光纤与通信：第1章概述

光纤通信光纤通信Optical Fiber Communication课程性质：专业选修课学时：理论课36+实验课8 =44学时学分：2.5课程内容：课程内容：光纤通信概述光纤通信概述光纤及其特性光纤及其特性光源及其光发射机光源及其光发射机光检测器与光接收机光检测器与光接收机光纤通信系统光纤通信系统光通信网络光通信网络2 刘增基等刘增基等 西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社 1 王辉等王辉等 电子工业出版社电子工业出版社李履信，沈建华编著光纤通信系统（第2版）机械工业出版社教材：教材：参考书：参考书：(1)(2)(3)(4)(8.7,8.1,8.2,7,10,11.1)(12.1,6)1 光纤通信发展光纤通信发展 2 光纤通信特点光纤通信特点 3 光纤通信系统组成光纤通信系统组成第一章 光纤通信概述什么是光纤通信：什么是光纤通信：以光波作为载波，以光波作为载波，以光纤作为光传输介质的一种有线通信以光纤作为光传输介质的一种有线通信光纤：导光光纤：导光光学纤维光学纤维光波：一种电磁波光波：一种电磁波通信系统：通信系统：将将信息信息从一个地方传送到另一个地方，不管这两个地方相隔几公里，从一个地方传送到另一个地方，不管这两个地方相隔几公里，还是横跨大洋的超长距离。还是横跨大洋的超长距离。传输信息的方法：传输信息的方法：信息通常由信息通常由电磁波电磁波携带进行传输，频率从几兆赫携带进行传输，频率从几兆赫(MHz)(MHz)到几百太赫。到几百太赫。光通信使用电磁波谱中可见光或近红外区域的高频电磁波光通信使用电磁波谱中可见光或近红外区域的高频电磁波(约约100THz)。光纤通信系统是利用光纤进行信息传输的光波系统，光纤通信系统是利用光纤进行信息传输的光波系统，8080年代在年代在全球得到了广泛应用，并使通信领域发生了巨大的变化，是信息时全球得到了广泛应用，并使通信领域发生了巨大的变化，是信息时代来临的主要物质基础之一。代来临的主要物质基础之一。光在电磁波光在电磁波谱中的位置谱中的位置1.1 1.1 光纤通信的发展光纤通信的发展 近代通信技术分为近代通信技术分为 :有线通信有线通信 无线通信无线通信通信技术发展过程中，通信技术发展过程中，围绕着增加信息传输的围绕着增加信息传输的速率速率和和距离距离，提高通信系统的提高通信系统的有效性、可靠性有效性、可靠性和和经济性经济性方面进行了许多工作，方面进行了许多工作，取得了卓越的成就。取得了卓越的成就。光通信技术则是当代通信技术发展的最新成就，已成为现代通信的光通信技术则是当代通信技术发展的最新成就，已成为现代通信的基石。基石。光通信光通信:凡使用光作为通信手段的都可称为光通信凡使用光作为通信手段的都可称为光通信。光纤通信光纤通信:用光作为信息的载体用光作为信息的载体 、以光纤、以光纤(Optical Fiber)作为传输作为传输介质的一种通信方式。介质的一种通信方式。从光通信到光纤通信经历了漫长的时间：从光通信到光纤通信经历了漫长的时间：远古时代用烟火信号传递单个的信息；18世纪末通过信号灯、旗帜传递信息；19世纪30年代电报的出现用电取代了光，开始了电信时代；19世纪60年代电话的发明，引起了模拟电通信技术支配了通信系统达100年左右；20世纪同轴电缆系统（3MHz的系统，能够传输300路音频信号或1路视频信号）、微波系统（4GHz）。通信系统的容量通常用通信系统的容量通常用比特率比特率距离积距离积 BLBL 表示表示 B B 为比特率为比特率 L L 为中继间距为中继间距最近一个半世纪来最近一个半世纪来BL积随技术进步发生的积随技术进步发生的变化。变化。可见至可见至70年代电通信获得的最大年代电通信获得的最大BL积积不超过不超过100(Mb/s)km。1 1、气候对通信的影响十分严重、气候对通信的影响十分严重；（阴天、雨天，特别是大雾天时，通信几乎中断）（阴天、雨天，特别是大雾天时，通信几乎中断）2 2、大气温度的变化使气体密度和折射率严重不均匀；、大气温度的变化使气体密度和折射率严重不均匀；（传输不稳定，即光线漂移和抖动）（传输不稳定，即光线漂移和抖动）3 3、传输设备要求设在高处，收发两地直线可见。、传输设备要求设在高处，收发两地直线可见。（这种地理条件使得大气传输光通信使用范围有局限性（这种地理条件使得大气传输光通信使用范围有局限性)现代光通信以1960年梅曼（年梅曼（Maiman）发明了红宝石激光器为标志。）发明了红宝石激光器为标志。大气传输方式的缺陷：大气传输方式的缺陷：引起通信领域大变革和发展的是引起通信领域大变革和发展的是:光纤作为传输介质光纤作为传输介质 19661966年，英籍华裔科学家年，英籍华裔科学家高锟高锟(C.K.Kao)(C.K.Kao)博士首次提出了光纤传输博士首次提出了光纤传输光信号的著名理论光信号的著名理论。高锟博士当时是英国高锟博士当时是英国HarlowITTHarlowITT实验室年轻的工程师；实验室年轻的工程师；高锟博士研究了光在石英玻璃中严重损耗的问题，当时实验为高锟博士研究了光在石英玻璃中严重损耗的问题，当时实验为3000dB/km3000dB/km；光纤发明家光纤发明家高锟高锟2009年，与威拉德博伊尔和乔治埃尔伍德史密斯共享诺贝尔物理学奖。高锟博士发现玻璃纤维的损耗不是固有的，清除材料中的杂质含量高锟博士发现玻璃纤维的损耗不是固有的，清除材料中的杂质含量和改善工艺，可以使光纤成为实用的光传输介质；和改善工艺，可以使光纤成为实用的光传输介质；高锟博士大胆提出并且预测光纤是传递信息的理想介质。高锟博士大胆提出并且预测光纤是传递信息的理想介质。光波的频率极高，任何其它媒质无法比拟的：光波的频率极高，任何其它媒质无法比拟的：几乎是无限的的带宽；几乎是无限的的带宽；几乎是零的损耗；几乎是零的损耗；几乎是为零的信号失真；几乎是为零的信号失真；几乎是为零的功率消耗；几乎是为零的功率消耗；几乎是为零的材料消耗；几乎是为零的材料消耗；几乎是为零的占有空间；几乎是为零的占有空间；几乎是为零的价格。几乎是为零的价格。光纤通信与电通信方式的主要差异有两点：光纤通信与电通信方式的主要差异有两点：一是用光作为传输信号一是用光作为传输信号 二是用光缆作为传输线路二是用光缆作为传输线路 因此，在光纤通信中起主导作用的是因此，在光纤通信中起主导作用的是 激光器激光器 和和 光纤。光纤。半导体激光器的发光面积很小，它输出稳定的而且方向性极好的激半导体激光器的发光面积很小，它输出稳定的而且方向性极好的激光，激光可以运载巨大的信息量。光，激光可以运载巨大的信息量。光纤是一种介质波导，具有把光封闭在其中进行传播的导波结构。光纤是一种介质波导，具有把光封闭在其中进行传播的导波结构。它是由直径大约它是由直径大约0.1mm0.1mm的石英材料（的石英材料（SiOSiO2 2）构成。由于损耗低，所以传）构成。由于损耗低，所以传输距离远。输距离远。主要的问题是光纤的高损耗：主要的问题是光纤的高损耗：60年代可能得到的光纤损耗超过了年代可能得到的光纤损耗超过了1000dB/km；高锟博士认为清除材料中的杂质含量和改善工艺，高锟博士认为清除材料中的杂质含量和改善工艺，可以使光纤降低到可以使光纤降低到20dB/km以下，成为实用的光传输质。以下，成为实用的光传输质。在在1970年，康宁年，康宁(Coming)公司研制出衰减为公司研制出衰减为20dBkm的光纤。的光纤。几乎在同时，室温下运行的几乎在同时，室温下运行的GaAs半导体激光器研究半导体激光器研究成功。成功。小型光源和低损耗光纤的同时问世，在全世界范围小型光源和低损耗光纤的同时问世，在全世界范围内掀起了发展光纤通信的高潮。内掀起了发展光纤通信的高潮。1976年，美国在年，美国在ATLANTA进行世界第一个光纤通信进行世界第一个光纤通信的实验，速率的实验，速率44.7M，距离，距离10KM。光纤通信进展很快，在不到光纤通信进展很快，在不到20年的时间，比特率年的时间，比特率距离积增加了几个数量级。距离积增加了几个数量级。第一代光纤通信：第一代光纤通信：在在1970年代，年代，它的特征是采用它的特征是采用850nm850nm的多模光纤，光纤的多模光纤，光纤损耗为损耗为2.52.53dB3dBkmkm，传输速率为，传输速率为5050100Mb100Mbs s，中继距离为，中继距离为8 810km10km。第二代光纤通信第二代光纤通信:在在19801980年，进入了工作波长为年，进入了工作波长为1310nm1310nm、使用、使用单模光纤传输的时代。单模光纤传输的时代。特点：特点：1 1、该波段是石英光纤的第二个低损耗窗口、该波段是石英光纤的第二个低损耗窗口(典型值为典型值为0.5dB/km)0.5dB/km)；2 2、且有最低的色散。、且有最低的色散。相应的光源采用铟稼砷磷相应的光源采用铟稼砷磷(1nGaAsP)(1nGaAsP)铟磷铟磷(1nP)(1nP)半导体激光器，光半导体激光器，光电探测器采用锗材料，传输速率为电探测器采用锗材料，传输速率为1.7Gb1.7Gbs s，中继距离为，中继距离为50km50km。光纤通信发展经历了4代：9090年代实现了使用色散位移单模光纤在年代实现了使用色散位移单模光纤在1550nm1550nm波长传输。单模光波长传输。单模光纤较多模光纤色散低得多，损耗也更小，降至纤较多模光纤色散低得多，损耗也更小，降至0.30.30.5dB0.5dBkmkm，中继距，中继距离离 100km 100km，速率，速率10Gb10Gbs s。第三代光纤通信第三代光纤通信第四代光纤通信阶段第四代光纤通信阶段：2020世纪世纪9090年代中期，其主要特征是采用了密集波分复用年代中期，其主要特征是采用了密集波分复用(DWDM)(DWDM)对对光纤系统传输容量进行扩容。到光纤系统传输容量进行扩容。到20022002年，商用年，商用DWDMDWDM系统容量己达系统容量己达160 x 160 x 10Gb10Gbs(1.6Tbs(1.6Tbs)s)，实验室水平为，实验室水平为256x42.7Gb256x42.7Gbs(10.932Tbs(10.932Tbs)s)。在这个时期，掺铒光纤放大器的出现成为光纤通信发展史上的重要里程碑。在这个时期，掺铒光纤放大器的出现成为光纤通信发展史上的重要里程碑。1.2 光纤通信的特点光纤通信的特点电缆通信的缺点：电缆通信的缺点：类型频带损耗/（dB/km）对称电缆4kHz时2.06细同轴电缆1MHz时30 MHz时5.2428.70粗同轴电缆1MHz时60 MHz时2.4218.77光纤通信的优点：光纤通信的优点：1 1、频带宽，通信容量大、频带宽，通信容量大 光纤可利用的带宽极宽，约为光纤可利用的带宽极宽，约为50THz50THz，信道的带宽取决于载波的频，信道的带宽取决于载波的频率，载波的频率越高，信道的带宽就越大，系统传递信息的能力就越率，载波的频率越高，信道的带宽就越大，系统传递信息的能力就越强。强。按经验，带宽大约是载波频率的十分之一。按经验，带宽大约是载波频率的十分之一。从电磁波频谱图可见：从电磁波频谱图可见：双绞线的工作频率双绞线的工作频率300kHz300kHz；同轴电缆的工作频率同轴电缆的工作频率1GHz 1GHz；微波波导的工作频率可高达微波波导的工作频率可高达100GHz100GHz；光纤通信所用光的工作频率为光纤通信所用光的工作频率为1001001000THz1000THz，其带宽可达，其带宽可达50THz50THz。双绞线的带宽30kHz同轴电缆的带宽100MHz微波波导的带宽为1GHz光纤带宽可达50THz2、损耗低，中继距离长、损耗低，中继距离长 目前实用石英光纤的损耗可低于目前实用石英光纤的损耗可低于0.2dB/km0.2dB/km，比其它任何传输介质，比其它任何传输介质的损耗都低。的损耗都低。由于光纤的损耗低，所以能实现中继距离长，由石英光纤组成的由于光纤的损耗低，所以能实现中继距离长，由石英光纤组成的光纤通信系统最大中继距离可达光纤通信系统最大中继距离可达400400多千米；多千米；由非石英系极低损耗光纤组成的通信系统，其最大中继距离则可由非石英系极低损耗光纤组成的通信系统，其最大中继距离则可达数千甚至数万千米，这对于降低海底通信的成本、提高可靠性和稳达数千甚至数万千米，这对于降低海底通信的成本、提高可靠性和稳定性具有特别的意义。定性具有特别的意义。类型损耗/（dB/km）对称电缆2.06细同轴电缆5.2428.70粗同轴电缆2.4218.770.85m波长多模光纤31.3m波长多模光纤11.3m波长单模光纤0.361.55m波长单模光纤0.23 3、抗电磁干扰、抗电磁干扰 光纤是绝缘体材料，它不受自然界的雷电干扰、电离层的变化和光纤是绝缘体材料，它不受自然界的雷电干扰、电离层的变化和太阳黑子活动的干扰，也不受电气化铁路馈电线和高压设备等工业电太阳黑子活动的干扰，也不受电气化铁路馈电线和高压设备等工业电器的干扰，还可用它与高压输电线平行架设或与电力导体复合构成复器的干扰，还可用它与高压输电线平行架设或与电力导体复合构成复合光缆。合光缆。4 4、无串音干扰，保密性好、无串音干扰，保密性好 光波在光缆中传输，很难从光纤中泄漏出来，即使在转弯处，弯光波在光缆中传输，很难从光纤中泄漏出来，即使在转弯处，弯曲半径很小时，漏出的光波也十分微弱，若在光纤或光缆的表面涂上曲半径很小时，漏出的光波也十分微弱，若在光纤或光缆的表面涂上一层消光剂效果更好，这样，即使光缆内光纤总数很多，也可实现无一层消光剂效果更好，这样，即使光缆内光纤总数很多，也可实现无串音干扰，在光缆外面，也无法窃听到光纤中传输的信息。串音干扰，在光缆外面，也无法窃听到光纤中传输的信息。5 5、光纤线径细、重量轻、柔软、光纤线径细、重量轻、柔软 光纤的芯径很细，约为光纤的芯径很细，约为0.1mm0.1mm，它只有单管同轴电缆的百分之一；，它只有单管同轴电缆的百分之一；光缆的直径也很小，光缆的直径也很小，8 8芯光缆的横截面直径约为芯光缆的横截面直径约为10mm10mm，而标准同轴电缆，而标准同轴电缆为为47mm47mm。利用光纤这一特点，使传输系统所占空间小，解决地下管道拥挤的利用光纤这一特点，使传输系统所占空间小，解决地下管道拥挤的问题，节约地下管道建设投资。问题，节约地下管道建设投资。光纤的重量轻，光缆的重要比电缆轻得多，例如光纤的重量轻，光缆的重要比电缆轻得多，例如1818管同轴电缆管同轴电缆1m1m的的重量为重量为11kg11kg，而同等容量的光缆，而同等容量的光缆1m1m重只有重只有90g90g，这对于在飞机、宇宙飞，这对于在飞机、宇宙飞船和人造卫星上使用光纤通信更具有重要意义。船和人造卫星上使用光纤通信更具有重要意义。光纤柔软可挠，容易成束，能得到直径小的高密度光缆。光纤柔软可挠，容易成束，能得到直径小的高密度光缆。6 6、光纤的原材料资源丰富，用光纤可节约金属材料、光纤的原材料资源丰富，用光纤可节约金属材料 光纤的材料主要是石英光纤的材料主要是石英(二氧化硅二氧化硅)，地球上有取之不尽用之不竭的，地球上有取之不尽用之不竭的原材料，而电缆的主要材料是铜、铝、铅，世界上铜的储藏量并不多，原材料，而电缆的主要材料是铜、铝、铅，世界上铜的储藏量并不多，据估计按此开采速度，只能使用据估计按此开采速度，只能使用5050年左右。年左右。用光纤取代电缆，则可节约大量的金属材料，据推算，敷设用光纤取代电缆，则可节约大量的金属材料，据推算，敷设1000km1000km的光缆线路，可节省铜的光缆线路，可节省铜150150吨，铅吨，铅500500吨。这无疑具有合理使用地球资源吨。这无疑具有合理使用地球资源的重大意义。的重大意义。7 7、光纤除具有以上突出的优点外，还具有耐腐蚀力强、抗核幅、光纤除具有以上突出的优点外，还具有耐腐蚀力强、抗核幅射、能源消耗小等优点。射、能源消耗小等优点。光纤的缺点：光纤的缺点：质地脆、机械强度低，连接比较困难，分路、耦合不方便，弯曲质地脆、机械强度低，连接比较困难，分路、耦合不方便，弯曲半径不宜太小等。半径不宜太小等。这些缺点在技术上都是可以克服的，它不影响光纤通信的实用。近这些缺点在技术上都是可以克服的，它不影响光纤通信的实用。近年来，光纤通信发展很快，它已深刻地改变了电信网的面貌，成为现代年来，光纤通信发展很快，它已深刻地改变了电信网的面貌，成为现代信息社会最坚实的基础，并向我们展现了无限美好的未来。信息社会最坚实的基础，并向我们展现了无限美好的未来。1.3 光纤系统的基本组成光纤系统的基本组成 分为三大组成部分：分为三大组成部分：光发送机、光纤光缆、光接收机光发送机、光纤光缆、光接收机 1.3.1 1.3.1 光纤光缆光纤光缆 作为通信信道，基本特性参数为：作为通信信道，基本特性参数为：损耗：直接限制通信距离。损耗：直接限制通信距离。色散：引起光脉冲信号展宽和码间串扰，限制通信距离。色散：引起光脉冲信号展宽和码间串扰，限制通信距离。因此，要求光纤具有低损耗和低色散特性。因此，要求光纤具有低损耗和低色散特性。CCITTCCITT对光纤光缆作了规定和命名，制订了标准。对光纤光缆作了规定和命名，制订了标准。1.3.2 光发送机光发送机 完成完成E/OE/O转换，并将光信号注入光纤。转换，并将光信号注入光纤。光发送机框图光发送机框图 1.3.3 光接收机光接收机 完成完成O/EO/E转换，并将传输码流解调为原码。转换，并将传输码流解调为原码。在接收一般的强度调制的光脉冲时，可直接将其转换为电流，这种在接收一般的强度调制的光脉冲时，可直接将其转换为电流，这种方案称为方案称为IM/DDIM/DD方案。方案。光接收机基本结构框图光接收机基本结构框图 光发送机光接收机光纤（光缆）输入电信号输出电信号光通信系统组成多路信号复用光发送机多路信号解复用光接收机1n1n