光纤通信概论第一章-课件

《光纤通信系统》杨祥林编著国防工业出版社《光纤通信系统》顾畹仪编著北京邮电大学出版社《光通信原理与技术》李玉权等编著电子科技大学出版社《光纤通信技术》DjafarK.Mynbaev等著科学出版社《光纤光学》廖延彪编著清华大学出版社光纤通信技术在近30、40年里得到了极大的发展，目前它和移动通信、数据通信已经成为电信领域发展的基石。掌握一些光纤通信技术有助于学习现代通信技术和拓宽知识面,为以后的学习深造和工作做好知识储备。第1章引言第2章光纤制造技术与光缆第3章光纤的基本特性第4章有源光器件第5章无源光器件第6章数字光纤通信系统第7章光纤通信新技术第8章光纤通信网络第1章引言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国内外光纤通信的发展1.2光纤通信的优点和应用

1.2.1光通信和电通信

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光发射机与接收机

1.3.2光纤线路

1.3.3模拟和数字通信系统1.4光纤通信技术的展望

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。目视光通信白色旗表示跑道上有缓慢移动的车辆红色旗表示比赛已停止黑色旗表示指定的赛车下次通过修理站时要停车黄底红道旗意思是告诉车手跑道较滑F1赛车•

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”,通话距离达到213米。贝尔光电话是现代光通信的雏型。光电话原理图光源ABMNL送话器反射镜震动片光敏电池贝尔用弧光灯或者太阳光作为光源，光束通过透镜聚焦在话筒的震动片上。当人对着话筒讲话时，震动片随着话音震动而使反射光的强弱随着话音的强弱作相应的变化，从而使话音信息“承载”在光波上（这个过程叫调制）。在接收端，装有一个抛物面接收镜，它把经过大气传送过来的载有话音信息的光波反射到硅光电池上，硅光电池将光能转换成电流（这个过程叫解调）。电流送到听筒，就可以听到从发送端送过来的声音了。

接收镜信道：Bell的光电话利用大气作为传输介质，损耗非常大，同时自然界气象条件变化万千，对光信号的干扰很大光源：Bell的光电话利用自然光作为载波，这种光的频率和相位杂乱无章，不能用于大容量的通信困难在哪里？没有合适的光源，一般光源相干性太差，类似于噪声，无法调制。没有合适的传输介质，由于光频极高，透过障碍的能力很差，必须通过波导介质传播。没有合适的检测设备。没有…...长路漫漫，谁能打开光纤通信的大门？

1917年爱因斯坦提出“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础。1958年美国科学家肖洛和汤斯发现了一种奇怪的现象：当他们将闪光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。由此他们提出了“激光原理”，受激辐射可以得到一种单色性很好、亮度又很高的新型光源。1960年，美国人梅曼(T.H.Maiman)发明了世界上第一台红宝石激光器。梅曼利用红宝石晶体做发光材料，用发光度很高的脉冲氙灯做激发光源，获得了人类有史以来的第一束激光。1965年，第一台可产生大功率激光的器件--二氧化碳激光器诞生。1967年，第一台Ｘ射线激光器研制成功。1997年，美国麻省理工学院的研究人员研制出第一台原子激光器。

曙光出现了！！！1960年梅曼发明了红宝石激光器，光源问题得到解决。相关的半导体技术：激光器，检测器，.......相继问世。激光单色性和方向性良好，是人类所能获得的最理想的光载波。半导体激光器采用注入电流的方式进行泵浦，体积小，可用电流信号直接进行高频调制，成为最理想的光通信光源。对光信号的检测可用基于光电效应的真空光电管或半导体光电二极管将光信号转变为电信号进行处理。激光器的发明使人们认识到一个以光波为基础的新的通信时代已经到来。接下来所面临的最重要的问题就是需要寻找适当的光传输介质，实现光信号的低损耗远距离传输。1.1.2

现代光纤通信大气作为光传输介质的可行性大气和自由空间是天然的光学信道。在无障碍情况下，光信号可以通过大气进行传输，构成所谓空间光通信系统。

空间光通信系统所面临的困难：稳定性问题：尘埃、雨雪、大雾可致通信中断背景噪声问题：太阳、月亮、星系、民用光源等激光光束的发散问题光源与探测器之间的对准问题建筑物与地球弧形表面对光的直线传播的影响依靠大气介质无法建立商用化大容量光通信系统。近年来，空间光通信在航空航天器之间、航空航天器与地面基站之间以及野战条件下的军事通信等特殊领域的应用方面所具有的优势开始显现，正逐渐受到通信研究领域重视并得到初步应用。介质光波导光沿水流传输并且能随之弯曲此现象首次由英国物学家JohnTyndall

于1870年证明在1920-1950期间,纤细的有柔韧性的玻璃和塑料光纤可以用于导光这个时期的光纤称为“裸”光纤,因为光纤表面直接暴露在空气中用介质光波导可以实现对光的空间约束与定向导引为实现光信号的长距离传输，需要研制出具有极低损耗的光导纤维市场前景巨大，大量人力与资金被用于通信光纤研制石英光纤于1954年由荷兰人vanHeel提出的光纤结构石英是已知的具有最低光学损耗的介质材料芯子通常为掺锗石英（SiO2:Ge），包层通常为纯石英（SiO2），涂覆层为树脂材料在芯包界面上满足全反射条件的光将被约束在芯子内沿光纤传输OpticalFiberin1966光纤损耗分贝表示：

LkmPinPout20dB的衰减表示输出功率仅剩1％，1000dB/km的损耗意味着这种光纤根本无法用于信号传输!!!衰减为1000dB/km,远远达不到实用的水平,如何降低衰减,从而达到实用的水平?传输介质问题由一位华人解决！！1966年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)及其同事霍克哈姆(C.A.Hockham)在其发表的研究论文中指出，光纤的高损耗来自石英中的杂质，通过对原材料的提纯可以制作出适合长距离通信的低损耗光纤,预见玻璃可制成衰耗20dB/km以下的光导纤维，即光纤。高锟(C.K.Kao)上述发现的重要意义在于指出了光纤高损耗的真正来源以及研制通信光纤的正确方向。这一发现直接导致了在其后数年内通信光纤制造领域所发生的质的飞跃，以及光纤通信产业的迅速兴起。由于在光纤领域的杰出贡献高锟(左)在英国接受IEE授予的奖章(1998年)1970年，光纤诞生！！1970年，光纤研制取得了重大突破光纤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。1970年，光纤通信用光源取得了实质性的进展自20世纪70年代，各种各样的光纤通信系统大体经过了这样几个阶段：1、第一代光纤通信系统在20世纪70年代末大量投入运营。由0.85微米的光源和多模光纤构成。光纤损耗大，多模光纤的传输带宽有限。应用在低速率、短距离条件。76年亚特兰大安装的商用系统，传输码速率44Mbit/s，传输距离10公里。2、20世纪80年代初，采用1.3微米的半导体发光二极管或激光二极管作为光源，再加上多模光纤构成了早期的第二代光纤传输系统。无中继距离20公里。传输速率140Mbit/s。20世纪80年中期，投入运营的第二代光纤通信系统由1.3微米的半导体激光器和单模光纤构成。传输损耗低，色散小。3、第三代光纤通信系统采用了1.55微米作为工作波长，以色散位移光纤作为传输媒介。适宜于超高速、长距离无中继传输。典型传输速率为565Mbit/s、622bit/s、2.488GMbit/s。中继距离超过100公里。自80年代后期已经大量投入商用。4、第四代光纤通信系统采用波分复用（WDM）技术，即在同一根光纤中传输多个光载波，获得了更高的传输速率，同时采用光纤放大器（EDFA）直接放大光信号以代替传统的光-电-光中继方式。90年代中期投入商用。160*10Gbit/s。5、第五代，即下一代它主要具有以下特征：超宽带——单根光纤传输容量达到Tbit/s。超长距离——光放大传输距离达到1000~10000Km。光交换——克服电交换的瓶颈。智能化——智能光网络技术。

激光器：LED半导体发光二极管—半导体激光器LD同质结半导体LD—双异质结LD—分布反馈LD—量子阱LD速率：MHz——Gb/s——10Gb/s——40Gb/s光电探测器：PIN光电二极管—APD雪崩光电二极管Si—GaAs—Ge—InGaAs速率：MHz—Gb/s—10Gb/s—40Gb/s近几十年光纤通信已经取得了突飞猛进的进展传输容量上：2.5Gbit/s、10Gbit/s、40Gbit/s大量采用WDM系统。提高中继距离，上千公里的无电中继距离技术上已经可行。1974年开始了低损耗光纤和光通信的研究工作。70年代中期研制出低损耗光纤和室温下可连续发光的半导体激光器。1979年分别在北京和上海建成了市话光缆通信试验系统。邮电部于1988年开始了八纵八横通信干线光纤工程的建设，我国开始建设包含22条光缆干线、总长达33000公里的“八横八纵”大容量光纤通信干线传输网。至1998年兰西拉(兰州—西宁—拉萨)工程建成，标志着八纵八横格状形光缆骨干网提前两年建成，兰西拉光缆干线穿越平均海拔3000多米的高寒冻土区，全长2700公里，是我国通信建设史上施工难度最大的工程，由邮电部与解放军官兵联合建设。由此我国网络覆盖全国省会以上城市和90%地市，全国长途光缆达到20万公里，形成以光缆为主，卫星和数字微波为辅的长途骨干网络。

八纵是：

（⒈）哈尔滨－沈阳－大连－上海－广州；

（⒉）齐齐哈尔－北京－郑州－广州－海口－三亚；

（⒊）北京－上海；

（⒋）北京－广州；

（⒌）呼和浩特－广西北海；工程总长4000公里，投资8亿多元，98年3月全线贯通

（⒍）呼和浩特－昆明；

（⒎）西宁－拉萨；

工程总长2454公里，投资6亿多元，98年7月全线贯通

（⒏）成都－南宁。

八横是：

（⒈）北京－兰州；

工程总长2052公里，投资４亿多元，96年全线贯通

（⒉）青岛－银川；

(⒊)上海－西安；

(⒋)连云港－新疆伊宁；

(⒌)上海－重庆；

(⒍)杭州－成都；

(⒎)广州－南宁－昆明；

(⒏)广州－北海－昆明。目前全世界已有15亿以上有线电视用户，覆盖全世界一半以上人口。其中我国就有2亿庞大用户群，且仍以每年500万户的速度增长；入户率达到17％，超过电话入户率（9％）和计算机入户率（1．2％），城市覆盖率86％，全国覆盖率50％，已成为我国覆盖率最高的用户信息网。广电总局批准的1300家有线电视网覆盖400多个城市和2000多个县（其中400个县已经光缆到乡镇或村），网络线路总长300多万公里，其中光纤网长度超过30万公里，是全世界最大的有线电视网。1.2.1光通信与电通信

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。相同点:光波与电波都是电磁波.（图1.1）不同点:光通信相对于电通信1.载波频率高,频带宽度宽2.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1、允许频带很宽，传输容量大

为了扩大通信容量，有线通信从明线发展到电缆，无线通信从短波发展到微波和毫米波，它们都是通过提高载波频率来扩容的。光纤通信所使用的频率要比以上使用的频率高得多，可使用的带宽巨大。1.2.2光纤通信的优点通信中，信道的带宽和信道的容量遵循所谓的香农公式：其中，B是信道频带宽度（简称带宽）；S是信号功率谱密度；N是信道噪声功率谱密度；C是信道容量由于任何信道都无法避免地会有各种噪声，而信号的功率也不可能太高，所以信道的容量不可能达到无穷。典型的语音、视频和数据业务的信息速率业务类型数据速率高清电视、电影20Mb/s视频点播/交互式TV1.5～6Mb/s视频游戏1~2Mb/s远程教育1.5~3Mb/s电子购物1.5~6Mb/s数据传送或远程支付1~3Mb/s视频会议0.384~2Mb/s语言（单信道）64Kb/s理论上光纤通信可容纳：电话：7.5亿路电视：30万路目前，在全波光纤上传输，传输速率可达50Tb/s2、损耗很小，中继距离很长，误码率小中继站将衰减了的信号进行放大，然后接着往下传。微波接力通信我国目前市内局间中继长度小于15公里的占92.9%。3、重量轻、体积小通信设备的体积和重量对于许多领域具有非常重要的意义4、泄露小，保密性能好5、节约有色金属，有利于资源合理使用石英（主要成分是二氧化硅），砂子6、抗电磁干扰性能好任何的通信系统都应具有一定的抗干扰能力主要有两个原因：第一是光纤是绝缘体，不怕雷电和高压，不受电磁干扰；第二是光纤中传输的是频率很高的光波，而各种干扰的频率一般都比较低，所以它不能干扰频率比它高的多的光波。缺点:光纤质地脆、机械强度低、需要比较好的切割及连接技术，分路、耦合比较麻烦。1.2.3光纤通信的应用用于市话中继线用于长途干线通信用于高质量彩色电视传输CATV用于工业生产现场监视和调度用于交通监视控制指挥光纤局域网基带模拟信号的传输（雷达信号；音频信号）

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/PRA155M622MSDH典型应用之一：宽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下图示出单向传输的光纤通信系统，包括发射、接收和光纤传输系统。光纤通信系统的三要素:光发射机;光接收机和光纤线路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，器件寿命长光发射端机的功能:电/光或E/O转换光发射端机由光源、驱动器和调制器组成。对光源的要求？？输出功率足够大，调制频率足够高，谱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。半导体发光二极管（LED）半导体激光二极管（或称激光器）（LD）垂直表面发射半导体激光器边发射半导体激光器1、直接调制：电信号调制器件的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现。

特点：技术简单，成本较低，容易实现，但是调制速率受激光器的频率特性所限制，带宽可达几亿赫兹。2、间接调制：激光的产生和调制分开。目前有多种调制器可供选择，最常用的是电光调制器（还有磁光效应和声光效应）。它是利用电信号改变电光晶体的折射率，使通过调制器的光参数随电信号变化而实现调制的。

特点：高速率、大消光比、大光功率和消除半导体激光器内调制产生的光频率跳变的“啁啾”现象，缺点是技术复杂，成本较高。

图1.5两种调制方案

(a)直接调制；(b)间接调制(外调制)发送光功率（dBm）

P=10lg[P(mW)/1(mW)]

以1mW为基准的、用分贝表示的功率。表示功率的绝对值。

功率(mW)10010210.50.10.010.001功率(dBm)+20+10+30-3-10-20-30光谱特性最大均方根RMS宽度对于多纵模激光器和发光二极管这样的光能量比较分散的光源,采用来衡量光脉冲能量在频域的集中程度.单纵模的激光器,能量主要集中在主模中.半高全宽FWHM(3dB)宽度最大20dB跌落宽度最小边模抑制比(SMSR)：主纵模(M1)的平均光功率与最显著的边模(M2)的平均光功率之比的最低值。SMSR=10lg（M1/M2）

一般规定单纵模激光器的最小边模抑制比为30dB，即主纵模功率至少要比边模大1000倍以上。2、光接收机功能：是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号组成部分：耦合器，光电检测器，解调器组成框图：电子电路光输入耦合器光电检测器解调器电信号输出结构参数：接收机灵敏度，定为BER≤10-9条件下，所要求的最小平均接收功率。检测方式：直接检测和外差检测

广泛使用的光探测器有两种类型：在半导体PN结中加入本征层的PIN光电二极管（PIN-PD）

雪崩光电二极管（APD）光/电或O/E转换通过光探测器实现两种方式：直接检测和相干检测（外差检测）直接检测探测器直接把光信号转化为电信号。简单、经济。是目前光纤通信系统普遍使用的方法。相干检测（外差检测）要设置一个本地振荡器和一个光混频器，使本地振荡光和光纤输出的信号光在混频器中产生差拍而输出中频信号，再由光探测器把中频信号转化为电信号。难度大。高灵敏度。

接收机的灵敏度是表征光接收机调整到最佳工作状态时，光接收机接收微弱光信号的能力。光接收机灵敏度定义为：特定条件下(数字系统:误码率,模拟系统:信噪比)，接收机所需要的最小输入光功率。接收灵敏度一般用dBm来表示，它是以lmW光功率为基础的绝对功率，或写为

Pr=10Log(Pmin/10-3)其中，Pmin指在给定误比特率的条件下，接收机能接收的最小平均光功率。例如，在给定的误比特率为10-9时，接收机能接收的最小平均光功率为1nW（即10-9W），光接收机灵敏度为-60dBm。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0.85μm、1.31μm和1.55μm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，1.55μm的损耗已达到0.154dB/km，接近石英光纤损耗的理论极限。0.70.80.91.01.11.21.31.41.5衰减（dB/km）第一窗口第二窗口波长——λ（μm）普通单模光纤的衰减随波长变化示意图6543210。40。2第三窗口

C波段1525~1565nm

1.571.62L波段随着传输线路的延长，会由于传输损耗而使脉冲衰减，同时加上传输线路的失真特性（光纤中的各种色散）产生脉冲波型的失真。因此，需要中继器来进行修复。3R：re-amplifying

再放大（光放大器的功能）

re-timing

再定时（消除时间抖动）

re-shaping

再整形（消除波形畸变）通过这3个R，得到接近于发射端的光信号的copy，从而延长传输距离，提高信号质量。3R组合光纤通信系统可以根据系统所使用的激光光波的波长、携带信息的形式、传输光纤、信号的调制方式、光接收方式的不同和光纤中传送的是单波长通道还是多波长通道的信号分成多种光纤通信系统。根据电端机送入光端机信号性质的不同，可分为模拟和数字光纤通信系统。1.3.3模拟和数字通信系统1、有效性，指信息的传输速度；2、可靠性，指信息的传输质量；3、适应性，指环境使用条件；4、标准性，指元件的标准性、互换性；5、经济性，指成本是否低；6、保密性，指是否便于加密；7、使用维修是否方便。光纤通信系统的评价:通信的目的是传递和交换信息模拟信号：连续数字信号：离散模拟通信系统用连续的信号代表信息，强调的是变换过程中信号和信息之间的线性关系。数字通信系统则用离散的信号来代表信息，强调的是信号和信息之间的一一对应关系。调制前光载波的形式为：

E(t)=Acos(0