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1、第第第第 1 1 页页X光纤通信光纤通信四川大学李珊君第第第第 2 2 页页X第1章 概述1.1 1.1 光纤通信的基本概念光纤通信的基本概念1.2 1.2 光纤通信的特点光纤通信的特点1.3 1.3 光纤通信的应用光纤通信的应用1.4 1.4 光纤通信系统的组成光纤通信系统的组成1.5 1.5 光学基础知识光学基础知识第第第第 3 3 页页X1 11 1 光纤通信的基本概念光纤通信的基本概念定义通信：从一地向另一地传输有用的信息。通信的三要素：l载波 l传输媒质 l光电转换接收光通信：利用光波来载送有用信息，实现通信。光纤通信 以光波作为传输信息的载波，以光纤作为传输介质的一种通信。第第第第
2、 4 4 页页X光通信的发展道路光通信的发展道路 （1）1880年，贝尔的光电话反反射射光光被被话话音音调调制制，反反射射的的“强强度度”随随着着话话音音的的变变化化而变化。而变化。缺点：理想的光源和媒质（大气）。缺点：理想的光源和媒质（大气）。第第第第 5 5 页页X（2 2）19601960年年 梅曼的激光梅曼的激光大气通信大气通信 （过了（过了8080年）年）背景：MaiMan发明了激光器缺点：距离较长或不良天气时，通信极不稳定甚至中断。第第第第 6 6 页页X大气传输光通信的缺点：气候对通信的影响十分严重，大雾时，通信几乎中断。大气气温的不均匀，以及大气湍流的影响，使光线发生漂移和抖动
3、，通信的信噪比恶劣，传输不稳定。大气传输通信设备设在高处，收发两端直线可见，这种地理条件使大气传输光通信的使用有局限性。第第第第 7 7 页页X（3）透镜波导和反射镜波导的光波传输 系统第第第第 8 8 页页X缺点：l安装的机械精度较高，轻微的振动和温度变化均会引起严重的影响。l将波导深理或选择人、车稀少的地区，以防止对波导的影响。l波导路由弯曲时需增加透镜和反射镜，弯度越大，增加愈大，光能的损耗也就越大，不能实用。第第第第 9 9 页页X（4）1970年（光纤通信的元年）光纤通信 1966年，英 籍 华 人 高 锟 博 士（）和Hockman预见利用玻璃制成衰减为 20db/km的通信光导纤
4、维1970年美国康宁公司马勒博士等三人组研制出损耗为20 db/km 的光纤。GaAlAs半导体激光器也在同年实现了室温下连续工作。第第第第 1 10 0 页页X光纤通信的研究光纤通信的研究（1）光纤的材料（a）石英：衰减小，性能稳定，强度大，被广泛采用。（b）多组份玻璃：塑料，工艺简单经济，但衰减较大，用于短距离光纤通信。（c）液体（CCL4）光纤：液体折射率受温度影响，工艺复杂，强度不好。第第第第 1 11 1 页页X*实现光纤的长距离传输，必须减小光纤的衰减。1974年：降低玻璃内的过渡金属杂质离子（主要因素），2db/km。1976年：降低OH（影响严重），出现了低衰减的长波长窗口，1
5、.55 m 1979年：接近理论值，使长距离的光纤通信成为可能。（2）实现光纤的长距离传输第第第第 1 12 2 页页X（3）实现大容量的通信 单模光纤：带宽宽，纤径细（几微米），工艺要求高，70年代难以达到。多模光纤：模式之间有光程差 色散大光纤的带宽不宽。自聚焦光纤：即渐变型光纤（1976年），改善了带宽1kMHz.公里。单模：80年代的制作工艺进步，带宽在几十千兆数百千兆赫.公里，超大容量的光纤通信成为可能。第第第第 1 13 3 页页X（4）需要适当的光源第第第第 1 14 4 页页X（5）光检测器适用于短波长的光申检测器 Si-PIN管 Si-APD管长波长的光电检测器 InGaAs
6、P/InP的PIN和APD管 GeAPD管第第第第 1 15 5 页页X1.1.4 光纤通信的发展方向光纤通信的发展方向 第一代光纤通信：短波长（）半导体光源和多模石英光纤，技术成熟，已在中小容量、中短距离的通信线路中推广使用。第二代光纤通信：长波长（）光纤和单模光纤，长途干线推广使用。第三代光纤通信：以超长波长（m以上）光纤、光集成和外差通信技术为代表的。第第第第 1 16 6 页页X光纤通信的发展方向：l大容量：可以提高光纤的传输速率，或采用波分复用系统（WDM.1m ，FDM 0.04m）副载波复用系统（SCM）。l长距离：采用外差相干光通信技术和超低损耗光纤加以实现。l超小型：利用光集
7、成和全光通信技术加以实现。l光集成：减少失真，复杂。全光：无需光电变换。WDA+EDFA第第第第 1 17 7 页页X我国的发展状况（1）1963年开始研究大气激光通信，1974年开始研究光纤通信，能自行生产多模及单模光纤，光缆，长、短波长光源和检测器件。三次群以下光纤系统已经商用，四次群系统已达实用化要求，五次群光纤系统已掌握了关键技术，800Mb/s光纤通信传输系统、相干光通信系统等基础应用已取得丰硕的成果，截止90年底，全部采用国产设备建设的光纤通信线路已达3800KM。第第第第 1 18 8 页页X我国的发展状况(2)（1）已敷设光缆的总长度超过了4.05*106Km，约7.582*1
8、07芯公里。微波线路2*105Km。（2）光纤通信是我国信息传送的主要手段，我国信息容量90%以上是通过光缆线路传送。（3）长途网逐步演变以10Gbit为基础的DWDM 系统占主导地位。10Gbit/s以太网进入商用，40Gbit/s以太网也已出现。研究80GE、100GE，探讨160Gbit/s发展的可能性。第第第第 1 19 9 页页X我国的发展状况(3)（4）核心网从10Gbit/s为基础的网络向40Gbit/s为基础的网络发展。a.已掌握40Gbit/s SDH光通信设备和系统的基本技术，在和光纤上的无再生传送距离均达到560km.b.传送网中容量最大的系统是160*10Gbit/s,
9、无再生距离达3040km.c.已掌握80*40Gbit/sDWDM系统的基本技术,无再生距离达800km.d.已掌握40Gbit/s SDH的ASON技术,发展方向是基于OTN的ASON,向全光网靠近.第第第第 2 20 0 页页X我国的发展状况(4)(5）光器件和光电器件:EDFA，40Gbit/s发射模块中的激光调制驱动器和PIN/TIA组件、光收发模块、高速啁啾光纤光栅色散补偿器等.(6）城域网：基于SDH的MSTP向基于WDM的MSTP发展。（基于DWDM的MSTP与OTN的ASON衔接更容易）。（7）光纤接入网：研究开发和生产起步较早，P2P和xPON用的器件成熟，且有大量出口。第第
10、第第 2 21 1 页页X1 12 2 光纤通信的特点光纤通信的特点一、传输频带宽，通信容量大传输频带宽，通信容量大二、传输损耗低，中继距离长二、传输损耗低，中继距离长三、不怕电磁干扰三、不怕电磁干扰四、保密性好，无串音干扰四、保密性好，无串音干扰 第第第第 2 22 2 页页X五五、光光纤纤尺尺寸寸小小,重重量量轻轻,利利于于敷敷设设和和运输运输 1M的线缆:18管同轴电缆11kg 同等容量光纤90g 光纤的芯径只有单管同轴电缆1/100，光缆8芯横截面直径约10mm 标准同轴电缆47mm第第第第 2 23 3 页页X六、节约有色金属和原材料六、节约有色金属和原材料 地球上含量丰富，蕴藏丰富
11、，制造1km光纤，40克高纯度石英1km，八管中同轴电缆耗铜120kg，铅500kg.七、抗腐蚀性能好、抗腐蚀性能好 第第第第 2 24 4 页页X13 光纤通信的应用通信网，包括全球通信网（公共电信网、专用通信网）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第第第第 2 25 5 页页X1 光纤通信系统的组成光纤通信系统的组成 第第第第 2 26 6 页页X 将将电电端端机机传传来来的的电电信信号号转转换换为为光光信信号号，并并将将光光信信号号耦耦合合到到光光纤纤或或光光缆缆中中传传输输，由驱动电路和光源组成（发光管LED或激光管LD）。（1 1）光发射机）光发射机
12、第第第第 2 27 7 页页X 直直接接调调制制：用电信号对半导体激光器或发光二极管的注入电流进行调制从而实现直接强度调制，设备简单，成本低，容易实现。间间接接调调制制（外调制）：将光源和调制器分开，调制速度高，调制对光源的工作不产生影响，但设备较为复杂，仅在要求很高的调制特性的情况下使用。两种调制方法：两种调制方法：第第第第 2 28 8 页页X 将将经经光光纤纤或或光光缆缆传传输输后后的的幅幅度度被被衰衰减减、波波形形被被展展宽宽的的微微弱弱光光信信号号转转变变为为电电信号，并放大处理恢复为原来的信号信号，并放大处理恢复为原来的信号。检测器检测器：短波长：Si-APD。长波长：eAPD、I
13、nGaAsP-APD以及 PIN。为提高灵敏度，使用PIN-FET。（2）光接收机光接收机 第第第第 2 29 9 页页X有两种方式：a）直接检波：单独使用光电检波器直接将光信号普通换为电信号（设备简单经济）b）外差检波方式：光接收机产生一个本地振荡光波，与光纤输出的光波信号在光混频器中差拍产生中频信号，经光电检波器变换为中频电信号。它提高接收机的灵敏度，但设备复杂。对光源的频率稳定度和光谱宽度要求很高。检波第第第第 3 30 0 页页X（）光光纤纤和和光光缆缆：将由发射机端光源发出的光信号，经远距离传输后耦合到接收机端的检测器，完成信息传输任务。（）（）中继机中继机：也称中继站，补偿光的衰减
14、，对波形失真的脉冲进行整形。（）（）光纤连接器、耦合器等无源器件光纤连接器、耦合器等无源器件：包括光纤连接器、光缆连接器、光隔离器、光开关、光分路耦合器、光衰减器和调制器等。第第第第 3 31 1 页页X1.5 1.5 光学基本知识光学基本知识1.5.1 1.5.1 光谱、光速和媒质折射率光谱、光速和媒质折射率1.5.2 1.5.2 反射、折射和全反射反射、折射和全反射 干涉和驻波干涉和驻波1.5.4 1.5.4 散射和吸收散射和吸收第第第第 3 32 2 页页X1.5.1 1.5.1 光谱、光速和媒质折射率光谱、光速和媒质折射率l光是一种电磁波，光频为1014HZ量级，波长为m 量级。l可见
15、光大约指0.4m 0.76m 波长范围的电磁波。第第第第 3 33 3 页页Xl 光通信采用的波长、和。即在电磁波近近红红外外区段区段。l通信容量与电磁波的频率成正比。l 光在真空中的速度是C=2.9979*108m/s，在空气中为C0=2.997*108m/s，在其它透明媒质中速度不一，但都比真空中的光速小。l 媒质折射率与光的波长有关，不同波长的光在同一媒质中的传输速度有差异。第第第第 3 34 4 页页X1.5.2 1.5.2 反射、折射和全反射反射、折射和全反射 ，全反射的条件：一、光波必须是由光密介质斜入射至光疏介质。二、光波的入射角，必需大于临界角c。古斯汉欣相移：即媒质中存在一定
16、的透入场，入射光线在平行于界面的方向有一定相移之后才沿反射方向射出。1.5.3 1.5.3 干涉和驻波干涉和驻波一干涉（1）光的干涉是指两种光在某区域相遇而形成阴暗交替条纹的现象。（2）如何产生相干光。（双缝干涉实验）。第第第第 3 39 9 页页X驻波现象：波在有限空间中传播，会受到该空间边界的反射，反射波与后续的入射波迭加可能产生驻波现象。条件：必须满足一条的幅值条件和相位条件（即腔长是半波长的整数倍，即回波反相）。二驻波二驻波第第第第 4 40 0 页页X1.5.4 1.5.4 散射和吸收散射和吸收光光的的粒粒子子性性把向前传播的光束看作无数同向运动的光子。光在介质中传输会发生损耗，有两
17、种可能：吸收吸收是光子的能量传给了介质，从而光子消失。散射散射 光子改变了运动方向，偏离了原光束。第第第第 4 41 1 页页X引起散射的因素是介质材料的密度分布不均匀介质材料的密度分布不均匀。瑞利散射瑞利散射：（1）散射光的波长与原传输光相同；（2）散射光子的出射方向在各个方向上机会均等；（）散射光强与入4成反比。一散射一散射第第第第 4 42 2 页页X第第第第 4 43 3 页页X（1）电子吸收光子的能量被电子吸收，而电子得以从低能级跃迁到高能级。*光电效应即是电子跃迁过程发生在半导体材料的价带与导带之间。（2）热吸收光子的能量被介质中的微观粒子吸收，使其运动加剧，动能增加，其宏观效应是介质的温度增加。*可分为原子吸收、分子吸收和离子吸收。二吸收二吸收第第第第 4 44 4 页页X请同学理解下面一段话。吸收过程的发生具有很强的选选择择性性，例如电子吸收只能在光能量恰好等于电子所能跃迁的能级差时才能发生。因此决定了具具体体的的光光电电材材料料具具有有一一定定的的波波长长响响应应范范围围，各种微观粒子吸收光子能量是按照本身的固有频率进行选择的，也就是说，不同的微观粒子只吸收特定波长的光子能量，微观粒子的区别主要表现为质量不同。第第第第 4 45 5 页页X本章要求光通信、光纤通信的概念光纤通信的主要特点光纤通信的组成及各部分的作用