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1、第二部分 现代典型的通信技术2.1 2.1 光纤通信光纤通信光纤通信概述n n光纤光纤：光导纤维的简称：光导纤维的简称n n光通信光通信：是指利用光波载送信息，从而：是指利用光波载送信息，从而实现通信的方式。实现通信的方式。n n光纤通信光纤通信：是指利用光导纤维做媒体，：是指利用光导纤维做媒体，用光波来载送信息的通信方式。用光波来载送信息的通信方式。一、光纤通信发展简介1、光纤光纤n n1966年，英籍华人高锟和霍克哈姆从年，英籍华人高锟和霍克哈姆从理论理论上上证明了用玻璃可以制成衰减为证明了用玻璃可以制成衰减为20dB/km的的通信光导纤维。通信光导纤维。n n1970年，美国康宁玻璃公司
2、首先年，美国康宁玻璃公司首先制造制造出衰减出衰减为为20dB/km的光纤。的光纤。n n1974年，光纤的衰减已降低到年，光纤的衰减已降低到2dB/km；n n1980年，长波长窗口（）的衰减低达，接近年，长波长窗口（）的衰减低达，接近理论值。理论值。2、光源光源n n要实现光纤通信，还需要有适当的光源。要实现光纤通信，还需要有适当的光源。n n1970年，研制出在室温下连续运行的年，研制出在室温下连续运行的激激光器和发光二极管光器和发光二极管；特别是长波长（、）；特别是长波长（、）激光器和发光二极管的研制成功，为实激光器和发光二极管的研制成功，为实现光纤通信奠定了基础。现光纤通信奠定了基础。
3、3、光通信系统、光通信系统n n第一代光通信系统第一代光通信系统：1977年，在美国芝加年，在美国芝加哥，距离哥，距离7公里的电话局间首次实现了光公里的电话局间首次实现了光通信传输系统，光波长为。通信传输系统，光波长为。n n第二代光通信系统第二代光通信系统：1981年，实现了局间年，实现了局间使用多模光纤的通信系统。使用多模光纤的通信系统。n n第三代光通信系统第三代光通信系统：1984年，实现了局间年，实现了局间使用单模光纤的通信系统，广泛用于长使用单模光纤的通信系统，广泛用于长途和跨洋通信。途和跨洋通信。n n第四代光通信系统第四代光通信系统：80年代中期实现了年代中期实现了使用单模光纤
4、的通信系统。使用单模光纤的通信系统。现在，现在，SDH体制形成的光传送网被体制形成的光传送网被广泛使用。各种广泛使用。各种波分复用（波分复用（WDM）和光）和光时分复用（时分复用（OTDM）系统进一步提高了系统进一步提高了传输容量，相干光通信、光孤子通信和传输容量，相干光通信、光孤子通信和集成光学有了一定的进展。人们期待着集成光学有了一定的进展。人们期待着新一代光纤通信系统的实现新一代光纤通信系统的实现。二、光纤通信的特点 与电缆和微波等通信方式相比，光纤与电缆和微波等通信方式相比，光纤通信具有明显的优越性。通信具有明显的优越性。1、优点：、优点：（1）传输频带宽，通信容量大传输频带宽，通信容
5、量大n n粗略地讲，一根光纤传输数字信号的码速容量在粗略地讲，一根光纤传输数字信号的码速容量在粗略地讲，一根光纤传输数字信号的码速容量在粗略地讲，一根光纤传输数字信号的码速容量在理论上可达理论上可达理论上可达理论上可达40Tbit/s40Tbit/s（T=10T=101212）。）。）。）。n n最好的金属导线，可传输的数字信号的码速为最好的金属导线，可传输的数字信号的码速为最好的金属导线，可传输的数字信号的码速为最好的金属导线，可传输的数字信号的码速为400Mbit/s400Mbit/s。差。差。差。差5 5个数量级。个数量级。个数量级。个数量级。n n容量较微波通信可提高容量较微波通信可提
6、高容量较微波通信可提高容量较微波通信可提高10103 310104 4倍。倍。倍。倍。（2）传输损耗低，中继距离长。传输损耗低，中继距离长。（3）不受电磁干扰。不受电磁干扰。（4）保密性能好。）保密性能好。（5）线径细，重量轻。）线径细，重量轻。（6）光纤材料资源丰富。）光纤材料资源丰富。2、缺点、缺点：（1）质地脆，机械强度低质地脆，机械强度低（2）要有较好的切断、连接技术要有较好的切断、连接技术（3）分路、耦合比较麻烦。分路、耦合比较麻烦。三、光纤通信系统的组成 光纤通信系统主要组成：光纤通信系统主要组成：光发射机、光光发射机、光纤、光中继器、光接收机纤、光中继器、光接收机四部分组成。四部
7、分组成。光纤通信是双向的，因而，把光发射机和光纤通信是双向的，因而，把光发射机和光接收机做在一起，称光接收机做在一起，称光端机光端机。数据光端机光端机中继器中继器光端机光端机光纤光纤数据传输原理传输原理：光发射机光发射机将电信号变换成调制后的光信将电信号变换成调制后的光信号，经光纤传输，若传输距离长时，需号，经光纤传输，若传输距离长时，需利用利用中继器中继器放大信号，再继续传输。放大信号，再继续传输。光光接收机接收机把接收到的光信号转换成电信号，把接收到的光信号转换成电信号，再经放大、解调后还原为原信号输出。再经放大、解调后还原为原信号输出。四、光纤通信的应用与展望 干线传输干线传输1、光纤通
8、信主要应用、光纤通信主要应用 中继传输中继传输 接入传输接入传输2、光纤通信发展方向、光纤通信发展方向（1）高速大容量光通信系统。高速大容量光通信系统。（2）光纤接入网：以光纤到户为目标。光纤接入网：以光纤到户为目标。（3）应用掺铒光纤放大器应用掺铒光纤放大器：实验室内：实验室内10Gb/s信号传输信号传输9000km 不需光电转换的再生中继不需光电转换的再生中继器。器。n n光纤通信目前的研究目标光纤通信目前的研究目标：光纤光纤CDMA、光光ATM交换机、交换机、光孤子传输光孤子传输 光纤综合宽带接入技术。光纤综合宽带接入技术。、光纤的传输特性n n主要包括两个方面：主要包括两个方面：损耗特
9、性：信号在光纤中传输时的衰减。损耗特性：信号在光纤中传输时的衰减。色散特性：光纤中由于光脉冲对于不同频色散特性：光纤中由于光脉冲对于不同频 率成分有不同的传播速度而引率成分有不同的传播速度而引 起信号频带的展宽。起信号频带的展宽。1、光纤的损耗特性光纤的损耗特性 瑞利散射损耗瑞利散射损耗瑞利散射损耗瑞利散射损耗 固有损耗固有损耗 吸收损耗吸收损耗吸收损耗吸收损耗光损耗光损耗 波导结构不完善引起的损耗波导结构不完善引起的损耗波导结构不完善引起的损耗波导结构不完善引起的损耗 微弯损耗微弯损耗微弯损耗微弯损耗 附加损耗附加损耗 弯曲损耗弯曲损耗弯曲损耗弯曲损耗 连接损耗连接损耗连接损耗连接损耗（1）
10、瑞利散射损耗瑞利散射损耗：是指光与微小粒子相遇是指光与微小粒子相遇是指光与微小粒子相遇是指光与微小粒子相遇时，光将向各个方向散射的现象。由于光纤在拉时，光将向各个方向散射的现象。由于光纤在拉时，光将向各个方向散射的现象。由于光纤在拉时，光将向各个方向散射的现象。由于光纤在拉丝制造过程中，高温导致的密度分布不均匀和成丝制造过程中，高温导致的密度分布不均匀和成丝制造过程中，高温导致的密度分布不均匀和成丝制造过程中，高温导致的密度分布不均匀和成分的不规则将残留在光纤中，从而引起的传输损分的不规则将残留在光纤中，从而引起的传输损分的不规则将残留在光纤中，从而引起的传输损分的不规则将残留在光纤中，从而引
11、起的传输损耗。耗。耗。耗。（2）吸收损耗吸收损耗：是由光纤材料对光能的固有吸是由光纤材料对光能的固有吸是由光纤材料对光能的固有吸是由光纤材料对光能的固有吸收并转化成热能而产生的损耗收并转化成热能而产生的损耗收并转化成热能而产生的损耗收并转化成热能而产生的损耗。（3）波导结构不完善引起的损耗：波导结构不完善引起的损耗：实际的实际的实际的实际的光纤纤芯与包层的交界面并非理想光滑的圆柱面，光纤纤芯与包层的交界面并非理想光滑的圆柱面，光纤纤芯与包层的交界面并非理想光滑的圆柱面，光纤纤芯与包层的交界面并非理想光滑的圆柱面，而存在着非常微小结构的凹凸现象。这种不均匀而存在着非常微小结构的凹凸现象。这种不均
12、匀而存在着非常微小结构的凹凸现象。这种不均匀而存在着非常微小结构的凹凸现象。这种不均匀表面能将传输模转换成辐射模，使光纤损耗增加。表面能将传输模转换成辐射模，使光纤损耗增加。表面能将传输模转换成辐射模，使光纤损耗增加。表面能将传输模转换成辐射模，使光纤损耗增加。（4）微弯损耗：微弯损耗：光纤侧面受到不均匀的压力，光纤侧面受到不均匀的压力，光纤侧面受到不均匀的压力，光纤侧面受到不均匀的压力，使得光纤在轴向上发生微米极的弯曲，造成纤芯与使得光纤在轴向上发生微米极的弯曲，造成纤芯与使得光纤在轴向上发生微米极的弯曲，造成纤芯与使得光纤在轴向上发生微米极的弯曲，造成纤芯与包层界面的微小凹凸产生光辐射所形
13、成的损耗。包层界面的微小凹凸产生光辐射所形成的损耗。包层界面的微小凹凸产生光辐射所形成的损耗。包层界面的微小凹凸产生光辐射所形成的损耗。（5）弯曲损耗：弯曲损耗：即是光纤弯曲时所产生的损耗。即是光纤弯曲时所产生的损耗。即是光纤弯曲时所产生的损耗。即是光纤弯曲时所产生的损耗。（6）连接损耗：连接损耗：光纤连接时，两个纤芯之间必光纤连接时，两个纤芯之间必光纤连接时，两个纤芯之间必光纤连接时，两个纤芯之间必须完全吻合。以使接续达到完善和均匀一致。须完全吻合。以使接续达到完善和均匀一致。须完全吻合。以使接续达到完善和均匀一致。须完全吻合。以使接续达到完善和均匀一致。否否否否则光就不能完全射入到另一根光
14、纤的纤芯之中，从则光就不能完全射入到另一根光纤的纤芯之中，从则光就不能完全射入到另一根光纤的纤芯之中，从则光就不能完全射入到另一根光纤的纤芯之中，从而产生损耗。而产生损耗。而产生损耗。而产生损耗。n n以上以上6种损耗中，（种损耗中，（3）（6）的损耗大小）的损耗大小可认为与光波长完全无关。可认为与光波长完全无关。光纤损耗光纤损耗如图：如图：紫外吸收紫外吸收波导缺陷波导缺陷瑞利散射瑞利散射红外吸收红外吸收实测实测波长波长损耗损耗 常用的两个低损耗窗口：波长为，损耗常用的两个低损耗窗口：波长为，损耗为为0.4-0.5dB/km;波长为，损耗为波长为，损耗为0.1-0.2dB/km;2、光纤的色散
15、特性光纤的色散特性n n光纤色散光纤色散：是光纤通信的一个重要特性，：是光纤通信的一个重要特性，将使输入脉冲在传输过程中展宽。将使输入脉冲在传输过程中展宽。n n光纤色散对数字通信的影响光纤色散对数字通信的影响：产生码间干扰，产生码间干扰，增加误码率，增加误码率，限制通信容量限制通信容量 传输距离。传输距离。n n光纤色散分类光纤色散分类:模式色散模式色散：多模光纤中，不同模式在同一频多模光纤中，不同模式在同一频 率下，光的传输轨迹不同，从而率下，光的传输轨迹不同，从而 产生的色散产生的色散。材料色散材料色散：由于光纤材料本身的折射率随着频由于光纤材料本身的折射率随着频 率变化，信号各频率成分
16、的群速度率变化，信号各频率成分的群速度 不同，产生的色散。不同，产生的色散。波导色散波导色散：由于光纤的几何结构，形状等方面由于光纤的几何结构，形状等方面 的不完善，纤芯和包层均传光，产的不完善，纤芯和包层均传光，产 生的色散。生的色散。n n通常各种色散的大小顺序是：通常各种色散的大小顺序是：模式色散模式色散材料色散材料色散波导色散。波导色散。n n常规单模光纤在附近的材料色散和波导常规单模光纤在附近的材料色散和波导色散相互抵消，即色散为零，称为零色色散相互抵消，即色散为零，称为零色散波长。散波长。单模光纤的色散特性单模光纤的色散特性:d/ps材料色散材料色散总色散总色散波导色散波导色散波长
17、波长1.31um光纤通信器件一、一、光源光源 主要有两种主要有两种：半导体发光二极管（半导体发光二极管（LED）：）：发荧光发荧光 半导体激光器（半导体激光器（LD）：）：发激光发激光二、光发送机作用作用：实现电信号转换成光信号。实现电信号转换成光信号。组成组成：主要是由光源、电信号转换成光信主要是由光源、电信号转换成光信号调制电路、光源的驱动电路和其它的号调制电路、光源的驱动电路和其它的控制电路组成。控制电路组成。三、光电检测器和光接收机1、半导体光电检测器半导体光电检测器有两种：有两种：半导体光电二极管（半导体光电二极管（PIN）：）：当光入射在当光入射在P-N结上时，将产生许多电子结上时
18、，将产生许多电子空穴对，在电空穴对，在电场作用下，产生位移电流。场作用下，产生位移电流。半导体雪崩二极管（半导体雪崩二极管（APD）：）：需加高反偏需加高反偏电压，内部产生雪崩增益效应，有较大放电压，内部产生雪崩增益效应，有较大放大作用。大作用。四、光放大器 使光信号直接在光域中进行放大而使光信号直接在光域中进行放大而无需转换成电信号的放大器叫光放大无需转换成电信号的放大器叫光放大器，它具有高增益和高功率的放大能器，它具有高增益和高功率的放大能力，在各种不同的光波系统中均可得力，在各种不同的光波系统中均可得到应用。到应用。1、光放大器可分为、光放大器可分为：半导体光放大器半导体光放大器：利用能级间跃迁的受激现：利用能级间跃迁的受激现象进行光放大的。象进行光放大的。掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器：利用稀土金属离子作为激：利用稀土金属离子作为激光工作物质的一种放大器。掺杂物质有铒光工作物质的一种放大器。掺杂物质有铒（Er）、钕（）、钕（Nd）、镨（）、镨（Pr）等）等非线性光纤放大器非线性光纤放大器：利用光纤的非线性效应：利用光纤的非线性效应制成的。制成的。五、光无源器件五、光无源器件1、光纤连接器；光纤连接器；2、光纤的永久连接；、光纤的永久连接；3、光衰减器；、光衰减器；4、光隔离器；、光隔离器；5、光开关；、光开关；6、光耦合器；、光耦合器；7、光波分复用器件。、光波分复用器件。