光纖通信-課件

1、2021/3/271主要內(nèi)容主要內(nèi)容:第一章概論第一章概論第二章光纖和光纜第二章光纖和光纜第三章通信用光器件第三章通信用光器件第四章光端機第四章光端機第五章數(shù)字光纖通信系統(tǒng)第五章數(shù)字光纖通信系統(tǒng)第六章光纖通信新技術(shù)第六章光纖通信新技術(shù)2021/3/272什么叫通信什么叫通信?什么叫光纖通信什么叫光纖通信?利用利用光纖光纖傳輸傳輸光波信號光波信號的通信方式。的通信方式。2021/3/27311 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 2 1 2 光纖通信的優(yōu)點和應(yīng)用光纖通信的優(yōu)點和應(yīng)用1 3 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 第第 1 1 章章 概概 論論返

2、回主目錄2021/3/274第第 1 1 章章 概論概論 1.11.1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1.1.11.1.1探索時期的光通信探索時期的光通信原始形式的光通信原始形式的光通信中國古代中國古代 -“-“烽火臺烽火臺”報警報警歐洲人歐洲人-旗語傳送信息旗語傳送信息 18801880年年, ,美國人貝爾美國人貝爾(Bell)(Bell)發(fā)明了用光波作載波傳送話音發(fā)明了用光波作載波傳送話音的的“光電話光電話”。這種光電話利用太陽光或弧光燈作光源這種光電話利用太陽光或弧光燈作光源, ,通過通過透鏡把光束聚焦在送話器前的振動鏡片上透鏡把光束聚焦在送話器前的振動鏡片上, ,使光強

3、度隨話音的使光強度隨話音的變化而變化，實現(xiàn)話音對光強度的調(diào)制。在接收端，用拋物面變化而變化，實現(xiàn)話音對光強度的調(diào)制。在接收端，用拋物面反射鏡把從大氣傳來的光束反射到硅光電池上，使光信號變換反射鏡把從大氣傳來的光束反射到硅光電池上，使光信號變換為電流，傳送到受話器。為電流，傳送到受話器。( (最遠(yuǎn)通信距離最遠(yuǎn)通信距離213213米）米）2021/3/275 因為缺乏理想的因為缺乏理想的光源光源和和傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì), , 這種光電話的傳輸距這種光電話的傳輸距離很短離很短, ,并沒有實際應(yīng)用價值并沒有實際應(yīng)用價值, ,然而，然而， 光電話的發(fā)明證明了用光電話的發(fā)明證明了用光波作為載波傳送信息的可行性

4、。因此，貝爾光電話是現(xiàn)代光波作為載波傳送信息的可行性。因此，貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型。光通信的雛型。 光源光源: :（1 1）19601960年美國人梅曼年美國人梅曼(Maiman)(Maiman)發(fā)明了第一臺發(fā)明了第一臺紅寶石激光器紅寶石激光器（2 2）氦氦氖氖(He - Ne)(He - Ne)激光器激光器（3 3）二氧化碳二氧化碳(CO2)(CO2)激光器激光器激光具有波譜寬度窄激光具有波譜寬度窄, ,方向性極好方向性極好, , 亮度極高亮度極高, ,以及頻率和相位以及頻率和相位較一致的良好特性。是一種理想的光載波。激光器的發(fā)明和應(yīng)較一致的良好特性。是一種理想的光載波。激光器的發(fā)明和

5、應(yīng)用，用， 使沉睡了使沉睡了8080年的光通信進入一個嶄新的階段。年的光通信進入一個嶄新的階段。2021/3/276傳輸介質(zhì)的探索傳輸介質(zhì)的探索: : 美國麻省理工學(xué)院利用美國麻省理工學(xué)院利用He - NeHe - Ne激光器和激光器和COCO2 2激光器進激光器進行了大氣激光通信試驗。實驗證明行了大氣激光通信試驗。實驗證明: :通過大氣的傳播承載信通過大氣的傳播承載信息的光波息的光波, ,實現(xiàn)點對點的通信是可行的。但是通信的距離和實現(xiàn)點對點的通信是可行的。但是通信的距離和穩(wěn)定性都受到極大的限制穩(wěn)定性都受到極大的限制, ,體現(xiàn)在以下兩個方面體現(xiàn)在以下兩個方面: :（1 1）通過大氣通過大氣,

6、,光波能量衰減很大。光波能量衰減很大。 例如，雨能造成例如，雨能造成30 dB/km30 dB/km的衰減，濃霧衰減高達(dá)的衰減，濃霧衰減高達(dá)120 120 dB/kmdB/km。（2 2）大氣的密度和溫度不均勻，造成折射率的變化，使光束大氣的密度和溫度不均勻，造成折射率的變化，使光束位置發(fā)生偏移。位置發(fā)生偏移。 固體激光器固體激光器( (例如例如“銣玻璃激光器銣玻璃激光器”和和“砷化鎵激光器砷化鎵激光器”) )的的發(fā)明大大提高了發(fā)射光功率，延長了傳輸距離，使大氣激發(fā)明大大提高了發(fā)射光功率，延長了傳輸距離，使大氣激光通信可以在江河兩岸、海島之間和衛(wèi)星與地面之間使用。光通信可以在江河兩岸、海島之間

7、和衛(wèi)星與地面之間使用。2021/3/277 為了克服氣候?qū)す馔ㄐ诺挠绊憺榱丝朔夂驅(qū)す馔ㄐ诺挠绊? ,人們自然想到把激光束人們自然想到把激光束限制在特定的空間內(nèi)傳輸。因而提出了限制在特定的空間內(nèi)傳輸。因而提出了透鏡波導(dǎo)透鏡波導(dǎo)和和反射鏡波反射鏡波導(dǎo)導(dǎo)的光波傳輸系統(tǒng)。透鏡波導(dǎo)是在金屬管內(nèi)每隔一定距離安的光波傳輸系統(tǒng)。透鏡波導(dǎo)是在金屬管內(nèi)每隔一定距離安裝一個透鏡裝一個透鏡, ,每個透鏡把經(jīng)傳輸?shù)墓馐鴷鄣较乱粋€透鏡而實每個透鏡把經(jīng)傳輸?shù)墓馐鴷鄣较乱粋€透鏡而實現(xiàn)的。反射鏡波導(dǎo)和透鏡波導(dǎo)相似現(xiàn)的。反射鏡波導(dǎo)和透鏡波導(dǎo)相似, ,是用與光束傳輸方向成是用與光束傳輸方向成4545角的二個平行反射鏡代替

8、透鏡而構(gòu)成的。這兩種波導(dǎo)，角的二個平行反射鏡代替透鏡而構(gòu)成的。這兩種波導(dǎo)，從理論上講是可行的，但在實際應(yīng)用中遇到了不可克服的困從理論上講是可行的，但在實際應(yīng)用中遇到了不可克服的困難。首先，現(xiàn)場施工中校準(zhǔn)和安裝十分復(fù)雜難。首先，現(xiàn)場施工中校準(zhǔn)和安裝十分復(fù)雜; ;其次，為了防止其次，為了防止地面活動對波導(dǎo)的影響，必須把波導(dǎo)深埋或選擇在人車稀少地面活動對波導(dǎo)的影響，必須把波導(dǎo)深埋或選擇在人車稀少的地區(qū)使用。的地區(qū)使用。 由于沒有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質(zhì)，由于沒有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質(zhì)， 對光通信對光通信的研究曾一度走入了低潮。的研究曾一度走入了低潮。 2021/3/278 1.1.21

9、.1.2現(xiàn)代光纖通信現(xiàn)代光纖通信 19661966年年, ,英籍華裔學(xué)者高錕英籍華裔學(xué)者高錕(C.K.Kao)(C.K.Kao)和霍克和霍克哈姆哈姆(C.A.Hockham)(C.A.Hockham)發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文的論文, ,指出了利用光纖指出了利用光纖(Optical Fiber)(Optical Fiber)進行信進行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑, ,奠定了現(xiàn)代光通奠定了現(xiàn)代光通信信光纖通信的基礎(chǔ)。光纖通信的基礎(chǔ)。高錕等人指出高錕等人指出: :當(dāng)時石英纖維的損耗高達(dá)當(dāng)時石英纖維的損耗高達(dá)1000 dB/km1000 dB/km以

10、上而是以上而是由于材料中的雜質(zhì)由于材料中的雜質(zhì), ,例如過渡金屬例如過渡金屬(Fe(Fe、 CuCu等等) )離子的吸收產(chǎn)生離子的吸收產(chǎn)生的。如果把材料中金屬離子含量的比重降低到的。如果把材料中金屬離子含量的比重降低到1010-6-6以下以下, ,就可就可以使光纖損耗減小到以使光纖損耗減小到10 dB/km10 dB/km。再通過改進制造工藝的熱處理。再通過改進制造工藝的熱處理提高材料的均勻性提高材料的均勻性, ,可以進一步把損耗減小到幾可以進一步把損耗減小到幾dB/kmdB/km。2021/3/279一、光纖研制的發(fā)展一、光纖研制的發(fā)展（1 1）1970 1970 年美國康寧年美國康寧(Co

11、rning)(Corning)公司就研制成功損耗公司就研制成功損耗20 20 dB/kmdB/km的石英光纖。的石英光纖。使光纖通信可以和同軸電纜通信競爭使光纖通信可以和同軸電纜通信競爭, ,從而從而展現(xiàn)了光纖通信美好的前景。展現(xiàn)了光纖通信美好的前景。（2 2）19721972年年, ,康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4 dB/km4 dB/km。（3 3）1973 1973 年年, ,美國貝爾美國貝爾(Bell)(Bell)實驗室光纖損耗降低到實驗室光纖損耗降低到2.5dB/km2.5dB/km。（4 4）1974 1974 年降低到年降低到1.1dB/k

12、m1.1dB/km。（5 5）1976 1976 年，日本電報電話年，日本電報電話(NTT)(NTT)公司等單位將光纖損耗降低公司等單位將光纖損耗降低到到0.47 dB/km0.47 dB/km( (波長波長1.2m)1.2m)。（6 6）1979 1979 年年0.20 dB/km0.20 dB/km，19841984年年0.157 dB/km0.157 dB/km。（7 7）1986 1986 年年0.154 dB/km0.154 dB/km，接近了光纖最低損耗的理論極限。，接近了光纖最低損耗的理論極限。 2021/3/2710二、光源研制的發(fā)展二、光源研制的發(fā)展（1 1）1970 197

13、0 年年, ,美國貝爾實驗室、日本電氣公司美國貝爾實驗室、日本電氣公司(NEC)(NEC)和前蘇和前蘇聯(lián)先后研制成功室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷聯(lián)先后研制成功室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷(GaAlAs)(GaAlAs)雙異質(zhì)結(jié)雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器( (短波長短波長) )。壽命只有。壽命只有幾個小時幾個小時。（2 2）1973 1973 年年, ,半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到70007000小時小時。 （3 3）1977 1977 年年, ,貝爾實驗室研制的半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到貝爾實驗室研制的半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到1010萬小時萬小時( (約約11.411.4年年) )，外推壽命達(dá)到，

14、外推壽命達(dá)到100100萬小時，完全滿足實萬小時，完全滿足實用化的要求。用化的要求。（4 4） 19761976年日本電報電話公司研制成功發(fā)射波長為年日本電報電話公司研制成功發(fā)射波長為1.3 1.3 mm的銦鎵砷磷的銦鎵砷磷(InGaAsP)(InGaAsP)激光器激光器（5 5） 19791979年美國電報電話年美國電報電話(AT&T)(AT&T)公司和日本電報電話公司公司和日本電報電話公司研制成功發(fā)射波長為研制成功發(fā)射波長為1.55 m1.55 m的連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器。的連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器。 2021/3/2711 由于光纖和半導(dǎo)體激光器的技術(shù)進步由于光纖和半導(dǎo)體激光器

15、的技術(shù)進步, ,使使 1970 1970 年成為光年成為光纖通信發(fā)展的一個重要里程碑。纖通信發(fā)展的一個重要里程碑。 （1 1）1976 1976 年年, ,美國在亞特蘭大美國在亞特蘭大(Atlanta)(Atlanta)進行了世界上第一進行了世界上第一個實用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗個實用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗, ,系統(tǒng)采用系統(tǒng)采用GaAlAsGaAlAs激光器作光激光器作光源，多模光纖作傳輸介質(zhì)，速率為源，多模光纖作傳輸介質(zhì)，速率為44.7 Mb/s44.7 Mb/s，傳輸距離約，傳輸距離約10 10 kmkm。（2 2） 19831983年敷設(shè)了縱貫日本南北的光纜長途干線，全長年敷設(shè)了縱貫日本

16、南北的光纜長途干線，全長3400 km3400 km，初期傳輸速率為，初期傳輸速率為400 Mb/s400 Mb/s，后來擴容到，后來擴容到1.6 Gb/s1.6 Gb/s。（3 3） 19891989年建成第一條橫跨太平洋年建成第一條橫跨太平洋 的的TPC-3/HAW-4TPC-3/HAW-4，全長，全長13200 km13200 km。2021/3/2712光纖通信從研究到應(yīng)用光纖通信從研究到應(yīng)用, ,發(fā)展非常迅速發(fā)展非常迅速: :技術(shù)上不斷更新?lián)Q代技術(shù)上不斷更新?lián)Q代, ,通信能力通信能力( (傳輸速率和中繼距離傳輸速率和中繼距離) )不斷提高不斷提高, ,應(yīng)用范圍不斷擴大應(yīng)用范圍不斷擴大

17、。 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: : 第一階段第一階段(19661976(19661976年年) )，這是從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的，這是從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開發(fā)時期。在這個時期，實現(xiàn)了短波長開發(fā)時期。在這個時期，實現(xiàn)了短波長(0.85 m)(0.85 m)低速率低速率(45(45或或34 Mb/s)34 Mb/s)多模光纖通信系統(tǒng)，無中繼傳輸距離約多模光纖通信系統(tǒng)，無中繼傳輸距離約10 km10 km。 第二階段第二階段(19761986(19761986年年) )，這是以提高傳輸速率和增加傳，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)

18、用的大發(fā)展時期。在這個時輸距離為研究目標(biāo)和大力推廣應(yīng)用的大發(fā)展時期。在這個時期，期， 光纖從多模發(fā)展到單模，工作波長從短波長光纖從多模發(fā)展到單模，工作波長從短波長(0.85 m)(0.85 m)發(fā)展到長波長發(fā)展到長波長(1.31 m(1.31 m和和1.55 m)1.55 m)， 實現(xiàn)了工作波長為實現(xiàn)了工作波長為1.31 m1.31 m、傳輸速率為、傳輸速率為140565Mb/s 140565Mb/s 的單模光纖通信系統(tǒng)，的單模光纖通信系統(tǒng)，無中繼傳輸距離為無中繼傳輸距離為10050 km10050 km。 2021/3/2713 第三階段第三階段(19861996(19861996年年) )

19、, ,這是以超大容量超長距離為目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。在這個時期標(biāo)、全面深入開展新技術(shù)研究的時期。在這個時期, ,實現(xiàn)了實現(xiàn)了1.55 m1.55 m色散移位單模光纖通信系統(tǒng)。采用外調(diào)制技術(shù)色散移位單模光纖通信系統(tǒng)。采用外調(diào)制技術(shù), ,傳輸傳輸速率可達(dá)速率可達(dá)2.510 Gb/s2.510 Gb/s，無中繼傳輸距離可達(dá)，無中繼傳輸距離可達(dá)150100 km150100 km。實。實驗室可以達(dá)到更高水平。驗室可以達(dá)到更高水平。 目前，正在開展研究光纖通信新技術(shù)，例如，光纖放大目前，正在開展研究光纖通信新技術(shù)，例如，光纖放大器，全光通信，超大容量的波分復(fù)用器，

20、全光通信，超大容量的波分復(fù)用(WDM)(WDM)光纖通信系統(tǒng)和超光纖通信系統(tǒng)和超長距離的光孤子長距離的光孤子(Soliton)(Soliton)通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)。 2021/3/2714 1.1.31.1.3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 19761976年美國在亞特蘭大進行的現(xiàn)場試驗?zāi)昝绹趤喬靥m大進行的現(xiàn)場試驗, ,標(biāo)志著光纖通信標(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?，F(xiàn)在發(fā)展的狀況為從基礎(chǔ)研究發(fā)展到了商業(yè)應(yīng)用的新階段?，F(xiàn)在發(fā)展的狀況為（1 1）光纖從多模發(fā)展到單模。光纖從多模發(fā)展到單模。（2 2）工作波長從）工作波長從0.85 m0.85 m發(fā)展到發(fā)展到1.

21、31 m1.31 m和和1.55 m1.55 m。（3 3）傳輸速率從幾十）傳輸速率從幾十Mb/sMb/s發(fā)展到幾十發(fā)展到幾十Gb/sGb/s。（4 4）從初期的市話局間中繼到長途干線進一步延伸到用戶接）從初期的市話局間中繼到長途干線進一步延伸到用戶接入網(wǎng)。入網(wǎng)。（5 5）從數(shù)字電話到有線電視）從數(shù)字電話到有線電視(CATV)(CATV), ,（6 6） 從單一類型信息的傳輸?shù)蕉喾N業(yè)務(wù)的傳輸。從單一類型信息的傳輸?shù)蕉喾N業(yè)務(wù)的傳輸。2021/3/2715 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)濟中占重要地位。根據(jù)資料,僅光纜產(chǎn)品一項(約占整個光纖通信產(chǎn)品的一半),1995年在世界市場銷

22、售額達(dá)38億美元。 表表 1.1 1.1 世界成纜光纖市場銷售量世界成纜光纖市場銷售量 年份 1994 1995199619971998199920002001光纖銷售總長度/104 km 181023002900347040704730558065702021/3/2716表表 1.2 1.2 世界市場單模光纖平均價格世界市場單模光纖平均價格 年份 1994 1995199619971998199920002001價格/($km-1) 6867726960524644表表 1.3 1.3 世界成纜單模光纖市場銷售量世界成纜單模光纖市場銷售量 年份 1998 19992000200120022

23、003光纖銷售總長度/104 km 4110460053506230720081102021/3/27171.2 1.2 光纖通信的優(yōu)點和應(yīng)用光纖通信的優(yōu)點和應(yīng)用1.2.11.2.1光通信與電通信光通信與電通信任何通信系統(tǒng)追求的最終技術(shù)目標(biāo):可靠地實現(xiàn)最大可能的信息傳輸容量和傳輸距離。載波頻率越高（光波）頻帶寬度越寬 傳輸容量越大100 THz10 THz1 THz100 GHz10 GHz1 GHz100 MHz10 MHz1 MHz1 m可見光線10 m100 m1 mm10 mm100 mm1 m10 m100 m中波(MF)短波(HF)米波(VHF)分米波(UHF)厘米波(SHF)毫米

24、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 1.1 部分電磁波頻譜2021/3/2718光纖通信和電通信的主要差別:（1）電通信的載波是電波,光纖通信的載波是光波。光纖通信用的近紅外光(波長約1m)的頻率(約300 THz)比微波(波長為0.1m1 mm)的頻率(3300 GHz)高3個數(shù)量級以上。 光纖通信用的近紅外光(波長為0.71.7m)頻帶寬度約為200THz,在常用的1.31 m和1.55 m兩個波長窗口頻帶寬度也在20THz以上。目前光纖通信用到的帶寬一般只有40GHz,因此還有3個數(shù)量級以上的帶寬潛力可以挖掘。2021/3/2719（2）電通信用電纜傳

25、輸信號,光通信用光纖傳輸信號 光纜具有比電纜更小的高頻率傳輸損耗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)器圖 1.2 各種傳輸線路的損耗特性 2021/3/27201.2.21.2.2光纖通信的優(yōu)點光纖通信的優(yōu)點 在光纖通信系統(tǒng)中,作為載波的光波頻率比電波頻率高得多,而作為傳輸介質(zhì)的光纖又比同軸電纜或波導(dǎo)管的損耗低得多,因此相對于電纜通信或微波通信，光纖通信具有許多獨特的優(yōu)點。 1. 1. 容許頻帶很寬，傳輸容量很

26、大容許頻帶很寬，傳輸容量很大 光纖通信系統(tǒng)的容許頻帶(帶寬)取決于光源的調(diào)制特性、 調(diào)制方式和光纖的色散特性。（1）在零色散波長窗口，單模光纖都具有幾十GHz km的帶寬。（2）可以采用多種復(fù)用技術(shù)來增加傳輸容量。（3）采用波分復(fù)用(WDM)或光頻分復(fù)用(OFDM)是增加光纖通信系統(tǒng)傳輸容量最有效的方法。（4）減小光源譜線寬度和采用外調(diào)制方式。2021/3/2721表表1.41.4列出早已實現(xiàn)的單一波長光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量和中列出早已實現(xiàn)的單一波長光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量和中繼距離。繼距離。目前目前, ,單波長光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率一般為單波長光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率一般為2.5 Gb/s2.5

27、 Gb/s和和10 10 Gb/sGb/s。采用外調(diào)制技術(shù)采用外調(diào)制技術(shù), ,傳輸速率可以達(dá)到傳輸速率可以達(dá)到40 Gb/s40 Gb/s。波分復(fù)用。波分復(fù)用(WDM)(WDM)和光時分復(fù)用和光時分復(fù)用(TDM)(TDM)更是極大地增加了傳輸容量更是極大地增加了傳輸容量, , 見表見表 1.1.。WDMWDM最高水平為最高水平為132132個信道，傳輸容量為個信道，傳輸容量為20 Gb/s20 Gb/s132=2640 132=2640 Gb/sGb/s，相當(dāng)于，相當(dāng)于120 km120 km的距離傳輸了的距離傳輸了3.33.310108 8條話路。條話路。 2021/3/2722表表 1.4

28、 1.4 光纖通信與電纜或微波通信傳輸能力的比較光纖通信與電纜或微波通信傳輸能力的比較 通信手段通信手段 傳輸容量傳輸容量(話話路路)/條條 中繼距離中繼距離/km 1000 km內(nèi)中繼器內(nèi)中繼器個數(shù)個數(shù) 微波無線電微波無線電 960 5020小同軸小同軸 9604250中同軸中同軸 180061600光纜光纜 19203033光纜光纜 14000(1Gb/s)8411光纜光纜 6000(445MB/S)13472021/3/27232. 2. 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 石英光纖在1.31 m和1.55 m波長, 傳輸損耗分別為0.50 dB/k

29、m和0.20 dB/km,甚至更低。因此，用光纖比用同軸電纜或波導(dǎo)管的中繼距離長得多，見表1.4。目前，采用外調(diào)制技術(shù)，波長為1.55m的色散移位單模光纖通信系統(tǒng)，若其傳輸速率為2.5 Gb/s，則中繼距離可達(dá)150 km;若其傳輸速率為10 Gb/s，則中繼距離可達(dá)100 km。 2021/3/27243. 3. 重量輕、重量輕、 體積小體積小表表1.61.6給出了鋁給出了鋁/ /聚乙烯粘結(jié)護套聚乙烯粘結(jié)護套(LAP)(LAP)單元結(jié)構(gòu)光纜和標(biāo)準(zhǔn)同單元結(jié)構(gòu)光纜和標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜的重量和截面積的比較。軸電纜的重量和截面積的比較。項目項目 8 芯芯 18 芯芯 光纜光纜 電纜電纜 光纜光纜 電纜電纜

30、 重量重量/(kgm-1) 重量比重量比 0.42 16.3150.4211126直徑直徑/mm 截面積比截面積比 211475211659.6表表 1.6 1.6 光纜和電纜的重量和截面積比較光纜和電纜的重量和截面積比較 2021/3/2725例例: : 在美國在美國A - 7A - 7飛機上飛機上, ,用光纖通信代替電纜用光纖通信代替電纜通信通信, ,使飛機重量減輕使飛機重量減輕2727磅磅( (約約12.247 kg)12.247 kg), ,相相當(dāng)于飛機制造成本減少當(dāng)于飛機制造成本減少2727萬美元。萬美元。 從北京到上海的相同容量的同軸電纜跟光從北京到上海的相同容量的同軸電纜跟光纖相

31、比。用電纜需銅纖相比。用電纜需銅866966kg866966kg, ,鋁鋁2916290kg2916290kg。若改用光纖若改用光纖, ,則只需純石英則只需純石英10kg10kg。2021/3/2726 4. 4. 抗電磁干擾性能好抗電磁干擾性能好 光纖由電絕緣的石英材料制成光纖由電絕緣的石英材料制成, ,光纖通信線路不受各種電光纖通信線路不受各種電磁場的干擾和閃電雷擊的損壞。無金屬光纜非常適合于存在磁場的干擾和閃電雷擊的損壞。無金屬光纜非常適合于存在強電磁場干擾的高壓電力線路周圍和油田、煤礦等易燃易爆強電磁場干擾的高壓電力線路周圍和油田、煤礦等易燃易爆環(huán)境中使用。環(huán)境中使用。光纖光纖( (復(fù)

32、合復(fù)合) )架空地線架空地線(Optical Fiber Overhead Ground (Optical Fiber Overhead Ground Wire, OPGW)Wire, OPGW)是光纖與電力輸送系統(tǒng)的地線組合而成的通信光是光纖與電力輸送系統(tǒng)的地線組合而成的通信光纜纜, ,已在電力系統(tǒng)的通信中發(fā)揮重要作用。已在電力系統(tǒng)的通信中發(fā)揮重要作用。 2021/3/27275. 5. 泄漏小泄漏小, , 保密性能好保密性能好 在光纖中傳輸?shù)墓庑孤┓浅Ｎ⑷踉诠饫w中傳輸?shù)墓庑孤┓浅Ｎ⑷? ,即使在彎曲地段也無法即使在彎曲地段也無法竊聽。沒有專用的特殊工具竊聽。沒有專用的特殊工具, ,光纖不能

33、分接，因此信息在光纖光纖不能分接，因此信息在光纖中傳輸非常安全。中傳輸非常安全。2021/3/27286. 6. 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 制造同軸電纜和波導(dǎo)管的銅、鋁、鉛等金屬材料制造同軸電纜和波導(dǎo)管的銅、鋁、鉛等金屬材料, ,在地球在地球上的儲存量是有限的上的儲存量是有限的; ;而制造光纖的石英而制造光纖的石英(SiO2)(SiO2)在地球上基本在地球上基本上是取之不盡的材料。制造上是取之不盡的材料。制造8km8km管中同軸電纜管中同軸電纜, ,1km1km需要需要120 kg120 kg銅和銅和500kg500kg鋁鋁; ;而制造而制造8km8

34、km光纖只需光纖只需320 g320 g石英。所以，推廣光纖石英。所以，推廣光纖通信，有利于地球資源的合理使用。通信，有利于地球資源的合理使用。 2021/3/2729圖 1.3 各種通信系統(tǒng)相對造價與傳輸容量的比較 平行雙絞線電纜同軸電纜微波10210103104105106101102103104105系統(tǒng)/話路公里相對造價話路數(shù)/條光纜隨著傳輸容量的增加隨著傳輸容量的增加, ,由于采用了新的傳輸媒質(zhì)由于采用了新的傳輸媒質(zhì), , 使使得相對造價直線下降。得相對造價直線下降。2021/3/27301.2.31.2.3光纖通信的應(yīng)用光纖通信的應(yīng)用 光纖可以傳輸數(shù)字信號光纖可以傳輸數(shù)字信號, ,

35、也可以傳輸模擬信號。光纖應(yīng)用也可以傳輸模擬信號。光纖應(yīng)用廣泛如廣泛如: :通信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)、與計算機網(wǎng)以及在其它數(shù)據(jù)傳通信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)、與計算機網(wǎng)以及在其它數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中。光纖寬帶干線傳送網(wǎng)和接入網(wǎng)發(fā)展迅速輸系統(tǒng)中。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), ,包括全球通信網(wǎng)包括全球通信網(wǎng)( (如橫跨大西洋和太平洋的海如橫跨大西洋和太平洋的海底光纜和跨越歐亞大陸的洲際光纜干線底光纜和跨越歐亞大陸的洲際光纜干線) )、各國的公共電信網(wǎng)、各國的公共電信網(wǎng)( (

36、如我國的國家一級干線、各省二級干線和縣以下的支線如我國的國家一級干線、各省二級干線和縣以下的支線) )、各種專用通信網(wǎng)各種專用通信網(wǎng)( (如電力、鐵道、國防等部門通信、指揮、調(diào)如電力、鐵道、國防等部門通信、指揮、調(diào)度、度、 監(jiān)控的光纜系統(tǒng)監(jiān)控的光纜系統(tǒng)) )、特殊通信手段、特殊通信手段( (如石油、化工、煤礦如石油、化工、煤礦等部門易燃易爆環(huán)境下使用的光纜，等部門易燃易爆環(huán)境下使用的光纜， 以及飛機、軍艦、潛艇、以及飛機、軍艦、潛艇、導(dǎo)彈和宇宙飛船內(nèi)部的光纜系統(tǒng)導(dǎo)彈和宇宙飛船內(nèi)部的光纜系統(tǒng)) )。 2021/3/2731 構(gòu)成因特網(wǎng)的計算機局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)構(gòu)成因特網(wǎng)的計算機局域網(wǎng)和廣域網(wǎng), ,如

37、光纖以太網(wǎng)、如光纖以太網(wǎng)、 路由器之間的光纖高速傳輸鏈路。路由器之間的光纖高速傳輸鏈路。 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); ;工業(yè)電視系統(tǒng)工業(yè)電視系統(tǒng), ,如工廠、如工廠、 銀行、商場、交通和公安部門的監(jiān)控銀行、商場、交通和公安部門的監(jiān)控; ; 自動控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)自動控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。傳輸。 綜合業(yè)務(wù)光纖接入網(wǎng)綜合業(yè)務(wù)光纖接入網(wǎng), ,分為有源接入網(wǎng)和無源接入網(wǎng)，分為有源接入網(wǎng)和無源接入網(wǎng)， 可實現(xiàn)電話、數(shù)據(jù)、視頻可實現(xiàn)電話、數(shù)據(jù)、視頻( (會議電視、可視電話等會議電視、可視電話等) )及多媒體及多媒體業(yè)務(wù)綜合接入核心網(wǎng)，提供各種各樣的社區(qū)服務(wù)。業(yè)務(wù)綜合接入核心網(wǎng)，提供各種各

38、樣的社區(qū)服務(wù)。 2021/3/27321.31.3光纖通信系統(tǒng)的基本組成光纖通信系統(tǒng)的基本組成 光纖通信系統(tǒng)可以傳輸數(shù)字信號,也可以傳輸模擬信號。 可以傳輸話音、圖像、數(shù)據(jù)或多媒體信息。信息源電發(fā)射機光發(fā)射機光接收機電接收機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圖 1.4 光纖通信系統(tǒng)的基本組成(單向傳輸) 2021/3/2733Point-to-Point Communication Link Optical Fiber (single-mode or multimode) Output data Driver (electronics) Tran

39、smitter Input data Optical Source External Modulator (a) (b) Connector Connector Photodetector Regenerator Receiver 2021/3/2734 1.3.11.3.1發(fā)射和接收發(fā)射和接收一、發(fā)射一、發(fā)射數(shù)字信號數(shù)字信號: :電發(fā)射機電發(fā)射機: :把基帶信號轉(zhuǎn)換為適合信道傳輸?shù)碾娦盘柊鸦鶐盘栟D(zhuǎn)換為適合信道傳輸?shù)碾娦盘? (脈沖編碼脈沖編碼調(diào)制調(diào)制) )光發(fā)射機光發(fā)射機: :把電信號轉(zhuǎn)換成適合在光纖中傳輸?shù)墓庑盘枺ň幋a、把電信號轉(zhuǎn)換成適合在光纖中傳輸?shù)墓庑盘枺ň幋a、調(diào)制）調(diào)制）對于模擬電

40、視傳輸對于模擬電視傳輸, ,則用攝像機把圖像轉(zhuǎn)換為則用攝像機把圖像轉(zhuǎn)換為6 MHz6 MHz的模擬基帶的模擬基帶信號信號, ,直接輸入光發(fā)射機。直接輸入光發(fā)射機。 二、接收二、接收 與發(fā)射過程相反與發(fā)射過程相反2021/3/2735模擬信號傳輸?shù)膹?fù)用模擬信號傳輸?shù)膹?fù)用: : 為提高傳輸質(zhì)量為提高傳輸質(zhì)量, ,通常把這種模擬基帶信號轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)通常把這種模擬基帶信號轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)制制(FM)(FM)、脈沖頻率調(diào)制、脈沖頻率調(diào)制(PFM)(PFM)或脈沖寬度調(diào)制或脈沖寬度調(diào)制(PWM)(PWM)信號信號, ,最后最后把這種已調(diào)信號輸入光發(fā)射機。把這種已調(diào)信號輸入光發(fā)射機。 還可以采用頻分復(fù)用還可以采

41、用頻分復(fù)用(FDM)(FDM)技技術(shù)術(shù), ,用來自不同信息源的視頻模擬基帶信號用來自不同信息源的視頻模擬基帶信號( (或數(shù)字基帶信號或數(shù)字基帶信號) )分別調(diào)制指定的不同頻率的射頻分別調(diào)制指定的不同頻率的射頻(RF)(RF)電波，然后把多個這種帶電波，然后把多個這種帶有信息的有信息的RFRF信號組合成多路寬帶信號，最后輸入光發(fā)射機，信號組合成多路寬帶信號，最后輸入光發(fā)射機， 由光載波進行傳輸。由光載波進行傳輸。 在這個過程中，受調(diào)制的在這個過程中，受調(diào)制的RFRF電波稱為副電波稱為副載波，這種采用頻分復(fù)用的多路電視傳輸技術(shù)，載波，這種采用頻分復(fù)用的多路電視傳輸技術(shù)， 稱為副載波稱為副載波復(fù)用復(fù)

42、用(SCM)(SCM)。 2021/3/27361.3.21.3.2基本光纖傳輸系統(tǒng)基本光纖傳輸系統(tǒng) 基本光纖傳輸系統(tǒng)作為獨立的基本光纖傳輸系統(tǒng)作為獨立的“光信道光信道”單元單元, ,可以和其可以和其它設(shè)備相結(jié)合它設(shè)備相結(jié)合, ,構(gòu)成結(jié)構(gòu)更復(fù)雜構(gòu)成結(jié)構(gòu)更復(fù)雜, ,功能更強大的通信系統(tǒng)。功能更強大的通信系統(tǒng)。 基本光纖傳輸系統(tǒng)由基本光纖傳輸系統(tǒng)由光發(fā)射機光發(fā)射機、光纖線路光纖線路和和光接收機光接收機三個三個部分組成。部分組成。 2021/3/27371. 1. 光發(fā)射機光發(fā)射機 功能功能: :是把輸入電信號轉(zhuǎn)換為光信號是把輸入電信號轉(zhuǎn)換為光信號, ,并用耦合技術(shù)把光信號并用耦合技術(shù)把光信號最大限

43、度地注入光纖線路。最大限度地注入光纖線路。核心核心: :光源。要求光源輸出光功率足夠大光源。要求光源輸出光功率足夠大, ,調(diào)制頻率足夠高調(diào)制頻率足夠高, ,譜譜線寬度和光束發(fā)散角盡可能小，輸出功率和波長穩(wěn)定，器件壽線寬度和光束發(fā)散角盡可能小，輸出功率和波長穩(wěn)定，器件壽命長。命長。目前廣泛使用的光源有半導(dǎo)體發(fā)光二極管目前廣泛使用的光源有半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)(LED)和半導(dǎo)體激光和半導(dǎo)體激光二極管二極管( (或稱激光器或稱激光器)(LD) )(LD) 2021/3/2738LED (Light emitting diode)LD (laser diode)2021/3/2739 圖圖 1.5

44、1.5兩種調(diào)制方案兩種調(diào)制方案 (a) (a) 直接調(diào)制直接調(diào)制; ; (b) (b) 間接調(diào)制間接調(diào)制( (外調(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)2021/3/2740 2. 2. 光纖線路光纖線路功能功能: :把來自光發(fā)射機的光信號把來自光發(fā)射機的光信號, ,以盡可能小的畸變以盡可能小的畸變( (失真失真) )和衰和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C。減傳輸?shù)焦饨邮諜C。光纖線路由光纖線路由光纖光纖、光纖接頭光纖接頭和和光纖連接器光纖連接器組成。組成。光纖線路的性能主要由纜內(nèi)光纖的傳輸特性決定。對光纖光纖線路的性能主要由纜內(nèi)光纖的傳

45、輸特性決定。對光纖的基本要求是損耗和色散這兩個傳輸特性參數(shù)都盡可能地小的基本要求是損耗和色散這兩個傳輸特性參數(shù)都盡可能地小, ,而且有足夠好的機械特性和環(huán)境特性而且有足夠好的機械特性和環(huán)境特性, ,2021/3/2741Connectors2021/3/2742 石英光纖在在石英光纖在在0.85 m0.85 m、1.31 m1.31 m和和1.55 m1.55 m有三個損有三個損耗很小的波長耗很小的波長“窗口窗口”。在這三個波長窗口損耗分別小于。在這三個波長窗口損耗分別小于2dB/km2dB/km、 0.4 dB/km0.4 dB/km和和0.2 dB/km0.2 dB/km。石英光纖在波長石

46、英光纖在波長1.31 m1.31 m色散為零。作為光源的激光器色散為零。作為光源的激光器的發(fā)射波長和作為光檢測器的光電二極管的波長響應(yīng)的發(fā)射波長和作為光檢測器的光電二極管的波長響應(yīng), ,都要和都要和光纖這三個波長窗口相一致。光纖這三個波長窗口相一致。2021/3/27433. 3. 光接收機光接收機功能功能: :把從光纖線路輸出、產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號轉(zhuǎn)換把從光纖線路輸出、產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號轉(zhuǎn)換為電信號為電信號, ,并經(jīng)放大和處理后恢復(fù)成發(fā)射前的電信號。并經(jīng)放大和處理后恢復(fù)成發(fā)射前的電信號。核心核心: :光檢測器。對光檢測器的要求是響應(yīng)度高、光檢測器。對光檢測器的要求是響應(yīng)度高、

47、噪聲低和噪聲低和響應(yīng)速度快。響應(yīng)速度快。2021/3/2744PIN (Positive Intrinsic Negative)APD (Avalanche photo diodes)目前廣泛使用的光檢測器有兩種類型目前廣泛使用的光檢測器有兩種類型: : 在半導(dǎo)體在半導(dǎo)體PNPN結(jié)結(jié)中加入本征層的中加入本征層的PINPIN光電二極管光電二極管(PIN - PD)(PIN - PD)和雪崩光和雪崩光電二極管電二極管(APD)(APD)。2021/3/2745 光接收機把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的過程光接收機把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的過程( (常簡稱為光常簡稱為光/ /電或電或O/EO/E轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換) ),

48、,是通過光檢測器的檢測實現(xiàn)的。是通過光檢測器的檢測實現(xiàn)的。檢測方式有檢測方式有直接檢測和外差檢測兩種直接檢測和外差檢測兩種。直接檢測是用檢測器直接把光。直接檢測是用檢測器直接把光信號轉(zhuǎn)換為電信號。這種檢測方式設(shè)備簡單、信號轉(zhuǎn)換為電信號。這種檢測方式設(shè)備簡單、 經(jīng)濟實用經(jīng)濟實用, , 是當(dāng)前光纖通信系統(tǒng)普遍采用的方式。是當(dāng)前光纖通信系統(tǒng)普遍采用的方式。 外差檢測要設(shè)置一個本地振蕩器和一個光混頻器外差檢測要設(shè)置一個本地振蕩器和一個光混頻器, ,使本使本地振蕩光和光纖輸出的信號光在混頻器中產(chǎn)生差拍而輸出地振蕩光和光纖輸出的信號光在混頻器中產(chǎn)生差拍而輸出中頻光信號，再由光檢測器把中頻光信號轉(zhuǎn)換為電信號

49、。中頻光信號，再由光檢測器把中頻光信號轉(zhuǎn)換為電信號。外差檢測方式的難點是需要頻率非常穩(wěn)定，相位和偏振方外差檢測方式的難點是需要頻率非常穩(wěn)定，相位和偏振方向可控制，譜線寬度很窄的單模激光源向可控制，譜線寬度很窄的單模激光源; ;優(yōu)點是有很高的接優(yōu)點是有很高的接收靈敏度。收靈敏度。 2021/3/2746 目前,實用光纖通信系統(tǒng)普遍采用直接調(diào)制直接檢測方式。外調(diào)制外差檢測方式雖然技術(shù)復(fù)雜,但是傳輸速率和接收靈敏度很高,是很有發(fā)展前途的通信方式。 光接收機最重要的特性參數(shù)是靈敏度。靈敏度是衡量光接收機質(zhì)量的綜合指標(biāo)，它反映接收機調(diào)整到最佳狀態(tài)時， 接收微弱光信號的能力。靈敏度主要取決于組成光接收機的光電二極管和放大器的噪聲，并受傳輸速率、光發(fā)射機的參數(shù)和光纖線路的色散的影響，還與系統(tǒng)要求的誤碼率或信噪比有密切關(guān)系。所以靈敏度也是反映光纖通