光通信第01章概述[1]

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,Fiber Communications SDU-WH 2010,光纤通信原理,Guangming Li ,Office: EE505,Phone: 5688066-505,Email: gmlihk,课程简介,定位,：,限选课,讲义,：,光纤通信原理,（第,2,版）邓大鹏，人民邮电出版社,参考书,：,1.,光纤通信系统,顾畹仪、李国瑞著，北京邮电大学出版社,2. Optical Networks: A Practical Perspective, Second Edition,Rajiv,Ramaswami, Kumar,Sivarajan, Morgan Kaufmann, Inc.,3. Fiber Optic Communications (Fifth Edition),，,Joseph C.,Palais,，电子工业出版社,4. Fiber-Optic Communications Technology,Djafar,K.,Mynbaev, Lowell L.,Scheiner,eds., Pearson Education,Inc.,2001.,光纤通信技术，科学出版社,课程性质、任务,光纤通信是通信工程专业的专业课程。通过本课程的学习，要求学生掌握光纤传输用到的主要器件，光纤传输原理，光信号的产生和接收，光纤通信系统的组成等内容。开设光纤通信系统的系列实验课程，培养学生的动手能力，强化理论知识，使学生掌握光纤通信的基本特点，以及光纤通信系统的原理，具备设计光纤传输系统的能力，了解光纤通信的未来与发展，为今后的工程应用和研究生阶段的学习打下坚实基础。结合光纤通信技术的发展，介绍一些相关领域的前沿技术、方法和成就，为学生的视野拓展和就业打下基础。,课程考查方式,实验,+,平时,+,作业：,30%,期末：开卷考试：,70%,第一章 概 述,1.1 光纤通信的发展与现状,1.2 光纤通信的主要特性,1.3 光纤通信系统的组成和分类,1.1,光纤通信的发展与现状,1.1.1 早期的光通信,Smoke signals Blinker lights,现代光通信的开端,-,贝尔光电话,到了1880年，贝尔发明了第一个光电话，这一大胆的尝试，可以说是现代光通信的开端。,在这里，将弧光灯的恒定光束投射在话筒的音膜上，随声音的振动而得到强弱变化的反射光束，这个过程就是调制。,Bells Photophone,1880,- Photophone Transmitter,1880,- Photophone Receiver,“,The ordinary manwill find a little difficulty in comprehending how sunbeams are to be used. Does Prof. Bell intend to connect Boston and Cambridgewith a line of sunbeams hung on telegraph posts, and, if so, what diameter are the sunbeams to be?will it be necessary to insulate them against the weather?until (the public) sees a man going through the streets with a coil of No. 12 sunbeams on his shoulder, and suspending them from pole to pole, there will be a general feeling that there is something about Prof. Bells photophone which places a tremendous strain on human credulity.”,New York Times Editorial, 30 August 1880,Bell photophone,贝尔电话系统,光通信的三大要素,光源,传输介质,光检测（光接收）,贝尔光电话和烽火报警一样，都是利用大气作为光通道。,大气光通信,优点,：有一定的容量、传输距离，方便灵活,缺点,：,1,光波传播易受气候的影响，在大雾天气，它的可见度距离很短，遇到下雨下雪天也有影响。,2.,距离带宽有限,3.,通信两点必须直线可见,1.1.2 光纤通信,在大气光通信受阻之后，人们将研究的重点转入到地下光波通信的实验，先后出现过反射波导和透镜波导等地下通信的实验，如图所示。,图1.2 反射波导和透镜波导,1966年，英籍华人高锟(,K.C.Kao，,当时工作于英国标准电信研究所)博士深入研究了光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题，发现这种玻璃纤维引起光损耗的主要原因是其中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属离子和其他杂质，其次是拉制光纤时工艺技术造成了芯、包层分界面不均匀及其所引起的折射率不均匀，他还发现一些玻璃纤维在红外光区的损耗较小。,1966,年：光纤损耗为,1000dB/km,高锟博士,发表他的著名论文“,光频介质纤维表面波导,”首次明确提出：通过改进制备工艺，减少原材料杂质 ，可使石英光纤的损耗大大下降 ，并有可能拉制出损耗低于,20dB/km,的光纤，从而使光纤可用于通信之中。称为,“光纤之父”。,K. C. Kao, G. A. Hockham (1966), ,Dielectric-fibre surface waveguides for optical frequencies,Proc. IEE,113,(7): 11511158,在高锟理论的指导下，1970年美国的康宁公司拉出了第一根损耗为20,dB/km,的光纤。,1977年美国在芝加哥进行了44.736,Mbit/s,的现场实验，1978年，日本开始了32.064,Mbit/s,和97.728,Mbit/s,的光纤通信实验；1979年，美国,AT&T,和日本,NTT,均研制出了波长为1.35,m,的半导体激光器，,日本也做出了超低损耗的光纤(损耗为0.2,dB/km，,波长为1.55,m)，,同时进行了多模光纤(同时允许多个方向的光线在其中传送的光纤)1.31,m,的长波长传输系统的现场试验。,到如今，光纤通信已经发展到以采用光放大器(,Optical Amplifier，OA),增加中继距离和采用波分复用(,Wavelength Division Multiplexing，WDM),增加传输容量为特征的第四代系统。,光通信 vs 光纤通信,光通信 ：一切运用光作为载体传送信息的所有通信方式的总称,光纤通信：依靠光纤作为媒质来传送信息,1.2,光纤通信的主要特性,1.2.1 光纤通信的优点,1. 光纤的容量大,光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统，其载波光波具有很高的频率(约10,14,Hz)，,因此光纤具有很大的通信容量。,Electromagnetic spectrum,大多数光通信系统使用红外区域的波长,0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 1.0 1.5 2.0,Wavelength (,m),Ultraviolet,Visible,Infrared,Optical Spectrum (Partial),Blue,Red,光的波动性,光的特性,Fiber optic systems must have low loss. For glass low loss occurs at several wavelengths.,The major operation regions,(windows),are:,WavelengthWindow,0.8-0.9,m First Window,1.300 m Second Window,1.550 m Third Window,1.600,m,mFourth Window,These are all in the infrared.,2. 损耗低、中继距离长,目前，实用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光纤，此类光纤在1.55,m,波长区的损耗可低到0.18,dB/km，,比已知的其他通信线路的损耗都低得多，因此，由其组成的光纤通信系统的中继距离也较其它介质构成的系统长得多。,如果今后采用非石英光纤，并工作在超长波长(2,m)，,光纤的理论损耗系数可以下降到10,-3,10,-5,dB/km，,此时光纤通信的中继距离可达数千，甚至数万公里。,3. 抗电磁干扰能力强,电话线和电缆一般是不能跟高压电线平行架设的，也不能在电气化铁路附近铺设。,4. 保密性能好,对通信系统的重要要求之一是保密性好。然而，随着科学技术的发展，电通信方式很容易被人窃听：只要在明线或电缆附近(甚至几公里以外)设置一个特别的接收装置，就可以获取明线或电缆中传送的信息。更不用去说无线通信方式。,5. 体积小，重量轻,6. 节省有色金属和原材料,1.2.2 光纤通信的缺点,事物都是一分为二的，光纤通信有许多优点，因而发展很快，但光纤通信也有以下缺点。,1. 抗拉强度低,2. 光纤连接困难,3. 光纤怕水,1.3,光纤通信系统的组成和分类,1.3.1 光纤通信系统的组成,光纤通信系统是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统。主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。,系统中光发送机的作用是将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注入光纤。光发送机一般由驱动电路、光源和调制器构成，如果是直接强度调制可以省去调制器，这些将在后续章节中详细介绍。,光接收机的作用是将光纤送来的光信号还原成原始的电信号。它一般由光电检测器和解调器组成，对于直接强度调制解调器可以省略。,光纤的作用是为光信号的传送提供传送媒介(信道)，将光信号由一处送到另一处。,中继器分为电中继器和光中继器(光放大器)两种，其主要作用就是延长光信号的传输距离。,广义光纤通信系统的基本组成,基本光纤传输系统的三个组成部分,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,电信号对光的调制的实现方式,直接调制,用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。,这种方案技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。,外调制,把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。,外调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用。 ,(a),直接调制；,(b),间接调制,(,外调制,),2.,光纤线路,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,0.85 m,、,1.31 m,和,1.55 m,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，,1.55 m,的损耗已达到,0.154 dB/km,， 接近石英光纤损耗的理论极限。,0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5,衰减（,dB/km,）,第一窗口,第二窗口,波长,（,m,）,普通单模光纤的衰减随波长变化示意图,6 5 4 3 2 1,0,。,4,0,。,2,第三窗口,C,波段,15251565nm,1.57 1.62,L,波段,3,、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,BER10,-9,条件下，所要,求的最小平无接收功率。,检测方式：,直接检测,和,外差检测,1.3.2 光纤通信系统的分类,根据调制信号的类型，光纤通信系统可以分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统。,根据光源的调制方式，光纤通信系统可以分为直接调制光纤通信系统和间接调制光纤通信系统。,根据光纤的传导模数量，光纤通信系统可以分为多模光纤通信系统和单模光纤通信系统。,根据系统的工作波长，光纤通信系统可分为短波长光纤通信系统、长波长光纤通信系统和超长波长光纤通信系统。,