光纖？光纖？v光纖是傳光的纖維波導(dǎo)或光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱光纖是傳光的纖維波導(dǎo)或光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱4為什么為什么要講這門(mén)要講這門(mén)課？課？v光纖通信的其他優(yōu)點(diǎn)：光纖通信的其他優(yōu)點(diǎn)： 極低的傳輸極低的傳輸損耗，超損耗，超長(zhǎng)的傳輸距離長(zhǎng)的傳輸距離 環(huán)形環(huán)形的傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)距離甚至已經(jīng)達(dá)到的傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)距離甚至已經(jīng)達(dá)到100100萬(wàn)公里！萬(wàn)公里！ 極小的器件尺寸，極輕

3、的重量極小的器件尺寸，極輕的重量 普通普通光纖加涂覆層以后直徑光纖加涂覆層以后直徑250250微米，裸光纖微米，裸光纖27g/km27g/km 非常低的成本和資源消耗非常低的成本和資源消耗 成分成分主要是主要是SiOSiO2 2, ,材料材料來(lái)源豐富，可節(jié)約大量來(lái)源豐富，可節(jié)約大量有色金有色金屬（如銅）屬（如銅） 完全不存在電磁兼容問(wèn)題完全不存在電磁兼容問(wèn)題, ,保密性強(qiáng)、使用安全保密性強(qiáng)、使用安全 光纖抗高溫和耐腐蝕，可以抵御惡劣的工作環(huán)境光纖抗高溫和耐腐蝕，可以抵御惡劣的工作環(huán)境 光纖通信光纖通信已經(jīng)是目前通信網(wǎng)絡(luò)無(wú)可爭(zhēng)議的基礎(chǔ)！已經(jīng)是目前通信網(wǎng)絡(luò)無(wú)可爭(zhēng)議的基礎(chǔ)！5為什么為什么要講這門(mén)課？

4、要講這門(mén)課？v通信業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢(shì)：傳統(tǒng)話音通信業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢(shì)：傳統(tǒng)話音IPIP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)IPTVIPTV，遠(yuǎn)程辦公，遠(yuǎn)程辦公，網(wǎng)絡(luò)會(huì)議，網(wǎng)絡(luò)會(huì)議對(duì)對(duì)通信系統(tǒng)容量通信系統(tǒng)容量的需求是無(wú)止境的！的需求是無(wú)止境的！6課程教材課程教材v光纖通信光纖通信 人民人民郵電郵電出版社，梁猛等編著出版社，梁猛等編著7課程簡(jiǎn)介課程簡(jiǎn)介v光纖通信光纖通信是通信工程專業(yè)的一門(mén)專業(yè)是通信工程專業(yè)的一門(mén)專業(yè)課程，課程，該課程主要該課程主要介紹光纖通信介紹光纖通信的基本原理和的基本原理和技術(shù)。技術(shù)。v課程分為課程分為基礎(chǔ)篇基礎(chǔ)篇和和提高篇提高篇兩個(gè)部分兩個(gè)部分。 基礎(chǔ)基礎(chǔ)篇以特性、應(yīng)用為重點(diǎn)，介紹光纖通信系統(tǒng)中的篇以特性

5、、應(yīng)用為重點(diǎn)，介紹光纖通信系統(tǒng)中的光纖、光發(fā)射和光接收，各類線路器件、光放大、色光纖、光發(fā)射和光接收，各類線路器件、光放大、色散補(bǔ)償和復(fù)用等線路技術(shù)，以及光纖通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)散補(bǔ)償和復(fù)用等線路技術(shù)，以及光纖通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)基礎(chǔ)。 提高提高篇以實(shí)現(xiàn)原理為重點(diǎn)，深入介紹光纖通信系統(tǒng)中篇以實(shí)現(xiàn)原理為重點(diǎn)，深入介紹光纖通信系統(tǒng)中的光源、光檢測(cè)器、光放大器等典型有源器件，波分的光源、光檢測(cè)器、光放大器等典型有源器件，波分復(fù)用器、光隔離器、光環(huán)行器等典型無(wú)源器件，復(fù)用器、光隔離器、光環(huán)行器等典型無(wú)源器件，SDHSDH、MSTPMSTP、OTNOTN等光傳輸網(wǎng)系統(tǒng)、等光傳輸網(wǎng)系統(tǒng)、PONPON等光接入網(wǎng)系統(tǒng)

6、等光接入網(wǎng)系統(tǒng)。8課程內(nèi)容課程內(nèi)容第第1 1章章 概論概論第第2 2章章 光纖光纖第第3 3章章 光發(fā)射和光接收光發(fā)射和光接收第第4 4章章 線路器件與技術(shù)線路器件與技術(shù)第第5 5章章 系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)第第6 6章章 光器件技術(shù)光器件技術(shù)第第7 7章章 光傳輸網(wǎng)光傳輸網(wǎng)第第8 8章章 光接入網(wǎng)系統(tǒng)光接入網(wǎng)系統(tǒng)9注意注意事項(xiàng)事項(xiàng)v教學(xué)計(jì)劃：共教學(xué)計(jì)劃：共3636學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)，1010周周v考試形式考試形式：待定：待定v考試考試內(nèi)容：課堂講授內(nèi)容內(nèi)容：課堂講授內(nèi)容v考核標(biāo)準(zhǔn)：平時(shí)（課堂表現(xiàn)、考勤考核標(biāo)準(zhǔn)：平時(shí)（課堂表現(xiàn)、考勤）+ + 期末考試期末考試v聯(lián)系方式聯(lián)系方式： 電話：電話：1523830

7、616215238306162 辦公室：資辦公室：資-105-105（西門(mén)）（西門(mén)） E-mail:E-mail:10通信知識(shí)簡(jiǎn)介通信知識(shí)簡(jiǎn)介11光在電磁波譜中的位置光在電磁波譜中的位置v 光波頻段光波頻段 可見(jiàn)光（人眼能看見(jiàn)的光可見(jiàn)光（人眼能看見(jiàn)的光）, ,其其波長(zhǎng)范圍為：波長(zhǎng)范圍為：0.390.39至至0.76m0.76m 紅外線（人眼看不見(jiàn)的光紅外線（人眼看不見(jiàn)的光）, ,其其波長(zhǎng)范圍為：波長(zhǎng)范圍為：0.760.76至至300m300m 近紅外區(qū)：其波長(zhǎng)范圍為：近紅外區(qū)：其波長(zhǎng)范圍為：0.760.76至至15m15m； 中紅外區(qū)：其波長(zhǎng)范圍為：中紅外區(qū)：其波長(zhǎng)范圍為：1515至至25m2

8、5m； 遠(yuǎn)紅外區(qū)：其波長(zhǎng)范圍為：遠(yuǎn)紅外區(qū)：其波長(zhǎng)范圍為：2525至至300m300m； 紫外線（紫外線（UVUV：UltraVioletUltraViolet） 1019 1017 1016 1015 1014 1013 1012 1010 109 108 107 106 105 104 103 102 10110-10 10-910-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104 105 106 107 1nm 1 m 1mm 1m 1km1埃埃 X光 X光(倫琴射線)(倫琴射線)紫外線紫外線 可見(jiàn)光可見(jiàn)光近紅近紅外線外線遠(yuǎn)紅

9、遠(yuǎn)紅外線外線米波米波電視電視發(fā)射 發(fā)射 用 用無(wú)線電廣播無(wú)線電廣播 發(fā)射用 發(fā)射用超聲波超聲波音 頻音 頻光通信光通信微波微波頻率(Hz)波長(zhǎng)(m) (1T)(1G)(1M)(1k)1011 1018 f f射頻射頻12 1019 1017 1016 1015 1014 1013 1012 1010 109 108 107 106 105 104 103 102 10110-10 10-910-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104 105 106 107 1nm 1 m 1mm 1m 1km1埃埃 X光 X光(倫琴射線

10、)(倫琴射線)紫外線紫外線 可見(jiàn)光可見(jiàn)光近紅近紅外線外線遠(yuǎn)紅遠(yuǎn)紅外線外線米波米波電視電視發(fā)射 發(fā)射 用 用無(wú)線電廣播無(wú)線電廣播 發(fā)射用 發(fā)射用超聲波超聲波音 頻音 頻光通信光通信微波微波頻率(Hz)波長(zhǎng)(m) (1T)(1G)(1M)(1k)1011 1018 f f射頻射頻v光通信波長(zhǎng)范圍：約光通信波長(zhǎng)范圍：約0.850.85至至1.60m1.60m131.1 1.1 光纖通信光纖通信概述概述簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介發(fā)展發(fā)展14何謂光纖通信？何謂光纖通信？v光纖通信光纖通信是指利用相干性和方向性極好的激光作是指利用相干性和方向性極好的激光作為載波（也稱為載波（也稱光載波光載波）來(lái)攜帶信息，并利用）來(lái)攜帶信息

11、，并利用光導(dǎo)光導(dǎo)纖維（光纖）纖維（光纖）來(lái)進(jìn)行傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?。?lái)進(jìn)行傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?。（載頻載頻位于光波段位于光波段，利用，利用光纖承載信息光纖承載信息的的通信方式）通信方式）v光纖通信常用的波長(zhǎng)范圍為光纖通信常用的波長(zhǎng)范圍為近紅外區(qū)近紅外區(qū), ,即從即從0.85 -0.85 -1.601.60m m，其頻率范圍約為，其頻率范圍約為10101414HzHz數(shù)量級(jí)。數(shù)量級(jí)。15光纖通信系統(tǒng)組成光纖通信系統(tǒng)組成v目前實(shí)用的光纖通信系統(tǒng)，較多采用的是數(shù)字編目前實(shí)用的光纖通信系統(tǒng)，較多采用的是數(shù)字編碼、強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)的通信系統(tǒng)（碼、強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)的通信系統(tǒng)（IMIMDDDD系系統(tǒng)），這種系統(tǒng)的框圖如

12、圖所示。統(tǒng)），這種系統(tǒng)的框圖如圖所示。圖圖1.1 1.1 光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成16v發(fā)送機(jī)發(fā)送機(jī) 功能：把功能：把輸入的輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，并將光信，并將光信號(hào)最大限度地注入光纖號(hào)最大限度地注入光纖線路線路 組成：組成：激光器激光器（光源）（光源）+ +光調(diào)制器光調(diào)制器 激光器發(fā)出激光作為載波，激光器發(fā)出激光作為載波，光調(diào)制器將光調(diào)制器將信息調(diào)制在信息調(diào)制在光載波光載波上上17v信道信道：光纖：光纖（目前制造光纖的主要材料是（目前制造光纖的主要材料是SiOSiO2 2）v接收機(jī)接收機(jī) 功能：把功能：把由發(fā)送機(jī)發(fā)送的、經(jīng)光纖線路傳輸后輸由發(fā)送機(jī)發(fā)送的、經(jīng)光

13、纖線路傳輸后輸出的已產(chǎn)生畸變和衰減的微弱出的已產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)號(hào)，并經(jīng)放大、再生恢復(fù)為原來(lái)的電信號(hào)。，并經(jīng)放大、再生恢復(fù)為原來(lái)的電信號(hào)。 組成：組成：光電檢測(cè)器、放大器和相關(guān)光電檢測(cè)器、放大器和相關(guān)電路電路18光纖的基本結(jié)構(gòu)光纖的基本結(jié)構(gòu)v光纖光纖(optical fiber)(optical fiber)是高度透明的是高度透明的玻璃絲玻璃絲 纖芯：纖芯：SiOSiO2 2 ( (99.9999%)99.9999%)，少量，少量摻摻GeOGeO2 2 包層包層：純：純SiOSiO2 2，或少量摻，或少量摻BeBe硼，折射率略低于纖芯硼，折射率略低于纖芯 涂

14、覆層：環(huán)氧樹(shù)脂、硅橡膠等高分子材料涂覆層：環(huán)氧樹(shù)脂、硅橡膠等高分子材料, ,保護(hù)作用保護(hù)作用19光纖通信特點(diǎn)光纖通信特點(diǎn)v在在光纖通信系統(tǒng)中，光波作為載波，光纖作為傳光纖通信系統(tǒng)中，光波作為載波，光纖作為傳送媒介送媒介。v由于由于光波頻率比電波頻率高得多，光纖又比同軸光波頻率比電波頻率高得多，光纖又比同軸電纜損耗低得多，因此相對(duì)于用電磁波作為載波電纜損耗低得多，因此相對(duì)于用電磁波作為載波的電通信系統(tǒng)，光纖通信具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。的電通信系統(tǒng)，光纖通信具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。20v（1 1）頻帶）頻帶寬、傳輸容量大寬、傳輸容量大21v（2 2）損耗小、中繼距離長(zhǎng)）損耗小、中繼距離長(zhǎng) 電通信中繼站電通

15、信中繼站多、傳輸線路多、傳輸線路的成本高、維護(hù)不方的成本高、維護(hù)不方便、運(yùn)行不可靠。便、運(yùn)行不可靠。 石英光纖在石英光纖在1.55 1.55 m m波長(zhǎng)區(qū)的損耗可低到波長(zhǎng)區(qū)的損耗可低到0.18 0.18 dB/kmdB/km，比已知的其他通信線路的損耗都低得多。，比已知的其他通信線路的損耗都低得多。22v（3 3）重量）重量輕、體積輕、體積小小表表 1.1.3 1.1.3 光纜和標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜的重量和截面積數(shù)據(jù)比較光纜和標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜的重量和截面積數(shù)據(jù)比較8 芯芯18 芯芯項(xiàng)目項(xiàng)目光纜光纜電纜電纜光纜光纜電纜電纜重量比重量比（kg/m）115126截面積比截面積比(直徑直徑, mm)1519.62

16、3v（4 4）抗）抗電磁干擾性能電磁干擾性能好好 光纖由電絕緣的石英材料制成，光纖通信線路不光纖由電絕緣的石英材料制成，光纖通信線路不受各種電磁場(chǎng)的干擾和閃電雷擊的損壞。所以無(wú)受各種電磁場(chǎng)的干擾和閃電雷擊的損壞。所以無(wú)金屬加強(qiáng)筋光纜非常適合于存在強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾的金屬加強(qiáng)筋光纜非常適合于存在強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾的高壓電力線路周圍、油田、煤礦和化工等易燃易高壓電力線路周圍、油田、煤礦和化工等易燃易爆環(huán)境中使用。爆環(huán)境中使用。 而電纜系統(tǒng)，在使用中至少可能遇到幾種直接的而電纜系統(tǒng)，在使用中至少可能遇到幾種直接的電氣危害電氣危害: : 因電纜和部件上累積的靜電放電因電纜和部件上累積的靜電放電; ; 耦合到電纜系

17、統(tǒng)上的高頻電磁場(chǎng)耦合到電纜系統(tǒng)上的高頻電磁場(chǎng); ; 部件和接地點(diǎn)間的電位差部件和接地點(diǎn)間的電位差。 例：電話線和電纜一般是不能跟高壓電線平行架例：電話線和電纜一般是不能跟高壓電線平行架設(shè)的，也不能在電氣鐵化路附近鋪設(shè)。設(shè)的，也不能在電氣鐵化路附近鋪設(shè)。24v光纖為什么具有強(qiáng)抗干擾能力？光纖為什么具有強(qiáng)抗干擾能力？ 光纖光纖屬絕緣體，不怕雷電和高壓屬絕緣體，不怕雷電和高壓 電磁電磁源源干擾不了干擾不了頻率比它們高得多的光頻率比它們高得多的光 杰出杰出的抗核輻射能力的抗核輻射能力 據(jù)專家測(cè)算，如果在美國(guó)本土中心上空據(jù)專家測(cè)算，如果在美國(guó)本土中心上空 463463千米處千米處爆炸一顆原子彈，爆炸一顆

18、原子彈，1 1 秒鐘內(nèi)即可使全美國(guó)所有的電秒鐘內(nèi)即可使全美國(guó)所有的電纜通信系統(tǒng)失效。但光纖通信線路卻照樣暢通無(wú)纜通信系統(tǒng)失效。但光纖通信線路卻照樣暢通無(wú)阻，基本不受影響。阻，基本不受影響。25v（5 5）泄漏）泄漏小、保密性小、保密性好好 在現(xiàn)代社會(huì)中，不但國(guó)家的政治、軍事和經(jīng)濟(jì)情在現(xiàn)代社會(huì)中，不但國(guó)家的政治、軍事和經(jīng)濟(jì)情報(bào)需要保密，企業(yè)的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)情報(bào)也已成為競(jìng)報(bào)需要保密，企業(yè)的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)情報(bào)也已成為競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的竊取目標(biāo)。因此，通信系統(tǒng)保密性能是爭(zhēng)對(duì)手的竊取目標(biāo)。因此，通信系統(tǒng)保密性能是用戶往往必須考慮的一個(gè)問(wèn)題。用戶往往必須考慮的一個(gè)問(wèn)題。 現(xiàn)代偵聽(tīng)技術(shù)已能做到在離同軸電纜幾公里以外現(xiàn)代偵聽(tīng)

19、技術(shù)已能做到在離同軸電纜幾公里以外的地方竊聽(tīng)電纜中傳輸?shù)男盘?hào)，可是對(duì)光纜卻困的地方竊聽(tīng)電纜中傳輸?shù)男盘?hào)，可是對(duì)光纜卻困難得多。因此，要求保密性高的網(wǎng)絡(luò)不能使用電難得多。因此，要求保密性高的網(wǎng)絡(luò)不能使用電纜。纜。 在在光纖中傳輸?shù)墓庑孤┓浅Ｎ⑷?，即使在彎曲地光纖中傳輸?shù)墓庑孤┓浅Ｎ⑷?，即使在彎曲地段也無(wú)法竊聽(tīng)。沒(méi)有專用的特殊工具，光纖不能段也無(wú)法竊聽(tīng)。沒(méi)有專用的特殊工具，光纖不能分接，因此信息在光纖中傳輸非常安全，對(duì)軍事、分接，因此信息在光纖中傳輸非常安全，對(duì)軍事、政治和經(jīng)濟(jì)都有重要的意義政治和經(jīng)濟(jì)都有重要的意義。26v電電通信方式很容易被人竊聽(tīng)通信方式很容易被人竊聽(tīng) 電纜電纜通信：只要在電纜附

20、近通信：只要在電纜附近 ( (甚至幾公里以外甚至幾公里以外) ) 設(shè)設(shè)置一個(gè)特別的接收裝置，就可以獲取明線或電纜置一個(gè)特別的接收裝置，就可以獲取明線或電纜中傳送的信息。中傳送的信息。 無(wú)線通信無(wú)線通信方式：無(wú)線電波在大氣中傳播，甚至充方式：無(wú)線電波在大氣中傳播，甚至充斥全球，很容易被人竊聽(tīng)。斥全球，很容易被人竊聽(tīng)。 密碼學(xué)密碼學(xué)的發(fā)展使加密往往也無(wú)濟(jì)于事的發(fā)展使加密往往也無(wú)濟(jì)于事27v（6 6）節(jié)約）節(jié)約金屬材料，有利于資源合理金屬材料，有利于資源合理使用使用 制造同軸電纜和波導(dǎo)管的金屬材料，在地球上的制造同軸電纜和波導(dǎo)管的金屬材料，在地球上的儲(chǔ)量是有限的；儲(chǔ)量是有限的； 而制造光纖的石英（而

21、制造光纖的石英（SiO2SiO2）在地球上是取之不盡）在地球上是取之不盡的的28v光纖通信有許多優(yōu)點(diǎn)，因而發(fā)展很快，但光纖通光纖通信有許多優(yōu)點(diǎn)，因而發(fā)展很快，但光纖通信也有以下缺點(diǎn)。信也有以下缺點(diǎn)。 容易容易折斷折斷 ( (比如經(jīng)常被挖斷比如經(jīng)常被挖斷) ) 20152015年年5 5月，各地網(wǎng)友開(kāi)陸續(xù)反饋支付寶月，各地網(wǎng)友開(kāi)陸續(xù)反饋支付寶“用不了用不了”。手機(jī)和電腦版要么無(wú)法登錄手機(jī)和電腦版要么無(wú)法登錄, ,顯示顯示“超時(shí)超時(shí)”“”“出錯(cuò)出錯(cuò)”或或“亂碼亂碼”; ;要么打開(kāi)了也無(wú)法支付要么打開(kāi)了也無(wú)法支付; ;讓不少人受到讓不少人受到驚嚇的是余額寶突然驚嚇的是余額寶突然“沒(méi)錢(qián)了沒(méi)錢(qián)了”因杭州

22、市蕭山因杭州市蕭山區(qū)某地光纖被挖斷區(qū)某地光纖被挖斷 光纖光纖連接困難連接困難 ( (斷面是否垂直、焊接點(diǎn)是否有氣斷面是否垂直、焊接點(diǎn)是否有氣泡等泡等) ) 光纖通信光纖通信過(guò)程中怕水、怕冰過(guò)程中怕水、怕冰 (OH-(OH-根吸收增大損耗根吸收增大損耗) ) 光纖光纖怕彎曲怕彎曲 ( (導(dǎo)致?lián)p耗增加導(dǎo)致?lián)p耗增加) )29光纖通信系統(tǒng)分類光纖通信系統(tǒng)分類v按按系統(tǒng)傳輸?shù)男盘?hào)系統(tǒng)傳輸?shù)男盘?hào)分分 模擬模擬光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng) 數(shù)字光纖通信系統(tǒng)數(shù)字光纖通信系統(tǒng)v按光纖通信系統(tǒng)按光纖通信系統(tǒng)所用光纖所用光纖分分 單模光纖單模光纖系統(tǒng)系統(tǒng) 多模光纖系統(tǒng)多模光纖系統(tǒng)v按照按照信號(hào)對(duì)光源的調(diào)制信號(hào)對(duì)光源的調(diào)

23、制方式方式分分 直接調(diào)制光通信直接調(diào)制光通信系統(tǒng)系統(tǒng) 間接間接調(diào)制光通信調(diào)制光通信系統(tǒng)系統(tǒng)30v按按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分分 光纖通信系統(tǒng)用來(lái)連接一些節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)通常光纖通信系統(tǒng)用來(lái)連接一些節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)通?？赡苁墙粨Q機(jī)、終端、計(jì)算機(jī)、工作站等可能是交換機(jī)、終端、計(jì)算機(jī)、工作站等。 光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)可分為三類：可分為三類：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)、系統(tǒng)、一點(diǎn)對(duì)一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)多點(diǎn)系統(tǒng)以及系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)。1213N2( (b b) )一一點(diǎn)點(diǎn)對(duì)對(duì)多多點(diǎn)點(diǎn)( (a a) )點(diǎn)點(diǎn)對(duì)對(duì)點(diǎn)點(diǎn)75123( (c c) )網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)648931v按按網(wǎng)絡(luò)服務(wù)范圍網(wǎng)絡(luò)服務(wù)范圍分分 局域網(wǎng)局域網(wǎng)，服務(wù)范圍，服務(wù)范圍 2

24、 km 2 km ，如以太網(wǎng)，信令環(huán)和，如以太網(wǎng)，信令環(huán)和信令總線信令總線; ; 城域網(wǎng)城域網(wǎng)，服務(wù)范圍，服務(wù)范圍 100 km100 km，如電話本地交換網(wǎng)或，如電話本地交換網(wǎng)或者有線電視者有線電視) )分配系統(tǒng)分配系統(tǒng); ; 廣域網(wǎng)廣域網(wǎng)絡(luò)絡(luò)，服務(wù)范圍可達(dá)數(shù)千公里，如開(kāi)放系統(tǒng)，服務(wù)范圍可達(dá)數(shù)千公里，如開(kāi)放系統(tǒng)互連國(guó)際網(wǎng)絡(luò)等?；ミB國(guó)際網(wǎng)絡(luò)等。32光纖通信的應(yīng)用光纖通信的應(yīng)用v主要應(yīng)用于：主要應(yīng)用于： 電信網(wǎng)電信網(wǎng) 骨干網(wǎng)，跨海光纜線路骨干網(wǎng)，跨海光纜線路 城域網(wǎng)，局域網(wǎng)城域網(wǎng)，局域網(wǎng) 接入網(wǎng)接入網(wǎng) 輸電線路，電氣化鐵路沿線通信輸電線路，電氣化鐵路沿線通信 生產(chǎn)、交通監(jiān)控生產(chǎn)、交通監(jiān)控 有線電

25、視網(wǎng)有線電視網(wǎng)v次要應(yīng)用次要應(yīng)用: : 航空航天：光纖陀螺航空航天：光纖陀螺 軍事：軍事：光纖制導(dǎo)導(dǎo)彈光纖制導(dǎo)導(dǎo)彈、光纖水聽(tīng)器、光纖水聽(tīng)器 醫(yī)療：醫(yī)療：光纖內(nèi)窺鏡光纖內(nèi)窺鏡33光纖接光纖接入網(wǎng)入網(wǎng)34煤炭煤炭系統(tǒng)系統(tǒng)v電監(jiān)控系統(tǒng)信號(hào)均為電信號(hào)，在含瓦斯高的礦井電監(jiān)控系統(tǒng)信號(hào)均為電信號(hào)，在含瓦斯高的礦井中容易引起爆炸。因此，如果考慮安全因素，電中容易引起爆炸。因此，如果考慮安全因素，電信號(hào)功率不能太大，這又導(dǎo)致傳輸距離受限。而信號(hào)功率不能太大，這又導(dǎo)致傳輸距離受限。而如果采用光纖系統(tǒng)，很多設(shè)備可以無(wú)源化，即保如果采用光纖系統(tǒng)，很多設(shè)備可以無(wú)源化，即保證了安全，又能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控。證了安全，又能實(shí)

26、現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控。35交通系統(tǒng)交通系統(tǒng)v例如在鐵路通信網(wǎng)特點(diǎn)例如在鐵路通信網(wǎng)特點(diǎn)： 節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)多，分支、插入話路頻繁多，分支、插入話路頻繁 通信量通信量大小不一，需求不同大小不一，需求不同( (傳輸電話、數(shù)據(jù)、圖傳輸電話、數(shù)據(jù)、圖像像) ) 要求要求有強(qiáng)抗電磁干擾能力有強(qiáng)抗電磁干擾能力v除了光纖通信，沒(méi)有哪一種通信方式能滿足這些除了光纖通信，沒(méi)有哪一種通信方式能滿足這些要求！要求！36軍事應(yīng)用軍事應(yīng)用v光纖制導(dǎo)光纖制導(dǎo)武器武器 光纖光纖制導(dǎo)導(dǎo)彈、光纖制導(dǎo)魚(yú)雷需要獲得實(shí)時(shí)的目制導(dǎo)導(dǎo)彈、光纖制導(dǎo)魚(yú)雷需要獲得實(shí)時(shí)的目標(biāo)圖像同時(shí)要求控制線輕巧標(biāo)圖像同時(shí)要求控制線輕巧37醫(yī)療器械醫(yī)療器械v利用傳像束的利用傳像

27、束的內(nèi)窺鏡激光手術(shù)刀內(nèi)窺鏡激光手術(shù)刀 激光手術(shù)中，有時(shí)需要手術(shù)的部位在人體腔道內(nèi)激光手術(shù)中，有時(shí)需要手術(shù)的部位在人體腔道內(nèi)，這這就要求激光能拐彎就要求激光能拐彎。 目前目前大多數(shù)醫(yī)療激光可以大多數(shù)醫(yī)療激光可以通過(guò)通過(guò)石英光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)拐石英光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)拐彎，因此激光手術(shù)刀又叫彎，因此激光手術(shù)刀又叫光纖手術(shù)刀光纖手術(shù)刀。 381.1 1.1 光纖通信光纖通信概述概述簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介發(fā)展發(fā)展39光通信技術(shù)發(fā)展歷史回顧光通信技術(shù)發(fā)展歷史回顧v光通信的雛形光通信的雛形： 烽火臺(tái)烽火臺(tái)最早的光通信系統(tǒng)，最早的光通信系統(tǒng)，“二進(jìn)制，有中繼二進(jìn)制，有中繼” 手旗、燈光手旗、燈光40貝爾貝爾- -光電話光電話v188018

28、80年，年，Alexader BellAlexader Bell發(fā)明發(fā)明“光話光話” 以日光為光源，大氣為媒質(zhì)，硒晶體作為光以日光為光源，大氣為媒質(zhì)，硒晶體作為光接收接收器器，振動(dòng)調(diào)制，振動(dòng)調(diào)制 213213米傳輸距離，最早的無(wú)線光通信！米傳輸距離，最早的無(wú)線光通信！41v貝爾用貝爾用弧光燈或者太陽(yáng)光作為光源弧光燈或者太陽(yáng)光作為光源，光束通過(guò)透鏡，光束通過(guò)透鏡聚焦在話筒的震動(dòng)片上聚焦在話筒的震動(dòng)片上。v當(dāng)當(dāng)人對(duì)著話筒講話時(shí)，震動(dòng)片隨著話音震動(dòng)而使反人對(duì)著話筒講話時(shí)，震動(dòng)片隨著話音震動(dòng)而使反射光的強(qiáng)弱隨著話音的強(qiáng)弱作相應(yīng)的變化，從而使射光的強(qiáng)弱隨著話音的強(qiáng)弱作相應(yīng)的變化，從而使話音信息話音信息“

29、承載承載”在光波上（這個(gè)過(guò)程叫在光波上（這個(gè)過(guò)程叫調(diào)制調(diào)制）。v在在接收端，裝有一個(gè)拋物面接收鏡，它把經(jīng)過(guò)大氣接收端，裝有一個(gè)拋物面接收鏡，它把經(jīng)過(guò)大氣傳送過(guò)來(lái)的載有話音信息的光波反射到硅光電池上，傳送過(guò)來(lái)的載有話音信息的光波反射到硅光電池上，硅光電池將光能轉(zhuǎn)換成電流（這個(gè)過(guò)程叫硅光電池將光能轉(zhuǎn)換成電流（這個(gè)過(guò)程叫解調(diào)解調(diào)）。）。電流送到聽(tīng)筒，就可以聽(tīng)到從發(fā)送端送過(guò)來(lái)的聲音電流送到聽(tīng)筒，就可以聽(tīng)到從發(fā)送端送過(guò)來(lái)的聲音了。了。42進(jìn)一步發(fā)展的困難在哪里？進(jìn)一步發(fā)展的困難在哪里？v沒(méi)有合適的光源沒(méi)有合適的光源 普通光源（太陽(yáng)光、燈光）方向性和相干性極差普通光源（太陽(yáng)光、燈光）方向性和相干性極差，近

30、于近于噪聲，無(wú)法適應(yīng)長(zhǎng)距離傳輸?shù)男枰肼?，無(wú)法適應(yīng)長(zhǎng)距離傳輸?shù)男枰獀沒(méi)有合適的傳輸媒質(zhì)沒(méi)有合適的傳輸媒質(zhì) 光的波長(zhǎng)極短，穿越障礙的能力很差光的波長(zhǎng)極短，穿越障礙的能力很差 以空氣作為傳輸媒質(zhì)時(shí)，光信號(hào)受環(huán)境影響太大以空氣作為傳輸媒質(zhì)時(shí)，光信號(hào)受環(huán)境影響太大 必須通過(guò)一個(gè)低損耗的介質(zhì)器件進(jìn)行必須通過(guò)一個(gè)低損耗的介質(zhì)器件進(jìn)行引導(dǎo)引導(dǎo)v沒(méi)有沒(méi)有合適的檢測(cè)器件合適的檢測(cè)器件v沒(méi)有沒(méi)有43光源問(wèn)題的解決光源問(wèn)題的解決激光器的發(fā)明激光器的發(fā)明v激光器激光器Vs.Vs.傳統(tǒng)電信系統(tǒng)中的信號(hào)源傳統(tǒng)電信系統(tǒng)中的信號(hào)源v激光激光 LASERLASER：Light Light Amplification by Am

31、plification by Stimulated Emission of RadiationStimulated Emission of Radiation 通過(guò)受激輻射的光放大通過(guò)受激輻射的光放大v與自然光，燈光有本質(zhì)區(qū)別與自然光，燈光有本質(zhì)區(qū)別 頻率穩(wěn)定，方向性、相干性都好頻率穩(wěn)定，方向性、相干性都好, ,適合適合遠(yuǎn)距離遠(yuǎn)距離傳輸傳輸v19601960年梅曼發(fā)明了紅寶石激光器年梅曼發(fā)明了紅寶石激光器v19611961年年9 9月由中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所研制月由中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所研制成成功中國(guó)第一臺(tái)紅寶石激光器。功中國(guó)第一臺(tái)紅寶石激光器。v之后之后大量不同類型的激光器層出不窮。大量不同類型

32、的激光器層出不窮。光源問(wèn)題得到解決！光源問(wèn)題得到解決！44中國(guó)第一臺(tái)紅寶石激光器中國(guó)第一臺(tái)紅寶石激光器45傳輸媒質(zhì)問(wèn)題的解決傳輸媒質(zhì)問(wèn)題的解決關(guān)于光纖的早期發(fā)現(xiàn)與發(fā)明關(guān)于光纖的早期發(fā)現(xiàn)與發(fā)明v波導(dǎo)傳光原理的第一次波導(dǎo)傳光原理的第一次實(shí)實(shí)驗(yàn)演示驗(yàn)演示 18701870年，年，John John TyndallTyndall證證明明光線可以在傳導(dǎo)光線可以在傳導(dǎo)媒質(zhì)媒質(zhì)的的邊界上經(jīng)邊界上經(jīng)全反射全反射，而，而沿著沿著媒質(zhì)形狀彎曲媒質(zhì)形狀彎曲的前進(jìn)的前進(jìn)46光纖傳光的基本原理光纖傳光的基本原理v全反射：全反射： 當(dāng)光從光密媒質(zhì)當(dāng)光從光密媒質(zhì)進(jìn)入光疏進(jìn)入光疏媒質(zhì)時(shí)媒質(zhì)時(shí), ,折射角大于入射角折射角大于入

33、射角 當(dāng)入射角增大到某一角度當(dāng)入射角增大到某一角度時(shí)時(shí), ,折射角折射角等于等于9090度度, ,此時(shí)此時(shí), ,折射光折射光完全消失，入射光完全消失，入射光全部全部反回反回原來(lái)的媒質(zhì)中原來(lái)的媒質(zhì)中光纖傳光的基本原理光纖傳光的基本原理47光纖傳光的基本原理光纖傳光的基本原理v光纖的導(dǎo)光原理光纖的導(dǎo)光原理全反射全反射 纖芯折射率纖芯折射率為為n n1 1 包層折射率為包層折射率為n n2 2光線光線將在纖芯和包層的界面上不斷地產(chǎn)生全反射而向前傳播。將在纖芯和包層的界面上不斷地產(chǎn)生全反射而向前傳播。n1n2n1n2包層包層48關(guān)于光纖的早期發(fā)現(xiàn)與發(fā)明關(guān)于光纖的早期發(fā)現(xiàn)與發(fā)明v 純純SiOSiO2 2

34、是已知的對(duì)光損耗最小的材料！是已知的對(duì)光損耗最小的材料！對(duì)對(duì)導(dǎo)光導(dǎo)光材料的材料的研究集研究集中在石英玻璃纖維上！中在石英玻璃纖維上！v 先制成先制成無(wú)包層玻璃光纖，無(wú)包層玻璃光纖，可以用于光線和圖象的可以用于光線和圖象的短距離傳輸短距離傳輸v 后后發(fā)現(xiàn)使用包層能夠改善光纖的特性發(fā)現(xiàn)使用包層能夠改善光纖的特性v 光纖在光纖在2020世紀(jì)世紀(jì)5050年代進(jìn)入實(shí)用年代進(jìn)入實(shí)用主要用于醫(yī)療，如胃鏡，只能短距離成像，損耗很大主要用于醫(yī)療，如胃鏡，只能短距離成像，損耗很大v 到到2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代中期，年代中期，光纖損耗仍在光纖損耗仍在400dB/km400dB/km以上以上v 很多人對(duì)光纖通信

35、喪失了信心很多人對(duì)光纖通信喪失了信心dB=10dB=10* *log10(log10(輸入功率輸出功率輸入功率輸出功率) )4 4dBdB對(duì)應(yīng)剩余功率為對(duì)應(yīng)剩余功率為4 4！49轉(zhuǎn)折點(diǎn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)高錕的偉大預(yù)言！高錕的偉大預(yù)言！v19661966年，英籍華人高錕（年，英籍華人高錕（Charles Kao,1933Charles Kao,1933年生于上年生于上海海) )發(fā)表發(fā)表堪稱光纖通信開(kāi)山之作的堪稱光纖通信開(kāi)山之作的論文論文v文章文章從理論角度指出：從理論角度指出： 玻璃損耗太高主要由其中的雜質(zhì)離子導(dǎo)致；玻璃損耗太高主要由其中的雜質(zhì)離子導(dǎo)致； 利用帶有包層的石英玻璃纖維，可望將損耗利用帶有包層的

36、石英玻璃纖維，可望將損耗降低降低到到20dB/km(20dB/km(達(dá)到電纜水平達(dá)到電纜水平) )； 通過(guò)進(jìn)一步降低雜質(zhì)濃度，可以獲得遠(yuǎn)遠(yuǎn)通過(guò)進(jìn)一步降低雜質(zhì)濃度，可以獲得遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于低于20dB/km20dB/km的損耗值！的損耗值！一一篇文章奠定了整個(gè)光纖通信產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)篇文章奠定了整個(gè)光纖通信產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)！高錕因此被世界譽(yù)為高錕因此被世界譽(yù)為“光纖之父光纖之父”50光纖之父光纖之父高錕高錕v19331933年出生于中國(guó)上海，先后于年出生于中國(guó)上海，先后于19571957年和年和19651965年年在在倫敦大學(xué)倫敦大學(xué)獲得電機(jī)工程學(xué)士和博士學(xué)位。獲得電機(jī)工程學(xué)士和博士學(xué)位。v曾任香港中文大學(xué)校長(zhǎng)。曾

37、任香港中文大學(xué)校長(zhǎng)。v19901990年，獲選美國(guó)國(guó)家工程院院士，年，獲選美國(guó)國(guó)家工程院院士，19961996年當(dāng)選年當(dāng)選為為中國(guó)科學(xué)院中國(guó)科學(xué)院外籍院士。外籍院士。v20092009年，由于在年，由于在“有關(guān)光在纖維中的傳輸以用于有關(guān)光在纖維中的傳輸以用于光學(xué)通信光學(xué)通信方面方面”取得了突破性成就，獲得諾貝爾取得了突破性成就，獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。物理學(xué)獎(jiǎng)。51光纖技術(shù)的不斷發(fā)展光纖技術(shù)的不斷發(fā)展v19681968年獲得了損耗為年獲得了損耗為5dB/km5dB/km的體材料的體材料v19701970年美國(guó)康寧年美國(guó)康寧(Corning)(Corning)玻璃公司宣布玻璃公司宣布制作出制作出了了

38、損耗為損耗為20dB/km20dB/km的石英光纖的石英光纖 以純石英為主體，摻雜不同氧化物獲得所以純石英為主體，摻雜不同氧化物獲得所需要需要的折的折射率分布；射率分布； 以氣相沉積工藝制作預(yù)制棒，拉制出光纖。以氣相沉積工藝制作預(yù)制棒，拉制出光纖。 上述兩個(gè)思路直到現(xiàn)在仍是光纖制作基礎(chǔ)上述兩個(gè)思路直到現(xiàn)在仍是光纖制作基礎(chǔ)v目前的實(shí)用化水平：目前的實(shí)用化水平：0.2dB/km 400km400km63實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展v 19761976年年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了世界上第一個(gè)世界上第一個(gè)速率速率45Mb/s45Mb/s傳輸傳輸10km10km的的多

39、模光纖通信系統(tǒng)多模光纖通信系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)v 19771977年年美國(guó)在芝加哥兩個(gè)電話局之間開(kāi)通美國(guó)在芝加哥兩個(gè)電話局之間開(kāi)通世界上第一個(gè)世界上第一個(gè)使使用多模光纖用多模光纖的的商用光纖通信系統(tǒng)商用光纖通信系統(tǒng)( (距離距離7km7km，波長(zhǎng)，波長(zhǎng)850nm850nm，速速率率45Mb/s45Mb/s) () (我國(guó)第一個(gè)商用光纖通信系統(tǒng)開(kāi)通于我國(guó)第一個(gè)商用光纖通信系統(tǒng)開(kāi)通于19821982年年) )v 19831983年日本敷設(shè)了縱貫日本南北的光纜長(zhǎng)途干線。年日本敷設(shè)了縱貫日本南北的光纜長(zhǎng)途干線。v 19881988年由美、日、年由美、日、 英、法發(fā)起的第一條橫跨大西洋英、法發(fā)起的第一條橫跨大西洋海底光海底光纜通信系統(tǒng)纜通信系統(tǒng)建成。建成。v 19891989年第一條橫跨太平洋的海底光纜通信系統(tǒng)建成。年第一條橫跨太平洋的海底光纜通信系統(tǒng)建成。v 64大西海底光纜大西海底光纜系統(tǒng)系統(tǒng)65海底光纜的典型施工過(guò)程海底光纜的典型施工過(guò)程6620152015全球海底光纜布局圖全球海底光纜