第1章光纖通信概述

光纖通信原理與系統(tǒng)CommunicationandInformationSchoolShanghaiUniversity

ZouXuemeizxm@2/1/2023第一章光纖通信概論第二章

光纖第三章

光源與光發(fā)送機(jī)第四章

光檢測器與光接收機(jī)第五章

光放大器第六章

光纖通信系統(tǒng)目錄

2/1/2023第一章光纖通信概論光纖通信的發(fā)展歷程和光網(wǎng)絡(luò)的概況通信發(fā)展歷程為什么是光纖光纖通信的發(fā)展光纖通信的支撐技術(shù)光纖通信系統(tǒng)的應(yīng)用2/1/2023

1.通信的發(fā)展歷程1873年，美國人莫爾斯發(fā)明了電報，用電傳輸了文字信息；1876年，美國人貝爾發(fā)明了電話，用電傳輸了聲音；1924年，英國人貝爾德發(fā)明了電視機(jī)，用電傳輸了圖像；1946年，美國美國賓夕法尼亞大學(xué)，電子計算機(jī)。電報、電話和電視都是用無線電或有線電傳輸信息，電通信作為信息傳輸?shù)挠行ǖ溃恢毖赜昧艘粋€多世紀(jì)。

20世紀(jì)----電子世紀(jì)21世紀(jì)----光子世紀(jì),光子技術(shù)將帶來一場超過電子技術(shù)的產(chǎn)業(yè)革命.光子技術(shù)的應(yīng)用:（1）作為光子發(fā)生與控制的激光技術(shù)和產(chǎn)業(yè)。（2）運算速度更快的光子計算機(jī)。（3）存儲量大的光存儲技術(shù)。（4）代替現(xiàn)行通信方式的光通信。（5）全息光技術(shù)。2/1/2023

什么是光纖通信？光纖通信：利用光纖光纜傳輸光波信號的通信方式。優(yōu)點：價格便宜，線路損耗低、頻帶寬。是現(xiàn)代通信網(wǎng)的骨干。傳輸媒介無線通信：微波、衛(wèi)星……有線通信:銅線電纜、光纖光纜通信系統(tǒng)：將信息從一處傳到另一處的全部技術(shù)設(shè)備和信道（傳輸媒介）的總和。2/1/2023電磁波——交變的電場會產(chǎn)生交變的磁場，交變的磁場又會激起交變的電場，這種電場、磁場無限地交變產(chǎn)生，合稱電磁場。這種交變的電磁場會在空間以波的形式由近及遠(yuǎn)地傳播開去，這就是電磁波?！庖彩请姶挪姶挪溈怂鬼f1865年發(fā)表電磁場理論赫茲1888年實驗證實電磁波存在2/1/2023通信傳輸媒介分類及相應(yīng)波段劃分10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015ELFVFVLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF自由空間波長，m頻率，Hz電力、電話無線電、電視微波紅外可見光雙鉸線同軸電纜光纖衛(wèi)星/微波AM無線電FM無線電頻段劃分傳輸介質(zhì)有線：光纖（頻率很高1014，載波能力強）銅線（同軸線、屏蔽與非屏蔽雙絞銅線）無線：微波、無線電2/1/2023電磁頻譜：電磁波的波長范圍發(fā)送信號的頻率越高（波長越短），可載送的信息量就越多光波是電磁波，光波范圍包括紅外線、可見光、紫外線，其波長范圍為：300μm～6×10?3μm。2/1/2023光纖通信的光波波譜光纖通信的波譜在1.67×1014Hz～3.75×1014Hz之間，即波長在0.8μm～1.8μm之間，屬于紅外波段，將0.8μm～0.9μm稱為短波長，1.0μm～1.8μm稱為長波長，2.0μm以上稱為超長波長。

表1-1 各種單位的換算公式c＝3×108m/s1MHz（兆赫）＝106Hzλ＝c/f1GHz（吉赫）＝109Hz1μm（微米）＝10?6m1THz（太赫）＝1012Hz1nm（納米）＝10?9m1PHz（拍赫）＝1015Hz1?（埃）＝10?10m2/1/20232.Why

fiber？(光纖的優(yōu)點)近乎無限的帶寬（沒有光纖就沒有當(dāng)今的信息高速公路)低損耗（<0.2dB/km)，（傳輸距離遠(yuǎn)）無電磁干擾，信號傳輸質(zhì)量高，保密性好耐化學(xué)腐蝕光纖尺寸小，重量輕，便于傳輸和鋪設(shè)；低價（光纖是石英玻璃拉制成形,原材料來源豐富，并節(jié)約了大量有色金屬）2/1/2023高速寬帶DWDM光傳輸?shù)娜萘繚摿?5301675nm

1260

(無水峰)單纖全部可用頻段為400nm，約50THz

〖頻譜效率〗為0.4bit/s/Hz(說明…)則【可用容量上限】為50THz0.4bit/s/Hz＝20Tb/s

若每波長信道速率40Gb/s,單根纖芯可傳500個波長500路x40Gb/s=20Tb/s0.2dB0.3dB2/1/202310Gb/s能作什么？

1.

ASCIICharacter

(8bit)109Char./s(1000books)2.

VoiceChannel

(64Kb/s)155,000Channels3.

HDTV

(60Mb/s)160Channels

Compressed

(20Mb/s)500Channels4.

GigabitEthernet

(1Gb/s)8Channels2/1/2023電信號輸入半導(dǎo)體激光器光探測器電信號輸出fiberE E/OO/E E3.光通信的發(fā)展激光的發(fā)明主要是半導(dǎo)體激光器（60年代-）光導(dǎo)纖維技術(shù)的發(fā)展（70年代--）半導(dǎo)體探測器（60年代--）WDM技術(shù)的出現(xiàn)（90年代--）光放大技術(shù)（90年代---）幾個里程碑：2/1/20233.1早期的光通信公元前11世紀(jì)，西周王朝，烽火臺白天點狼糞，晚上燃柴火——“狼煙四起”2/1/2023圖1.1貝爾電話系統(tǒng)

在這里，將弧光燈的恒定光束投射在話筒的音膜上，隨聲音的振動而得到強弱變化的反射光束，這個過程就是調(diào)制。到了1880年，貝爾發(fā)明了第一個光電話，這一大膽的嘗試，可以說是現(xiàn)代光通信的開端。2/1/2023激光器的發(fā)明和應(yīng)用，使沉睡了80年的光通信進(jìn)入一個嶄新的階段，它具有亮度高、譜線窄、方向性好，但通信不穩(wěn)定。

1960年，大氣光波通信圖1.2紅寶石激光器[美國梅曼(Maiman)，1960]2/1/2023光波地下傳輸在大氣光通信受阻之后，人們將研究的重點轉(zhuǎn)入到地下光波通信的實驗，先后出現(xiàn)過反射波導(dǎo)和透鏡波導(dǎo)等地下通信的實驗。圖1.3反射波導(dǎo)和透鏡波導(dǎo)2/1/2023

——紅寶石激光器、貝爾光電話和烽火報警一樣，都是利用大氣作為光通道，光波傳播易受氣候的影響，在大霧天氣，它的可見度距離很短，遇到下雨下雪天也有影響。

——反射波導(dǎo)和透鏡波導(dǎo)造價昂貴，調(diào)整、維護(hù)困難。

由于沒有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質(zhì)，對光通信的研究曾一度走入了低潮。2/1/20231870年，英國物理學(xué)家廷德爾在實驗中觀察到，把光照射到盛水的容器內(nèi)，從出水口向外倒水時，光線也沿著水流傳播，出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，這好象不符合光只能直線傳播的定律。1955年光纖才得到實際應(yīng)用。當(dāng)時在英國倫敦學(xué)院工作的卡帕尼博士，發(fā)明了用極細(xì)的玻璃制做的光導(dǎo)纖維。芯層+包層。芯層的折射率大于包層，光在其中做全反射。1960年左右，最好的光纖損耗也在1000分貝/公里(dB/km)。由于，損耗很大，它最初被用于醫(yī)療，如內(nèi)窺鏡。3.2光纖的發(fā)展2/1/20231966年高錕提出光纖波導(dǎo)的概念，當(dāng)時最好光纖的損耗1000dB/km，但他推測出小于20dB/km的損耗是可以做到的并可進(jìn)入商用。1974年美國康寧公司的French采用MCVD方法制出損耗小于4dB/km的石英光纖，從此石英光纖正式登上光通信的寶座。2/1/2023

高錕(K.C.Kao)博士深入研究了光在石英玻璃纖維中的嚴(yán)重?fù)p耗問題，發(fā)現(xiàn)這種玻璃纖維引起光損耗的主要原因是其中含有過量的鉻、銅、鐵與錳等金屬離子和其他雜質(zhì)，其次是拉制光纖時工藝技術(shù)造成了芯、包層分界面不均勻及其所引起的折射率不均勻，他還發(fā)現(xiàn)一些玻璃纖維在紅外光區(qū)的損耗較小。光纖之父：英籍華人高錕(K.C.Kao)博士工作地點：英國標(biāo)準(zhǔn)電信研究所2/1/20231966年，高錕(C.K.Kao)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《用于光頻的光纖表面波導(dǎo)》,指明通過“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”這一發(fā)展方向,奠定了現(xiàn)代光通信——光纖通信的基礎(chǔ)。高錕(左)從瑞典國王手中接過2009諾貝爾物理學(xué)獎2/1/20231970年起，光纖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。1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4dB/km。1973年，美國貝爾(Bell)實驗室的光纖損耗降低到2.5dB/km。1974年降低到1.1dB/km。1976年，日本電報電話(NTT)公司將光纖損耗降低到0.47dB/km(波長1.2μm)。目前，波長為1.55μm的光纖損耗<0.2dB/km，已接近了光纖最低損耗的理論極限。2/1/20233.3半導(dǎo)體激光器的發(fā)展1960年美國休斯公司實驗室的西奧多梅曼發(fā)明紅寶石激光

這就是在光頻下發(fā)明了連續(xù)波的振蕩器。1961年出現(xiàn)He—Ne激光器之后，便開始了光通信的研究(自由空間與透鏡波導(dǎo))。半導(dǎo)體雙異質(zhì)結(jié)激光器

1969年研究成功GaAlAs在室溫下，連續(xù)工作的半導(dǎo)體激光器。由于半導(dǎo)體激光器體積小，發(fā)光譜線窄以及與光纖的耦合效率高、價格低廉等優(yōu)點，已成為光通信不可缺少的光源器件。2/1/20231970年，光纖通信用光源取得了實質(zhì)性的進(jìn)展

1970年，美國貝爾實驗室、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，日本電報電話公司研制成功發(fā)射波長為1.3μm的銦鎵砷磷(InGaAsP)激光器。1977年，貝爾實驗室研制的半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到10萬小時。1979年美國電報電話(AT&T)公司和日本電報電話公司研制成功發(fā)射波長為1.55μm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1970年成為光纖通信發(fā)展的一個重要里程碑。2/1/2023半導(dǎo)體光電探測器的進(jìn)步1970年代半導(dǎo)體光電探測器的技術(shù)已很成熟當(dāng)時的PIN二極管，入射一個光子可產(chǎn)生一個電子。雪崩光電二極管(APD)入射一個光子則可產(chǎn)生10~100個電子。3.4光電探測器的發(fā)展由于光源、光探測器及光纖均已成功。所以在70年代后期光纖通信便正式登上通信的舞臺。2/1/20233.5實用光纖通信系統(tǒng)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用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗。1980年，美國標(biāo)準(zhǔn)化FT-3光纖通信系統(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34Mb/s的突變型多模光纖通信系統(tǒng)，以及速率為100Mb/s的漸變型多模光纖通信系統(tǒng)的試驗。1983年敷設(shè)了縱貫日本南北的光纜長途干線。1988年由美、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)建成。1989年第一條橫跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光纜通信系統(tǒng)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。2/1/2023當(dāng)今世界范圍的光纖通信系統(tǒng)海底光纜及洲際通信網(wǎng)2/1/20233.6光通信容量發(fā)展的五個階段：0.8微米短波長(多模,GaAs,0.85um)1.3微米長波長(單模,GaAlAs,1.3um)1.5微米(單模)1.5微米相干光通信(未實用)1.5微米EDFA+WDM。2/1/2023光通信容量的發(fā)展1977年，世界上第一條光纖通信系統(tǒng)在美國芝加哥投入商用，速率為45Mb／s。1979年，我國在上海也率先進(jìn)行了光纖通信的實驗。120路的光纖電話并入從四川路局到海寧路局(1.8km)的市話網(wǎng)。2/1/2023單纖傳輸容量:？74~94：一個數(shù)量級/4年95~

：指數(shù)增長，數(shù)量級/6個月>摩爾定律（數(shù)量級/18month.)2/1/2023信源信源編碼TDM信道編碼調(diào)制信源解碼TDM信道解碼調(diào)制光纖PCM電端機(jī)光接收機(jī)光發(fā)射機(jī)PCM解調(diào)信源語音圖象數(shù)據(jù)信源數(shù)字光通信系統(tǒng)構(gòu)成2/1/2023(1)傳統(tǒng)的電傳輸系統(tǒng)EMUX電端機(jī)再生中繼再生中繼EDMUX電復(fù)用電解復(fù)用電端機(jī)同軸電纜、微波……O/E/O光纜EMUX再生中繼再生中繼EDMUX電復(fù)用電解復(fù)用光接收(2)光電混合型光纖傳輸系統(tǒng)光發(fā)送4.光纖通信的支撐技術(shù)---OAMP+DWDM2/1/2023(3)DWDM光纖傳輸系統(tǒng)OMUXOAOAOA光發(fā)送光發(fā)送光發(fā)送λ１λ２λΝλ１，λ２……λΝ光接收光接收光接收λ１λ２λΝODMUX2/1/2023TXTXTXTXTXTXTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX40km40km40km40km40km40km40km40km40km1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXMUX120km120km120kmWDM+EDFA革新了光纖傳輸DEMWDM+EDFA革新了光纖傳輸EDFAEDFA2/1/20235.1光纖通信網(wǎng)光纖公用電信網(wǎng)：核心網(wǎng)、城域網(wǎng)我國市內(nèi)電話光纜傳輸試驗從1978年開始。目前，公用電信網(wǎng)的傳輸線基本上均是采用光纖光纜連接。光纖局域網(wǎng)光纖寬帶網(wǎng)光纖接入網(wǎng)無線通信網(wǎng)海底光纜及洲際通信網(wǎng)

5.光纖通信系統(tǒng)的應(yīng)用2/1/20235.2能源、交通和其他電力系統(tǒng)的監(jiān)視、控制和管理：由于使用了光纖，不受強電磁干擾，不僅信息傳輸量增大，而且工作更加可靠。傳輸信息用的光纖，可以放在輸電線、地線的中心，不受干擾，施工方便。用電設(shè)備觀測雷擊很困難，因為雷擊對電設(shè)備也可能造成破壞。而用光纖卻可以直接觀測雷擊現(xiàn)象。

煤炭系統(tǒng)的監(jiān)視、控制和管理：電監(jiān)控系統(tǒng)信號均為電信號，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，電信號功率不能太大，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)備可以無源化，即保證了安全，又能實現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控。2/1/2023鐵路通信網(wǎng)

鐵路通信網(wǎng)是直接為鐵路運輸調(diào)度服務(wù)的獨立通信網(wǎng)。它具有結(jié)點多，分支、插入話路頻繁，通信容量有大有小，通信距離長短不一，組網(wǎng)方式多種多樣，傳輸信號種類各異等特點。電氣化鐵路對通信要求：通信容量要大，不受電力機(jī)車強電磁干擾，傳輸電話、數(shù)據(jù)以外還要傳輸列車運行的長距離無人監(jiān)控圖像信號。除了光纖通信，沒有哪一種通信方式能滿足這些要求。地鐵控制系統(tǒng)高速公路監(jiān)控系統(tǒng)2/1/20235.3軍事戰(zhàn)術(shù)通信主要有兩種系統(tǒng)：一種是本地分配系統(tǒng)，包括戰(zhàn)地指揮所的布線，兵器之間的連接，野戰(zhàn)計算機(jī)的互連，以及基地信息傳輸系統(tǒng)等；一種是長距離戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)，一般通信距離超過1千米。水下通信系統(tǒng)是掃雷艦與浮游載體之間的數(shù)據(jù)傳輸線路。掃雷艦的主要任務(wù)是清掃航道上的水雷，而利用浮游載體掃雷最為安全而可靠。掃雷艦與浮游載體之間連著3根光纖：一根光纖把水下浮游載體探測到的聲納信號和遙測信號（都是視頻信號）傳給艦船；另一根光纖用來傳輸艦船給水下浮游載體的控制信息；第三根光纖備用。光纖反潛戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)，也就是把光纖傳輸線路與水聽器相連，把監(jiān)測到的敵潛聲音信號通過光纖傳輸?shù)脚炆匣虬渡闲畔⑻幚碇行?，以便確定作戰(zhàn)方案。光纖用于水下通信，探測的靈敏度高，傳輸?shù)男畔⒘看?，抗各種干擾的能力強，而且重量輕、浮力大。2/1/2023航空母艦：機(jī)載通信、艦載通信。雷達(dá)：在雷達(dá)室與作戰(zhàn)情報中心之間傳輸信息，不僅改善了抗干擾能力和保密性能，而且還能更好保證作戰(zhàn)情報中心的安全。光纖制導(dǎo)武器主要包括光纖制導(dǎo)導(dǎo)彈和光纖制導(dǎo)魚雷。它用光纖傳輸目標(biāo)圖像，制導(dǎo)精度高，導(dǎo)彈射程遠(yuǎn)，而且更安全可靠，是一種由射擊手控制的人工智能武器。2/1/20235.4醫(yī)學(xué)應(yīng)用利用傳光束的照明器和測氧計利用傳像束的內(nèi)窺鏡激光手術(shù)刀。2/1/20235.5機(jī)車電子2/1/20235.6寬帶應(yīng)用－三網(wǎng)融合三重播放業(yè)務(wù)的驅(qū)動(3Play:數(shù)據(jù)＋I(xiàn)P視頻＋寬帶語音):帶寬需求大量增長支持單播業(yè)務(wù)和組播業(yè)務(wù)的高效率傳送支持接入技術(shù)的不斷演進(jìn)

(例如：ATM轉(zhuǎn)向Ethernet)對語音和視頻業(yè)務(wù)提供高可靠性的傳送保障商業(yè)用戶業(yè)務(wù)的演進(jìn)：IP-VPN,以太網(wǎng)VPNs,存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)SAN高帶寬的業(yè)務(wù)需求提供網(wǎng)絡(luò)高可用性和高安全性業(yè)務(wù)的快速提供和端到端管理及故障定位固定/移動網(wǎng)絡(luò)的融合:公共的網(wǎng)絡(luò)匯聚層

(在網(wǎng)絡(luò)L2/L1/L0提供業(yè)務(wù)疏導(dǎo))支持接入技術(shù)的不斷演進(jìn)(e.g.,TDMtoEthernetforWiMAX)減少獨立的骨干網(wǎng)絡(luò)數(shù)量，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)維護(hù)成本卓越的多層業(yè)務(wù)OAM，提供高可用性和可恢復(fù)的網(wǎng)絡(luò)支持2/1/2023目前疊加的城域傳送網(wǎng)匯聚Aggregate接入/Access邊緣Edge/核心Core城域傳送MetroTransmission核心傳送CoreNetworkTransmissionFEWirelessIP/MPLS業(yè)務(wù)路由器ServiceRouter3G核心網(wǎng)3GCoreNetwork傳送節(jié)點Node-BWiMAXE1語音/VoiceSTM/OCIP-DSLAMNxGEFTTxGEDSL視頻/Video數(shù)據(jù)/DataGEE1RNCSGSNGGSN傳送節(jié)點TransmissionNodeSDH環(huán)SDH以太網(wǎng)交換機(jī)EthernetSwitch端局COSDH/環(huán)SDHRingSDH/MSTPSDHB