chap-光纤通信概述

本章内容光纤通信的发展过程。光纤通信的光波波谱。光纤通信系统的基本组成与分类。光纤通信的特点与应用。光纤通信的发展趋势。本章重点光纤通信系统的基本组成。光纤通信的特点。Chap1

光纤通信概述2农工商学院机电系学习本章的目的和要求掌握光纤通信的概念。了解光纤通信的产生及发展。掌握光纤通信的组成及特点。Chap1

光纤通信概述3农工商学院机电系光纤通信是工作在红外波段，其波长是0.8～1.8μm，对应的频率为1.67*1014～3.75*1014Hz。光纤通信技术的发展十分迅速，已经起到了举足轻重的地位，发展前景十分广阔。Chap1

光纤通信概述1.1

光纤（Optical

Fiber）通信1、光纤通信的定义（补充）

利用光导纤维传输光波信号的通信方式，称为光纤通信。4农工商学院机电系思考题1：光通信所包含的范围有哪些？（1）大气传输光通信透镜光导光通信光纤通信通信海洋光通信光1.1

光纤通信5农工商学院机电系我国古代使用的烽火台就是大气光通信的最好例子。后来旗、灯光甚至交通红绿灯等均可划入光通信的范畴。但此类通信方式包含的信息非常少，不能称为严格意义上的光通信。Chap1

光纤通信概述1.2

光纤通信的发展史1、光通信的雏形6农工商学院机电系2、光通信的早期

18世纪60年代，英国发明第一架光电报机，利用日光作为光源，利用反光板的不同组合，通过空气作为传输介质，传递相应的信息。19世纪80年代，

的贝尔发明了光学，但通信光

未能像其它电通信方式那样得到发展（没有合适的光源及传输介质）。

从此之后，直到1960年以前，光通信的发展几乎停滞不前，主要原因是碰到光源、光传输介质和光电检测器等技术

。1.2

光纤通信的发展史7农工商学院机电系思考题2：为什么说早期的光通信中所使用的光源、光传输介质和光电检测器存在技术

？（1）光源

主要采用日光（非相干光）作为光源，方向性不好，不易调制和传输。1.2

光纤通信的发展史8农工商学院机电系（2）光传输介质以空气作为传输介质，损耗很大，无法实现远距离传输，通信也极不稳定可靠。（3）光电检测器硅光电池作为光电检测器，

噪声很大，通信质量很差。1.2

光纤通信的发展史9农工商学院机电系3、光纤通信发展的里程碑表的输1966年7月，英籍华裔学者高锟博士发《用于光频的光纤表面波导》。

该文从理论上分析证明了用光纤作为传以实现光通信的可能性，设计了通信用光纤的波导结构，更重要的是科学地了制造通信用低损耗光纤的可能性。高锟被誉为“光纤之父”。1.2

光纤通信的发展史10农工商学院机电系4、光纤通信发展的实质性突破

1960年人Maiman（梅曼）发明红宝石激光器、1966年高锟提出利用SiO2石英玻璃可制成低损耗光纤、1970年康宁公司研制出损耗为20dB/km的光纤，才标志着光纤通信开始建立起来。在随后的二三十年里，实践证明：由于光子无静止质量、频率高、速度快，可以大大地提高传输速度和容量，光纤通信得到了前所未有的发展，在现代通信中已经起到了举足轻重的地位，而且世界各发达国家对光纤通信的研究倾注了大量的人力与物力，发展前景十分广阔。1.2

光纤通信的发展史11农工商学院机电系5、光纤通信

性的发展（1）光器件光发送器件：1970年，

贝尔

研制出世界上第一只在室温下连续工作、波长为0.85μm的砷化镓铝半导体激光器；后来发展到性能更好、达几万小时的异质结条形激光器。现在是达几十万小时分布反馈式激光器（DFB-LD）和多量子阱（MQW）激光器。光

件：从简单的硅光电二极管发展到量子效率达90%以上的Ⅲ-Ⅴ族雪崩光电二极管。1.2

光纤通信的发展史12农工商学院机电系（2）传输介质/光纤损耗（P27）

光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，光功率强度逐渐减弱，光纤对光波产生衰减作用，称为光纤的损耗（或衰减）。损耗一般用损耗（衰减）系数

表示，是指光在单位长度光纤中传输时的衰耗量。其表达式为dB/km＝10

lg

piL

po1.2

光纤通信的发展史13农工商学院机电系传输介质/光纤损耗1970年：20dB/km；1972年：4dB/km；1974年：1.1dB/km；1976年：0.5dB/km；1979年：0.2dB/km；1990年：0.14dB/km1.2

光纤通信的发展史14农工商学院机电系（3）光纤通信系统

光纤通信系统从小容量到大容量、从短距离到长距离、从旧体制（准同步数字传输体制

PDH）到新体制（同步数字体制SDH）的迅猛发展。在亚特兰大开通了世界上第一个实用化光纤化。1976年，通信系统。1985年，140Mbit/s多模光纤通信系统1990年，565Mbit/s单模光纤通信系统进入阶段。1993年，622Mbit/s的SDH产品进入1995年，2.5Gbit/s的SDH产品进入1998年，10Gbit/s的SDH产品进入20Gbit/s和40Gbit/s的DWDM系统进入化。化。化；同年化。2000年，以10Gbit/s为基群、总容量为320Gbit/s的DWDM系统进入

化。1.2

光纤通信的发展史15农工商学院机电系Chap1

光纤通信概述1.3

我国光纤通信现状我国在20世纪70年代中期成立专业研究队伍开展光纤通信的研究开发，在国家攻关计划部门的重点项目支持下，有源光器件、无源光器件、光纤光缆、光纤通信系统的研究同步进行。在光器件方面，20世纪70年代后期，研制出1310nm的激光器，随后又研制生产了光纤活动连接器。在光纤方面，20世纪80年代初，先后研制成功多模光纤和常规的单模光纤，并生产出从4芯到12芯的层绞式光缆。16农工商学院机电系在光纤通信系统方面，从20世纪70年代后期到80年代中期，先后完成了34Mbit/s和140Mbit/s复用设备（电端机）和及传输系统的开发。20世纪90年代初期，我国就开始了光纤通信系统的大规模建设，完成了“八纵八横”国家干线，实现了我国现代化的电信网。研制出STM-1、STM-4复用设备，随后完成了155Mbit/s和622Mbit/s网元及管理系统的开发。1998年完成10Gbit/s

SDH传输实验系统的开发。1.3

我国光纤通信现状17农工商学院机电系波分复用系统的开发可以说是我国光纤通信系统开发的第三个阶段。1993年进行4×622Mbit/sWDM系统的研制，1998年完成了8×2.5Gbit/s

WDM系统的开发，随后开发了16×10Gbit/s

WDM系统。光分插复用器OADM、光交叉连接器OXC也在研

发。目前，IP

over

WDM帧结构和试验平台的研究工作也已经开始，8×2.5Gbit/s光时分复用（OTDM）实验模型的研究工作也同时进行，下一代光纤通信网络的研究已全面展开。1.3

我国光纤通信现状18农工商学院机电系光纤通信技术作为现代信息社会的支柱产业，特别是作为世界各国正在实施的“

息基础设施”建设的重要组成部分，备受重视和关注。到2001年底，

敷设光缆总量达146万公里。2005年3.2Tb/s超大容量的光纤通信系统在上海至杭州开通。光纤通信技术已经成为我国当代信息领域的支柱技术。1.3

我国光纤通信现状19农工商学院机电系欣赏：1、光纤通信与国防2、信息社会的神经元件——光纤Chap1光纤通信概述20农工商学院机电系

光波是电磁波，光波范围包括红外线、可见光、紫外线，其波长范围为：300μm～6×10−3μm。可见光由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色的连续光波组成，其中红光的波长最长，紫光的波长最短。波长再短就是X射线、γ射线。光纤通信的光波波谱1、光波波谱Chap1光纤通信概述21农工商学院机电系图1-1电磁波波谱图1.4光纤通信的光波波谱22农工商学院机电系2、光纤通信的光波波谱光纤通信的波谱在1.67×1014Hz～3.75×1014Hz之间，即波长在0.8μm～1.8μm之间，属于红外波段。0.8μm～0.9μm称为短波长μm～1.8μm称为长波长μm以上称为超长波长。应用于光纤通信的波长：0.85μm（短波长窗口）、1.31μm和1.55μm（长波长窗口）。1.4

光纤通信的光波波谱23农工商学院机电系表1-1

各种单位的换算公式c＝3×108m/s1MHz（兆赫）＝106

Hzλ＝c/f1GHz（吉赫）＝109

Hz1μm（微米）＝10−6m1THz（太赫）＝1012Hz1nm（纳米）＝10−9m1PHz（拍赫）＝1015

Hz1Å（埃）＝10−10m1.4

光纤通信的光波波谱24农工商学院机电系Chap1

光纤通信概述1.5

光纤通信系统的组成光纤通信是以光波作为信息载体，以光纤作为传输介质的一种通信方式。要使光波成为携带信息的载体，必须在发射端对其进行调制，而在接收端把信息从光波中检测出来（解调）。25农工商学院机电系1、数字光纤通信系统的基本组成由光发射机、光中继器、光纤和光组成。图1-2数字光纤通信系统方框图1.5

光纤通信系统的组成LD：Laser

Diode激光二极PD：Photo-electricity

Diode光电二极管26农工商学院机电系（1）光发射机

进行电/光转换，即把数字化的电脉冲信号码流转换成光脉冲信号码流并输入到光纤中进行传输。光发射机由光源、驱动器和调制器组成，光源是光发射机的

。

在发射端，电端机把模拟信息进行模/数转换，转换后的数字信号复用后再去调制发射机中的光源器件，则光源器件就会发出携带信息的光波。如当数字信号为“1”时，光源期间发射一个“传号”光脉冲；当数字信号为“0”时，光源器件发一个“空号”光脉冲（不发光）。1.5

光纤通信系统的组成27农工商学院机电系（2）光中继器补偿光能的衰减，恢复信号脉冲的形状。传统的光中继器采用光-电-光的模式，光电检测器先将光纤送来的非常微弱的并失真了的光信号转换成电信号，再通过放大、整形、再定时（3R中继器），还原成与原来的信号一样的电脉冲信号。然后再将此电脉冲信号驱动激光器发光，又将电信号变换成光信号，向下一段光纤发送出光脉冲信号。自从摻铒光纤放大器问世以后，光中继实现了全光中继（1R中继器）。1.5

光纤通信系统的组成28农工商学院机电系（3）光纤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

。光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。1.5

光纤通信系统的组成29农工商学院机电系（4）光

进行光/电转换，即将由光纤传来的微弱光信号转换成为电信号，经放大处理后，恢复成发射前的电信号。光

由光检测器、光放大器和相关电路组成，光检测器是光

的

。在接收端，光

把数字信号从光波中检测出来送给电端机，由电端机解调后再进行数模转换，恢复成原来的模拟信息。1.5

光纤通信系统的组成30农工商学院机电系2、光纤通信系统的分类（补充）按传输信号分类

（1）数字光纤通信系统：光纤通信的主要传输方式，用来传输PCM数字信号。（2）模拟光纤通信系统：传送模拟信号，常用于广播信号、交通、彩色电视

、工业监视信号等的传输。1.5

光纤通信系统的组成31农工商学院机电系按波长和光纤类型分类

（1）短波长（0.85μm左右）多模光纤通信系统：容量一般为480路以下（速率在34Mb/s以下），目前只用于计算机局域网、用户接入网等短距离传输场合。

（2）长波长（1.31μm）多模光纤通信系统：通信速率一般为34~140Mb/s

（3）长波长（1.31μm）单模光纤通信系统：通信速率一般为140~565Mb/s

（4）长波长（1.55μm）单模光纤通信系统：通信速率一般为565Mb/s以上1.5

光纤通信系统的组成32农工商学院机电系按传输模式分类多模光纤通信系统单模光纤通信系统按同步方式分类PDH方式的光纤通信系统SDH方式的光纤通信系统1.5

光纤通信系统的组成33农工商学院机电系3、光纤通信系统涉及的产品（补充）（1）光传输设备

在光传输系统中完成光电信号的转换与调制，光信号的发送和接收，多波长系统的、光中继器、波分分波与合波等，如复用终端等。（2）光纤光缆及附件组成光传输线路。1.5

光纤通信系统的组成34农工商学院机电系（3）光电器件

光有源器件：一般需电源工作，并具有光电转换功能。如各类光源（激光器、发光管等）、探测器（光电管、雪崩管等）、光信号放大器等。光无源器件：完成光路活动连接、光信号分路、光的衰减与

，以及光信号的分波与合波等。（4）测试仪器与

工具设备测试：误码分析仪、光谱分析仪、光功率计等。

线路工程施工：光时域反射仪、光纤熔接机、剥缆刀具，光纤切割器等。1.5

光纤通信系统的组成35农工商学院机电系1.6

光纤通信的特点与应用1、电缆通信的缺点（补充）（1）电气危害大①LAN部件和交流电源或照明电路的直接接触；②LAN电缆和部件上累积的静电荷；③耦合到电缆系统上的高能瞬差；④各种LAN部件接地点之间的电位差；（2）电磁干扰（3）

性能差（4）传输损耗大（5）频带窄（6）体积大，重量大Chap1

光纤通信概述36农工商学院机电系2、光纤通信的特点优点：传输频带宽，通信容量大中继距离长，光纤具有极小的损耗系数信道串扰小，

性能好适应能力强：不怕外界强电磁场干扰、耐腐蚀、可绕性强。体积小、重量轻、便于施工和原材料来源丰富，潜在价格低廉，经济效益好。（制造石英光纤的基本原材料是SiO2）1.6

光纤通信的特点与应用37农工商学院机电系缺点：①需要光/电和电/光变换部分；②光直接放③电力传输；；④弯曲半径不宜太小；⑤需要高级的切断接续技术；⑥分路耦合不方便。1.6

光纤通信的特点与应用38农工商学院机电系3、光纤通信的应用

（1）在

信网和各国公用电信网中作为传输线，这是光纤的主要应用场合。（2）在计算机局域网和广域网中的应用。（3）综合业务光纤接入网。实现、数据、及多业务综合接入网，提供各种各样的社区服务。1.6

光纤通信的特点与应用39农工商学院机电系

（4）特殊通信（作为环境下的通信线）。如石油、煤矿等部门，易燃易爆环境下使用的光缆及飞机、等的光缆系统。

（5）各种

通信网。如电力、公路、铁路等部门

调度、

的光缆系统。（6）有线电视的干线及分配网；工业电视系统；自动控制系统的数据传输。1.6

光纤通信的特点与应用40农工商学院机电系Chap1

光纤通信概述1.7

光纤通信的发展趋势1、目前的进展情况（补充）光纤通信的基础研究方面光纤研制方