光纤通信概论第一章

1、光纤通信概论刘艳电子信息工程学院光波技术研究所课程介绍-为什么要讲这门课？光纤通信在通信产业中占有重要地位！光纤通信乃至光通信具有无可比拟的巨大优势！ 什么是通信？“通”传送，“信”信息；信息的传送基本组成：发送、传输、接收什么是光纤通信？以光波为载波，光纤为媒质的信息传输方式光纤通信的最大优势极大的通信容量理论容量50Tera bit/sbit/s,实际已达到25.6TeraKiloMegaGigaTera!万亿！相当于同时传输4亿路电话(每路电话64kb/s)！光纤？！光纤是传光的纤维波导或光导纤维的简称课程介绍-为什么要讲这门课？光纤通信的其他优点：极低的传输损耗,超长的传输距离环形的传

2、输实验系统距离甚至已经达到100万公里！极小的器件尺寸，极轻的重量普通光纤加涂覆层以后直径250微米，裸光纤27g/km非常低的成本和资源消耗成分主要是SiO2,材料来源丰富，可节约大量有色金属 如铜完全不存在电磁兼容问题,保密性强、使用安全光纤抗高温和耐腐蚀，可以抵御恶劣的工作环境。光纤通信已经是目前通信网络无可争议的基础！课程介绍-为什么要讲这门课？通信业务发展趋势：传统话音IP数据业务IPTV，远程办公，网络会议对通信系统容量的需求是无止境的！网络业务量数据年增30-40%电话业务逐渐由主角成为配角！电话年增6%19982008世界网络业务的数据化趋势课程介绍-为什么要讲这门课？光纤通信

3、的快速发展：光纤定律几种关键技术的发展速度性能价格比翻番速度近几年： 光带宽9 个月存储器12 个月摩尔定律18 个月第一年第二年第三年第四年第五年课程介绍讲授内容简介概述光纤和光缆光通信器件数字光纤通信系统课程介绍主要教学参考书目光纤通信系统及其应用，孙强主编，北京交通大学光纤通信技术，D.K.Mynbaev,机械工业光纤通信网，原荣，人民邮电，2001课程介绍注意事项教学计划：共32学时，16周考试形式：开卷考试考试内容：课堂讲授内容考核标准：平时（课堂表现、考勤）+期末考试联系方式：光波楼310室（电话：84017）E-mail:课件定期存于邮箱中：邮箱

4、名：：opticfiber000第一章概述光纤通信简介光通信技术发展历史回顾通信知识简介从载波中提取信息信息加载于载波上信息信息（语音 视频 数据音视频数据）简单的通信系统框图 通信系统的容量（香农定理）：C=BWlog2(1+SNR)通信系统的最大调制带宽约为载波频率的百分之几通信容量调制带宽载波频率！发送机）（语信道（传输媒质）通信波段划分及相应传输媒介频率(Hz)频 段101102104107101010131031051061081091011101210141015划分传输介质ELFVFVLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF可见光无线电、电视微波

5、红外电力、电话光纤/微波AM无线电FM无线电同轴电缆双铰线10710610410110-210-510510310210010-110-310-410-6自由空间波长(m)不同传输媒介的传输容量比较光在电磁波谱中的位置光波频段可见光（人眼能看见的光），其波长范围为：0.39至0.76m。红外线（人眼看不见的光），其波长范围为：0.76至300m。近红外区：其波长范围为：0.76至15m； 中红外区：其波长范围为：15至25m； 远红外区：其波长范围为：25至300m；紫外线（UV：UltraViolet）光通信波长范围：约0.85至1.70m193229353461THz频率波长(真空)骨干网

6、um1.815501.6nm0.2HeNe Lasers 633 nm1310 nmCD 盘780 nm城域网 850 nm局域网UV近红外何谓光纤通信？载频位于光波段，利用光纤承载信息的通信方式发送机：激光器（光源）+光调制器激光器发出激光作为载波，光调制器将信息调制在光载波上信道：光纤（目前制造光纤的主要材料是SiO2）：光电检测器将光信号转化为电信号光纤的基本结构光纤(opticalfiber)是高度透明的玻璃丝，具有三层结构:纤芯：SiO2(99.9999%),少量掺GeO2包层：纯SiO2，或少量掺Be硼，折射率略低于纤芯涂覆层：环氧树脂、硅橡胶等

7、高分子材料,保护作用涂覆层包层纤芯光纤通信的应用主要应用于：电信网骨干网，跨海光缆线路城域网，局域网接入网输电线路，电气化铁路沿线通信生产、交通监控有线电视网次要应用:航空航天：光纤陀螺军事：光纤制导医疗：光纤内窥镜、光纤水第一章概述光纤通信简介光通信技术发展历史回顾光通信技术发展历史回顾光通信的雏形：烽火台最早的光通信系统，“二进制，有中继”手旗、灯光贝尔-光电话1880年，AlexaderBell发明“光话”213米传输距离，最早的无线光通信！进一步发展的困难在哪里？没有合适的光源普通光源（太阳光、灯光）方向性和相干性极差， 近于噪声，无法适应长距离传输的需要没有合适的传输媒质光的波长极短

8、，穿越障碍的能力很差以空气作为传输媒质时，光信号受太大必须通过一个低损耗的介质器件进行引导（波导）没有合适的检测器件没有光源问题的解决激光器的发明激光器Vs.传统电信系统中的信号源激光LASER：LightAmplificationby StimulatedEmissionofRadiation通过受激辐射的光放大与自然光，灯光有本质区别频率稳定，方向性、相干性都好,适合远距离传输1960年梅曼发明了红宝石激光器1961年9月由中国科学院长春光机所研制成功中国第一台红宝石激光器。之后大量不同类型的激光器层出不穷。光源问题得到解决！中国第一台红宝石激光器传输媒质问题的解决关于光纤的早期发现与发明

9、波导传光原理的第一次实验演示1870年，JohnTyndall证明光线可以在传导媒质的边界上经全反射， 而沿着媒质形状弯曲的前进光纤传光的基本原理全反射：当光从光密媒质进入光疏媒质时,折射角大于入射角当入射角增大到某一角度时, 折射角等于90度,此时,折射光完全消失，入射光全部反回原来的媒质中光纤传光的基本原理光疏媒质qiqc临界角q=qc光密媒质qin2包层折射率为n包层2n2 n1光线纤芯光线将在纤芯和包层的界面上不断地产生全反射而向前传播。关于光纤的早期发现与发明纯SiO2是已知的对光损耗最小的材料！对导光材料 的研究集中在石英玻璃纤维上！先制成无包层玻璃光纤，可以用于光线和图象的短距离

10、传输后发现使用包层能够改善光纤的特性光纤在20世纪50年代进入实用主要用于医疗，如胃镜，只能短距离成像，损耗很大到20世纪60年代中期，光纤损耗仍在400dB/km以上很多人对光纤通信丧失了信心dB=10*log10(输入功率输出功率)4dB对应剩余功率为4！转折点高锟的伟大！1966年，英籍高锟（CharlesKao,1933年生于上海)发表堪称光纤通信开山之作的论文(Proc.文章从理论角度指出：IEE)玻璃损耗太高主要由其中的杂质离子导致；利用带有包层的石英玻璃纤维，可望将损耗降低到20dB/km(达到电缆水平)；通过进一步降低杂质浓度，可以获得远远低于20dB/km的损耗值！一篇文章奠

11、定了整个光纤通信产业的基础！高锟因此被世界誉为“光纤之父”光纤之父高锟1933年出生于中国上海，先后于1957年和1965年在伦 敦大学获得电机工程学士和博士学位。曾任中文大学校长。1990年，获选美国国家工程院院士，1996年当选为中国科学院外籍院士。2009年，由于在“有关光在纤维中的传输以用于光学 通信方面”取得了突破性成就，获得诺贝尔物理学奖。国际上被公认尊称为“.之父”的科学家？袁隆平杂交水稻之父 陈省身现代微分几何之父2012050http:/w2009-12-2009-12-高锟亲领hrzhangzai光纤之父高锟1998年高锟在英国接受IEE授予的奖章2009年高锟在瑞典接受瑞

12、典国王颁发的诺贝尔奖章$侨网发光纤技术的不断发展1968年获得了损耗为5dB/km的体材料1970年美国康宁(Corning)玻璃公司宣布制作出了损耗为20dB/km的石英光纤以纯石英为主体，掺杂不同氧化物获得所需要的折射率分布；以气相沉积工艺制作预制棒，拉制出光纤。上述两个思路直到现在仍是光纤制作基础目前的实用化水平：0.2dB/km恰恰也是1970年，美国贝尔实验室成功地研制出能在室温下1970光通信元年！连续工作的半导体激光器光纤通信时代正式到来！光纤通信技术的三次飞跃20世纪60年代。从1962年第一只半导体激光器诞生，到1966年高锟 提出用玻璃可以制成衰减为20dB/km的通信光导

13、纤维， 1970年美国康宁公司首先制出了20dB/km的光纤， 标志着光纤通信系统的实际研究条件得以具备。20世纪70年代。1970年发明了LD的双异质结构，使得光源与光检测 器的寿命都达到了10万小时的实用化水平。1979年发现了光纤1310nm和1550nm新的低损耗窗口，紧接着单模光纤问世。光纤的衰减系数一下降到0.5dB/km。这使得光纤通信迈进了实用化阶段，从80年代初开始 光纤通信便大步地迈向了市场。光纤通信技术的三次飞跃20世纪90年代初。1989年掺铒光纤放大器（EDFA）的研制成功是光 纤通信新一轮突破的开始。EDFA的应用不仅解决了光纤传输衰减的补偿问题， 而且为一批光网络

14、器件的应用创造了条件。使得光纤通信的数字传输速率迅速提高，促成了波 分复用技术的实用化光纤通信最具代表性技术EDFA掺铒光纤放大器技术（EDFA）利用掺铒光纤对输入信号光的能量进行放大的一种光放大技术功能：提供光信号增益，以补偿光信号在通路中的传输衰减，增大系统的无中继传输距离。光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光 电光(O-E-O)变换方式，装置复杂、耗能多光放大器出现之后，中继采用光光（O-O）变换EDFA实现了光纤的长距离无电中继全光传输，大大降低了光纤系统的成本！直接推动了光纤通信的爆炸式发展！EDFA的主要应用方式在线光放大：用于不需要光再生只需要简单放大的场合前置光放大：用于提

15、高的灵敏度功率放大：用于增加发送功率，从而增加光纤中继距离、补偿插入损耗和功率分配损耗(如PON中)EDFA的工作原理p 泵浦光将Er3+从基态激发到高能态上，由于Er3+ 在高能态上的寿命很短，将很快以非辐射跃迁形式跃迁到较低能级（亚稳态）上；在泵浦的不断作用下，可以在该能级与基态能级间形成粒子数反转分布p 在1550nm频带的信号光的激励下，Er3+将辐射一个全同光子并返回基态，完成受激辐射过程。EDFA的基本结构半导体泵浦激光器（波长为1480nm或980nm）：为信号放大提供足够的能量，实现增益介质的粒子数反转光隔离器：使光传输具有单向性， 放大器不受发射光影响，保证稳定工作。信号光（

16、波长约为1530-1560nm）掺铒光纤：在泵浦的作用下，能够在亚稳态能级与基态 能级间形成粒子数反转分布，并在信号光激励下产生大量的受激辐射，形成光放大波分复用耦合器：将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中EDFA的三种泵浦方式同向泵浦（前向泵浦）：泵浦光与信号光从同一端注入掺铒光纤。反向泵浦（后向泵浦）：泵浦光与信号光从不同方向输入掺杂光纤，两者在掺铒光纤中相向传输。双向泵浦:主要目的是使掺铒光纤中的铒离子得到充分的激励，提高放大器增益EDFA的优点工作波长与光纤最小损耗窗口一致，可在光纤通信中获得 广泛应用。耦合效率高。因为是光纤型放大器，易与光纤耦合连接。 能量转换效率高。激光工作物质集中

17、在光纤芯子，且集中 在光纤芯子中的近轴部分，而信号光和泵浦光也是在近轴部分最强，这使得光与物质作用很充分。增益高，噪声低。增益特性不敏感。EDFA增益对温度和偏振都不敏感，在100C内增益特性保持稳定。可实现信号的透明传输。可同时传输模拟信号和数字信号，高速率信号和低速率信号，系统扩容时，可只改动端机而不改动线路。.5.6.光放大器的主要类型(1) 掺杂光纤放大器。就是利用掺有稀土金属离子的光纤作为激光工作物质的一种放大器EDFA就是其中的典型代表。(2) 传输光纤放大器。可以利用传输光纤作为增益介质， 不需要额外的有源光纤，主要有受激拉曼散射(StimulatedRamanSc

18、attering，SRS)光纤放大器、受激布里渊散射(StimulatedBrilliouinScattering，SBS)光纤放大器等。其中光纤拉曼放大器已经实用化。(3)半导体激光放大器。其结构大体上与激光二极管(LaserDiode，LD)相同，由半导体材料制成，不属于光纤放大器。这几种类型的光放大器的工作原理和激励方式各不相同。光纤通信最具代表性技术WDMMultiplexing:在相同的信道上利用相互正交的物理量（时间，频率，偏振）扩大传输容量！波分复用(WDM:WavelengthDivisionMultiplexing)技术对传输容量的追求要求发展复用技术提高单路传输速率依靠OT

19、DM(OpticalTimeDivision Multiplexing)更为简单和有效的复用技术WDM在一根光纤里同时传输多路不同波长的光信号单路波长速率不用太高，性价比最高70年代已经提出，由于EDFA的出现以及光电子器件技术水平的发展而得到飞速发展！不同的时隙传输多路信号：短脉冲产生（psfs)光延时，技术难点较多！TDMVsWDMWDM的实现l1l1l1.nl1.nl2l2l3l3解复用器(分波器)波分复用器(合波器)WDM技术的实现依靠波分复用器和解复用器波分复用技术相当于光纤通信的FDM(频分复用)技术WDM信号的频谱特性波分复用(WDM)系统框图11光纤E D F A和色散补偿E

20、D F A和色散补偿SDH-nSDH-3SDH-2波分复用器23nSDH-1波长解复用器2SDH-23SDH-3nSDH-nSDH-1WDM的出现极大的降低了系统的复杂度和成本WDM的分类DWDM-密集波分复用信道波长间隔小(目前常用为0.8或0.4nm，1.6nm的基本不用了)，总波数可达到160波以上，一般只用40波左右对激光器波长稳定性要求高，需配置温控电路一般用于跨数省的干线工程，需要昂贵的EDFA和更昂贵的拉曼放大器，以保证长距离的传输CWDM-粗波分复用信道波长间隔大(一般为20nm)，系统总波数4、8、16等都有， 常用8波的对激光器波长稳定性的要求低主要用于满足城域网的建设，所

21、以一般可不加装放大器，成本低廉，高带宽，在中短距离光传输中赢得了大量市场EDFA在WDM系统中的应用EDFA输出光纤输入光纤增益,dB20101.56, l(mm)1.53 1.54 1.55实用光纤通信系统的发展1976年，美国贝尔实验室进行了世界上第一个速率45Mb/s传输10km的多模光纤通信系统现场试验1977年美国在芝加哥两个电话局之间开通世界上第一个使用多模光纤的商用光纤通信系统(距离7km，波长850nm，速率45Mb/s)(我国第一个商用光纤通信系统开通于1982年)1983年日本敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。1988年由美、日、通信系统建成。英、法发起的第一条横跨大西洋海

22、底光缆1989年第一条横跨太平洋的海底光缆通信系统建成。全球海底光缆分布情况我国光纤通信系统及光缆线路的发展在20世纪80年代中期，数字光纤通信的速率已达到144Mb/s，可传送1980路电话，超过同轴电缆，光纤通信开始作为主流被大量采用，在传输干线上全面取代电缆至1999年，8纵8横光纤骨干网建成，覆盖了除外所有省会城市和75地市，全国长途光缆达到20万公里，建成并开通了、中韩、亚欧等多条国际陆地、海底光缆2005年3.2Tbps超大容量的光纤通信系统在上海至杭州开通到2007年底，光缆线路总长度达577.7万公里，其中长途光缆线路长度达到79.2万公里，接入网光缆线路长度159.6万公里2008年9月，中、韩、美的六家公司合建的横跨太平洋高速直达光缆建成投产，速率1.28-5.12Tb/s，可同时供1920万人通话或传输16万路高清电视，光缆全长2.6万公里我国光缆骨干网分布图至俄罗斯至欧洲北京至至韩国至日本FLAG上海FLAGFibe