第一章补充(重点推荐精简)

1、 现代通信方式示意图现代通信方式示意图用户环路交换设备电复接设备卫星通信微波通信光纤通信移动通信发送机接收机传输系统用户终端用户终端信息信息用户终端用户终端用户环路交换设备电复接设备信息信息 现代通信方式示意图现代通信方式示意图用户环路交换设备电复接设备卫星通信微波通信光纤通信移动通信发送机接收机传输系统用户终端用户终端信息信息用户终端用户终端用户环路交换设备电复接设备信息信息信息指用户要求传送信息指用户要求传送的语音、图像、数据的语音、图像、数据以及它们的各种组合以及它们的各种组合用户环路交换设备电复接设备卫星通信微波通信光纤通信移动通信发送机接收机传输系统用户终端用户终端信息信息用户终端用

2、户终端用户环路交换设备电复接设备信息信息 现代通信方式示意图现代通信方式示意图用户终端用户终端交换设备交换设备接入网接入网电复接设备电复接设备传输系统传输系统 现代通信方式示意图现代通信方式示意图用户环路交换设备电复接设备卫星通信微波通信光纤通信移动通信发送机接收机传输系统用户终端用户终端信息信息用户终端用户终端用户环路交换设备电复接设备信息信息图 1.1 部分电磁波频谱100 THz10 THz1 THz100 GHz10 GHz1 GHz100 MHz10 MHz1 MHz1 m可见光线10 m100 m1 mm10 mm100 mm1 m10 m100 m中波(MF)短波(HF)米波(V

3、HF)分米波 (UHF)厘米波 (SHF)毫米波 (EHF)亚毫米波远红外线近红外线(光纤通信用）频率波长名称紫外线图1.1是相关的电磁波频谱。光纤通信用的近红外光光纤通信用的近红外光(波长为波长为0.71.7m)频带宽度约为频带宽度约为200THz， 在常用的在常用的1.31 m和和1.55 m两个波长窗口频带宽度两个波长窗口频带宽度在在20 THz以上。以上。( 0 . 7 m 4 3 0 T H z , 1.7m180THz)由于光源和光纤特性的限制，由于光源和光纤特性的限制，目前，光强度调制的带宽一般目前，光强度调制的带宽一般只有只有20 GHz，因此还有，因此还有3个数个数量级以上的

4、带宽潜力可以挖掘。量级以上的带宽潜力可以挖掘。 通信设备的重量和体积对许多领域特别是军事、航空通信设备的重量和体积对许多领域特别是军事、航空和宇宙飞船等方面的应用，具有特别重要的意义。和宇宙飞船等方面的应用，具有特别重要的意义。 在飞机上用光纤代替电缆，不仅降低了通信设备的成本，而且降低了飞机的制造成本。例如，在美国在美国A-7飞机飞机上，用光纤通信代替电缆通信，使飞机重量减轻上，用光纤通信代替电缆通信，使飞机重量减轻27磅磅(约约12.247 kg)，相当于飞机制造成本减少，相当于飞机制造成本减少27万万美元。美元。 总之，光纤通信不仅在技术上具有很大的优越性，总之，光纤通信不仅在技术上具有

5、很大的优越性，而且在经济上具有巨大的竞争能力，因此其在信息社会而且在经济上具有巨大的竞争能力，因此其在信息社会中将发挥越来越重要的作用。中将发挥越来越重要的作用。 贝尔光电话贝尔光电话的传输距离很短，并没有实际应用价值,然而， 光电话仍是一项伟大的发明，它证明了用光波作为载波传送信息的可行性,贝尔光电话是现代光通信的雏型贝尔光电话是现代光通信的雏型。 1960年，美国人梅曼美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器，发明了第一台红宝石激光器， 给光通信带来了新的希望，给光通信带来了新的希望，和普通光相比，激光具有高亮度，高亮度，高高方向性，方向性，高单色性高单色性(光光谱宽度窄谱宽度窄

6、) ,以及以及高相干性高相干性(频率和相位频率和相位较一致较一致) 。激光是一种高度相干光。激光是一种高度相干光，激光器的发明和应用， 使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段。 大气激光通信大气激光通信 二十世纪六十年代二十世纪六十年代,美国麻省理工学院利用美国麻省理工学院利用He - Ne激光器激光器和和CO2激光器进行了大气激光通信试验。实验证明：用承载信激光器进行了大气激光通信试验。实验证明：用承载信息的光波，息的光波， 通过大气的传播，实现点对点的通信是可行的通过大气的传播，实现点对点的通信是可行的。 但但通信能力和质量受气候影响十分严重。由于雨、雾、雪通信能力和质量受气候影响十分严

7、重。由于雨、雾、雪和大气灰尘的吸收和散射，光波能量衰减很大。另一方面，大和大气灰尘的吸收和散射，光波能量衰减很大。另一方面，大气的密度和温度不均匀，造成折射率的变化，使光束位置发生气的密度和温度不均匀，造成折射率的变化，使光束位置发生偏移。通信的距离和稳定性都受到极大的限制，不能实现偏移。通信的距离和稳定性都受到极大的限制，不能实现“全全天候天候”通信。通信。 但但大气激光通信仍有重要应用大气激光通信仍有重要应用,在某些在某些特定场合特定场合,如江河两如江河两岸、海岛之间岸、海岛之间、小区楼房之间宇宙空间、大气海洋之间、小区楼房之间宇宙空间、大气海洋之间(兰绿兰绿光光)等等。 为了克服气候对激

8、光通信的影响，人们自然想到把激光束限制在特定的空间内传输。因而提出了透镜波导和反射镜透镜波导和反射镜波导的光波传输系统。该波导的光波传输系统。该系统系统是在金属管内每隔一定距离安装一个透镜或反射镜，从理论上讲是可行的，但在实际应用中遇到了不可克服的困难。首先，现场施工中校准和安装十分复杂；其次，为了防止地面活动对波导的影响，必须把波导深埋或选择在人车稀少的地区使用。 由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质， 对光通信的研究曾一度走入了低潮。 现代光纤通信现代光纤通信 1966年，英籍华裔学者高锟年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)和霍克和霍克哈姆哈姆(C.A.Hockham)发表了关于传输介

9、质新概念的发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤论文，指出了利用光纤(Optical Fiber)进行信息传输进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信的可能性和技术途径，奠定了现代光通信光纤光纤通信的基础。通信的基础。 现代光纤通信现代光纤通信 当时石英纤维的损耗高达1000 dB/km以上，高锟等人指出：这样大的损耗不是石英纤维本身固有的特性，这样大的损耗不是石英纤维本身固有的特性， 而是由于材料中的杂质，例如过渡金属而是由于材料中的杂质，例如过渡金属(Fe、 Cu等等)离离子的吸收产生的。子的吸收产生的。 材料本身固有的损耗基本上由瑞利材料本身固有的损耗基本上由瑞利(Ray

10、leigh)散射散射决定，它随波长的四次方而下降，其损耗很小。决定，它随波长的四次方而下降，其损耗很小。 因此有可能通过原材料的提纯制造出适合于长距因此有可能通过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。离通信使用的低损耗光纤。 如果把材料中金属离子含量的比重降低到如果把材料中金属离子含量的比重降低到10-6以以下，就可以使光纤损耗减小到下，就可以使光纤损耗减小到10 dB/km。再通过改。再通过改进制造工艺的热处理提高材料的均匀性，可以进一进制造工艺的热处理提高材料的均匀性，可以进一步把损耗减小到几步把损耗减小到几dB/km。 这个思想和预测受到世界各国极大的重视。这个思想和预测受

11、到世界各国极大的重视。 1970 年，光纤研制取得了重大突破。在当年，美国康宁年，光纤研制取得了重大突破。在当年，美国康宁(Corning)公司就研制成功损耗公司就研制成功损耗 20dB/km 的石英光纤。它的意的石英光纤。它的意义在于：使光纤通信可以和同轴电缆通信竞争，从而展现了光义在于：使光纤通信可以和同轴电缆通信竞争，从而展现了光纤通信美好的前景纤通信美好的前景。 1972年 康宁公司高纯石英多模光纤损耗 4 dB/km 1973年 贝尔(Bell)实验室 2.5dB/km 1974年贝尔(Bell)实验室 1.1dB/km 1976年日本电报电话(NTT)公司 0.47 dB/km 1

12、979年 0.20 dB/km, 1984年 0.157 dB/km 1986 年 0.154 dB/km， 接近光纤损耗的理论极限 1970 年，作为光纤通信用的光源也取得了实质性的进展。 当年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联先后突破了半导体激光器在低温突破了半导体激光器在低温(-200 )或脉冲激励条件下工作或脉冲激励条件下工作的限制的限制，研制成功室温下连续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器(短波长)。 虽然寿命只有几个小时，但其意义是重大的虽然寿命只有几个小时，但其意义是重大的，它为半导体激光器的发展奠定了基础。1973 年，半导体激光器寿命达到7000小

13、时。 1977 年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到命达到10万小时万小时(约11.4年)，完全满足实用化的要求。完全满足实用化的要求。 在这个期间，1976年日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3 m的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器，1979年美国电报电话(AT&T)公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为1.55 m的连续振荡半导体激光器。 由于光纤和半导体激光器的技术进步，使由于光纤和半导体激光器的技术进步，使 1970 年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。 1976 年，美国在亚特兰大年，美国在亚特兰

14、大(Atlanta)进行了世界上第进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验，一个实用光纤通信系统的现场试验，系统采用GaAlAs激光器作光源，多模光纤作传输介质，速率为44.7 Mb/s，传输距离约10 km。 1980 年，美国标准化FT - 3光纤通信系统投入商业应用， 系统采用渐变型多模光纤，速率为44.7 Mb/s。 随后美国很快敷设了东西干线和南北干线，穿越22个州 光缆总长达5104 km。1976 年和年和 1978 年，日本先后进行了速年，日本先后进行了速率为率为34 Mb/s，传输距离为，传输距离为64 km的突变型多模光纤通信系统的突变型多模光纤通信系统， 以及速率为1

15、00 Mb/s的渐变型多模光纤通信系统的试验。 1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线，全长3400 km，初期传输速率为400 Mb/s，后来扩容到1.6 Gb/s。随后，由美、随后，由美、日、日、 英、法发起的第一条横跨大西洋英、法发起的第一条横跨大西洋 TAT-8海底光缆通信系海底光缆通信系统于统于1988年建成，全长年建成，全长6400 km； 第一条横跨太平洋第一条横跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系统于海底光缆通信系统于1989年建成，年建成， 全长全长13 200 km。 从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全球通信网的发展。 1966 年高锟提出

16、光纤作为传输介质的概念以来，光纤通信从研究到应用，发展非常迅速：技术上不断更新换代， 通信能力(传输速率和中继距离)不断提高，应用范围不断扩大。 1976年 美国亚特兰大第一个实用光纤通信系统试验 1986年 光纤通信系统在全球广泛应用 (从提出光纤作为传输介质的概念从提出光纤作为传输介质的概念,到用广泛应用到用广泛应用,20年时间年时间)高锟高锟-光纤之父光纤之父 每秒钟传输的比特数目。每秒钟传输的比特数目。Optical networking 波分复用波分复用WDMWDM和光纤放大器和光纤放大器EDFAEDFA 40G 器件器件产品领域领导厂商光纤Corning,Lucent,Alcate

17、l,Sumitomo,Fujikura,Furukara光缆Siemens,Lucent,Pirelli,Alcatel,Sumitomo,Corning光纤放大器Lucent,Pirelli,Ciena,Corning,Nortel,Alcatel,Fujitsu光发/光收Lucent,Nortel,Alcatel,Fujitsu,AMP,Agilent,Hitachi,NEC,Siemens光纤连接器Lucent,AMP,3M,Siecor,Molex,Seiko,Alcoa Fujikura,DiamondDWDM器件Corning,JDSU,DiCon,Lucent,Hitachi,P

18、irelli,3M光无源器件DiCon,Corning,Lucent,JDSU,ADC,Gould光通信设备Nortel,Lucent,Alcatel,NEC,CIENA,Fujitsu,CISCOComponents and Modules in DWDM Networks DWDM Thin film filters Fiber gratings Waveguides Circulators Interleavers Mux/Demux modulesAmplifiers Isolators Tap couplers Pump lasers Gain equalizers Attenuators Integrated amplifiers SOAs Optical Switches Circulators Couplers Add/drop modulesSwitchingTransmission Source lasers Modulators Wavelockers Receivers Detectors Tx/Rx modulesOver 9000 Products光源光源放大器放大器光电二光电二极管极管判决器判决器 对光纤的要求是损耗和色散参数都尽可能地小对光纤的要求是损耗