光纖通信教案緒論

1、 深圳市訊方通信技術(shù)有限公司深圳市訊方通信技術(shù)有限公司 光傳輸光傳輸VoIP & Internet大客戶專線寬帶接入IPTV3GIP SAN2G第一章第一章 光纖通信概述光纖通信概述 早期目視光通信階段早期目視光通信階段 很早很早以前，古人就知道利用很早很早以前，古人就知道利用可見光可見光來傳遞信號來傳遞信號和信息和信息利用大氣來傳播可見光，由人眼來接收。利用大氣來傳播可見光，由人眼來接收。3 3千多年前，中國古代的烽火臺千多年前，中國古代的烽火臺歐洲人的旗語歐洲人的旗語信號彈信號彈, ,交通燈交通燈 ，狼煙、火把、照明燈。，狼煙、火把、照明燈。v 光電話通信階段光電話通信階段 現(xiàn)代光

2、通信的歷史，一般都從光電話的發(fā)明開現(xiàn)代光通信的歷史，一般都從光電話的發(fā)明開始算起。始算起。 1880年，美國人貝爾（年，美國人貝爾（Bell）發(fā)明發(fā)明了用光波作載波傳送話音的了用光波作載波傳送話音的“光電話光電話”。利用利用太陽光太陽光作光源，成功進行了光電話的實作光源，成功進行了光電話的實驗驗 ，傳輸距離，傳輸距離200多米。多米。說明：利用光波作為載波傳送信息是可行的說明：利用光波作為載波傳送信息是可行的。要解決兩個問題 有穩(wěn)定的、低損耗的傳輸媒質(zhì) 光在大氣中的傳送要受到氣象條件的很大限制，比如在遇到下雨、下雪、陰天、下霧等情況，就會看不遠和看不清，這叫做大氣的能見度降低，使信號傳輸受到很

3、大阻礙。 高強度的、可靠的光源 太陽光、燈光等普通的可見光源，都不適合作為通信的光源。 v光源的探索光源的探索階段階段 認識一下激光認識一下激光 激光（激光（LASER）：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation-受激輻受激輻射的光放大。射的光放大。 和普通光源相比，激光的和普通光源相比，激光的優(yōu)點優(yōu)點 單色性好單色性好 相干性高相干性高 方向性強方向性強 頻率穩(wěn)定，約為頻率穩(wěn)定，約為300THZTHZ。這種光的頻率比已經(jīng)廣泛這種光的頻率比已經(jīng)廣泛應(yīng)用的微波（應(yīng)用的微波（1 1GHzGHz40GHz40GHz）的頻率高近萬倍

4、。的頻率高近萬倍。激激光來光來傳送信息從理論上來說，通信的容量可以比微波通信的傳送信息從理論上來說，通信的容量可以比微波通信的容量也大近萬倍！容量也大近萬倍！ 1960年年7月月8日，美國科學家梅曼發(fā)明了第一臺紅寶石日，美國科學家梅曼發(fā)明了第一臺紅寶石激光器激光器(LASER) ，給光通信帶來了新的希望，研究現(xiàn)，給光通信帶來了新的希望，研究現(xiàn)代化光通信的時代開始。（在室溫下不能連續(xù)工作代化光通信的時代開始。（在室溫下不能連續(xù)工作 ） 1970年，貝爾研究所的林嚴雄等人研制出能在室溫下年，貝爾研究所的林嚴雄等人研制出能在室溫下連續(xù)工作的半導(dǎo)體激光器。連續(xù)工作的半導(dǎo)體激光器。 這種激光器只有米粒大

5、小，盡管最初的激光器壽這種激光器只有米粒大小，盡管最初的激光器壽命很短，但它已被認為可以作為光通信的光源。命很短，但它已被認為可以作為光通信的光源。 第一種方式第一種方式:使激光在大氣中傳輸使激光在大氣中傳輸v 通信能力和質(zhì)量受周圍大氣環(huán)境的影響很大，如雨通信能力和質(zhì)量受周圍大氣環(huán)境的影響很大，如雨可造成可造成30dB/km的損耗，濃霧衰減可達的損耗，濃霧衰減可達120dB/km 傳輸光路的探索 10 10dB/kmdB/km的損耗意味著輸入的信號傳送的損耗意味著輸入的信號傳送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的損耗意味著輸入的信號傳送的損耗意味著輸

6、入的信號傳送1 1公里后公里后只剩下百分之一只剩下百分之一 30 30dB/kmdB/km的損耗意味著輸入的信號傳送的損耗意味著輸入的信號傳送1 1公里后公里后只剩下千分之一只剩下千分之一v第二種方式：把光束限制在特定空間第二種方式：把光束限制在特定空間 透鏡波導(dǎo)：在金屬管內(nèi)每隔一定距離安裝一個透鏡波導(dǎo)：在金屬管內(nèi)每隔一定距離安裝一個透鏡，每個透鏡把經(jīng)傳輸?shù)墓馐鄣较乱粋€透透鏡，每個透鏡把經(jīng)傳輸?shù)墓馐鄣较乱粋€透鏡而實現(xiàn)。鏡而實現(xiàn)。圖圖 透鏡波導(dǎo)透鏡波導(dǎo) 反射鏡波導(dǎo)：反射鏡波導(dǎo)：用與光束傳輸方向成用與光束傳輸方向成4545度角的兩度角的兩個平行反射鏡代替透鏡而構(gòu)成。個平行反射鏡代替透鏡而構(gòu)成。

7、首先：現(xiàn)場施工中校準和安裝十分復(fù)雜；首先：現(xiàn)場施工中校準和安裝十分復(fù)雜；其次：地面活動對波導(dǎo)影響很大其次：地面活動對波導(dǎo)影響很大 必須把波導(dǎo)深埋或選擇在人車稀少的地區(qū)使用。必須把波導(dǎo)深埋或選擇在人車稀少的地區(qū)使用。 光纖即玻璃纖維（透明度很高的石英玻璃絲）光纖即玻璃纖維（透明度很高的石英玻璃絲） ，人們用，人們用它制造了醫(yī)療上用的內(nèi)窺鏡，如做成胃鏡，可以觀察到它制造了醫(yī)療上用的內(nèi)窺鏡，如做成胃鏡，可以觀察到距離體內(nèi)距離體內(nèi)1 1米左右的情況。但是它的衰減損耗特別大，只米左右的情況。但是它的衰減損耗特別大，只能傳輸很短的距離。直到能傳輸很短的距離。直到2020世紀世紀6060年代，最好的光纖的年

8、代，最好的光纖的損耗仍在損耗仍在10001000dB/kmdB/km以上。這是不能用于通信的。以上。這是不能用于通信的。 現(xiàn)代光纖通信現(xiàn)代光纖通信 光纖的發(fā)展光纖的發(fā)展1966年年7月，英籍華裔學者月，英籍華裔學者高錕高錕大膽預(yù)言：只要能設(shè)法大膽預(yù)言：只要能設(shè)法降低玻璃纖維的雜質(zhì)，就有可能使光纖的損耗從降低玻璃纖維的雜質(zhì)，就有可能使光纖的損耗從1000dB/km降低到降低到20dB/km，甚至更低，從而可以用于甚至更低，從而可以用于通信通信。v (1) 光通信在大氣中進行時，對天氣情況十分敏感。光通信在大氣中進行時，對天氣情況十分敏感。 v (2) 大氣的特性決定了它的密度或折射率不均勻，以及

9、大氣的特性決定了它的密度或折射率不均勻，以及大氣湍流的影響，使光線發(fā)生漂移和抖動，致使通信的大氣湍流的影響，使光線發(fā)生漂移和抖動，致使通信的信噪比變劣、衰減增大、傳輸不穩(wěn)定、傳輸距離也變短信噪比變劣、衰減增大、傳輸不穩(wěn)定、傳輸距離也變短。v (3) 要求大氣傳輸設(shè)備設(shè)在高處，收發(fā)兩地直線可見。要求大氣傳輸設(shè)備設(shè)在高處，收發(fā)兩地直線可見。這種要求必然使光通信的應(yīng)用范圍受到限制。這種要求必然使光通信的應(yīng)用范圍受到限制。v 與光通信相比，電通信的成熟運用要早的多。從二十世與光通信相比，電通信的成熟運用要早的多。從二十世紀紀30年代開始，無線電載波通信獲得迅速的發(fā)展，如電年代開始，無線電載波通信獲得迅

10、速的發(fā)展，如電纜通信微波中繼、直至后來的衛(wèi)星通信等，電通信系纜通信微波中繼、直至后來的衛(wèi)星通信等，電通信系統(tǒng)遍及世界的各個角落。其頻域涉及低頻到高頻的幾乎統(tǒng)遍及世界的各個角落。其頻域涉及低頻到高頻的幾乎所有頻段，由于復(fù)用技術(shù)的發(fā)展，電通信的容量得到了所有頻段，由于復(fù)用技術(shù)的發(fā)展，電通信的容量得到了盡可能的利用。盡可能的利用。v 然而電通信的固有缺點，如信道容量受限、投資大、設(shè)然而電通信的固有缺點，如信道容量受限、投資大、設(shè)備復(fù)雜等，使得人們期待著新的通信方式的出現(xiàn)。備復(fù)雜等，使得人們期待著新的通信方式的出現(xiàn)。v 1960 年梅曼（年梅曼（T.H.Maiman）發(fā)明了紅寶石激光器，產(chǎn)）發(fā)明了紅寶

11、石激光器，產(chǎn)生了單色相干光，使高速的光調(diào)制成為可能。他的發(fā)明生了單色相干光，使高速的光調(diào)制成為可能。他的發(fā)明，重新點燃了人們利用光進行通信的希望。美國林肯實，重新點燃了人們利用光進行通信的希望。美國林肯實驗室率先利用氦氖激光器通過大氣傳輸了一路彩色電視驗室率先利用氦氖激光器通過大氣傳輸了一路彩色電視。隨后，越來越多的研究者投入到光通信的試驗中。隨后，越來越多的研究者投入到光通信的試驗中。v 光載波具有極高的頻率，高達光載波具有極高的頻率，高達1014Hz以上，而一般無線以上，而一般無線電載波的頻率最高只有電載波的頻率最高只有106108Hz，可見光作載波進行，可見光作載波進行通信，其容量是微波

12、通信方式的萬倍以上，具有極大的通信，其容量是微波通信方式的萬倍以上，具有極大的吸引力。這就不難理解為什么科學家們在不斷探索光通吸引力。這就不難理解為什么科學家們在不斷探索光通信的原因。信的原因。v 科學家們發(fā)現(xiàn)，要使光通信取得電通信那樣的輝煌科學家們發(fā)現(xiàn)，要使光通信取得電通信那樣的輝煌，僅僅有了紅寶石激光器那樣的光源還不夠，還必，僅僅有了紅寶石激光器那樣的光源還不夠，還必須克服在大氣傳輸中的那些缺欠，即尋找合適的光須克服在大氣傳輸中的那些缺欠，即尋找合適的光信道。為此，有人試驗了一種透鏡光波導(dǎo)，即利用信道。為此，有人試驗了一種透鏡光波導(dǎo)，即利用一個很長的管子，管道內(nèi)置一定數(shù)量的透鏡，以便一個很

13、長的管子，管道內(nèi)置一定數(shù)量的透鏡，以便誘導(dǎo)光的轉(zhuǎn)折，使光在管子內(nèi)傳輸，但這種方法安誘導(dǎo)光的轉(zhuǎn)折，使光在管子內(nèi)傳輸，但這種方法安裝復(fù)雜，機械精度要求極高，對環(huán)境要求也極為苛裝復(fù)雜，機械精度要求極高，對環(huán)境要求也極為苛刻，故此無法實用。此外，人們還試驗過光圈波導(dǎo)刻，故此無法實用。此外，人們還試驗過光圈波導(dǎo)、氣體透鏡波導(dǎo)等，想用它們作為傳送光波的媒體、氣體透鏡波導(dǎo)等，想用它們作為傳送光波的媒體以實現(xiàn)通信，但終因衰減過大或者造價昂貴而無法以實現(xiàn)通信，但終因衰減過大或者造價昂貴而無法實用化。實用化。 高錕博士首次從理論上分析證明了用光纖做介質(zhì)傳輸作為光通信的可能性。 1966年，英藉華人科學家高錕博士（

14、年，英藉華人科學家高錕博士（C.K.Kao）在）在PIEE 雜志上發(fā)表了一篇雜志上發(fā)表了一篇十分著名的文章十分著名的文章用于光頻的光纖表面波導(dǎo)用于光頻的光纖表面波導(dǎo)，闡述了利用玻璃制作通信光，闡述了利用玻璃制作通信光導(dǎo)纖維（即光纖）的可行性，即使用光纖這種玻璃絲引導(dǎo)光波轉(zhuǎn)彎，實現(xiàn)通導(dǎo)纖維（即光纖）的可行性，即使用光纖這種玻璃絲引導(dǎo)光波轉(zhuǎn)彎，實現(xiàn)通信。該文根據(jù)介質(zhì)波導(dǎo)理論，從理論上分析、證明了用光纖作為傳輸媒體以信。該文根據(jù)介質(zhì)波導(dǎo)理論，從理論上分析、證明了用光纖作為傳輸媒體以實現(xiàn)光通信的可能性，并設(shè)計了通信用光纖的波導(dǎo)結(jié)（即階躍光纖）。實現(xiàn)光通信的可能性，并設(shè)計了通信用光纖的波導(dǎo)結(jié)（即階躍光纖）。鑒于高錕博士所作出的巨大貢獻，2009年他被授予諾貝爾物理獎v1966年“光纖之父”高錕博士首次提出光纖通信的想法。v1970年貝爾研究所林嚴雄在室溫下可連續(xù)工作的半導(dǎo)體激光器。v1970年康寧公司的卡普隆(Kapron) 之作出損耗為20dB/km光纖。v1977年芝加哥第一條45Mb/s的商用線路。v1993年，SDH產(chǎn)品開始商用化 v1997年，10Gb/s的SDH產(chǎn)品進入商用化階段。v2000年，DWDM密集