通工专业-光纤通信技术-第一章-绪论

1、光纤通信技术光纤通信技术 OPTICAL FIBER COMMUNICATION TECHNOLOGY 西安邮电大学通信与信息工程学院西安邮电大学通信与信息工程学院 通信工程系通信工程系 第第1 1章章 绪绪 论论 1.1 光纤通信概述光纤通信概述 l光纤通信的基本概念光纤通信的基本概念 光纤通信是指利用相干性和方向性 极好的激光作为载波（也称光载 波）来携带信息，并利用光导纤 维（光纤）来进行传输的通信方 式。 光纤通信使用的波段光纤通信使用的波段 1019 1017 1016 1015 1014 1013 1012 1010 109 108 107 106 105 104 103 102

2、101 10-10 10-910-8 10 -7 10 -6 10 -5 10-4 10 -3 10 -2 10 -1 100 10 1 102 10 3 10 4 105 10 6 107 1nm 1 m 1mm 1m 1km 1埃埃 X光 X光 (伦琴射线)(伦琴射线) 紫外线紫外线 可见光可见光 近红近红 外线外线 远红远红 外线外线米波米波 电视电视 发射 发射 用 用 无线电广播无线电广播 发射用 发射用 超声波超声波 音 频音 频 光通信光通信 微波微波 频率 (Hz) 波长 (m) (1T)(1G)(1M)(1k) 1011 1018 f f 射频射频 14 10 45 1010

3、 45 1010 光纤通信的故事光纤通信的故事 l烽火传信 l古希腊的火炬墙 l贝尔光电话系统 l大气光通信 l地下光通信 l光纤的雏形 l高锟和现代光纤通信 n 1 n 2 n 0 全全反反射射 n 2 c A A B max c 90 0_ c 120014001600 衰衰减减 波波长长 0.1 0.2 0.3 0.5 170015001300 0.4 0.6 窗窗口口 OSCL U E (dB/km) ( nm ) 光纤通信的发展历程光纤通信的发展历程 l自光纤问世以来,光纤通信的发展主要经历了 四个发展时期: l第一个时期是1970年代的初期发展阶段,主 要解决了光纤的低损耗,光源和

4、光接收器等光 器件,小容量的光纤通信系统的商用化。到 1976年,日本电话电报公司使光纤损耗下降到 0.5dB/km。1979年,日本电报电话公司研制出 损耗0.2dB/km的光纤。目前,通信光纤最低损 耗0.17dB/km。 l第二个时期是1980年代的准同步数字系列 (PDH)设备的突破和商用化。这个时期光纤开 始代替电缆,数字传输制取代模拟传输制,由于 PDH系统是点对点系统,没有国际统一的光接 口规范、上下电路不方便、成本高、帧结构中 没有足够的管理比特,无法进行网络的运行、 管理与维护等缺点,中期出现了同步数字系列 (SDH)。 l第三个时期是1990年代的通信标准的建立和同 步数字

5、系列(SDH)设备的研制成功及其大量商用 化。 1984年初,美国贝尔通信研究所首先开始了同步 信号光传输体系的研究. 1986年国际电报电话咨询委员会(CCITT)开始审 议SONET标准,随后建议增加2Mbit/s和34Mbit/s 支60在设备功能、光接口、组网方式和网络管 理等方面逐步地予以规范,到目前为止已形成了 一个完整的全球统一的光纤数字通信标准。 l第四个时期是21世纪以来,波分复用(WDM)通 信系统设备的突破和大量商用化。 -光波分复用是多个信源的电信号调制各自的光 载波,经复用后在一根光纤上传输,使一根光纤 起到多根光纤的作用,通信容量成数十倍、百 倍地提高。 -随着网络

6、业务向动态的IP业务的继续汇聚,一个 灵活、动态的光网络是不可或缺的,最新发展 趋势是自动交换光网络(ASON),使光联网从静 态光联网走向动态交换光网络。 1.2光纤通信的优势和特点光纤通信的优势和特点 l电通信中继站多：传输线路的成本高、维护 不方便、运行不可靠。 l石英光纤在1.55 m波长区的损耗可低到0.18 dB/km，比已知的其他通信线路的损耗都低 得多。 表表 1.1.3 1.1.3 光缆和标准同轴电缆的重量和截面积数据比较光缆和标准同轴电缆的重量和截面积数据比较 8 芯芯18 芯芯项目项目 光缆光缆电缆电缆光缆光缆电缆电缆 重量比重量比 （kg/m） 115126 截面积比截

7、面积比 (直径直径, mm) 1519.6 1.3 光纤通信系统的简介光纤通信系统的简介 目前实用的光纤通信系统，较多采用的目前实用的光纤通信系统，较多采用的 是数字编码、强度调制直接检测的通是数字编码、强度调制直接检测的通 信系统（信系统（IMDD系统），这种系统的系统），这种系统的 框图如图所示。框图如图所示。 图图1.2 1.2 光纤通信系统的构成光纤通信系统的构成 光发送机的作用是把输入的电信号转换成光信号，并将光光发送机的作用是把输入的电信号转换成光信号，并将光 信号最大限度地注入光纤线路。光发送机由光源、驱动器信号最大限度地注入光纤线路。光发送机由光源、驱动器 和调制器组成。光发送

8、机的核心是光源，对光源的要求是和调制器组成。光发送机的核心是光源，对光源的要求是 输出功率足够大，调制速率高，光谱线宽度和光束发散角输出功率足够大，调制速率高，光谱线宽度和光束发散角 小，输出光功率和光波长要稳定，器件寿命长。目前，最小，输出光功率和光波长要稳定，器件寿命长。目前，最 广泛使用的光源有半导体激光器（或称激光二极管，广泛使用的光源有半导体激光器（或称激光二极管，LD） 和半导体发光二极管（和半导体发光二极管（LED）。）。 光发送机光发送机 光纤线路是光信号的传输媒质，可把来自发送机的光信号光纤线路是光信号的传输媒质，可把来自发送机的光信号 以尽可能小的衰减和脉冲展宽传送到接收机

9、。对光纤的要以尽可能小的衰减和脉冲展宽传送到接收机。对光纤的要 求是其基本传输参数衰减和色散要尽可能小，并要有一定求是其基本传输参数衰减和色散要尽可能小，并要有一定 的机械特性和环境特性。工程中使用的是由许多根光纤绞的机械特性和环境特性。工程中使用的是由许多根光纤绞 合在一起组成的光缆。整个光纤线路由光纤、光纤接头和合在一起组成的光缆。整个光纤线路由光纤、光纤接头和 光纤连接器等组成。光纤连接器等组成。 目前使用的光纤均为石英光纤。石英光纤的损耗波长特目前使用的光纤均为石英光纤。石英光纤的损耗波长特 性中有三个低损耗的波长区，即波长分别为性中有三个低损耗的波长区，即波长分别为850nm、 13

10、10nm、1550nm的三个低损耗区。的三个低损耗区。 光纤线路光纤线路 光接收机的功能是把由发送机发送的、经光纤线路传输后光接收机的功能是把由发送机发送的、经光纤线路传输后 输出的已产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并输出的已产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并 经放大、再生恢复为原来的电信号。经放大、再生恢复为原来的电信号。 光接收机由光检测器、放大器和相关电路组成。对光检测光接收机由光检测器、放大器和相关电路组成。对光检测 器的要求是响应度高、噪声低、响应速度快。目前广泛使器的要求是响应度高、噪声低、响应速度快。目前广泛使 用的光检测器有光电二极管（用的光检测器有光电二极管（

11、PIN）和雪崩光电二极管）和雪崩光电二极管 （APD）。）。 光接收机光接收机 按系统传输的信号分按系统传输的信号分 按照光纤通信系统中所传信号的形式可将光纤通信系统分为按照光纤通信系统中所传信号的形式可将光纤通信系统分为 模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统两类。模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统两类。 按光纤通信系统所用光纤分按光纤通信系统所用光纤分 光纤通信系统的主要传输介质为光纤，而目前在市场上主要光纤通信系统的主要传输介质为光纤，而目前在市场上主要 有单模光纤和多模光纤两种，所以按所用光纤可将光纤通信有单模光纤和多模光纤两种，所以按所用光纤可将光纤通信 系统分为单模光纤系统和多模光纤系

12、统两类。系统分为单模光纤系统和多模光纤系统两类。 按光源的调制方式分按光源的调制方式分 通常光纤通信系统将待传送的电信号调制到光源器件（激光通常光纤通信系统将待传送的电信号调制到光源器件（激光 器或发光管）上变为光信号在光纤中传送，按照信号对光源器或发光管）上变为光信号在光纤中传送，按照信号对光源 的调制方式，我们换可以将光纤通信系统分为直接调制光通的调制方式，我们换可以将光纤通信系统分为直接调制光通 信系统和间接调制光通信系统。信系统和间接调制光通信系统。 1.4 光纤通信系统的分类光纤通信系统的分类 按拓扑结构分按拓扑结构分 光纤通信系统用来连接一些节点，这些节点通常可能是交换光纤通信系统

13、用来连接一些节点，这些节点通常可能是交换 机、终端、计算机、工作站等。光纤通信系统可分为三类：机、终端、计算机、工作站等。光纤通信系统可分为三类： 点对点系统、一点对多点系统以及网络。点对点系统、一点对多点系统以及网络。 图图1.3光纤通信系统拓扑结构光纤通信系统拓扑结构 121 3 N 2 ( (b b) )一一点点对对多多点点 ( (a a) )点点对对点点 75 123 ( (c c) )网网络络 6 4 89 按网络服务范围分按网络服务范围分 传统上，以网络的服务范围把网络分为三类传统上，以网络的服务范围把网络分为三类: (1)局域网，服务范围局域网，服务范围2km，如以太网，信令环和

14、信令总，如以太网，信令环和信令总 线线; (2)城域网，服务范围城域网，服务范围100km，如电话本地交换网或者有，如电话本地交换网或者有 线电视线电视)分配系统分配系统; (3)广域网络，服务范围可达数千公里，如开放系统互连国广域网络，服务范围可达数千公里，如开放系统互连国 际网络等。际网络等。 1.5 光纤通信系统的应用光纤通信系统的应用 光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光 纤在通信网、广播电视网与计算机网，以及在其 它数据传输系统中， 都得到了广泛应用。 l通信网 l构成因特网的计算机局域网和广域网 l有线电视网的干线和分配网；工业电视系统 l综合业务光纤接入网 通信网 公用电

15、信网：公用电信网： 核心网、城域网核心网、城域网 光纤接入网光纤接入网 海底光缆及洲际通信网海底光缆及洲际通信网无线通信网无线通信网 光纤通信的典型应用光纤通信的典型应用 光光发发 射射机机 光光接接 收收机机 光光纤纤 移移动动业业务务 交交换换中中心心 （MSC） 市市话话局局 或或长长途途局局 ATM Internet骨干网骨干网 DDN/ FR PSTN/ISDN TV 业务分配节点业务分配节点 (COT)(COT) 业务接入节点（业务接入节点（RTRT） 网管网管 SNMP 与电信网管中心相连与电信网管中心相连 Q3 100/1000M E1/BRA/PRA 155M 622MSDH

16、 宽带综合业务光纤接入系统宽带综合业务光纤接入系统 电力、煤炭系统的监视、控制和管理电力、煤炭系统的监视、控制和管理 电力系统：光纤可以放在输电线、地线的中心，不电力系统：光纤可以放在输电线、地线的中心，不 受干扰。受干扰。 尤其在观测雷击的时候能起到电设备不可替代的作用。尤其在观测雷击的时候能起到电设备不可替代的作用。 煤炭系统：电监控系统信号均为电信号，在含瓦斯高的矿井中容易引起煤炭系统：电监控系统信号均为电信号，在含瓦斯高的矿井中容易引起 爆炸。因此，如果考虑安全因素，电信号功率不能太大，这又导致传爆炸。因此，如果考虑安全因素，电信号功率不能太大，这又导致传 输距离受限。而如果采用光纤系

17、统，很多设备可以无源化，即保证了输距离受限。而如果采用光纤系统，很多设备可以无源化，即保证了 安全，又能实现远距离监控。安全，又能实现远距离监控。 能源系统能源系统 铁路、地铁和高速公路通信及监控网络系统铁路、地铁和高速公路通信及监控网络系统 交通系统交通系统 例如在例如在铁路通信网特点：铁路通信网特点： 1. 1. 节点多，分支、插入话路频繁节点多，分支、插入话路频繁 2.2. 通信量大小不一，需求不同通信量大小不一，需求不同( (传输电话、数据、传输电话、数据、 图像图像) ) 3.3. 要求有要求有强抗电磁干扰能力强抗电磁干扰能力 除了光纤通信，没有哪一种通信方式能满足这些除了光纤通信，

18、没有哪一种通信方式能满足这些 要求要求 光纤制导武器：光纤制导武器：光纤光纤 制导导弹、光纤制制导导弹、光纤制 导鱼雷需要获得实导鱼雷需要获得实 时的目标图像同时时的目标图像同时 要求控制线轻巧要求控制线轻巧 水下通信系统是扫水下通信系统是扫 雷舰与浮游载体之雷舰与浮游载体之 间的数据传输线路。间的数据传输线路。 军事军事 利用传像束的内利用传像束的内 窥镜激光手术刀窥镜激光手术刀 医疗器械医疗器械 激光手术中，有时需要手术的激光手术中，有时需要手术的 部位在人体腔道内，部位在人体腔道内， 这就要求激光能拐弯。目前大这就要求激光能拐弯。目前大 多数医疗激光可以通多数医疗激光可以通 过石英光纤来

19、实现拐弯，因此过石英光纤来实现拐弯，因此 激光手术刀又叫光纤激光手术刀又叫光纤 手术刀。手术刀。 机载电子机载电子 1.光纤通信在我国的发展现状光纤通信在我国的发展现状 我国的光纤通信技术在发展的过程中经历很多的波折和我国的光纤通信技术在发展的过程中经历很多的波折和 困难，但是随着科学的不断进步和发展，我国的光纤通困难，但是随着科学的不断进步和发展，我国的光纤通 信已经掌握了光纤、系统以及器件等等各个方面的重要信已经掌握了光纤、系统以及器件等等各个方面的重要 技术。光纤通信技术的应用和创新在国际上也是比较先技术。光纤通信技术的应用和创新在国际上也是比较先 进的国家。到目前为止，我国的光纤通信的

20、应用范围也进的国家。到目前为止，我国的光纤通信的应用范围也 越来越广，不仅涉及到海底通信、长途干线以及局域网越来越广，不仅涉及到海底通信、长途干线以及局域网 等等，而且在国际上应用也是非常广泛的。等等，而且在国际上应用也是非常广泛的。 1.6光纤通信技术发展现状及展望光纤通信技术发展现状及展望 单模和多模光纤单模和多模光纤 随着我国通信技术和通信设备的不断发展，随着我国通信技术和通信设备的不断发展， 对长距离的网络信号的传输运用的需求量越来对长距离的网络信号的传输运用的需求量越来 越多，当前我国所采用的光纤通信主要是单模越多，当前我国所采用的光纤通信主要是单模 和多模光纤，多模光纤的价格比较低

21、，传输的和多模光纤，多模光纤的价格比较低，传输的 距离相对较短，主要应用于中短距离的传输信距离相对较短，主要应用于中短距离的传输信 号的场合，单模光纤主要应用于长距离的传输，号的场合，单模光纤主要应用于长距离的传输， 并且适合在多个不同的地域应用。并且适合在多个不同的地域应用。 光纤接入技术的应用光纤接入技术的应用 光纤接入技术的应用不仅可以实现信息的光纤接入技术的应用不仅可以实现信息的 传输的高速化，而且满足人们的需求。光纤接传输的高速化，而且满足人们的需求。光纤接 入技术是高速信息接入用户中的关键措施，在入技术是高速信息接入用户中的关键措施，在 光纤接入技术中，由于光纤到达的地理位置不光纤

22、接入技术中，由于光纤到达的地理位置不 同有不同的应用，比如同有不同的应用，比如FTTC、FTTH、FTTB等等 就是根据用户的程度进行定义的。其中就是根据用户的程度进行定义的。其中FTTH是是 光纤接入技术中最后一种方式，他可以给用户光纤接入技术中最后一种方式，他可以给用户 提供全光的接入技术。所以可以充分利用宽带提供全光的接入技术。所以可以充分利用宽带 的特性，给用户提供不受任何限制的宽带。这的特性，给用户提供不受任何限制的宽带。这 种技术的应用主要是从种技术的应用主要是从2003年投入使用的，年投入使用的， 目前已经在全国的目前已经在全国的30多个城市内建立实验网。多个城市内建立实验网。

23、光波复用技术的应用光波复用技术的应用 光纤通信的复用技术的应用已经从电时分光纤通信的复用技术的应用已经从电时分 系统（系统（ETDM）的应用发展到光时分复用）的应用发展到光时分复用 （OTDM）系统、光波分复用系统（）系统、光波分复用系统（WDM），）， 光码分复用系统（光码分复用系统（OCDM）以及光频分复用系）以及光频分复用系 统（统（OFDM）等等方向发展应用。）等等方向发展应用。 光纤通信技术的发展已历经光纤通信技术的发展已历经40余年，其技术余年，其技术 和应用已经得到飞速的发展，可以这样说在现今和应用已经得到飞速的发展，可以这样说在现今 的信息应用领域，光纤通信技术的应用无处不在。

24、的信息应用领域，光纤通信技术的应用无处不在。 但是随着科学技术的不断发展和社会的不断进步，但是随着科学技术的不断发展和社会的不断进步， 光纤通信技术依然有很大的发展前景和发展空间。光纤通信技术依然有很大的发展前景和发展空间。 下面我们就光纤技术、光器件技术、光纤传输技下面我们就光纤技术、光器件技术、光纤传输技 术、光网络技术及相关光纤通信新技术等对光纤术、光网络技术及相关光纤通信新技术等对光纤 通信技术的发展趋势作一展望。通信技术的发展趋势作一展望。 2.光纤通信技术未来发展趋势光纤通信技术未来发展趋势 光纤技术的发展光纤技术的发展 当前光纤通信技术主要采用石英作为原材料当前光纤通信技术主要采

25、用石英作为原材料 进行制造的光纤，但是石英光纤的发展以及达到进行制造的光纤，但是石英光纤的发展以及达到 0.2db/Km，已经接近理论的数值，石英光纤不，已经接近理论的数值，石英光纤不 可能再达到可能再达到0.1db/Km以下，所以，人们正在进以下，所以，人们正在进 行探索采用重金属氧化物、氟化物以及卤化物玻行探索采用重金属氧化物、氟化物以及卤化物玻 璃纤维不仅可以达到璃纤维不仅可以达到0.7db/Km,而且可以将之减而且可以将之减 少到少到0.02db/Km，这些光纤原材料可以将光纤技，这些光纤原材料可以将光纤技 术向超长波进行转换。从而可以使一次传输距离术向超长波进行转换。从而可以使一次传

26、输距离 不仅达到上万米，而且可以达到更长的传输距离。不仅达到上万米，而且可以达到更长的传输距离。 另外人们也在研究其他一些特殊用途光纤。另外人们也在研究其他一些特殊用途光纤。 光器件技术光器件技术 光通信的核心技术在于光器件和光电器件技光通信的核心技术在于光器件和光电器件技 术术,许多系统技术的实现是建立在器件技术进步的许多系统技术的实现是建立在器件技术进步的 基础上的。光器件和光电器件技术的发展方向是基础上的。光器件和光电器件技术的发展方向是 光集成光集成(PIC)和光电集成和光电集成(OEIC),这也是应用提出这也是应用提出 的要求。器件发展主要有：光器件的集成化和小的要求。器件发展主要有

27、：光器件的集成化和小 型化；支持智能化的光可变换器件，包括可调谐型化；支持智能化的光可变换器件，包括可调谐 光源、可调谐光滤波器、全光波长转换器、光可光源、可调谐光滤波器、全光波长转换器、光可 变衰减器等；支持全光网实现的平面光波技术；变衰减器等；支持全光网实现的平面光波技术； 以及新一代的光电子材料以及新一代的光电子材料光子晶体及其光子晶光子晶体及其光子晶 体光纤（体光纤（PCF）。）。 光纤传输技术光纤传输技术 通信传输体制从准同步体系到同步数字体系，通信传输体制从准同步体系到同步数字体系， 再到由波分复用技术（再到由波分复用技术（WDM）引入的光传送体系）引入的光传送体系 （OTH）。光纤传输系统由单波长通道进入了多）。光纤传输系统由单波长通道进入了多 波长通道，再通过空分、时分、频分、码分等多波长通道，再通过空分、时分、频分、码分等多 址复用的引入进一步提高了光纤通信系统的传输址复用的引入进一步提高了光纤通信系统的传输 容量。目前光纤传输技术正在朝着超大容量和超容量。目前光纤传输技术正在朝着超大容量和超 长距离传输的方向发展。长距离传输的方向发展。 光网络技术光网络技术 光网络技术包括交换节点技术和相关网络演光网络技术包括交换节点技术和相关网络演 化技术。