第1章绪论电子通信专业

1、光纤通信原理与应用光纤通信原理与应用方志豪方志豪 电子工业出版社电子工业出版社 光纤通信光纤通信原荣原荣 编著编著 电子工业出版社电子工业出版社Optical Fiber Communications Optical Fiber Communications Gerd Gerd Keiser Keiser 高等教育出版社高等教育出版社光纤通信导论光纤通信导论邱昆邱昆 编著编著 电子科技大学出版社电子科技大学出版社光纤通信系统光纤通信系统杨祥林杨祥林 编著编著 国防工业出版社国防工业出版社光纤通信光纤通信刘曾基等编著刘曾基等编著 电子科技大学出版社电子科技大学出版社参考书目参考书目第一章第一章

2、光纤通信概述光纤通信概述第二章第二章 光纤与光缆光纤与光缆第三章第三章 光无源器件光无源器件第四章第四章 光源与光发射机光源与光发射机第五章第五章 光探测器和光接收机光探测器和光接收机第六章第六章 数字光纤通信系统数字光纤通信系统第七章第七章 模拟光纤通信系统模拟光纤通信系统第八章第八章 光纤通信新技术光纤通信新技术第九章第九章 光纤通信网络光纤通信网络1.1 1.1 光纤通信技术的发展史及现状光纤通信技术的发展史及现状1.2 1.2 光纤通信系统组成光纤通信系统组成1.3 1.3 光纤通信的分类光纤通信的分类1.4 1.4 光纤通信系统的主要性能指标光纤通信系统的主要性能指标1.1 1.1

3、光纤通信技术的发展史及现状光纤通信技术的发展史及现状1. 1. 通信通信n“通通”传送传送，“信信”信息信息；信息的传送；信息的传送n基本组成：发送、传输、接收基本组成：发送、传输、接收2. 2. 光纤通信光纤通信n以光波为载体以光波为载体( (l l=8001600nm),=8001600nm),以光纤以光纤为传输媒质为传输媒质, ,将信号从一处传输到另一处的将信号从一处传输到另一处的通信手段通信手段. .电通信: Electrical communications以电波为载波，如电缆通信和微波通信3. 3. 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

4、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1.1 1.1 光纤通信技术的发展史及现状光纤通信技术的发展史及现状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4. 4. 光纤通信技术的主要优缺点光纤通信技术的主要优缺点1.1 1.1 光纤通信技术的发展史及现状光纤通信技术的发展史及现状通信系统的传输容量传输容量取

5、决于对载波调制的频带宽度频带宽度，载波载波频率越高，频带宽度越宽频率越高，频带宽度越宽。10001001010.110 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/HzM：(注)G：T：1061091012传输损耗/(dBkm1)51 mm波导器各种传输线路的损耗特性光纤通信优点光纤通信优点: :n宽频带宽频带: : 光波频率很高，光纤传输的频带很宽，光波频率很高，光纤传输的频带很宽，故传输容量很大，理论上可通上亿门话路或上故传输容量很大，理论上可通上亿门话路或上万套电视，可进行图像、数据、传真、控制等万套电视，可进行图像、数据

6、、传真、控制等多种业务；多种业务；n低损耗低损耗: : 中继距离长且误码率低中继距离长且误码率低; ;n抗干扰抗干扰: : 不受电磁干扰，保密性好；不受电磁干扰，保密性好；n低成本低成本: : 光纤材料来源丰富，可节约大量有色光纤材料来源丰富，可节约大量有色金属金属( (如铜、铝如铜、铝) )，且直径小、重量轻。，且直径小、重量轻。1.1 1.1 光纤通信技术的发展史及现状光纤通信技术的发展史及现状光纤通信缺点光纤通信缺点: :n弯曲受限弯曲受限: : 敷设光纤敷设光纤/ /光缆的弯曲半径不能太光缆的弯曲半径不能太小，否则导致弯曲辐射损耗增加；小，否则导致弯曲辐射损耗增加；n连接困难连接困难:

7、 : 要求较好的切断、连接技术要求较好的切断、连接技术; ;n分路困难分路困难: : 光纤的分路、耦合较麻烦；光纤的分路、耦合较麻烦；n不能传送电力不能传送电力: : 远处的再生设备需要电能；远处的再生设备需要电能；n器件昂贵器件昂贵: : 如激光器、放大器等如激光器、放大器等 。1.1 1.1 光纤通信技术的发展史及现状光纤通信技术的发展史及现状5. 5. 光纤通信器件的发展过程光纤通信器件的发展过程1.1 1.1 光纤通信技术的发展史及现状光纤通信技术的发展史及现状雏形：古代烽火、手旗、灯光1880年 贝尔的光电话激光器(发送源）光纤(传输介质)1960 Maiman发明红宝石激光器196

8、2 半导体激光器诞生(GaAs 870nm)70 年代室温工作LD(GaAsAI 850nm)1300、1550nm 多模LD单模LD1951 医用玻璃纤维(损耗1000dB/km)1966 高锟 理论预言1970 康宁制出低损耗光纤(20dB/km)1300(0.5dB/km),1550nm(0.2dB/km)低损耗窗口光纤开发单模光纤聚焦在话筒震动片的光束随着话聚焦在话筒震动片的光束随着话音震动而使反射光的强弱变化音震动而使反射光的强弱变化光纤通信发明家光纤通信发明家高锟高锟( (左左) )1998年在英国接受年在英国接受IEE授予的奖章授予的奖章光纤通信发明家光纤通信发明家高锟高锟( (

9、左左) )2009年获诺贝尔物理学奖年获诺贝尔物理学奖 6. 6. 光纤通信技术的发展阶段光纤通信技术的发展阶段1.1 1.1 光纤通信技术的发展史及现状光纤通信技术的发展史及现状光纤光纤+光源光源+放大器放大器+探测器探测器发展围绕光纤通信的四个关键因素展开: 阶段特征第一阶段(1966-1976)开发时期开发时期(由基础研究到商业应用)：短波长(0.85um)低速率(45Mb/s)多模光纤系统(G.651)第二阶段(1976-1986)发展时期发展时期(提高传输速率和距离)：长波长(1.31um,1.55um)中速率(140-565Mb/s)单模光纤系统(G.652)第三阶段(1986-1

10、996)新技术研究时期新技术研究时期:色散位移光纤系统，外调制技术等第四阶段(1996-至今)大容量和光网络时期大容量和光网络时期：波分复用(WDM)光纤系统及光网络，超长距离的光孤子通信n中国科技网讯 2012年12月16日，武汉邮科院牵头承担的国家973项目“超高速超大容量超长距离光传输基础研究”取得T比特级超长距离光传输新纪录，通过采用高谱效率调制、高性能前向纠错编码和特有的非线性补偿技术，完成了单通道1.031Tbit/s普通标准单模光纤12160公里的传输系统实验。目前国际上已报道的最高水平是单通道1Tbit/s传输1万公里。7. 7. 光纤通信的应用光纤通信的应用1.1 1.1 光

11、纤通信技术的发展史及现状光纤通信技术的发展史及现状光纤宽带干线传输网和接入网光纤宽带干线传输网和接入网是目前应用开发的主要目标。各种应用可概括如下： 通信网通信网 包括全球通信网、各国的公共电信网、各种专用通信网、特殊通信手段等 1.1 1.1 光纤通信技术的发展史及现状光纤通信技术的发展史及现状 计算机局域网和广域网计算机局域网和广域网如光纤以太网 有线电视网的干线和分配网有线电视网的干线和分配网如工业电视系统、自动控制系统的数据传输 综合业务光纤接入网综合业务光纤接入网实现电话、数据、视频、多媒体业务综合接入核心网，提高各种社区服务 ATMInternet骨干网骨干网DDN/ FRPSTN

12、/ISDNTV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Q3100/1000ME1/BRA/PRA155M622M SDH典型应用之一：宽带综合业务光纤接入系统拓扑结构PSTN(Public Switched Telephone Network) ISDN(Integrated Service Digital Network)DDN(Digital Data Network) FR(Frame Relay) ATM(Asynchronous Transfer Model) SNMP(Simple Network Man

13、agement Protocal)典型应用之二：作为校园网的骨干传输网1、什么是光纤通信?2、光纤通信的优点有哪些?3、光纤通信的各发展阶段的特征是什么?4、光通信系统工作波长为0.88um,1.3um和1.55um，计算载波频率及单个光子能量。5、假设数字通信系统能够在高达1%的载波频率下工作，试问在5GHz的微波载波和1.55um的光载波上能传输多少64kb/s的话路？1.1 1.1 光纤通信技术的发展史及现状光纤通信技术的发展史及现状1.2 1.2 光纤通信系统组成光纤通信系统组成1.3 1.3 光纤通信的分类光纤通信的分类1.4 1.4 光纤通信系统的主要性能指标光纤通信系统的主要性能

14、指标1.2 1.2 光纤通信系统组成光纤通信系统组成单向传输的光纤通信系统，包括发射发射、接收接收和作为广义信道的基本光纤传输系统光纤传输系统。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基带信号基带信号：由信息源转换的用户原始电信号电发射机将基带信号转换为适合信道传输的信号，转换如果需要调制，则称为已调信号已调信号组成基本单元组成基本单元: : 光发射机、光纤光缆、中继器与光接收机光发射机、光纤光缆、中继器与光接收机光源光源放大器放大器光电二极光电二极管管判决器判决器1.2 1.2 光纤通信系统组成光纤通信系统组成互

15、连与光信号处理器件互连与光信号处理器件: : 光纤连接器、隔离器、调制器、滤波光纤连接器、隔离器、调制器、滤波器、光开关及路由器、分插复用器器、光开关及路由器、分插复用器ADMADM等。等。 【例【例1-1】 基群光纤通信系统基群光纤通信系统 基群光纤通信系统基群光纤通信系统【例【例1-2】 二次群光纤通信系统二次群光纤通信系统 二次群光纤通信系统二次群光纤通信系统 光发射机光发射机(Transmit(Transmitter)ter)1.2 1.2 光纤通信系统组成光纤通信系统组成将带有信息的电信号转换成光信号的转换装置和将光信号送入光纤的传输装置光源是核心, 须满足:1. 波长须在传输光纤的

16、低损耗窗口波段2. 光源的发射功率要大3. 调制特性和发光消光（响应速度）特性要好4. 可靠性要高，寿命要长光发射机由光源、调制光源、调制器和信道耦合器器和信道耦合器组成。2. 2. 光纤光纤(Fiber)(Fiber)1.2 1.2 光纤通信系统组成光纤通信系统组成光纤通信系统光波传输的媒体,由高折射率的纤芯和低折射率的包层和塑套构成，将光信号从光发射机无失真地传送到光接收机.n基本特性参数：基本特性参数：n损耗损耗（dB/kmdB/km）：直接影响通信距离。）：直接影响通信距离。n色散色散（ps/nm.kmps/nm.km）：将引起光脉冲信号展宽和码）：将引起光脉冲信号展宽和码间串扰，影响

17、通信距离和容量。间串扰，影响通信距离和容量。n为实现高速长距离传输，要求光纤具有低损耗和低为实现高速长距离传输，要求光纤具有低损耗和低色散特性。色散特性。损耗损耗(attenuation), (attenuation), 色散色散(dispersion), (dispersion), 失真失真(distortion)(distortion)光纤损耗曲线及三个通信窗口光纤损耗曲线及三个通信窗口1.2 1.2 光纤通信系统组成光纤通信系统组成850nm850nm1310nm1310nm1550nm1550nm3. 3. 光放大器光放大器(Optical amplifier)(Optical amp

18、lifier)1.2 1.2 光纤通信系统组成光纤通信系统组成由于光纤的损耗致使光功率减弱，要使光波继续向前传播，必须对光波进行放大放大方式:光-电-光(O-E-O)放大器掺铒光纤放大器(EDFA): 1.55um掺镨光纤放大器(PDFA): 1.31um掺铥光纤放大器(TDFA): 1.40um全光波段的拉曼光纤放大器(RFA): 1.27um-1.67um光纤放大器(FA)Erbium (Er)Praseodynium (Pr)Thulium (Tm)EDFA: Erbium-Doped Fiber Amplifier4. 4. 光接收机光接收机(Receiver)(Receiver)1.

19、2 1.2 光纤通信系统组成光纤通信系统组成将光信号转换成电信号的装置，由光电探测器和放大处理电路组成。光电探测器是核心, 须满足:1. 高的灵敏度2. 低的噪声3. 快的响应速度4. 足够的带宽5. 对温度变化不敏感6. 尺寸小并能与光纤匹配7. 价格合理，寿命长5. 5. 光无源器件光无源器件(Passive (Passive components)components)1.2 1.2 光纤通信系统组成光纤通信系统组成光纤通信系统中不需要通电即可工作的器件,是通信系统构成、功能扩展、性能提高的不可缺少的器件，包括：光耦合器(Coupler)常用于需要传输的光分路、光合路以及光耦合光隔离器(

20、Isolator)在光通路中防止光反射回光源，即只允许光单向传输的无源器件1.2 1.2 光纤通信系统组成光纤通信系统组成光纤连接器(Connector)各种设备部件与光纤之间的连接。光波分复用器解复用器(Multiplexer/De-Multiplexer)薄膜滤波器型将多路光信号合成或分开的光无源器件集成光学光波分复用器解复用器型 阵列波导光栅(AWG: Arrayed Waveguide Grating) 布喇格光栅(BG: Bragg Grating)1.2 1.2 光纤通信系统组成光纤通信系统组成光开关(Switch)用于光源备份的光路切换，逻辑、数字光通信系统中的光路选择和光交换。

21、光开关分为机械式和非机械式两类：机械开关采用移动光纤或反射镜的方法来转换光路非机械式开关有：电光开关、磁光开关和集成光路光开关1、光纤通信系统由哪几部分组成、光纤通信系统由哪几部分组成?简述各部分的作简述各部分的作用。用。2、光纤通信的三个窗口指什么？、光纤通信的三个窗口指什么？3、光纤通信中对光源的要求是什么？、光纤通信中对光源的要求是什么？4、光纤通信中对检测器的要求是什么？、光纤通信中对检测器的要求是什么？1.1 1.1 光纤通信技术的发展史及现状光纤通信技术的发展史及现状1.2 1.2 光纤通信系统组成光纤通信系统组成1.3 1.3 光纤通信的分类光纤通信的分类1.4 1.4 光纤通信

22、系统的主要性能指标光纤通信系统的主要性能指标波长短波长: 0.85um长波长:1.3um, 1.55um传输模式多模光纤通信系统单模光纤通信系统信号方式模拟通信数字通信同步方式准同步(PDH, plesiochronous digital hierarchy)同步(SDH, synchronous digital hierarchy)1.3 光纤通信的分类调制方式直接强度调制外调制传输速率低速通信系统，2Mb/s, 8MB/s中速通信系统, 34Mb/s, 140Mb/s高速通信系统, 565Mb/s应用范围1.3 光纤通信的分类公用通信系统，如市话通信系统，长途通信系统专用通信系统, 如非邮

23、政部门经营的光纤局域网1.1 1.1 光纤通信技术的发展史及现状光纤通信技术的发展史及现状1.2 1.2 光纤通信系统组成光纤通信系统组成1.3 1.3 光纤通信的分类光纤通信的分类1.4 1.4 光纤通信系统的主要性能指标光纤通信系统的主要性能指标比特率也称为信息速率，是信道上每秒钟内所传输的比特数，单位为bit/s，写成b/s或bps，常用符号B表示。光纤输入光脉冲输出光脉冲时间波形光脉冲展宽1 0 11 1 11. 1. 比特率比特率(Bit rate): B(Bit rate): B1.4 光纤通信系统的主要性能指标数字光纤通信中，信号 “1”、“0”用光脉冲的“有”、“无”来表示.

24、因为光纤色散，光脉冲沿光纤传输会展宽，两个相邻的光脉冲传输一定距离后会发生重叠，从而使接收端设备不能做出正确的判断,从而限制了信道的比特率。光纤色散效应形成的比特率限制模拟信号：模拟信号：带宽是一个频率范 围，在这个频率范围之内，信号可以不失真地进行传输，它反映了模拟传输系统运载信息的能力。单位： Hz带宽分为电带宽和光带宽两种表述。2 . 2 . 带宽带宽(Bandwidth)(Bandwidth)1.4 光纤通信系统的主要性能指标3-dB bandwidth points3 . 0lg2 Bf光电流光电流1.4 光纤通信系统的主要性能指标数字信号：数字信号：带宽是数字信道所能传送的最高数据率或比特率的同义语。如100M以太网，即传输速率为 100Mb/s的以太网。 对RZ码，最高频率=B对NRZ码，最高频率=B/21 0 1 01 0传输距离指中继距离，LinoutPPLlg103 . 3 . 传输距离传输距离:L:L1.4 光纤通信系统的主要性能指标光纤的衰减和色散是限制传输距离的两大主要因素。仅考虑光纤损耗，光信号沿光纤传输