现代通信第05章光纤精编版

1、 5.1.1 光纤通信发展的历史和现状光纤通信发展的历史和现状 探索时期的光通信探索时期的光通信 1880年，美国人贝尔年，美国人贝尔(Bell)发明了用发明了用光波作载波光波作载波 传送话音传送话音的的“光电话光电话”。贝尔光电话是现代光通。贝尔光电话是现代光通 信的雏型。信的雏型。 原始形式的光通信原始形式的光通信:中国古代用中国古代用“烽火台烽火台”报警，报警， 欧洲人用旗语传送信息。欧洲人用旗语传送信息。 1960年，美国人梅曼年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台发明了第一台红红 宝石激光器，宝石激光器， 给光通信带来了新的希望。激光器给光通信带来了新的希望。激光器 的发明和应用

2、，的发明和应用， 使沉睡了使沉睡了80年的光通信进入一个年的光通信进入一个 崭新的阶段。崭新的阶段。 在这个时期，美国麻省理工学院利用在这个时期，美国麻省理工学院利用He - Ne激光激光 器和器和CO2激光器进行了大气激光通信试验。激光器进行了大气激光通信试验。 由于没有找到由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质稳定可靠和低损耗的传输介质， 对光通信的对光通信的 研究曾一度走入了低潮。研究曾一度走入了低潮。 5.1.2 现代光纤通信现代光纤通信 1966年，英籍华裔学者年，英籍华裔学者高锟高锟(C.K.Kao)和霍和霍 克哈姆克哈姆(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概发表了关于传

3、输介质新概 念的论文，指出了利用光纤念的论文，指出了利用光纤(Optical Fiber)进行进行 信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通 信信光纤通信光纤通信的基础。的基础。 指明通过指明通过“原材料的提纯制造出适合于原材料的提纯制造出适合于 长距离通信使用的低损耗光纤长距离通信使用的低损耗光纤”这一发展方这一发展方 向向 1970年，年，光纤光纤研制取得了重大突破研制取得了重大突破 1970年，年，美国康宁美国康宁(Corning)公司研制成功损耗公司研制成功损耗20dB/km 的的石英光纤石英光纤。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。把光纤通

4、信的研究开发推向一个新阶段。 1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/km。 1973 年，美国贝尔年，美国贝尔(Bell)实验室的光纤损耗降低到实验室的光纤损耗降低到 2.5dB/km。1974 年降低到年降低到1.1dB/km。 1976 年，日本电报电话年，日本电报电话(NTT)公司将公司将光纤损耗降低到光纤损耗降低到 0.47 dB/km(波长波长1.2m)。 在以后的在以后的 10 年中，波长为年中，波长为1.55 m的光纤损耗：的光纤损耗： 1979 年是年是0.20 dB/km，1984年是年是0.157 dB/km，1986

5、 年年 是是0.154 dB/km， 接近了光纤最低损耗的理论极限接近了光纤最低损耗的理论极限。 光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段： 第一阶段第一阶段(19661976年年)，这是从基础研，这是从基础研 究到商业应用的开发时期。究到商业应用的开发时期。 第二阶段第二阶段(19761986年年)，这是以，这是以提高传提高传 输速率和增加传输距离输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应为研究目标和大力推广应 用的大发展时期。用的大发展时期。 第三阶段第三阶段(19861996年年)，这是以，这是以超大容超大容 量超长距离为目标量超长距离为目标、全面深入开展

6、新技术研究的、全面深入开展新技术研究的 时期。时期。 光纤通信是以光纤通信是以光波为载频、光导纤维光波为载频、光导纤维 （简称光纤）为传输媒质（简称光纤）为传输媒质的一种通信方的一种通信方 式。式。 光纤通信的优点和应用光纤通信的优点和应用 光通信与电通信光通信与电通信 通信系统的传输容量传输容量取决于对载波调制的频带频带 宽度宽度。 光通信的主要特点光通信的主要特点 载波频率高；频带宽度宽载波频率高；频带宽度宽 光通信利用的传输媒质光通信利用的传输媒质-光纤，可以在宽波长范光纤，可以在宽波长范 围内获得围内获得很小的损耗很小的损耗。 图图 各种传输线路的损耗特性各种传输线路的损耗特性 100

7、0 100 10 1 0.1 10 M 标准同轴 38 mm海底同轴 光纤 100 M1 G10 G100 G1 T10 T100 T 1000 T 频率/Hz M：(注) G： T： 106 109 1012 传输损耗/(dBkm 1) 51 mm波导器 光纤通信的光纤通信的优点优点 容许频带很宽，容许频带很宽，传输容量很大传输容量很大 损耗很小损耗很小， 中继距离很长中继距离很长且且误码率很小误码率很小 重量轻、重量轻、 体积小体积小 抗电磁干扰性能好抗电磁干扰性能好 泄漏小，泄漏小， 保密性能好保密性能好 节约金属材料，节约金属材料， 有利于资源合理使用有利于资源合理使用 光纤通信的光纤

8、通信的应用应用 光纤可以光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信传输数字信号，也可以传输模拟信 号号。光纤在通信网、广播电视网与计算机网，。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，以及在其它数据传输系统中， 都得到了广泛应都得到了广泛应 用。光纤用。光纤宽带干线传送网宽带干线传送网和和接入网接入网发展迅速，发展迅速， 是当前研究开发应用的主要目标。是当前研究开发应用的主要目标。 光纤通信的各种应用可概括如下：光纤通信的各种应用可概括如下： 通信网通信网 构成因特网的计算机局域网和广域网构成因特网的计算机局域网和广域网 有线电视网的干线和分配网有线电视网的干线和分配网 综合

9、业务光纤接入网综合业务光纤接入网 SDH 骨干网 SDH 汇聚网 PDH 网络 国际长途国际长途 传输传输 国内长途国内长途 传输传输 本地传输本地传输 海底光缆海底光缆 通信通信 国内长途传输节点国内长途传输节点 国际长途传输节点国际长途传输节点本地传输骨干节点本地传输骨干节点 本地传输汇聚节点本地传输汇聚节点 陆地光缆陆地光缆 通信通信 中国电信光缆、微波和卫星的立体传送网中国电信光缆、微波和卫星的立体传送网 卫星卫星 通信通信 微波通信微波通信 光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成 下图示出单向传输的光纤通信系统，包括下图示出单向传输的光纤通信系统，包括发发 射、接收射、接收和作

10、为广义信道的基本和作为广义信道的基本光纤传输系统光纤传输系统。 p83 信 息 源 电 发 射 机 光 发 射 机 光 接 收 机 电 接 收 机 信 息 宿 基本光纤传输系统 光纤线路 接 收发 射 电信号 输入 光信号 输出 光信号 输入 电信号 输出 把电光转换：叫做电信号对光的调把电光转换：叫做电信号对光的调 制制 强度是指单位面积上的光功率。强度是指单位面积上的光功率。 就是在就是在发送端用电信号通过发送端用电信号通过 调制器控制光源的发光强度调制器控制光源的发光强度，使光强，使光强 随着信号电流线性变化，从而随着信号电流线性变化，从而将电信将电信 号转变成相应的已调光信号送入光纤号

11、转变成相应的已调光信号送入光纤 进行传输。常用的电信号对光的调进行传输。常用的电信号对光的调 制方法制方法 v 光纤的损耗系数随着波长而变化光纤的损耗系数随着波长而变化，为获得低损耗，为获得低损耗 特性，光纤通信选用的波长范围在特性，光纤通信选用的波长范围在 0.81.8m，并，并 称称0.81.0m为短波长波段，为短波长波段，1.01.8m为长波长为长波长 波段。波段。 v目前光纤通信实用的波长目前光纤通信实用的波长即短波长段的即短波长段的 0.85m、长波长波段的、长波长波段的1.31m和和1.55m， 通常称其为是目前光纤通信的通常称其为是目前光纤通信的三个实用窗口。三个实用窗口。 0.

12、7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 衰减（衰减（dB/km） 第一窗口第一窗口 第二窗口第二窗口 波长波长（m） 普通单模光纤的普通单模光纤的衰减随波长衰减随波长变化示意图变化示意图 6 5 4 3 2 1 0。4 0。2 第三窗口第三窗口 C 波段波段 15251565nm 1.57 1.62 L波段波段 5.2 光 纤 光纤的结构和分类光纤的结构和分类 光纤由光纤由纤芯和包层两部分纤芯和包层两部分组成，组成，纤芯完成纤芯完成 光信号的传输，包层是为了将光信号封闭在纤光信号的传输，包层是为了将光信号封闭在纤 芯中并保护纤芯芯中并保护纤芯。纤芯和包层的。纤芯和包

13、层的折射率不同折射率不同， 设纤芯、包层的折射率分别为设纤芯、包层的折射率分别为n1、n2,则则n1n2。 一、一、 光纤的结构光纤的结构 目前通信用的光纤大多采用石英玻璃目前通信用的光纤大多采用石英玻璃(SiO ) 制成的横截面很小的双层同心圆柱体，未经制成的横截面很小的双层同心圆柱体，未经涂涂 覆和套塑时称为裸光纤，如图所示。覆和套塑时称为裸光纤，如图所示。 光纤与光缆光纤与光缆 1.光纤的结构光纤的结构 v石英玻璃、塑石英玻璃、塑 料或晶体料或晶体 v纤芯纤芯(折射率大折射率大) 和包层和包层 v全反射全反射 光纤的分类光纤的分类 按工作波长：按工作波长： v 短波长短波长(850nm)

14、和和长波长长波长(1310nm、 1550nm) 按传输模式按传输模式(根据光纤中传输模式数量的不同根据光纤中传输模式数量的不同)： v 多模光纤和多模光纤和单模光纤单模光纤 按折射率分布：按折射率分布： v 阶跃阶跃(突变突变)型型(SI)、渐变、渐变(梯度梯度)型型(GI)和和W 型型 按材料：按材料： v 石英光纤石英光纤、塑料光纤等、塑料光纤等 光纤的分类光纤的分类 1. 按照光纤横截面上折射率分布不同来分按照光纤横截面上折射率分布不同来分 (1) 阶跃型光纤（阶跃型光纤（突变型多模光纤）突变型多模光纤） (2) 渐变型光纤渐变型光纤 图 三种基本类型的光纤 (a) 突变型多模光纤突变

15、型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤；渐变型多模光纤； （c） 单模光纤单模光纤 横截面 2a 2b r n 折射率分布 纤芯包层 Ai t Ao t (a) 输入脉冲光线传播路径输出脉冲 50 m 125m r n Ai t Ao t (b) 10 m125m r n Ai t Ao t (c) 2. 按照传输的总模数来分按照传输的总模数来分 所谓模式，实质上是电磁场的一种分布形所谓模式，实质上是电磁场的一种分布形 式。模式不同，其分布不同，根据光纤中传输式。模式不同，其分布不同，根据光纤中传输 模式数量来分，可分为单模光纤和多模光纤。模式数量来分，可分为单模光纤和多模光纤。 (1) 单模光

16、纤单模光纤(SM-Single mode fiber) (2) 多模光纤多模光纤(MM-Multi mode fiber) 多模光纤 62.5/125 m 的光纤的光纤 典型距离达典型距离达5英里英里 用于：用于： vCCTV v门禁控制系统门禁控制系统 v内部通讯内部通讯 单模光纤 无限带宽无限带宽 810 m 典型距离超过典型距离超过5英里英里 用于：用于： v长途电信长途电信 v长途电视监控及多路切换长途电视监控及多路切换 v共用天线电视系统共用天线电视系统 光传播的基本知识光传播的基本知识 n n1 1 n n2 2 n n1 1 n n2 2 n n1 1 n n2 2 临界角临界角

17、 90900 0 临界角临界角 n n1 1 n n2 2 全反射全反射 入射角入射角= =反射角反射角 1 1 2 2 产生全反射的条件：n1n2 90临界角 图 突变型多模光纤的光线传播原理 3 2 1 y 1 l L x o c 2 3 纤芯n1 包层n2 z c 1 1. 突变型多模光纤突变型多模光纤 设设和和折射率分别为折射率分别为n1和和n2，空气的折，空气的折 射率射率n0=1， 纤芯中心轴线与纤芯中心轴线与z轴一致，轴一致， 如下图。如下图。 光线在光纤端面以小角度光线在光纤端面以小角度从空气入射到纤芯从空气入射到纤芯 (n0n2)。 改变角度改变角度，不同，不同相应的光线将在

18、相应的光线将在与与交界面交界面 发生反射或折射。发生反射或折射。 根据根据全反射原理全反射原理， 存在一个临界角存在一个临界角c。 。 当当c时，相应的光线将在交界面折射进入时，相应的光线将在交界面折射进入并逐并逐 渐消失，如光线渐消失，如光线3。 由此可见，只有在半锥角为由此可见，只有在半锥角为 c的圆锥内入射的光束 的圆锥内入射的光束 才能在光纤中传播。才能在光纤中传播。 光纤的传输特性光纤的传输特性 1.损耗损耗 v 光纤的传输损耗是影响系统传输距离的重要光纤的传输损耗是影响系统传输距离的重要 因素，光纤自身的损耗主要有吸收损耗和散射因素，光纤自身的损耗主要有吸收损耗和散射 损耗。损耗。

19、 吸收损耗吸收损耗是光波通过光纤材料时，是光波通过光纤材料时，有一部有一部 分光能变成热能，造成光功率的损失分光能变成热能，造成光功率的损失。 散射损耗散射损耗是由于光纤的材料、形状、折射是由于光纤的材料、形状、折射 率分布等的缺陷或率分布等的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光不均匀，使光纤中传导的光 发生散射，发生散射，由此产生的损耗为散射损耗由此产生的损耗为散射损耗。 光纤色散(Dispersion) v由于光纤中色散的存在，会使得输由于光纤中色散的存在，会使得输 入脉冲在传输过程中展宽，产生码入脉冲在传输过程中展宽，产生码 间干扰，增加误码率。间干扰，增加误码率。它是限制传它是限制传 输速率

20、的主要因素。输速率的主要因素。 散射 由于光线的基本结构不完美，引起的光能量损由于光线的基本结构不完美，引起的光能量损 失，失，此时光的传输不再具有很好的方向性。此时光的传输不再具有很好的方向性。 简单地说，光纤的色散就是由于光纤中光信号简单地说，光纤的色散就是由于光纤中光信号 中的中的不同频率成分不同频率成分或不同的模式，或不同的模式，在光纤中传在光纤中传 输时，由于速度的不同而使得传播时间不同输时，由于速度的不同而使得传播时间不同， 因此造成光信号中的不同频率成分或不同模式因此造成光信号中的不同频率成分或不同模式 到达光纤终端有先有后，从而产生到达光纤终端有先有后，从而产生波形畸变的波形畸

21、变的 一种现象。一种现象。 光线光线 缺陷缺陷 3.非线性效应非线性效应 v 光纤通信中，激光器输出的高功率导光纤通信中，激光器输出的高功率导 致光纤的非线性极为显著。致光纤的非线性极为显著。 v非线性效应：在非线性效应：在输出端可以产生输入输出端可以产生输入 端所没有的新的频率分量端所没有的新的频率分量。 光纤的传输性能光纤的传输性能 1. 1. 衰减衰减( (LossLoss) ) (1)(1)衰减衰减( (dBdB ) ) 衰减是光纤的一个重要传输参数。衰减是光纤的一个重要传输参数。 它表明了光纤对光能量的传输损耗，它表明了光纤对光能量的传输损耗， 对光纤质量的评定和对光纤通信系统对光纤

22、质量的评定和对光纤通信系统 的中继距离的确定都起着十分重要的的中继距离的确定都起着十分重要的 作用，其评定量纲为作用，其评定量纲为dBdB。 (2)(2)衰减系数衰减系数( (dB/kmdB/km) ) 衰减系数定义为单位长度光纤引衰减系数定义为单位长度光纤引 起的光功率衰减，其评定量纲为起的光功率衰减，其评定量纲为 dB/KmdB/Km。 光缆 按芯数分为单芯、按芯数分为单芯、 双芯、多芯双芯、多芯 按敷设场合分为架按敷设场合分为架 空、直埋、管道、空、直埋、管道、 移动、室内、水下、移动、室内、水下、 海底等海底等 按用途分为通信用按用途分为通信用 光缆和非通信用光光缆和非通信用光 缆缆

23、加强加强 元件元件 加强加强 元件元件 加强加强 元件元件 加强加强 元件元件 加强加强 元件元件 光纤光纤 光缆分类 根据使用条件根据使用条件可以分为：可以分为： 等。 特种光缆常见的有：电力网使用的 (OPGW)， 跨越海洋 的，易燃易爆环境使用的 以及各种不同条件下使用的 等。 5.3 光发射机和接收机 光源 v 在光纤通信系统中在光纤通信系统中光源的作用是将被传输的光源的作用是将被传输的 电信号转换为光信号送入光纤电信号转换为光信号送入光纤，即完成电，即完成电/光光 转换任务。转换任务。 v1. LD的特性的特性 v 半导体激光器在注入电流达到一定数值半导体激光器在注入电流达到一定数值

24、 （IIt）时，才发出激光；而）时，才发出激光；而Im) v mBnB码又叫分组码，是把输入的信码又叫分组码，是把输入的信 息码流以息码流以m比特（比特（mB）分为一组，再）分为一组，再 按按一定规则（变换表）变换成一定规则（变换表）变换成n比特比特 （nB）一组的码组输出）一组的码组输出。 v常用码型：常用码型：5B6B码码 0111 1111111 0110 1110110 0101 1101101 0100 1100100 0011 1011011 0010 1010010 0001 1001001 0000 1000000 4B3B 3B和和4B的码字的码字 2.插入比特码插入比特码

25、v 这种码型是把输入的信息码流按这种码型是把输入的信息码流按m比比 特分为一组，再在每组的特分为一组，再在每组的m位之后插位之后插 入一个比特入一个比特（根据每组中奇偶校验结（根据每组中奇偶校验结 果，插入奇偶校正位），组成线路码。果，插入奇偶校正位），组成线路码。 3.加扰码加扰码 v 扰码是把已知的二进制序列扰码是把已知的二进制序列按一定方按一定方 法加入到信息码流中法加入到信息码流中，在接收端，用，在接收端，用 同样方法再恢复出原来的信息码流同样方法再恢复出原来的信息码流。 5.5 光纤通信新技术 光放大器 光波分复用技术 光弧子通信技术 掺铒光纤放大器(EDFA) 光纤放大器包括光纤放

26、大器包括稀土掺杂光纤放大器稀土掺杂光纤放大器和利和利 用非线性效应的常规光纤放大器。用非线性效应的常规光纤放大器。 损耗是限制无中继传输距离的主要原因。损耗是限制无中继传输距离的主要原因。 掺铒光纤放大器如图掺铒光纤放大器如图4-6-1所示，所示， 20世纪80 年代末期，波长为1.55 m的掺铒掺铒(Er)光纤放大光纤放大 器器(EDFA： ErbiumDoped Fiber Amplifier) 研制成功并投入实用，研制成功并投入实用，把光纤通信技术水平推把光纤通信技术水平推 向一个新高度向一个新高度，成为光纤通信发展史上一个重，成为光纤通信发展史上一个重 要的里程碑。要的里程碑。 掺铒光

27、纤放大器示意图掺铒光纤放大器示意图 当当泵浦泵浦(Pump)光的光子能量等于能级光的光子能量等于能级3和能级和能级1的的 能量差时，铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到激发态能量差时，铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到激发态 (13)。 这种放大是由于泵浦光的能量转换为信号光的结果。这种放大是由于泵浦光的能量转换为信号光的结果。 掺铒光纤放大器的优点：掺铒光纤放大器的优点： 它它工作在工作在1.55m，正好是波分复用系统工正好是波分复用系统工 作波段；作波段； 它的它的增益带宽很宽增益带宽很宽，达，达30nm或更高，可以或更高，可以 实现各路光信号的同时放大，尤其实用于密集实现各路光信号的同时放大，尤其实用

28、于密集 波分（波分（DWDM)系统；系统； 它的它的增益高增益高，约为，约为2040dB，且有较高的饱，且有较高的饱 和输出功率，可用于功率放大；和输出功率，可用于功率放大； 它能做到低噪声工作；它能做到低噪声工作； 它便于与光纤通信系统连接，耦合损耗小，它便于与光纤通信系统连接，耦合损耗小， 可达可达0.1dB；最后，它所需泵浦光功率低，约；最后，它所需泵浦光功率低，约 数十毫瓦，泵浦效率较高。数十毫瓦，泵浦效率较高。 光波分复用技术光波分复用技术 随着人类社会信息时代的到来，对通信的需求呈随着人类社会信息时代的到来，对通信的需求呈 现加速增长的趋势。发展迅速的各种新型业务现加速增长的趋势。发展迅速的各种新型业务(特别是特别是 高速数据和视频业务高速数据和视频业务)对通信网的带宽对通信网的带宽(或容量或容量)提出了提出了 更高的要求。更高的要求。 为了适应通信网传输容量的不断增长和满足网络为了适应通信网传输容量的不断增长和满足网络 交互性、灵活性的要求，产生了各种复用技术。交互性、灵活