第1章光纖通信課件

1·1光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀1·2光纖通信的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用1·3光纖通信系統(tǒng)的基本組成第1章概論返回主目錄第1章概論

1.1光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀一、探索時(shí)期的光通信中國(guó)古代用“烽火臺(tái)”報(bào)警美國(guó)人貝爾(Bell)發(fā)明“光電話”（1880年）美國(guó)人梅曼(Maiman)發(fā)明第一臺(tái)紅寶石激光器（1960年）美國(guó)麻省理工學(xué)院大氣激光通信試驗(yàn)

這種光電話利用太陽(yáng)光或弧光燈作光源，通過(guò)透鏡把光束聚焦在送話器前的振動(dòng)鏡片上，使光強(qiáng)度隨話音的變化而變化，實(shí)現(xiàn)話音對(duì)光強(qiáng)度的調(diào)制。在接收端，用拋物面反射鏡把從大氣傳來(lái)的光束反射到硅光電池上，使光信號(hào)變換為電流，傳送到受話器。存在問(wèn)題：由于當(dāng)時(shí)沒(méi)有理想的光源和傳輸介質(zhì)，這種光電話的傳輸距離很短，并沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，因而進(jìn)展很慢。然而，光電話仍是一項(xiàng)偉大的發(fā)明，它證明了用光波作為載波傳送信息的可行性。因此，可以說(shuō)貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型。

紅寶石激光器給光通信帶來(lái)了新的希望，和普通光相比，激光具有波譜寬度窄，方向性極好，亮度極高，以及頻率和相位較一致的良好特性。激光是一種高度相干光，它的特性和無(wú)線電波相似，是一種理想的光載波。繼紅寶石激光器之后，氦—氖(He-Ne)激光器、二氧化碳(CO2)激光器先后出現(xiàn)，并投入實(shí)際應(yīng)用。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(gè)嶄新的階段

實(shí)驗(yàn)證明：用承載信息的光波，通過(guò)大氣的傳播，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信是可行的。

利用He-Ne激光器和CO2激光器進(jìn)行了大氣光纖通信實(shí)驗(yàn)。但是通信能力和質(zhì)量受氣候影響十分嚴(yán)重。由于雨、霧、雪和大氣灰塵的吸收和散射，光波能量衰減很大。例如，雨能造成30dB/km的衰減，濃霧衰減高達(dá)120dB/km。另一方面，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。因而通信的距離和穩(wěn)定性都受到極大的限制，不能實(shí)現(xiàn)“全天候”通信。大氣激光通信的穩(wěn)定性和可靠性仍然沒(méi)有解決。

解決辦法：透鏡波導(dǎo)和反射鏡波導(dǎo)的光波傳輸系統(tǒng)（現(xiàn)場(chǎng)施工中校準(zhǔn)和安裝十分復(fù)雜）

透鏡波導(dǎo)----------在金屬管內(nèi)每隔一定距離安裝一個(gè)透鏡，每個(gè)透鏡把經(jīng)傳輸?shù)墓馐鴷?huì)聚到下一個(gè)透鏡而實(shí)現(xiàn)的。反射鏡波導(dǎo)------------用與光束傳輸方向成45°角的二個(gè)平行反射鏡代替透鏡而構(gòu)成的。由于沒(méi)有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質(zhì)，對(duì)光通信的研究曾一度走入了低潮。二、現(xiàn)代光纖通信

1966年，英籍華裔學(xué)者高錕(C.K.Kao)等人發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文。

1970年，光纖研制取得了重大突破。美國(guó)康寧(Corning)公司就研制成功損耗20dB/km的石英光纖。

半導(dǎo)體激光器的飛速發(fā)展完全滿足實(shí)用化的要求。壽命達(dá)到10萬(wàn)小時(shí)(約11.4年)。

光纖通信系統(tǒng)的實(shí)用化。

高錕等人指出：石英纖維的損耗高達(dá)1000dB/km以上這樣大的損耗不是石英纖維本身固有的特性。具體辦法：（1）通過(guò)原材料的提純光纖損耗減小到10dB/km。（2）通過(guò)改進(jìn)制造工藝的熱處理，提高材料的均勻性把損耗減小到幾dB/km。

1970年，美國(guó)康寧(Corning)公司就研制成功損耗20dB/km的石英光纖。它的意義在于：使光纖通信可以和同軸電纜通信競(jìng)爭(zhēng)，從而展現(xiàn)了光纖通信美好的前景，促進(jìn)了世界各國(guó)相繼投入大量人力物力，把光纖通信的研究開(kāi)發(fā)推向一個(gè)新階段。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(guó)貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)室取得了更大成績(jī)，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)公司等單位將光纖損耗降低到0.47dB/km(波長(zhǎng)1.2μm)。在以后的10年中，波長(zhǎng)為1.55μm的光纖損耗：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。

1970年，作為光纖通信用的光源也取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。當(dāng)年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室、日本電氣公司(NEC)和前蘇聯(lián)先后突破了半導(dǎo)體激光器在低溫(-200℃)或脈沖激勵(lì)條件下工作的限制，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(zhǎng))。雖然壽命只有幾個(gè)小時(shí)，但其意義是重大的，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(shí)。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(wàn)小時(shí)(約11.4年)，外推壽命達(dá)到100萬(wàn)小時(shí)，完全滿足實(shí)用化的要求。在這個(gè)期間，1976年日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長(zhǎng)為1.3μm的銦鎵砷磷(InGaAsP)激光器，1979年美國(guó)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(zhǎng)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(gè)重要里程碑。美國(guó)（1976年）進(jìn)行了世界上第一個(gè)實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，速率為44.7Mb/s，傳輸距離約10km。日本（1976年）進(jìn)行了速率為34Mb/s，傳輸距離為64km的突變型多模光纖通信系統(tǒng)。英、法（1988年）建成全長(zhǎng)6400km的第一條橫跨大西洋海底光纜通信系統(tǒng)；橫跨太平洋海底光纜通信系統(tǒng)于1989年建成，全長(zhǎng)13200km。

從此，海底光纜通信系統(tǒng)的建設(shè)得到了全面展開(kāi)，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(gè)階段：第一階段(1966~1976年)，這是從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)時(shí)期。在這個(gè)時(shí)期，實(shí)現(xiàn)了短波長(zhǎng)(0.85μm)低速率(45或34Mb/s)多模光纖通信系統(tǒng)，無(wú)中繼傳輸距離約10km。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(biāo)和大力推廣應(yīng)用的大發(fā)展時(shí)期。在這個(gè)時(shí)期，光纖從多模發(fā)展到單模，工作波長(zhǎng)從短波長(zhǎng)(0.85μm)發(fā)展到長(zhǎng)波長(zhǎng)(1.31μm和1.55μm)，實(shí)現(xiàn)了工作波長(zhǎng)為1.31μm、傳輸速率為140~565Mb/s的單模光纖通信系統(tǒng)，無(wú)中繼傳輸距離為100~50km。

第三階段(1986~1996年)，這是以超大容量超長(zhǎng)距離為目標(biāo)、全面深入開(kāi)展新技術(shù)研究的時(shí)期。在這個(gè)時(shí)期，實(shí)現(xiàn)了1.55μm色散移位單模光纖通信系統(tǒng)。采用外調(diào)制技術(shù)，傳輸速率可達(dá)2.5~10Gb/s，無(wú)中繼傳輸距離可達(dá)150~100km。實(shí)驗(yàn)室可以達(dá)到更高水平。目前，正在開(kāi)展研究的光纖通信新技術(shù)，例如，超大容量的波分復(fù)用(WavelengthDivisionMultiplexing,WDM)光纖通信系統(tǒng)和超長(zhǎng)距離的光孤子(Soliton)通信系統(tǒng)，將在第7章作介紹。三、國(guó)內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀多模光纖單模光纖工作波長(zhǎng)從0.85μm1.31μm和1.55μm傳輸速率從幾十Mb/s幾十Gb/s市話局間中繼長(zhǎng)途干線進(jìn)一步延伸到用戶接入網(wǎng)數(shù)字電話有線電視(CATV)單一類(lèi)型信息傳輸多種業(yè)務(wù)的傳輸世界成纜光纖市場(chǎng)銷(xiāo)售量

年份19941995199619971998199920002001光纖銷(xiāo)售總長(zhǎng)度/104km18102300290034704070473055806570世界市場(chǎng)單模光纖平均價(jià)格

年份19941995199619971998199920002001價(jià)格/($·km-1)6867726960524644世界成纜單模光纖市場(chǎng)銷(xiāo)售量年份199819992000200120022003光纖銷(xiāo)售總長(zhǎng)度/104km4110460053506230720081101.2光纖通信的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用一、光通信與電通信光纖通信的載波是光波。電纜通信載波是電波。雖然光波和電波都是電磁波，但是頻率差別很大。光纖通信用的近紅外光(波長(zhǎng)約1μm)的頻率(約300THz)比微波(波長(zhǎng)為0.1m~1mm)的頻率(3~300GHz)高3個(gè)數(shù)量級(jí)以上。部分電磁波頻譜電纜的損耗隨信號(hào)頻率的平方根而增大，要減小損耗，必須增大結(jié)構(gòu)尺寸，但要保持單一模式的傳輸，又不允許增大結(jié)構(gòu)尺寸。波導(dǎo)管具有比同軸電纜更低的損耗，但隨著工作頻率的提高，要減小波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的尺寸以保持單一模式的傳輸，損耗仍然要增大。光纖是由絕緣的石英(SiO2)材料制成的，通過(guò)提高材料純度和改進(jìn)制造工藝，可以在寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)獲得很小的損耗。下圖給出各種傳輸線路的損耗特性。各種傳輸線路的損耗特性二、光纖通信的優(yōu)點(diǎn)

1.頻帶很寬(enormouspotentialbandwidth)單模光纖都具有幾十GHz·km的帶寬。另一方面，可以采用多種復(fù)用技術(shù)來(lái)增加傳輸容量。復(fù)用技術(shù)傳輸容量/Gb·s-1傳輸距離/km跨距/km研制單位備注WDM20×1720T&TNECTDM1602020200103

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50140NTTNTT法Telcom單通道環(huán)測(cè)WDM和TDM光纖通信試驗(yàn)系統(tǒng)的傳輸能力光纖通信與電纜或微波通信傳輸能力的比較

通信手段傳輸容量(話路)/條中繼距離/km1000km內(nèi)中繼器個(gè)數(shù)微波無(wú)線電9605020小同軸9604250中同軸180061600光纜19203033光纜14000(1Gb/s)8411光纜6000(445MB/S)13472.傳輸損耗小，中繼距離很長(zhǎng)且誤碼率很小

(lowtransmissionloss,widerepeaterspacing,lowBER(biterrorrate)

石英光纖1.31μm波長(zhǎng)0.50dB/km（甚至更低）

1.55μm波長(zhǎng)0.20dB/km（甚至更低）

3.重量輕、體積?。╯mallsizeandweight)在飛機(jī)上用光纖代替電纜，不僅降低了通信設(shè)備的成本，而且降低了飛機(jī)的制造成本。例如，在美國(guó)A-7飛機(jī)上，用光纖通信代替電纜通信，使飛機(jī)重量減輕27磅(約12.247kg)，相當(dāng)于飛機(jī)制造成本減少27萬(wàn)美元。項(xiàng)目8芯18芯光纜電纜光纜電纜重量/(kg·m-1)重量比0.4216.3150.4211126直徑/mm截面積比211475211659.6光纜和電纜的重量和截面積比較

4.抗電磁干擾性能好（electricalandisolationormagneticisolation)

無(wú)金屬光纜非常適合于存在強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾的高壓電力線路周?chē)陀吞?、煤礦等易燃易爆環(huán)境中使用。

5.泄漏小，保密性能好(immunitytoelectromagneticinterference,signalsecurity)

在光纖中傳輸?shù)墓庑孤┓浅Ｎ⑷?，即使在彎曲地段也無(wú)法竊聽(tīng)。沒(méi)有專(zhuān)用的特殊工具，光纖不能分接，因此信息在光纖中傳輸非常安全。6.節(jié)約金屬材料，有利于資源合理使用制造8km管中同軸電纜，1km需要120kg銅和500kg鋁；而制造8km光纖只需320g石英。各種通信系統(tǒng)相對(duì)造價(jià)與傳輸容量的比較三、光纖通信的應(yīng)用光纖可以傳輸數(shù)字信號(hào)，也可以傳輸模擬信號(hào)。①通信網(wǎng)②計(jì)算機(jī)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(wù)光纖接入網(wǎng)全球通信網(wǎng)(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)各國(guó)的公共電信網(wǎng)(如我國(guó)的國(guó)家一級(jí)干線、各省二級(jí)干線和縣以下的支線)專(zhuān)用通信網(wǎng)(如電力、鐵道、國(guó)防等部門(mén)通信、指揮、調(diào)度、監(jiān)控的光纜系統(tǒng))特殊通信手段(如石油、化工、煤礦等部門(mén)易燃易爆環(huán)境下使用的光纜，以及飛機(jī)、軍艦、潛艇、導(dǎo)彈和宇宙飛船內(nèi)部的光纜系統(tǒng))。光纖通信系統(tǒng)的基本組成(單向傳輸)1.3光纖通信系統(tǒng)的基本組成

1.光發(fā)射機(jī)

光發(fā)射機(jī)的功能是把輸入電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并用耦合技術(shù)把光信號(hào)最大限度地注入光纖線路。

直接調(diào)制--------使輸出光隨電信號(hào)變化而實(shí)現(xiàn)的間接調(diào)制(或稱(chēng)外調(diào)制)---------利用電信號(hào)改變電光晶體的折射率，使通過(guò)調(diào)制器的光參數(shù)隨電信號(hào)變化而實(shí)現(xiàn)調(diào)制的。兩種調(diào)制方案

(a)直接調(diào)制(b)間接調(diào)制(外調(diào)制)

2.光纖線路在0.85μm、1.31μm和1.55μm有三個(gè)損耗很小的波長(zhǎng)“窗口”。在這三個(gè)波長(zhǎng)窗口損耗分別小于2dB/km、0.4dB/km和0.2dB/km。目前使用的石英光纖有多模光纖和單模光纖:單模光纖的傳輸特性比多模光纖好，價(jià)格比多模光纖便宜，因而得到更廣泛的應(yīng)用。單模光纖配合半導(dǎo)體激光器，適合大容量長(zhǎng)距離光纖傳輸系統(tǒng)。而小容量短距離系統(tǒng)用多模光纖配合半導(dǎo)體發(fā)光二極管更加合適。

3.光接收機(jī)

光接收機(jī)的功能是把從光纖線路輸出、產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并經(jīng)放大和處理后恢復(fù)成發(fā)射前的電信號(hào)。目前廣泛使用的光檢測(cè)器有兩種類(lèi)型：在半導(dǎo)體PN結(jié)中加入本征層的PIN光電二極管(PIN-PD)和雪崩光電二極管(APD)。直接檢測(cè)--------用檢測(cè)器直接把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。外差檢測(cè)-------要設(shè)置一個(gè)本地振蕩器和一個(gè)光混頻器，使本地振蕩光和光纖輸出的信號(hào)光在混頻器中產(chǎn)生差拍而輸出中頻光信號(hào)，再由光檢測(cè)器把中頻光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

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)：強(qiáng)調(diào)的是信號(hào)和信息之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系(如脈沖的有和無(wú)、電平的高和低等)代表信息；模擬通信系統(tǒng)：強(qiáng)調(diào)的是變換過(guò)程中信號(hào)和信息之間的線性關(guān)系。

數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：①抗干擾能力強(qiáng)，傳輸質(zhì)量好。