光纤通信原理第1章课件

1、光纤通信原理Principle of Optical Fiber Communication 教材： 光纤通信，顾畹仪，黄永清，等编著， 人民邮电出版社，2007年。参考书籍：光纤通信（第二版），张宝富等编著，西安电子科技大学出版社，2009年。 光纤通信，刘增基等编著，西安电子科技大学出版社，2003年。Fiber Optic Communications（5th Ed.）, Joseph C. Palais 编著，电子工业出版社，2005年。光纤通信系统学习指导与习题解析，刘振霞，等编著，西安电子科技大学出版社，2006年。光纤通信原理课程教学基本信息 总 学 时： 48 讲课学时： 40

2、 实验学时： 8 学 分： 3 先修课程：大学物理（1），大学物理（2）， 电磁场与微波技术，通信电子电路， 通信系统原理。一、课程性质、目的和任务 光纤通信原理是通信工程专业的一门主要专业必修课。目的是使学生了解光纤通信系统的基本组成，掌握光纤的传光原理和特性；掌握光源、光检测器、光放大器和光无源器件的工作原理和特性；掌握光发射机、光接收机的各部分组成、结构及原理；掌握光纤通信系统的基本设计方法；了解光纤通信新技术。掌握光纤通信基本实验技能，培养学生分析和解决问题的能力，培养学生的动手能力，为毕业后从事光纤通信专业技术工作打下坚实的理论基础。二、教学基本要求 掌握光纤传光原理的射线光学和波动

3、理论分析方法，光纤的传输特性；掌握光源、光检测器的基本结构、原理和特性；掌握光发射机、光接收机的组成、结构及原理，光接收机灵敏度的基本计算方法；了解数字光纤通信系统的组成、原理和性能指标，掌握系统基本设计方法，掌握掺铒光纤放大器的组成、结构和原理；掌握波分复用器件等无源器件的类型、结构、原理和特性，光波分复用的原理、系统构成和管理技术；掌握自动交换光网络的概念和控制平面、光传送平面、管理平面的功能和结构；掌握光纤和主要光器件基本特性测量系统的组成、原理和测量方法，光纤通信系统基本参数的测量原理、方法和系统组成。三、教学内容及学时分配、授课教师第一章 概述 （2学时） 李永倩第二章 光纤和光缆

4、（8学时） 杨志第三章 光源和光检测器 （6学时） 尚秋峰第四章 光发射机和光接收机 （8学时） 李永倩第五章 光纤通信系统 （6学时） 张淑娥第六章 无源光器件和WDM技术 （4学时） 李永倩第七章 自动交换光网络 （2学时） 张淑娥第八章 光纤通信测量 （4学时） 李永倩实践环节 （8学时） 杨再旺 实验1 截断法光纤衰减系数测量；LED的P-I特性测量 2学时 实验2 光纤熔接；OTDR光纤损耗特性测量 2学时 实验3 光端机码型变换测试；波分复用器测试 2学时 实验4 光纤通信系统整机性能测试 2学时教学辅导 赵丽娟 交作业时间：周三上午上课前 答疑时间： 周三下午2：30 答疑地点：

5、 教三楼通信教研室四、考核方式 期末闭卷笔试 占70% 小测验、平时作业、课堂提问和出勤情况 占20% 实验 占10%1.1 光纤通信发展的历史和现状 1.1.1 探索时期的光通信 1.1.2 现代光纤通信 1.1.3 国内外光纤通信发展的现状1.2 光纤通信的优点和应用 1.2.1 光通信与电通信 1.2.2 光纤通信的优点 1.2.3 光纤通信的应用1.3 光纤通信系统的基本组成 1.3.1 发射和接收 1.3.2 基本光纤传输系统 1.3.3 数字通信系统和模拟通信系统第一章 概述1.1 光纤通信发展的历史和现状 1.1.1 探索时期的光通信 在这个时期，美国麻省理工学院利用He-Ne激

6、光器和CO2激光器进行了大气激光通信试验。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。 1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器， 给光通信带来了新的希望。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。 1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音的“光电话”。贝尔光电话是现代光通信的雏型。 原始形式的光通信:中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传送信息。 利用反射镜传送光束 1.1.2 现代光纤通信 1966年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的

7、论文，指出了利用光纤(Optical Fiber)进行信息传输的可能性（石英1000 dB/km的损耗非固有，产生于杂质吸收和瑞利散射）和技术途径(材料提纯和制造的均匀性)，奠定了现代光通信光纤通信的基础。 指明通过“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”这一发展方向光纤通信发明家高锟(左)1998年在英国接受IEE授予的奖章 1970年，光纤研制取得了重大突破 1970年，美国康宁(Corning)公司研制成功损耗20dB/km的石英光纤。把光纤通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4 dB/km。 1973 年，美国贝尔(Bell)实验

8、室的光纤损耗降低到2.5dB/km。1974 年降低到1.1dB/km。 1976 年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到0.47 dB/km(波长1.2 m)。 在以后的 10 年中，波长为1.55 m的光纤损耗： 1979 年是0.20 dB/km，1984年是0.157 dB/km，1986 年是0.154 dB/km， 接近了光纤最低损耗的理论极限。 1970 年，光纤通信用光源取得了实质性的进展 1970年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联,先后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，但它为半导体激光器

9、的发展奠定了基础。 1973 年，半导体激光器寿命达到7000小时。 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。 1977 年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时。 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。 光纤和半导体激光器技术的进步，使 1970 年成为光纤通信发展的一个重要里程碑 实用光纤通信系统的发展 1976 年，美国在亚特兰大(Atlanta)进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验。GaAlAs LD，多模光纤，10km，44.7Mb/s 198

10、0 年，美国标准化FT-3光纤通信系统投入商业应用。 1976 年和 1978 年，日本先后进行了速率为34 Mb/s的突变型多模光纤通信系统，以及速率为100 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。 随后，由美、日、 英、法发起的第一条横跨大西洋 TAT-8海底光缆通信系统于1988年建成。 第一条横跨太平洋TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系统于1989年建成。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。光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段： 第一阶段(19661976年)，这是从基础研究到商业应用的开发时期。短波长

11、、低速率、多模，无中继距离10 km。 第二阶段(19761986年)，这是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。多模到单模，短波长到长波长，速率140-565 Mb/s, 无中继距100-50 km。 第三阶段(19861996年)，这是以超大容量超长距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期。1.55 m色散位移单模系统；外调制，速率2.5-10 Gb/s, 无中继距150-100 km。 1.1.3 国内外光纤通信发展的现状 1976年美国在亚特兰大进行的现场试验，标志着光纤通信从基础研究发展到了商业应用的新阶段。 此后，光纤通信技术不断创新：光纤从多模发展到单

12、模，工作波长从0.85 m发展到1.31 m和1.55 m，传输速率从几十Mb/s发展到几十Gb/s。 随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不断下降，应用范围不断扩大。 目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的支柱。 在许多发达国家，生产光纤通信产品的行业已在国民经济中占重要地位。光纤通信整体发展时间表1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 100000 10000 1000 100 10 1 0.1 0.8m多模1.3m单模光孤子光放大器1.55m相干检测系统性能(Gb/sKm）1.55m

13、直接检测1.2 光纤通信的优点和应用 1.2.1 光通信与电通信 通信系统最终技术目标：增加信息传输容量和距离。通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带宽度，载波频率越高，频带宽度越宽。光通信的主要特点 载波频率高；频带宽度宽（图 1.1 ）。 光通信利用的传输媒质-光纤，可以在宽波长范围内获得很小的损耗（图 1.2 ）。图 1.1 部分电磁波频谱图 1.2 各种传输线路的损耗特性 0.7-1.7 m带宽200 THz 1.2.2 光纤通信的优点 容许频带很宽，传输容量很大。本质宽、空分复用、波分复用 损耗很小， 中继距离很长且误码率很小 重量轻、 体积小 抗电磁干扰性能好 泄漏小， 保密性能

14、好 节约金属材料， 有利于资源合理使用 1.2.3 光纤通信的应用 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。光纤宽带干线传送网和接入网发展迅速， 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： 通信网 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 综合业务光纤接入网 ATMInternet骨干网DDN/ FRPSTN/ISDNTV业务分配节点(COT)业务接入节点（RT）网管SNMP与电信网管中心相连Q3100/1000ME1/BRA/PRA155M622M SDH典型应用之一：宽

15、带综合业务光纤接入系统拓扑结构典型应用之二：作为校园网的骨干传输网1.3 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，包括发射、接收和作为广义信道的基本光纤传输系统。 1.3.1 发射和接收 如上图所示，信息源把用户信息转换为原始电信号，这种信号称为基带信号。电发射机把基带信号转换为合适信道传输的信号，这个转换如果需要调制，则其输出信号称为已调信号。对于数字电话传输，电话机把话音转换为频率范围为0.33.4 kHz的模拟基带信号，电发射机把这种模拟信号转换为数字信号，并把多路数字信号组合在一起。模/数转换目前普遍采用脉冲编码调制（PCM）方式，这种方式是通过对模拟信号进行抽样、量化

16、和编码而实现的。一路话音转换成传输速率为64 kb/s 的数字信号，然后用数字复接器把24路或30路PCM信号组合成1.544 Mb/s 或2.048 Mb/s 的一次群甚至高次群的数字系列，最后输入光发射机。对于模拟电视传输，则用摄像机把图像转换为6 MHz 的模拟基带信号，直接输入光发射机。为提高传输质量，通常把这种模拟基带信号转换为频率调制（FM）、脉冲频率调制（PFM）或脉冲宽度调制（PWM）信号，最后把这种已调信号输入光发射机。还可以采用频分复用（FDM）技术，用来自不同信息源的视频模拟基带信号（或数字基带信号）分别调制指定的不同频率的射频（RF）电波，然后把多个这种带有信息的RF信

17、号组合成多路宽带信号，最后输入光发射机，由光载波进行传输。在这个过程中，受调制的RF电波称为副载波，这种采用频分复用的多路电视传输技术，称为副载波复用（SCM）。 不管是数字系统，还是模拟系统，输入到光发射机带有信息的电信号，都通过调制转换为光信号。光载波经过光纤线路传输到接收端，再由光接收机把光信号转换为电信号。电接收机的功能和电发射机的功能相反，它把接收的电信号转换为基带信号，最后由信息宿恢复用户信息。 在整个通信系统中，在光发射机之前和光接收机之后的电信号段，光纤通信所用的技术和设备与电缆通信相同，不同的只是由光发射机、光纤线路和光接收机所组成的基本光纤传输系统代替了电缆传输。 1.3.

18、2 基本光纤传输系统 基本光纤传输系统作为独立的“光信道”单元，若配置适当的接口设备，则可以插入现有的数字通信系统或模拟通信系统，或者有线通信系统或无线通信系统的发射与接收之间。光发射机、光纤线路和光接收机，若配置适当的光器件，可以组成传输能力更强、功能更完善的光纤通信系统。例如，在光纤线路中插入光纤放大器组成光中继长途系统，配置波分复用器和解复用器，组成大容量波分复用系统，使用耦合器或光开关组成无源光网络，等等。 基本光纤传输系统的三个组成部分1、光发送机组成框图： 光 源调制器通道耦合器电信号输入光输出驱动电路结构参数：发送功率，dBm概念光源光谱特性：输出光功率足够大，调制频率足够高，谱

19、线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定， 器件寿命长电信号对光的调制的实现方式 直接调制 用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化。 这种方案技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性限制。 外调制 把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光。 外调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用。 图 1.5 两种调制方案 (a) 直接调制； (b) 间接调制(外调制) 2. 光纤线路 功能：是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失真)和衰减传输到光接收机 组成:光纤、光纤接头和光纤连接器 低损耗 “窗口”：普通石英光纤在近红外波段，除杂质吸收峰外，其损耗随波长的增加而减小，在0.85 m、1.31 m和1.55 m有三个损耗很小的波长“窗口”，见后图。 光源激光器的发射波长和光检测器光电二极管的波长响应，都要和光纤这三个波长窗口相一致。 目前在实验室条件下，1.55 m的损耗已达到0.154 dB/km， 接近石英光纤损耗的理论极限。普通单模光纤的衰减随波长变化示意图0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5衰