05光纤通信系统讲义第一章

1、光纤通信系统主讲：李齐良第一章 概述1.1. 光纤通信的发展概况 光通信就是发出包含了某种信息在内的光，将这种光通过媒质光纤传到对方，然后在这种光中取出原来的信息，这就是光纤通信。 古代，我们的祖先已经利用光来传递信息。建造烽火台，用烟和火花来报警，用旗语来传送信息等。 1997年11月，我国参与建设的海底光缆系统（FLAG）建成并投入运营，这是第一条在我国登陆的洲际光缆系统，分别在英国、埃及、印度、泰国、日本等12个国家和地区登陆，全长27000多公里，其中中国段为622公里 1999年。中国电信和新加坡等地的电信公司共同发起的亚欧海底光缆系统，该系统连接亚洲、欧洲和大洋洲，在33个国家和地

2、区登陆，全长达38000公里，是世界上最长的海底光缆，采用先进的8波长波分复用技术，主干路由的设计容量高达40Gbs Sea-Me-We 3 1988年，在美国与英国、法国之间敷设了越洋的海底光缆（TAT-8）系统，全长6700公里。这条光缆含有3对光纤，每对的传输速率为280Mbs，中继站距离为67公里。这是第一条跨越大西洋的通信海底光缆，标志着海底光缆时代的到来。 1989年，跨越太平洋的海底光缆（全长13200公里）也建设成功，从此，海底光缆就在跨越海洋的洲际海缆领域取代了同轴电缆，远洋洲际间不再敷设海底电缆。 第一个在中国登陆的国际海底光缆系统是1993年12月建成的中国日本（C-J）

3、海底光缆系统。 1996年2月中韩海底光缆建成开通，分别在我国青岛和韩国泰安登陆、全长549公里 History of Undersea cable照Pioneer公司预测，海底光缆系统的建设资金（包括新建和升级改造），2003年为最低点，2007年则可恢复到2001年的水平。略高于140亿美元)。而Terabit Consulting公司认为，2004年后海底光缆建设将开始复苏，2004-2009年海底光缆的投资总额可达496亿美元（这段时间每年平均80多亿美元）。但日本KDDI公司认为，从现时的市场感觉以及根据IT泡沫发生前的长时期内市场的发展趋势来判断，Consulting公司的预测将很

4、难成为现实。KDDI还认为，2004年后海底光缆建设每年的投资额充其量也就是40亿美元左右。 2004年4月，富士通宣布和合作伙伴Alcatel共同赢得Sea-Me-We 4组建委员会的建设高容量海底光缆网络的合同。 作为4号亚欧海底光缆网络的一部分，它将连接东南亚，中东和西欧。新的比特光缆系统的传送容量将比原有的3号海底光缆网络高32倍。光缆网络长约20，000km，几乎是地球周长的一半,预计耗资4亿美元。连接从法国到新加坡，途中经过意大利、阿尔及尼亚、突尼斯、埃及、沙特阿拉伯、阿拉伯联合酋长国、巴基斯坦、印度、斯里兰卡、孟加拉、泰国和马来群岛的16个陆地。该网络可同时处理2000万路语音通

5、信或传输6万个频道的电视节目。日本富士通公司和法国阿尔卡特海底网络公司为工程主承包商。该光缆预计将于2005年第三季度投入运营。光纤通信系统简介光纤通信系统简介第一阶段：19701979年，光导纤维与半导体激光器的研制成功，使光纤通信进入实用化。第二阶段：20世纪80年代中期，工作=1310nm波长段的单模光纤通信系统。衰减为.30.5dB/km，可传送准同步数字体系（PDH）的各次群信号，最高速率传输速率可达1.7Gbit/s，中继距离约为50km。 第三阶段：20世纪80年代后期，工作在=1550nm波长段的单模光纤系统。衰减为0.2dB/km，应用在同步数字体系（SDH）光纤传输网，传输

6、速率达2.5Gbit/s，中继距离超过100km。 光纤通信发展光纤通信发展第四阶段：采用光放大器来增加中继距离和采用波分复用和频分复用技术来提高传输速率。单信道速率为25Gbit/s，不用再生器，光纤损耗用光纤放大器补偿，试验传输距离达2223km。 第五阶段：基于利用光纤的非线性压缩抵消由于光纤色散产生的脉冲展宽的新概念产生的光孤子，来实现光脉冲信号的保形传输。 The Evolution of Fiber Optic Communications systemFirst Generation, 1975, 0.8 mmMM-fiber, GaAs-laser or LEDSecond G

7、eneration, 1980, 1.3 mm, MM & SM-fiberInGaAsP FP-laser or LEDThird Generation, 1985, 1.55 mm, SM-fiberInGaAsP DFB-laser, 1990 Optical amplifiersFourth Generation, 1996, 1.55 mmWDM-systems1.51.7Wavelength (mm)Attenuation2 dB/cmhttp:/ wave networkWDMEDFAADSLFTTHData carr

8、ying capacity (bps)Development of Optical CommunicationDigital communication hierarchyMultiplexingTV - radioI.R.U.V.X-rayg -radiationcosmic radiationf (Hz)l (m)110-210-410-810-610-1210-10102010181016101410121010108RadarredorangeyellowgreenbluevioletVisible light:380 - 760 nm700400500600l (nm)Optical

9、 communication wavelengthsO波段（原始波段） 1260-1360nm. E波段（扩展波段） 1360-1460nm. S波段（短波段） 1460-1530nm. C波段（常规波段） 1530-1565nm.L波段（长波段） 1565-1625nm. U波段（超长波段） 1625-1675nm. Bands of single mode optical fiber1450 1490 1530 1570 1610 1650S+ S C L L+ Wave length (nm)波 段 波长范围 (nm) 带 宽 (THz) 光放大器 应 用 C 1530-1570 5.0

10、 有 长途干线 C + L 1530-1610 9.7 有 长途干线 S + C + L 1490-1610 15.0 无 城/局域网 S+ + S + C + L + L+ 1450-1650 25.1 无 城/局域网 全 波 1300-1650 48.9 无 城/局域网 cfl10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015Wave length（m）Electric phoneRadio TVmicrowaveinfraredVisible

11、 light双铰线双铰线同轴电缆同轴电缆光纤光纤卫星卫星/微波微波AM无线电无线电FM无线电无线电The Electromagnetic Communication Spectrum1.2 光纤通信的优点和应用 一、 光纤通信与电通信方式差异 1 用光波作为载波传输信号；2 用光导纤维构成的光缆作为传输线路；3 光纤通信中起主导作用的是产生光波的激光器和传输光波的光导纤维。 半导体激光器的发光面积很小，它输出稳定而且方向性极好的激光，激光可以运载巨大的信息量。光纤是一种介质光波导，具有把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构。它是由直径大约只有0.1mm的细玻璃丝构成。二 光纤作为传输媒介的优

12、点 1.传输频带宽、通信容量大 由信息理论知道，载波频率越高通信容量越大，因目前使用的光波频率比微波频率高103104倍，所以通信容量约可增加103104倍。在1.55 m附近，提供的带宽为25000GHz. 2.传输损耗低 目前实用SiO2（石英）系光纤，减小光纤损耗，提高玻璃纤维的纯度来达到,光波长 入1.55m附近，衰减有最低点，可低至.2dB/km，已接近理论极限值。 3.不受电磁干扰 因为光纤是非金属的介质材料，因此，它不受电磁干扰。这是电通信所不能比拟的。 4.线径细、重量轻 由于光纤的直径很小，只有0.1mm左右，因此制成光缆后，直径要比电缆细，而且重量也轻。这样在长途干线或市内

13、干线上，空间利用率高，而且便于制造多芯光缆。 5.资源丰富 光缆通信除上述主要优点之外，还有抗化学腐蚀等特点。当然，光纤本身也有缺点，如光纤质地脆、机械强度低；要求比较好的切断、连接技术；分路、耦合比较麻烦等。但这些问题随着技术的不断发展，都是可以克服的。 6.挠性好 光纤经过表面涂敷后，弯曲直径为3mm不会折断。因此，用光纤制成的光缆与铜线制成的电缆有同样好的挠性。 7.不怕潮湿，耐高温，抗腐蚀 光纤是玻璃制成的，不怕潮湿，不会锈蚀，石英玻璃的熔点在2000以上，而一般明火的温度在1000左右。 8.安全保密 在传输过程中，光纤向外漏泄的光能很小，光缆内部光纤之间的串音小到可以忽略不计。因此

14、，光纤通信比传统的无线和其他有线通信更加安全保密。三 光纤作为传输媒介存在的问题 1.光纤性质脆，需要适当地涂敷加以保护。此外，为了保证能承受一定的敷设张力，在光纤结构上也需要多加考虑。 2.对切断和连接光纤时，需要高精度技术，这在连接电缆时是没有的。 3.分路耦合不方便。 4.光纤不能输送中继器所需要的电能。 5.弯曲半径不宜太小。四 光纤通信系统的分类 1. 光纤通信系统的类型 （1）按传输信号的类型分类： （a）光纤模拟通信系统。这是用模拟信号直接对光源进行强度调制的系统。 （b）光纤数字通信系统。这是用来传输PCM数字信号的系统。 （2）按调制方式分类 （a）直接强度调制光纤通信系统。

15、它用电信号直接对光源进行强度调制，在接收端用光检测器直接检测。 （b）外差光纤通信系统。在发送端电信号对光源发出的光载波进行调制（通常使外调制）后，经单模光纤传输到接收端，与接收机的本振振荡光波混频，经光检测器检测后获得信号光与本振光之差的中频信号，然后再解调出电信号。 （3）按光纤的传输特性分类 （a）多模光纤通信系统。 （b）单模光纤通信系统。 （4）按光波长分类 （a）短波长光纤通信系统。工作波长为850nm的石英多模光纤系统，这类系统的中继距离较短。 （b）长波长光纤通信系统。工作波长为1310nm和1550nm。采用1310nm波长可以用多模光纤也可以单模光纤。采用1550nm波长只

16、能用单模光纤。这类系统的中继距离较长。 （c）超长波长光纤通信系统。采用卤化物光纤，工作波长大于2000nm时，衰减值可为10-210-5dB/km，因此可能实现1000km的无中继传输。2. 光纤通信的应用光纤可以传输数字信号，也可传输模拟信号。光纤在通信网、广播电视与计算机网，以及其他数据传输系统中都得到了广泛的应用。光纤通信的应用概括如下：（1）通信网。主要用于遍及全球的电信网中作语音、数据通信。包括全球通信网（国家和国家间的光缆干线）；各国的公共电信网（如我国的国家一级干线、省级干线及县以下的支线和市话中继通信系统）；专用网（如电力、铁道、国防通信等的光缆系统）；特殊的通信网络（如石油

17、、化工、煤矿等易燃易爆环境下使用的光缆通信系统）。（2）计算机局域网和广域网。如光纤以太网、路由器之间的高速传输链路等。（3）有线电视网。如有线电视的干线和分配网；工业电视系统的监控；自动控制系统的数据传输等。（4）综合业务的光纤接入网。可实现电话、数据、视频及多媒体业务的接入核心网。1.3 光纤传输系统的基本组成一 光纤通信组成：1 可分为三大部分：光发送、光传输和光接收。 光发送完成电光转换任务，光传输部分的作用是把光信号从发送端传到接收端，光接收完成光电转换任务。2 原理图|-光发送部分-|-传输部分-|-光接收部分-|电端机-光端机.光源-光缆-光检测器.中继器.光源-光缆-光检测器.

18、光端机-电端机 光纤通信系统原理图（1）电端机 电端机就是通常的PCM多路复用设备，发送光端机是将电信号变换成光信号的光发射机，采用的光源是半导体激光器（LD）或半导体发光二极管（LED），共同点都是通过加正向偏置电源而使其发光的半导体二极管，所不同的是LD发出的是激光，而LED发出的是萤光。 （2）光发送端机： 将已调制的光波送入光导纤维，经光导纤维传送至光接收端机。（3）光接收端机 将光信号变换成电信号。光信号经过光纤传输到达接收端，首先经光电二极管（PIN）或雪崩光电二极管（APD）检波变为电脉冲，然后经放大、均衡、判断等适当处理，恢复为送入发送端时的电信号，再送至接收电端机。二 基本组

19、成部分的工作原理 （一）、光源和光电检测器 1.光源 要求：寿命长，要求长达106h（约100年以上）；有足够的输出光功率；电光转换率应不低于当前半导体电子器件的转换效率（约10%）；发射波长必须在低损耗传输窗口附近；发光面积和光束的发散角要小，谱线宽度要狭窄。 半导体发光二极管和半导体激光器： 激光（LD）优于发光二极管（LED）的方面是： 1）激光器的响应速度较快，可用于较高的调制速度； 2）激光器的光谱较窄，应用于单模光纤时，光在光纤中传播引起的色散小，可用于大容量通信； 3）耦合到光纤中去的功率高，传输的距离远。 LD不足于LED的方面： 1）温度特性差。由于激光器的输出功率依赖于温度，而发光二极管不是激光振荡，无阈值电流，故其温度特性好； 2）易损坏，寿命短； 3）激光器成本高，价格昂贵。发光二极管便宜； 4）LD的调制线性不如LED。2.光电检测器 基本要求：高效率，低噪音，有足够高的响应速度或足够的带宽，在工作波长上有足够高的灵敏度，具有接收弱信号的能力；有良好的温度特性和稳定性；工作电压尽量低，使用简单；体积小，寿命长。 目前光纤通信常用的是半导体光电检测器，如PN结光电二极管，PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管等。光电二极管利用了半导体接受光照之后激励电子而