光纤通信系统的基本组成

1.3 1.3 光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成 第第1 1章章 概概 论论教学内容教学内容：1.1 1.1 光纤通信发展的历史和现状光纤通信发展的历史和现状1.2 1.2 光纤通信的优点和应用光纤通信的优点和应用一、理解一、理解光通信的基本概念光通信的基本概念 二、二、掌握掌握光纤通信的特点光纤通信的特点教学目的及要求：教学目的及要求：1.1 1.1 光纤通信发展的历史和现状光纤通信发展的历史和现状 这些都可以看作是原始形式的光通原始形式的光通信信。望远镜的出现，又极大地延长了这种目视光通信目视光通信的距离。原始形式的光通信原始形式的光通信:中国古代用“烽烽火台火台”报警，欧洲人用旗语旗语传送信息。1.1.1 1.1.1 探索时期的光通信探索时期的光通信 1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音的“光电话光电话”。这种光电话光电话利用太阳光太阳光或弧光灯弧光灯作光源光源，通过透镜把光束聚焦在送话器前的振动镜片上，使光强度随话音的变化而变化，实现话音对光强度的调制。在接收端接收端，用抛物面反射镜把从大气传来的光束反射到硅光电池上，使光信号变换为电流，传送到受话器。贝尔光电话贝尔光电话 由于当时没有理想的光源光源和传输介传输介质质，这种光电话的传输距离很短，并没有实际应用价值，因而进展很慢。然而，光电话仍是一项伟大的发明，它证明了用光波作为载波传送信息的可行性。因此，可以说贝尔光电话贝尔光电话是现代光通信的雏型雏型。激光激光具有波谱宽度窄波谱宽度窄，方向性极好方向性极好，亮度亮度极高极高的良好特性。激光是一种高度相干光相干光，它的特性和无线电波电波相似，是一种理想的光载波光载波。1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器宝石激光器，给光通信带来了新的希望。激光器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。实验证明：用承载信息的光波，通过大气的传播，实现点对点的通信是可行的，但是通信能力和质量受气候影响十分严重。大气光通信大气光通信 激光器一问世，人们就模拟无线电通信进行了大气激光通信的研究。由于雨、雾、雪和大气灰尘的吸收和散射，光波能量衰减很大。例如，雨能造成 30 dB/km的衰减，浓雾衰减高达 120 dB/km。另一方面，大气的密度和温度不均匀，造成折射率的变化，使光束位置发生偏移。因而通信的距离和稳定性都受到极大的限制。由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介稳定可靠和低损耗的传输介质质，对光通信的研究曾一度走入了低潮。1.1.2 现代光纤通信现代光纤通信 1966年，英籍华裔学者高锟高锟和霍克哈霍克哈姆姆发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信光纤通信光纤通信的基础。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 当时石英纤维石英纤维的损耗高达1000dB/km以上，高锟等人指出：这样大的损耗不是石英纤维本身固有的特性，而是由于材料中的杂质，例如过渡金属离子的吸收产生的。材料本身固有的损耗基本上由瑞利散射瑞利散射决定，它随波长的四次方而下降，其损耗很小。因此有可能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。1970年，美国康宁(Corning)公司研制成功损耗 20dB/km 的石英光纤。把光纤通把光纤通信的研究开发推向一个新阶段信的研究开发推向一个新阶段。19701970年，年，光纤光纤研制研制取得了重大突破取得了重大突破 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)实验室的光纤损耗降低到 2.5dB/km。1976年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到 0.47 dB/km。在以后的 10 年中，波长为1.55m 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，接近了光纤光纤最低损耗的理论极限最低损耗的理论极限。1970年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联先后，研制成功室温室温下连续振荡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的发展奠定了基础。1970 1970 年，光纤通信用年，光纤通信用光源光源取得了实取得了实质性的进展质性的进展:1973年年，半导体激光器寿命达到7000小时。1976年年，日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3m 的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器。19771977年年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时。19791979年年美国电报电话公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为1.55m的连续振荡半导体激光器。由于光纤光纤和半导体激光器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重要里程碑程碑。1980年，美国标准化 FT-3 光纤通信系统投入商业应用。实用实用光纤通信系统光纤通信系统的发展的发展: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世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验试验。1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。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 的渐变型多模光纤渐变型多模光纤通信系统的试验。第一条横跨太平洋海底光缆通信系统横跨太平洋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。随后，由美、日、英、法发起的第一条横跨大西洋海底光缆通信系统横跨大西洋海底光缆通信系统于1988年建成。光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：第一阶段(1966-1976年)，这是从基础研究到商业应用的开发时期。第二阶段(1976-1986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。第三阶段(1986-1996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。1976年美国在亚特兰大亚特兰大进行的现场试验，标志着标志着光纤通信从基础研究从基础研究发展到了到了商业应用商业应用的新阶段。此后，光纤通信技术不断创新：光纤从多模发展到单模多模发展到单模，工作波长从0.85m发展到1.31m和1.55m(短波长向长波长短波长向长波长），传输速率传输速率从几十Mb/s发展到几十Gb/s。1.1.3 国内外光纤通信发展的现状国内外光纤通信发展的现状 随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不断下降光纤价格不断下降，应用范围不断扩大。目前光纤已成为信息宽带传输信息宽带传输的主要主要媒质媒质，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1.55m直接检测光孤子光放大器1.55m相干检测系统性能(Gb/sKm）1.2 光纤通信的优点和应用光纤通信的优点和应用1 1、光通信、光通信 光通信光通信是利用光波来传送信息的。1.2.1 光通信光通信的基本概念的基本概念 2 2、光纤通信、光纤通信 光纤通信是以光波作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信方式。3、光波的电磁频谱光波的电磁频谱 光波光波实际上是一高频的电磁波电磁波。在讨论高频电磁波时，我们习惯采用波长波长来代替频率描述。波长波长与频率频率的关系为：fcfc 其中：为电磁波的波长，其物理含义是电磁波在时间上变化一周，其波前在空间变化一周所行进的长度;c为光波在自由空间中传播的速度，其值为3108m/s；f 为电磁波的频率，其物理含义是交变电磁波在单位时间（每秒）变化的周期数。光波在电磁波频谱中的大体位置分布（注意：通常将频率为1GHz以上的无线电波称为微波）。光波的频率频率一般可达到1013-1014 Hz，对应的波长波长在10-100000 nm之间。可进一步将光波细分为红外线红外线、可见可见光光和紫外线紫外线。部分电磁波频谱图 100 THz10 THz1 THz100 GHz10 GHz1 GHz100 MHz10 MHz1 MHz1 m可见光线10 m100 m1 m m10 m m100 m m1 m10 m100 m中波(MF)短波(HF)米波(VHF)分米波(UHF)厘米波(SHF)毫米波(EHF)亚毫米波远红外线近红外线(光纤通信用）频率波长名称紫外线微波Microwave伽玛射线GammaRaysX-射线X-Rays101110910710510310110103紫外线UV可见光Visible红外线IR无线电Radio波长Wavelength(cm)电磁波频谱图 容许频带很宽，传输容量很大；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，保密性能好；节约金属材料,有利于资源合理使用。1.2.2 光纤通信的光纤通信的优点优点 光纤可以传输数字信号数字信号，也可以传输传输模拟信号模拟信号。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。1.2.3 光纤通信的应用光纤通信的应用 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光纤通信的各种应用可概括如下：光纤通信的各种应用可概括如下：光纤通信系统光纤通信系统是以光波作载波、以光纤为传输媒介的通信系统。它的基本构成如图所示，由光发信机、光收信机、光纤或光缆、中继器和光无源器件以下五个部分组成。1.3 光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成光纤光纤光纤光纤电电端端机机调调制制光光检检测测判判决决再再生生光光源源光光源源光光检检测测放放大大电电端端机机光发信机光发信机光收信机光收信机中继器中继器(1)(1)光发信机光发信机 光发信机光发信机是实现电电/光光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器组成。其功能其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。(2)(2)光收信机光收信机 光收信机光收信机是实现光/电转换的光端机。它由光检测器和光放大器组成。其功能其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端汲去。(3)(3)光纤或光缆光纤或光缆 光纤或光缆光纤或光缆构成光的传输通路。其功能其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。(4)(4)中继器中继器 中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减衰减；另一个是对波形失真的脉冲进行整形整形。(5)(5)无源器件无源器件 由于光纤或光缆的长度受光纤拉制工艺和光缆施工条件的限制，且光纤的拉制长度也是有限度的（如1Km)。因此一条光纤线路可能存在多根光纤相连接的问题。于是，光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合，对光纤连接器、耦合器等无源无源器件器件的使用是必不可少的。