光纖通信發(fā)展史與現(xiàn)狀

1、11 光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀 1.1.1 探索時期的光通信探索時期的光通信 1.1.2 現(xiàn)代光纖通信現(xiàn)代光纖通信 1.1.3 國內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀國內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀1 2 光纖通信的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用光纖通信的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用 1.2.1 光通信與電通信光通信與電通信 1.2.2 光纖通信的優(yōu)點(diǎn)光纖通信的優(yōu)點(diǎn) 1.2.3 光纖通信的應(yīng)用光纖通信的應(yīng)用1 3 光纖通信系統(tǒng)的基本組成光纖通信系統(tǒng)的基本組成 1.3.1 發(fā)射和接收發(fā)射和接收 1.3.2 基本光纖傳輸系統(tǒng)基本光纖傳輸系統(tǒng) 1.3.3 數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)第第 1 章章 概概 論論返

2、回主目錄1.1 光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀 1.1.1 探索時期的光通信探索時期的光通信 在這個時期，美國麻省理工學(xué)院利用He - Ne激光器和CO2激光器進(jìn)行了大氣激光通信試驗(yàn)大氣激光通信試驗(yàn)。由于沒有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質(zhì)穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質(zhì)， 對光通信的研究曾一度走入了低潮。 1960年，美國人梅曼(Maiman)發(fā)明了第一臺紅寶石激光器， 給光通信帶來了新的希望。激光器的發(fā)明和應(yīng)用，激光器的發(fā)明和應(yīng)用， 使沉睡了使沉睡了80年的光通信進(jìn)入一個嶄新的階段年的光通信進(jìn)入一個嶄新的階段。 1880年，美國人貝爾(Bell)發(fā)明了用光波作載波傳送話音的“光電

3、話”。貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型。 原始形式的光通信:中國古代用“烽火臺”報(bào)警，歐洲人用旗語傳送信息。 1.1.2 現(xiàn)代光纖通信現(xiàn)代光纖通信 1966年，英籍華裔學(xué)者英籍華裔學(xué)者高錕高錕(C.K.Kao)和霍克哈姆和霍克哈姆(C.A.Hockham)發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文，指出了利用光纖(Optical Fiber)進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，奠定了現(xiàn)代光通信光纖通信光纖通信的基礎(chǔ)。 指明通過指明通過“原材料的提純制造出適合于原材料的提純制造出適合于長距離通信使用的低損耗光纖長距離通信使用的低損耗光纖”這一發(fā)展方這一發(fā)展方向向光纖通信發(fā)明家光纖通信發(fā)明

4、家高錕高錕( (左左) )1998年在英國接受年在英國接受IEE授予的獎?wù)率谟璧莫務(wù)?1970年，年，光纖光纖研制取得了重大突破研制取得了重大突破 1970年，美國康寧(Corning)公司研制成功損耗20dB/km的石英光纖。把光纖通信的研究開發(fā)推向一個新階段。把光纖通信的研究開發(fā)推向一個新階段。 1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4 dB/km。 1973 年，美國貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)室的光纖損耗降低到2.5dB/km。1974 年降低到1.1dB/km。 1976 年，日本電報(bào)電話(NTT)公司將光纖損耗降低到0.47 dB/km(波長1.2m)。 在以后的 10 年中，波長

5、為1.55 m的光纖損耗： 1979 年是0.20 dB/km，1984年是0.157 dB/km，1986 年是0.154 dB/km， 接近了光纖最低損耗的理論極限光纖最低損耗的理論極限。 1970 年，光纖通信用年，光纖通信用光源光源取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展 1970年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室、日本電氣公司(NEC)和前蘇聯(lián)先后，研制成功室溫下連續(xù)振蕩室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷(GaAlAs)雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(短波長)。雖然壽命只有幾個小時，但它為半導(dǎo)體激光器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 1973 年，半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到7000小時。 1976年，日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長為1.3 m

6、的銦鎵砷磷(InGaAsP)激光器。 1977 年，貝爾實(shí)驗(yàn)室研制的半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到10萬小時。 1979年美國電報(bào)電話(AT&T)公司和日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長為1.55 m的連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器。 由于光纖和半導(dǎo)體激光器的技術(shù)進(jìn)步，使由于光纖和半導(dǎo)體激光器的技術(shù)進(jìn)步，使 1970 年成為光纖通信發(fā)展的一個重要里程碑年成為光纖通信發(fā)展的一個重要里程碑 實(shí)用實(shí)用光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展的發(fā)展 1976 年，美國在亞特蘭大(Atlanta)進(jìn)行了世界上第一個實(shí)世界上第一個實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗(yàn)用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗(yàn)。 1980 年，美國標(biāo)準(zhǔn)化FT - 3光纖通信系

7、統(tǒng)投入商業(yè)應(yīng)用。 1976 年和 1978 年，日本先后進(jìn)行了速率為34 Mb/s的突變型多模光纖通信系統(tǒng)， 以及速率為100 Mb/s的漸變型多模光纖通信系統(tǒng)的試驗(yàn)。 1983年敷設(shè)了縱貫日本南北的光纜長途干線。 隨后，由美、日、 英、法發(fā)起的第一條橫跨大西洋 TAT-8海底光纜通信系統(tǒng)于1988年建成。 第一條橫跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光纜通信系統(tǒng)于1989年建成。從此，海底光纜通信系統(tǒng)的建設(shè)得到了全面展開，促進(jìn)了全球通信網(wǎng)的發(fā)展。光纖通信的發(fā)展可以粗略地分為三個階段光纖通信的發(fā)展可以粗略地分為三個階段： 第一階段(19661976年)，這是從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開發(fā)時期。

8、第二階段(19761986年)，這是以提高傳輸速率和增加傳輸距離為研究目標(biāo)和大力推廣應(yīng)用的大發(fā)展時期。 第三階段(19861996年)，這是以超大容量超長距離為目標(biāo)、全面深入開展新技術(shù)研究的時期。 1.1.3 國內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀國內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀 1976年美國在亞特蘭大進(jìn)行的現(xiàn)場試驗(yàn)，標(biāo)志著光纖通信年美國在亞特蘭大進(jìn)行的現(xiàn)場試驗(yàn)，標(biāo)志著光纖通信從基礎(chǔ)研究發(fā)展到了商業(yè)應(yīng)用的新階段從基礎(chǔ)研究發(fā)展到了商業(yè)應(yīng)用的新階段。 此后，光纖通信技術(shù)不斷創(chuàng)新：光纖從多模發(fā)展到單模多模發(fā)展到單模，工作波長從0.85 m發(fā)展到1.31 m和1.55 m(短波長向長波短波長向長波長長），傳輸速率傳輸速率

9、從幾十Mb/s發(fā)展到幾十Gb/s。 隨著技術(shù)的進(jìn)步和大規(guī)模產(chǎn)業(yè)的形成，光纖價(jià)格不斷下光纖價(jià)格不斷下降降，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。 目前光纖已成為信息寬帶傳輸?shù)闹饕劫|(zhì)，光纖通信系統(tǒng)將成為未來國家信息基礎(chǔ)設(shè)施的支柱。 在許多發(fā)達(dá)國家，生產(chǎn)光纖通信產(chǎn)品的行業(yè)已在國民經(jīng)濟(jì)在許多發(fā)達(dá)國家，生產(chǎn)光纖通信產(chǎn)品的行業(yè)已在國民經(jīng)濟(jì)中占重要地位中占重要地位。光纖通信整體發(fā)展時間表光纖通信整體發(fā)展時間表1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 100000 10000 1000 100 10 1 0.1 0.8m多模1.3m單模1.55m直接檢測光孤子光放大器1

10、.55m相干檢測系統(tǒng)性能(Gb/sKm）1.2 光纖通信的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用光纖通信的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用 1.2.1 光通信與電通信光通信與電通信 通信系統(tǒng)的傳輸容量傳輸容量取決于對載波調(diào)制的頻帶寬度頻帶寬度，載波載波頻率越高，頻帶寬度越寬頻率越高，頻帶寬度越寬。光通信的主要特點(diǎn)光通信的主要特點(diǎn) 載波頻率高；頻帶寬度寬載波頻率高；頻帶寬度寬（圖 1.1 ） 光通信利用的傳輸媒質(zhì)光通信利用的傳輸媒質(zhì)-光纖，可以在寬波長范圍內(nèi)獲得光纖，可以在寬波長范圍內(nèi)獲得很小的損耗。很小的損耗。 （圖 1.2 ）圖 1.1 部分電磁波頻譜100 THz10 THz1 THz100 GHz10 GHz1 GHz100 MHz10

11、 MHz1 MHz1 m可見光線10 m100 m1 m m10 m m100 m m1 m10 m100 m中波 (MF)短波 (HF)米波 (VHF)分米波(UHF)厘米波(SHF)毫米波(EHF)亞毫米波遠(yuǎn)紅外線近紅外線(光纖通信用）頻率波長名稱紫外線圖 1.2 各種傳輸線路的損耗特性 10001001010.110 M標(biāo)準(zhǔn)同軸38 mm海底同軸光纖100 M1 G10 G100 G1 T10 T100 T 1000 T頻率/HzM：(注)G：T：1061091012傳輸損耗/(dBkm1)51 mm波導(dǎo)器 1.2.2 光纖通信的光纖通信的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 容許頻帶很寬，傳輸容量很大容許頻帶很寬

12、，傳輸容量很大 損耗很小，損耗很小， 中繼距離很長且誤碼率很小中繼距離很長且誤碼率很小 重量輕、重量輕、 體積小體積小 抗電磁干擾性能好抗電磁干擾性能好 泄漏小，泄漏小， 保密性能好保密性能好 節(jié)約金屬材料，節(jié)約金屬材料， 有利于資源合理使用有利于資源合理使用 1.2.3 光纖通信的光纖通信的應(yīng)用應(yīng)用 光纖可以傳輸數(shù)字信號，也可以傳輸模擬信號。光纖在通信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)，以及在其它數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中， 都得到了廣泛應(yīng)用。光纖寬帶干線傳送網(wǎng)和接入網(wǎng)發(fā)展迅速， 是當(dāng)前研究開發(fā)應(yīng)用的主要目標(biāo)。 光纖通信的各種應(yīng)用可概括如下： 通信網(wǎng)通信網(wǎng) 構(gòu)成因特網(wǎng)的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)構(gòu)成因特網(wǎng)的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)

13、和廣域網(wǎng) 有線電視網(wǎng)的干線和分配網(wǎng)有線電視網(wǎng)的干線和分配網(wǎng) 綜合業(yè)務(wù)光纖接入網(wǎng)綜合業(yè)務(wù)光纖接入網(wǎng) ATMInternet骨干網(wǎng)骨干網(wǎng)DDN/ FRPSTN/ISDNTV業(yè)務(wù)分配節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)分配節(jié)點(diǎn) (COT)(COT)業(yè)務(wù)接入節(jié)點(diǎn)（業(yè)務(wù)接入節(jié)點(diǎn)（RTRT）網(wǎng)管網(wǎng)管SNMP與電信網(wǎng)管中心相連Q3100/1000ME1/BRA/PRA155M622M SDH典型應(yīng)用之一：寬帶綜合業(yè)務(wù)光纖接入系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)典型應(yīng)用之二：作為校園網(wǎng)的骨干傳輸網(wǎng)1.3 光纖通信系統(tǒng)的基本組成光纖通信系統(tǒng)的基本組成 下圖示出單向傳輸?shù)墓饫w通信系統(tǒng)，包括發(fā)射發(fā)射、接收接收和作為廣義信道的基本光纖傳輸系統(tǒng)光纖傳輸系統(tǒng)。信息源電發(fā)射

14、機(jī)光發(fā)射機(jī)光接收機(jī)電接收機(jī)信息宿基本光纖傳輸系統(tǒng)光纖線路接 收發(fā) 射電信號輸入光信號輸出光信號輸入電信號輸出 基本光纖傳輸系統(tǒng)基本光纖傳輸系統(tǒng)的三個組成部分的三個組成部分)( 1)(lg10)(mvmvpdBmp電信號對光的調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方式電信號對光的調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方式 直接調(diào)制直接調(diào)制 用電信號直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管的驅(qū)動電流，使輸出光隨電信號變化而實(shí)現(xiàn)的。 這種方案技術(shù)簡單，成本較低，容易實(shí)現(xiàn)，但調(diào)制速率受激光器的頻率特性所限制。 外調(diào)制外調(diào)制 把激光的產(chǎn)生和調(diào)制分開，用獨(dú)立的調(diào)制器調(diào)制激光器的輸出光而實(shí)現(xiàn)的。 外調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)制速率高，缺點(diǎn)是技術(shù)復(fù)雜，成本較高，因此只有在大容量的波分

15、復(fù)用和相干光通信系統(tǒng)中使用。 圖 1.5兩種調(diào)制方案 (a) 直接調(diào)制； (b) 間接調(diào)制(外調(diào)制) 激光源驅(qū)動器光纖光信號輸出電信號輸入(a)激光源調(diào)制器驅(qū)動和控制電信號輸入光纖光信號輸出(b) 2. 光纖線路光纖線路 是把來自光發(fā)射機(jī)的光信號，以盡可能小的畸變是把來自光發(fā)射機(jī)的光信號，以盡可能小的畸變(失失真真)和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C(jī)和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C(jī)光纖光纖、光纖接頭光纖接頭和光纖連接器光纖連接器 普通石英光纖在近紅外波段，除雜質(zhì)吸收峰外，其損耗隨波長的增加而減小，在0.85 m、1.31 m和1.55 m有三個損耗很小的波長“窗口”，見后圖。激光器的發(fā)射波長激光器的發(fā)射波長和光電二極管

16、的波長響應(yīng)光電二極管的波長響應(yīng)，都要和光纖這三個波長窗口窗口相一致。 目前在實(shí)驗(yàn)室條件下，1.55 m的損耗已達(dá)到0.154 dB/km， 接近石英光纖損耗的理論極限。0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5衰減（衰減（dB/km）第一窗口第一窗口第二窗口第二窗口波長波長（m）普通單模光纖的衰減隨波長變化示意圖普通單模光纖的衰減隨波長變化示意圖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 1.3.3 數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)用參數(shù)取值離散的信號(如脈沖的有和無、電 平的高和低等)代表信息，強(qiáng)調(diào)的是