光纖通信第1章(禁止上傳)

課程名稱：光纖通信任課教師：毛昕蓉聯(lián)系方式：maoxr@163.com考核方式：考試學時：52學分：3.0課前準備知識通信：傳輸、交換、處理光纖通信：以光波為載波，以光導纖維為傳輸媒質(zhì)的一種通信方式。本課程的特點：專業(yè)課（基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課的區(qū)別）要求：提高自學能力、建立總體構(gòu)架前序課程：通信原理、交換技術(shù)、電磁場與電磁波學習方法：注意連接詞，章節(jié)間的關(guān)系。記筆記（兩本合一），多閱讀幾本書成績分布：考核方式：考試平時30%，期中20%，期末50%（閉卷）。課程編排：基礎(chǔ)理論知識通信用光源光通信信道光檢測器與光放大器光學網(wǎng)絡器件光纖通信系統(tǒng)新技術(shù)光纖通信網(wǎng)（接入網(wǎng)、SDH傳送網(wǎng)）空間光通信系統(tǒng)

公郵：optical201409@163.com密碼：201409參考書《現(xiàn)代光纖通信與網(wǎng)絡教程》張寶富人郵《光通信原理與技術(shù)》李玉權(quán)科學出版社《光網(wǎng)絡實用指南》（美）王廷華譯清華《光纖通信》劉增基西電《光纖通信》顧畹儀人郵原榮解金山邱昆第1章概論第2章通信用光源第3章光通信信道第4章光檢測器與光放大器第5章光學網(wǎng)絡器件第6章光纖通信系統(tǒng)第7章光通信新技術(shù)第8章空間光通信系統(tǒng)

目錄1·1光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀（回顧）

1.1.1探索時期的光通信

1.1.2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1·2光纖通信的優(yōu)點和應用（了解）

1.2.1光通信與電通信

1.2.2光纖通信的優(yōu)點

1.2.3光纖通信的應用1·3光纖通信系統(tǒng)的基本組成（掌握）

1.3.1發(fā)射和接收

1.3.2基本光纖傳輸系統(tǒng)

第1章概論返回主目錄1·4空間光通信系統(tǒng)（了解）

1.4.1空間光通信概述

1.4.2空間光通信的定義

1.4.3空間光通信系統(tǒng)的組成1·5空間光通信的關(guān)鍵技術(shù)（了解）1·6通信鏈路分析（了解）

1.1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

由于沒有找到穩(wěn)定可靠的光源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)明和應用，使沉睡了80年的光通信進入一個嶄新的階段。?1880年，美國人貝爾(Bell)發(fā)明了用光波作載波傳送話音的“光電話”。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”報警，歐洲人用旗語傳送信息。

1.1.2現(xiàn)代光纖通信

1966年，英籍華裔學者高錕(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，指出了利用光纖(OpticalFiber)進行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，奠定了現(xiàn)代光通信——光纖通信的基礎(chǔ)。

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。獲得2009諾貝爾物理學獎“有關(guān)光在纖維中的傳輸以用于光學通信方面”取得了突破性成就

獲得了物理學獎一半的獎金，共500萬瑞典克朗（約合70萬美元）；博伊爾和史密斯發(fā)明了半導體成像器件——電荷耦合器件（CCD）圖像傳感器，將分享今年物理學獎另一半獎金。1970年，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。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4dB/km。

?1979年是0.20dB/km，1984年是0.157dB/km，1986年是0.154dB/km，接近了光纖最低損耗的理論極限（0.148dB/km）。

1970年，光纖通信用光源取得了實質(zhì)性的進展

?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)半導體激光器(短波長)。雖然壽命只有幾個小時，但它為半導體激光器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。?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)振蕩半導體激光器。

由于光纖和半導體激光器的技術(shù)進步，使1970年成為光纖通信發(fā)展的一個重要里程碑

實用光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展

?1976年，美國在亞特蘭大(Atlanta)進行了世界上第一個實用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗。

?

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)展可以粗略地分為四個階段：

?第一階段(1966~1976年)，這是從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應用的開發(fā)時期。?第二階段(1976~1986年)，這是以提高傳輸速率和增加傳輸距離為研究目標和大力推廣應用的大發(fā)展時期。

?第三階段(1986~1996年)，這是以超大容量超長距離為目標、全面深入開展新技術(shù)研究的時期。

?第四階段(1996年至今)，實現(xiàn)了超大容量的波分復用（WDM）光纖通信系統(tǒng)及基于WDM好波長選路的光網(wǎng)絡；正研究超長距離的光孤子通信系統(tǒng)。光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展

波長模式損耗中繼距離容量話路數(shù)第一代78

0.85μmMM2dB/km10km50~100Mb/s480第二代87

1.31μmMM0.3~0.4550km1.7Gb/s1920第三代90

1.55μmSM0.2100km2.4Gb/s7680第四代WDM+EDFA14300km5Gb/s第五代光孤子通信光孤子通信解決色散問題：光纖的色散使光脈沖展寬，光纖的非線性效應使光脈沖受到壓縮。只需在光纖的非線性和色散效應之間取得平衡，則光脈沖在光纖中傳輸其形狀不變，這樣的光脈沖稱為光孤子（光脈沖信號保形傳輸）。

1.1.3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行的現(xiàn)場試驗，標志著光纖通信從基礎(chǔ)研究發(fā)展到了商業(yè)應用的新階段。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，工作波長從0.85μm發(fā)展到1.31μm和1.55μm(短波長向長波長），傳輸速率從幾十Mb/s發(fā)展到幾十Gb/s。隨著技術(shù)的進步和大規(guī)模產(chǎn)業(yè)的形成，光纖價格不斷下降，應用范圍不斷擴大。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。光纖通信整體發(fā)展時間表1974197619781980198219841986198819901992

100000

1000010001001010.1

0.8μm多模1.3μm單模1.55μm直接檢測光孤子光放大器1.55μm相干檢測系統(tǒng)性能(Gb/s?Km）1.2光纖通信的優(yōu)點和應用1.2.1光通信與電通信任何通信系統(tǒng)追求的最終技術(shù)目標都是要可靠地實現(xiàn)最大可能的信息傳輸容量和傳輸距離。通信系統(tǒng)的傳輸容量取決于對載波調(diào)制的頻帶寬度，載波頻率越高，頻帶寬度越寬。光通信的主要特點載波頻率高；頻帶寬度寬（圖1.1）光通信利用的傳輸媒質(zhì)-光纖，可以在寬波長范圍內(nèi)獲得很小的損耗。（圖1.2）圖1.1部分電磁波頻譜（1）、（2）

1.2.2光纖通信的優(yōu)點

?容許頻帶很寬，傳輸容量很大

?損耗很小，中繼距離很長且誤碼率很小

?重量輕、體積小

?抗電磁干擾性能好

?泄漏小，保密性能好

?節(jié)約金屬材料，有利于資源合理使用光纖通信的缺點：

?光纖質(zhì)地脆，機械強度低

?要求比較好的切斷、連接技術(shù)（當發(fā)生斷纖時）

?分路、耦合比較麻煩

1.2.3光纖通信的應用光纖可以傳輸數(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)與計算機網(wǎng)，以及在其它數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，都得到了廣泛應用。光纖寬帶干線傳送網(wǎng)和接入網(wǎng)發(fā)展迅速，是當前研究開發(fā)應用的主要目標。光纖通信的各種應用可概括如下：①通信網(wǎng)②構(gòu)成因特網(wǎng)的計算機局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)③有線電視網(wǎng)的干線和分配網(wǎng)④綜合業(yè)務光纖接入網(wǎng)

ATMInternet骨干網(wǎng)DDN/FRPSTN/ISDNTV業(yè)務分配節(jié)點(COT)業(yè)務接入節(jié)點（RT）網(wǎng)管SNMP與電信網(wǎng)管中心相連Q3100/1000ME1/BRA/PRA155M622MSDH典型應用之一：寬帶綜合業(yè)務光纖接入系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)SNMP簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議典型應用之二：作為校園網(wǎng)的骨干傳輸網(wǎng)通信系統(tǒng)——將一個用戶的信息傳送給另一個用戶的全部設(shè)備。信息源信源編碼信道編碼信道解碼信源解碼信息宿調(diào)制解調(diào)信道光纖通信系統(tǒng)組成：光發(fā)射機、光接收機、光纖、各種耦合器等組成的信息傳輸系統(tǒng)。TR1.3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、接收和作為廣義信道的基本光纖傳輸系統(tǒng)。

基本光纖傳輸系統(tǒng)的三個組成部分1、光發(fā)送機組成框圖：光源、驅(qū)動器、調(diào)制器

光源調(diào)制器通道耦合器電信號輸入光輸出驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)參數(shù)：發(fā)送功率，dBm概念作用：電信號轉(zhuǎn)變成光信號（E/O轉(zhuǎn)換），并將光信號耦合進入傳輸光纖中。如何實現(xiàn)E/O轉(zhuǎn)換————電信號對光的調(diào)制的實現(xiàn)方式

直接調(diào)制用電信號直接調(diào)制半導體激光器或發(fā)光二極管的驅(qū)動電流，使輸出光隨電信號變化而實現(xiàn)的。這種方案技術(shù)簡單，成本較低，容易實現(xiàn)，但調(diào)制速率受激光器的頻率特性所限制。

外調(diào)制把激光的產(chǎn)生和調(diào)制分開，用獨立的調(diào)制器調(diào)制激光器的輸出光而實現(xiàn)的。外調(diào)制的優(yōu)點是調(diào)制速率高，缺點是技術(shù)復雜，成本較高，因此只有在大容量的波分復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

功能：是把來自光發(fā)射機的光信號，以盡可能小的畸變(失真)和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C

組成:光纖、光纖接頭和光纖連接器

低損耗“窗口”：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0.85μm、1.31μm和1.55μm有三個損耗很小的波長“窗口”，見后圖。

光源激光器的發(fā)射波長和光檢測器光電二極管的波長響應，都要和光纖這三個波長窗口相一致。目前在實驗室條件下，1.55μm的損耗已達到0.154dB/km，接近石英光纖損耗的理論極限。1.01.41.5衰減（dB/km）第一窗口第二窗口波長——λ（μm）圖1.6普通單模光纖的衰減隨波長變化示意圖6543210。40。2第三窗口

C波段1525~1565nm1.571.62L波段

主要傳輸特性參數(shù)：損耗、色散（影響光纖通信系統(tǒng)的傳輸距離和傳輸容量）

損耗隨波長的增加而減少

0.85μm、1.31μm、1.55μm2dB/km、0.4dB/km、0.2dB/km

零色散：石英光纖在1.31μm處，色散為零若通過光纖設(shè)計，將零色散波長移至λ=1.55μm處，可實現(xiàn)損耗和色散都最小——色散移位光纖G.6533、光接收機功能：（O/E轉(zhuǎn)換）是把從光纖線路輸出、產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并經(jīng)放大和處理后恢復成發(fā)射前的電信號組成部分：耦合器，光電檢測器，解調(diào)器組成框圖：電子電路光輸入耦合器光電檢測器解調(diào)器電信號輸出結(jié)構(gòu)參數(shù)：接收機靈敏度，定為BER≤10-9條件下，所要求的最小平均接收功率。用Sr（dBm）來表示，接收機靈敏度是反映光纖通信系統(tǒng)質(zhì)量好壞的綜合性指標。檢測方式：直接檢測和外差檢測1.4空間光通信系統(tǒng)1.4.1空間光通信概述隨著通信業(yè)務量的大量增加，“電波窗口”日益擁擠，衛(wèi)星通信采用傳統(tǒng)的微波通信技術(shù)已經(jīng)不能滿足未來軍事及商業(yè)的需要，如果采用較高的光頻段作為信息載體實現(xiàn)衛(wèi)星通信將使這一問題得到很好的解決?？臻g光通信與傳統(tǒng)的微波通信相比，其顯著的優(yōu)點為：（1）通信容量大，載波頻率的增加增大了傳輸帶寬，因此也增加了整個系統(tǒng)的通信容量。（2）體積小，短波長的光通信天線尺寸成倍的減少，設(shè)備體積明顯減小。（3）功耗低，因為激光的發(fā)散角很小，能量高度集中，落在接收機望遠鏡天線上的功率密度