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1、课程名称：光课程名称：光 纤纤 通通 信信教学内容教学内容第一讲光纤通信系统概述第二讲光纤和光缆第三讲光纤通信器件第四讲光源和光发射机第五讲光探测和光接收机第六讲光放大器第七讲光传输系统第八讲系统设计第一章第一章 概述概述1.1光纤通信技术发展1.1.1光纤通信史回顾古老的光通信设备古老的光通信设备-烽火台烽火台光通信是利用光波作为载光通信是利用光波作为载波来传递信息的。波来传递信息的。广义地说，用光传递信息广义地说，用光传递信息并不是什么新鲜的事。早并不是什么新鲜的事。早在公元两千多年以前，我在公元两千多年以前，我们的祖先就在都城和边境们的祖先就在都城和边境堆起一些高高的土丘，遇堆起一些高高
2、的土丘，遇到敌人入侵，就在这些土到敌人入侵，就在这些土丘上燃起烟火传递受到入丘上燃起烟火传递受到入侵的信息，各地诸侯看见侵的信息，各地诸侯看见烟火就立刻领兵来救援。烟火就立刻领兵来救援。其中还有著名的其中还有著名的“周幽王周幽王烽火戏诸侯烽火戏诸侯”的故事。这的故事。这种土丘就叫烽火台，它就种土丘就叫烽火台，它就是一种古老的光通信设备。是一种古老的光通信设备。1.1.1光纤通信史回顾-古老的光通信古老的光通信利利用用“光光”的的问问题题：向向四四面面八八方方散散射射时时，光强减弱和不能通过障碍物的问题光强减弱和不能通过障碍物的问题上上世世纪纪六六十十年年代代初初，光光通通信信仅仅仅仅作作为为一
3、一种信号灯使用，如种信号灯使用，如:马路上的红绿灯马路上的红绿灯机场上的跑道标志灯机场上的跑道标志灯航标灯等等。航标灯等等。高锟提出光纤通信高锟提出光纤通信上上世世纪纪六六十十年年代代中中期期，光光通通信信的的应应用用发发生生了了根根本本的的变变化化。而而且且这这种种变变化化还还是是由由于于一一位中国人引起的，他就是高锟！位中国人引起的，他就是高锟！1966年年，英英籍籍华华人人、年年轻轻工工程程师师高高锟锟发发表表了了关关于于通通信信传传输输新新介介质质的的论论文文：他他指指出出利利用用光光导导纤纤维维进进行行信信息息传传输输的的可可能能性性和和技技术术途径，从而奠定了光纤通信的基础。途径，
4、从而奠定了光纤通信的基础。高高 锟锟-光纤通信发明家（左）光纤通信发明家（左）1998年年在英国在英国接受接受IEE(国国际电气际电气工程师工程师学会学会)授授予的奖予的奖章章高锟提出光纤通信高锟提出光纤通信在高锟早期的实验中，光纤的损耗约为在高锟早期的实验中，光纤的损耗约为3 000 dB/km，他指出这么大的损耗不是石英纤维本身的固有特性，他指出这么大的损耗不是石英纤维本身的固有特性，而是由于而是由于材料中的杂质离子的吸收材料中的杂质离子的吸收产生的。产生的。高锟指出，如果把材料中金属离子含量的比重降低到高锟指出，如果把材料中金属离子含量的比重降低到10 6以下，光纤损耗就可以减小到以下，
5、光纤损耗就可以减小到 10 dB/km。再通过改进制造工艺，提高材料的均匀性，可进一步再通过改进制造工艺，提高材料的均匀性，可进一步把光纤的损耗减少到几把光纤的损耗减少到几dB/km。这种想法很快就变成。这种想法很快就变成了现实。了现实。网络历史网络历史光网络光网络-电网络电网络虽然光网络的发展与电网络的发展相对独虽然光网络的发展与电网络的发展相对独立，但却又互相渗透，相互依存。由于技立，但却又互相渗透，相互依存。由于技术的限制，目前即使是光网络，也是由光术的限制，目前即使是光网络，也是由光纤链路和电节点构成的网络。纤链路和电节点构成的网络。1 最早的光电报最早的光电报2 电报电报3 电话电话
6、4 光电话光电话5 光纤光纤6光源光源7 光纤通信光纤通信沿着电网络发展沿着电网络发展和光网络发展两和光网络发展两根主线回顾一下根主线回顾一下人类通信的发展人类通信的发展史，以更好地理史，以更好地理解目前的网络状解目前的网络状况。况。1 最早的光电报最早的光电报 实际上，光网络的历史要早于电网络。实际上，光网络的历史要早于电网络。最早的光电报实验最早的光电报实验:1791年，法国人年，法国人Claude Chappe将一块两将一块两面分别刷成黑白两种颜色的木板不停地面分别刷成黑白两种颜色的木板不停地翻动，用了约四分钟的时间将一条包含翻动，用了约四分钟的时间将一条包含有九个法文单词的信息传递给他
7、在有九个法文单词的信息传递给他在10英英里（里（1英里公里英里公里）之外的兄弟。他的兄弟）之外的兄弟。他的兄弟利用望远镜和一个表达信息的密码本，利用望远镜和一个表达信息的密码本，将该信息接收了下来。将该信息接收了下来。最早的光电报最早的光电报在这之后的约在这之后的约90年间，光电报不断被改进年间，光电报不断被改进成为一个完整的通信系统。成为一个完整的通信系统。限制性：限制性：1 依赖于天气依赖于天气 2光电报的操作者必须受过专门光电报的操作者必须受过专门的训练，熟知庞大的密码本的内容的训练，熟知庞大的密码本的内容.因此，光电报并没有进入并改变普通市民因此，光电报并没有进入并改变普通市民的生活，
8、最终于的生活，最终于1881年被废弃。年被废弃。2 电报电报 在欧洲人致力于改进光电报的同时，美在欧洲人致力于改进光电报的同时，美国画家莫尔斯却在研究能够用电来传递国画家莫尔斯却在研究能够用电来传递信息的办法，并在信息的办法，并在1844年发明了真正意年发明了真正意义上的电报。在以后的几十年间，电报义上的电报。在以后的几十年间，电报成为人们进行信息交流的最主要的手段。成为人们进行信息交流的最主要的手段。3 电话电话文字信息文字信息-话音信号话音信号 1876年，贝尔发明了电话。从此，人类年，贝尔发明了电话。从此，人类用电进行通信的历史翻开了新的一页。用电进行通信的历史翻开了新的一页。电话（后话
9、）电话（后话）20世纪初期世纪初期 关键技术：绝缘金属地线和铜丝拉制技术的发明关键技术：绝缘金属地线和铜丝拉制技术的发明 解决问题：噪声和串扰问题解决问题：噪声和串扰问题 电话线路更便宜，电话已经成为一种技术，并遍及美电话线路更便宜，电话已经成为一种技术，并遍及美国国.20世纪世纪30年代年代 电报与电话在美国人生活中的地位完全颠倒了过来，电报与电话在美国人生活中的地位完全颠倒了过来，电话系统代替了电报系统。电话系统代替了电报系统。20世纪世纪60年代末年代末 电话机开始进入美国百姓家庭。电话机开始进入美国百姓家庭。4 光电话光电话1880年，曾经发明了电话的贝尔又发明了光电话年，曾经发明了电
10、话的贝尔又发明了光电话：他利用太阳光来传送话音。阳光被聚焦到一个反射镜他利用太阳光来传送话音。阳光被聚焦到一个反射镜上，当有声波传到反射镜表面时，反射镜就会振动，上，当有声波传到反射镜表面时，反射镜就会振动，导致反射光变化，这就相当于发射机通过反射光将导致反射光变化，这就相当于发射机通过反射光将声波信号发射出去；在接收端，一个硒片被用来接声波信号发射出去；在接收端，一个硒片被用来接收阳光，并将声波重现出来。收阳光，并将声波重现出来。贝尔的光电话应该说是现代自由空间光通信的雏形。贝尔的光电话应该说是现代自由空间光通信的雏形。4 光电话光电话 贝尔的光电话与前面的光电报有相似的缺贝尔的光电话与前面
11、的光电报有相似的缺点：点：系统工作依赖于天气条件，并且传输距离系统工作依赖于天气条件，并且传输距离很短。很短。5 光纤光纤1951年，荷兰科学家年，荷兰科学家Abraham Cornelis Sebastian Van Heel证明玻璃纤维的外涂证明玻璃纤维的外涂敷层有助于将光保持在纤维内部。后来敷层有助于将光保持在纤维内部。后来的光纤结构就是在此基础上发展起来的。的光纤结构就是在此基础上发展起来的。但是，当时光纤的损耗非常大，为但是，当时光纤的损耗非常大，为1dB/m。光纤的应用基本上局限于医学。光纤的应用基本上局限于医学领域。领域。光纤的进展情况光纤的进展情况1970年年光纤研制取得了重大
12、突破，美国康宁公光纤研制取得了重大突破，美国康宁公 司按照高锟的思路，生产出了司按照高锟的思路，生产出了损耗为损耗为20 dB/km 的石英光纤的石英光纤1972年年该公司生产的多模光纤损耗已下降到该公司生产的多模光纤损耗已下降到 4 dB/km 1973年年美国贝尔（美国贝尔（Bell）实验室生产的光纤损耗）实验室生产的光纤损耗 为为 2.5 dB/km 1974年年 已下降到已下降到 1.1 dB/km1976 日本日本 NTT 公司已减小到公司已减小到 0.47 dB/km80年代初年代初 单模光纤在波长单模光纤在波长 1550 nm 的损耗已降到的损耗已降到 0.2 dB/km，接近了
13、石英光纤的理论损耗极限。，接近了石英光纤的理论损耗极限。6光源光源-半导体激光器也发明了半导体激光器也发明了作作为为光光纤纤通通信信用用的的光光源源，半半导导体体激激光光器器也也发发明明了，并取得了实质性的进展。了，并取得了实质性的进展。1973 年半导体激光器的寿命是年半导体激光器的寿命是 7 000 小时小时1977 年年贝贝尔尔实实验验室室已已达达到到 10 万万小小时时，完完全全满满足实用化的要求。足实用化的要求。1979 美美国国 ATT 公公司司和和日日本本 NTT 公公司司又又研研制制成成功功了了长长波波长长（1550 nm）连连续续振振荡荡半半导导体体激激光光器。器。低低损损耗
14、耗光光纤纤和和连连续续振振荡荡半半导导体体激激光光器器的的研研制制成成功，是光纤通信发展的重要里程碑。功，是光纤通信发展的重要里程碑。激光和光纤的出现激光和光纤的出现光纤通信发展的前提光纤通信发展的前提激光：激光：无线电通信-无线电波作为相干光频电磁波；光通信-激光。激光像普通无线电波一样，可以进行调制和解调，可以把各种信号载到光波上发射出去而实现光通信。光纤：光纤：激光通信的主要障碍是气候因素的影响和大气层内信号的衰减。光导纤维的出现，使人们成功地解决了激光大气传输问题，使激光通信走上了稳步发展阶段。7光纤通信光纤通信现代意义上的光通信一直要等到现代意义上的光通信一直要等到20世纪世纪60年
15、年代有了强度很高、谱线很窄的光源和传输代有了强度很高、谱线很窄的光源和传输损耗很小的光纤以后才发展起来。损耗很小的光纤以后才发展起来。光纤通信光纤通信光纤技术在网络通信上应用的第一个例子光纤技术在网络通信上应用的第一个例子：1975年，英格兰的某一地区的警察部门年，英格兰的某一地区的警察部门的通信系统因雷电袭击而遭受到严重破的通信系统因雷电袭击而遭受到严重破坏。为了避免再受雷电打击和电力浪涌坏。为了避免再受雷电打击和电力浪涌的影响，一位警官建议当地标准电话和的影响，一位警官建议当地标准电话和电缆公司把该部门的通信系统用光纤连电缆公司把该部门的通信系统用光纤连接起来。该光纤通信系统的成功工作，接
16、起来。该光纤通信系统的成功工作，给了世人一个巨大的鼓舞。给了世人一个巨大的鼓舞。从此，世界各地不断地投资改进光纤技从此，世界各地不断地投资改进光纤技术。光纤通信开始了大发展的时代。术。光纤通信开始了大发展的时代。光纤通信光纤通信光纤通信技术比电通信技术有优越性光纤通信技术比电通信技术有优越性:1、带宽更宽、带宽更宽2、容量更大、容量更大3、传输距离更长、传输距离更长4、抗电磁干扰、抗电磁干扰5、尺寸小、尺寸小6、重量轻、重量轻致使电信部门首先采用这种新技术更新已有致使电信部门首先采用这种新技术更新已有的电缆传输系统，并建立了许多新的光纤的电缆传输系统，并建立了许多新的光纤线路。线路。光纤通信光
17、纤通信 在在1980年以前，美国和英国的电话公司已经在年以前，美国和英国的电话公司已经在大西洋底敷设了大西洋底敷设了7条连接欧美大陆的同轴电缆用条连接欧美大陆的同轴电缆用以两个大陆间的电话通信。以两个大陆间的电话通信。1988年，他们敷设的第年，他们敷设的第8条连接欧美大陆的大西条连接欧美大陆的大西洋海底通信线路不再是同轴电缆而是光缆，这洋海底通信线路不再是同轴电缆而是光缆，这条光缆能够同时传送条光缆能够同时传送40 000路电话。路电话。很快，这样一条线路的通信容量也不能满足需很快，这样一条线路的通信容量也不能满足需要，第要，第2条、第条、第3条光缆又相继被沉入大西洋洋条光缆又相继被沉入大西
18、洋洋底，担当起欧美大陆通信线路的重任。同样，底，担当起欧美大陆通信线路的重任。同样，在太平洋及其他大陆或国家，也发生着类似的在太平洋及其他大陆或国家，也发生着类似的事情。事情。光纤通信光纤通信早期的光纤通信系统早期的光纤通信系统 应用于脉码调制语音通信系统和图像的模应用于脉码调制语音通信系统和图像的模拟传输；随后光纤通信系统则用于拟传输；随后光纤通信系统则用于PCM语语音通信和图像的数字传输、长途干线传输音通信和图像的数字传输、长途干线传输及及CATV系统。系统。现代光纤通信系统现代光纤通信系统 对现有的点到点的传统的光纤通信系统提速，对现有的点到点的传统的光纤通信系统提速，采用采用WDM技术
19、实现高速、大容量的光网络、技术实现高速、大容量的光网络、电节点的通信网络。而未来的光通信技术电节点的通信网络。而未来的光通信技术将朝着采用光节点、具有光交换功能的全将朝着采用光节点、具有光交换功能的全光网络发展。光网络发展。光纤通信光纤通信光纤已经在电话通信网中占据了重要的地光纤已经在电话通信网中占据了重要的地位。光纤技术的优点不仅被电信公司所位。光纤技术的优点不仅被电信公司所利用，而且也被有线电视公司及计算机利用，而且也被有线电视公司及计算机网络运营商们所利用。网络运营商们所利用。现已安装使用的光纤通信系统，光纤现已安装使用的光纤通信系统，光纤长度有的很短，只有几米长长度有的很短，只有几米长
20、(计算机内计算机内部或机房内部或机房内)；有的又很长，如连接洲；有的又很长，如连接洲与洲之间的海底光缆。与洲之间的海底光缆。上世纪上世纪70年代以来，光纤通信的发展年代以来，光纤通信的发展速度之快令人震惊，可以说没有任何速度之快令人震惊，可以说没有任何一种通信方式可与之相比拟。光纤通一种通信方式可与之相比拟。光纤通信已变成所有通信系统的最佳技术选信已变成所有通信系统的最佳技术选择。择。世世界界光光纤纤产产值值从从 96年年 92 亿亿美美元元到到2002年年预计预计 198 亿美元，每亿美元，每 6 年翻一番年翻一番现现在在世世界界上上光光纤纤生生产产速速度度为为 3 200 km/小小时，即
21、每天生产的光纤可绕地球两周时，即每天生产的光纤可绕地球两周目前光纤产量每年递增目前光纤产量每年递增 2025%目目前前光光缆缆产产值值按按应应用用分分类类为为：本本地地通通信信51.25%，LAN等等 20.82%，干干线线 15.81%，CATV（75欧欧姆姆的的同同轴轴电电缆缆）8.6%，其它其它 3.5%世界光纤通信发展情况世界光纤通信发展情况数据业务爆炸式增长，数据业务爆炸式增长，光通信是唯一的出路光通信是唯一的出路世界上所有新建的干线通信系统均采用光纤。世界上所有新建的干线通信系统均采用光纤。由由于于波波分分复复用用技技术术和和光光纤纤技技术术的的突突飞飞猛猛进进，现现在在一一根根光
22、光纤纤上上的的传传输输容容量量每每 912个个月月就就翻翻一一番番。5Gb/s系系统统已已在在横横跨跨太太平平洋洋的的海海底底光光缆缆系系统统(TPC-5/6)中中使使用用。波波分分复复用用(WDM)系系统统也也在在海海底光缆系统上使用。底光缆系统上使用。2002年年阿阿尔尔卡卡特特在在 C 波波段段和和 L 波波段段成成功功地地进进行行了了10.2 Tb/s(256 42.7 Gb/s)距距离离为为 3 100 km 的传输试验。的传输试验。通信和计算机技术的发展，出乎许多通信和计算机技术的发展，出乎许多人的预料。电子传输设备速度的高速增人的预料。电子传输设备速度的高速增加只有光纤线路的容量
23、才能满足。加只有光纤线路的容量才能满足。硅数字器件速度充其量可达到硅数字器件速度充其量可达到 12 Gb/s，而镓砷器件的速度是硅器件的，而镓砷器件的速度是硅器件的 25 倍。倍。10 Gb/s 的高速集成电路已经开发出的高速集成电路已经开发出来，来，200 Gb/s 的晶体管和的晶体管和 40 Gb/s 的集的集成电路也已逐渐成熟。成电路也已逐渐成熟。在交换技术方面，电路交换逐渐被具有在交换技术方面，电路交换逐渐被具有路由器功能的分组交换所取代，最后的发展路由器功能的分组交换所取代，最后的发展趋势是实现光交换和电信网络的全光化。趋势是实现光交换和电信网络的全光化。由于光电技术的发展和逐渐成熟
24、，世界由于光电技术的发展和逐渐成熟，世界光纤市场和光电器件市场大幅增长，而市场光纤市场和光电器件市场大幅增长，而市场价格却急剧下降。光纤通信产业方兴未艾，价格却急剧下降。光纤通信产业方兴未艾，其旺盛的生命力令人振奋。其旺盛的生命力令人振奋。1.1.2 光纤通信的特（优）点光纤通信的特（优）点1.频带宽、传输容量大频带宽、传输容量大在在光光纤纤通通信信系系统统中中，作作为为载载波波的的光光波波频频率率比比电电波波频频率率高高得得多多，而而作作为为传传输输介介质质的的光光纤纤又又比比同同轴轴电电缆缆损损耗耗低低得得多多，因因此此相相对对于于电电缆缆或或微微波波通通信信，光光纤纤通通信信具具有有许许
25、多多独独特特的优点。的优点。电缆基本上只适用于数据速率较低的电缆基本上只适用于数据速率较低的LAN，距离较长的高速局域网（，距离较长的高速局域网（100Mb/s）和）和城域网（城域网（MAN）必须采用光纤。）必须采用光纤。光纤在光纤在 1 280 nm 1 620 nm的近红的近红外波段，具有外波段，具有 6个传输窗口，采用密集波个传输窗口，采用密集波分复用技术，这分复用技术，这 6 个窗口从理论上讲可个窗口从理论上讲可以提供多达以提供多达 10 000 个信道。个信道。过去，通信线路是信号传输的技术过去，通信线路是信号传输的技术瓶颈，但是自从使用光缆后，这个问题瓶颈，但是自从使用光缆后，这个
26、问题就不复存在了就不复存在了。全波光纤全波光纤光纤的传输带宽光纤的传输带宽当前运用的单模石英光纤，如，已经基本消除氢损，它们的传输带当前运用的单模石英光纤，如，已经基本消除氢损，它们的传输带宽，可以从宽，可以从1260nm到到1675nm，共有，共有415nm宽度。一般把这宽度。一般把这415nm宽度宽度划分成划分成O、E、S、C、L、U六个波段，具体划分方法如下；六个波段，具体划分方法如下；初始初始(O)波段波段 1260nm-1360nm 扩展扩展(E)波段波段 1360nm-1460nm 短短(S)波段波段 1460nm-1530nm 常规常规(C)波段波段 1530nm-1565nm
27、长长(L)波段波段 1565nm-1625nm 超常超常(U)波段波段 1625nm-1675nm 当前各国光纤通信大都运用在当前各国光纤通信大都运用在C与与L波段，而且仅使用其中的一小部分，波段，而且仅使用其中的一小部分，还有大部分频率未曾使用。还有大部分频率未曾使用。光多路传输技术光光多多路路传传输输技技术术是是充充分分挖挖掘掘光光纤纤带带宽宽潜潜力力、扩扩大大通通信信容容量量的的技技术术之之一一。采采用用多多路路传传输输技技术术可可以以充充分分利利用用光光纤纤带带宽宽，给给通通信信带带来来巨巨大大的的经经济济效益。效益。目目前前研研究究开开发发的的光光复复用用技技术术有有WDM、OTDM
28、和和 OCDM。目前目前 OTDM（光时分复用光时分复用）和和 OCDM（光光码分复用码分复用）均不成熟。均不成熟。WDMWDM和和常常规规的的光光通通信信系系统统的的比比较较2.损耗小、中继距离长损耗小、中继距离长电电缆缆的的损损耗耗明明显显大大于于光光纤纤，有有的的甚甚至至大大几几个个数数量量级级。因因此此，电电缆缆只只能能用用于于网网径径不不大大的的 LAN，网网径径较较大大的的 LAN 以以及及 MAN 只只能能使用光纤。使用光纤。采采用用分分布布式式喇喇曼曼放放大大技技术术，已已使使 32 波波 长长 40 Gb/s WDM系系统统的的无无中中继继距距离离达达到到 250 km。3.
29、重量轻、体积小重量轻、体积小由由于于电电缆缆体体积积和和重重量量较较大大，安安装装时时还还必必须须慎慎重重处处理理接接地地和和屏屏蔽蔽问问题题。在在空空间间狭狭小小的的场场合合，如如舰舰船船和和飞飞机机中中，这个弱点更显突出。这个弱点更显突出。然然而而，光光纤纤重重量量很很轻轻，直直径径很很小小，即即使使做做成成光光缆缆，在在芯芯数数相相同同的的条条件件下下，其其重重量量还还是是比比电电缆缆轻轻得得多多，体体积积也也小小得得多多。通通信信设设备备的的重重量量和和体体积积对对许许多多领领域域特特别别是是军军事事、航航空空和和宇宇宙宙飞飞船船等等方方面面的的应应用用，具具有有特特别别重重要要的意义
30、。的意义。在在飞飞机机上上用用光光纤纤代代替替电电缆缆，不不仅仅降降低低了了通通信信设设备备的的成成本本，提提高高了了通通信信的的质质量量，而而且且降降低低了了飞飞机机的的制制造造成成本本。分分析析表表明明，每每降降低低 12 kg，飞飞机机制制造造成成本本就就减减少少 27 万美元。万美元。4.抗电磁干扰性能好抗电磁干扰性能好光光纤纤由由电电绝绝缘缘的的石石英英材材料料制制成成，光光纤纤通通信信线线路路不不受受各各种种电电磁磁场场的的干干扰扰和和闪闪电电雷雷击击的的损损坏坏。所所以以无无金金属属加加强强筋筋光光缆缆非非常常适适合合于于存存在在强强电电磁磁场场干干扰扰的的高高压压电电力力线线路
31、路周周围围、油油田田、煤矿和化工等易燃易爆环境中使用。煤矿和化工等易燃易爆环境中使用。而电缆系统，在使用中至少可能遇到几种直接的电气危害而电缆系统，在使用中至少可能遇到几种直接的电气危害:(1)因电缆和部件上累积的静电放电因电缆和部件上累积的静电放电;(2)耦合到电缆系统上的高频电磁场耦合到电缆系统上的高频电磁场;(3)部件和接地点间的电位差。部件和接地点间的电位差。这这些些危危害害可可能能导导致致 LAN 部部件件甚甚至至联联网网计计算算机机的的损损坏坏。在在我我国国，已已有有不不少少 LAN 遭遭到到雷雷击击导导致致计计算算机机和和 LAN 部部件件损坏的情况。损坏的情况。5.泄漏小、保密
32、性好泄漏小、保密性好在在现现代代社社会会中中，不不但但国国家家的的政政治治、军军事事和和经经济济情情报报需需要要保保密密，企企业业的的经经济济和和技技术术情情报报也也已已成成为为竞竞争争对对手手的的窃窃取取目目标标。因此，通信系统保密性能是用户往往必须考虑的一个问题。因此，通信系统保密性能是用户往往必须考虑的一个问题。现现代代侦侦听听技技术术已已能能做做到到在在离离同同轴轴电电缆缆几几公公里里以以外外的的地地方方窃窃听听电电缆缆中中传传输输的的信信号号，可可是是对对光光缆缆却却困困难难得得多多。因因此此，要要求保密性高的网络不能使用电缆。求保密性高的网络不能使用电缆。在在光光纤纤中中传传输输的
33、的光光泄泄漏漏非非常常微微弱弱，即即使使在在弯弯曲曲地地段段也也无无法法窃窃听听。没没有有专专用用的的特特殊殊工工具具，光光纤纤不不能能分分接接，因因此此信信息息在在光光纤纤中中传传输输非非常常安安全全，对对军军事事、政政治治和和经经济济都都有有重重要要的的意意义。义。6节约金属材料，有利于资源节约金属材料，有利于资源合理使用合理使用制制造造同同轴轴电电缆缆和和波波导导管管的的金金属属材材料料，在在地球上的储量是有限的；地球上的储量是有限的；而而制制造造光光纤纤的的石石英英（SiO2）在在地地球球上上是是取之不尽的。取之不尽的。结结 论论总总之之，由由于于通通信信用用光光纤纤都都用用石石英英玻
34、玻璃璃和和塑塑料料制制成成，是是极极好好的的电电绝绝缘缘体体，而而且且光光信信号号在在光光缆缆中中传传输输时时不不产产生生泄泄漏漏，所所以以不不存存在在电电气气危危害害、电电磁磁干干扰扰、接接地地、屏屏蔽蔽和和保保密密性性差差等等问问题题。再再加加上上传传输输特特性性好好的的优优点点，使使光光纤纤成成为为迄今为止最好的信息传输媒质。迄今为止最好的信息传输媒质。因因此此，在在短短短短的的三三十十几几年年中中，获获得得了了迅迅速速的的发展，不管是在干线网上，还是在接入网上。发展，不管是在干线网上，还是在接入网上。1.1.3 光纤通信系统光纤通信系统光纤通信概念：光纤通信概念：通信是各种形式信息的有
35、效传递，为了实现这一通信是各种形式信息的有效传递，为了实现这一目的，需要相应的技术设备和传输介质。目的，需要相应的技术设备和传输介质。我们以调幅广播为例，话音信号经过话筒后我们以调幅广播为例，话音信号经过话筒后转变为电信号，然后借助于频率范围是转变为电信号，然后借助于频率范围是的载波，的载波，将信号将信号“装载装载”到载波上通过发射天线发送出去，到载波上通过发射天线发送出去，在接收端由接收天线再将其在接收端由接收天线再将其“卸载卸载”下来，这个下来，这个过程称为信号的调制和解调。调幅广播的传输介过程称为信号的调制和解调。调幅广播的传输介质是大气信道。质是大气信道。载波信号调制信号调制后波形解调
36、后波形AM信号的调制与解调信号的调制与解调而光纤通信则是用光作为信息的载而光纤通信则是用光作为信息的载体，以光纤作为传输介质的一种通信方体，以光纤作为传输介质的一种通信方式。它首先要在发射端将需传送的电话、式。它首先要在发射端将需传送的电话、电报、图像和数据等信号进行光电转换，电报、图像和数据等信号进行光电转换，即将电信号变成光信号，再经光纤传输即将电信号变成光信号，再经光纤传输到接收端，接收端将接收到的光信号转到接收端，接收端将接收到的光信号转变成电信号，最后还原成消息。变成电信号，最后还原成消息。光光纤纤通通信信系系统统用用来来连连接接一一些些节节点点，这这些些节节点点通通常常可可能能是是
37、交交换换机机、终终端端、计计算算机机、工工作作站站等等。光光纤纤通通信信系系统统可可分分为为三三类类：点点对对点点系系统统、一一点点对对多多点系统以及网络。点系统以及网络。在点对点系统中，可能是单向的，也可能是双向的。在点对点系统中，可能是单向的，也可能是双向的。在在一一点点对对多多点点(设设有有N个个工工作作站站)的的系系统统中中，其其中中站站1可可发发送送信信息息到到所所有有其其他他N 1个个站站，也也可可以以接接收收其其它它各各站站发发送送来来的的信信息息，但但其其他他各各站站之之间间不不能能相相互互通通信信。该该系系统统的的一一个个特特殊殊情情况况是是广广播播网网络络，即即一一个个站站
38、可可发发送送信信息息到到所所有其他有其他N 1个站。个站。点点对对点点系系统统和和一一点点对对多多点点系系统统仅仅仅仅是是网网络络的的特特例例。在在网网络络中中，每每个个站站可可以以与与其其他他任任一一个个站站进进行行通通信信，而而绝绝不不仅仅仅仅是是一一个个站站只只能能与与另另外外N 1个个站站通信。通信。光纤通信系统结构分类 基于光纤系统的三大网络基于光纤系统的三大网络由于历史发展的局限，世界范围内已经形成了以同轴电缆、双绞线等为主要传输介质的电话传输网电话传输网、计算机网计算机网和有线有线电视（电视（CATV）网）网，而且形成了“三网独立”的局面。光纤网络在上述三种网络中，很多地方采用了
39、光纤技术，构成光纤网络。因此，光纤网络从功能上来讲仍然可以按照电网络的分类来划分，即光纤计算机通信网光纤计算机通信网、光纤电话网光纤电话网和光纤有线电视网光纤有线电视网等光纤计算机通信网现代的计算机网络是在远程终端计算机系统的基础上，通过公用电话网公用电话网把计算机互连起来，并建立分层通信体系和相应的网络通信协议，使计算机之间的通信可靠。光纤计算机通信网用于计算机网络设备之间的通信连接线有铜双绞线、细同轴电缆、粗同轴电缆、光缆及微波、红外线和激光、卫星线路等无线传输媒体。以光纤光缆为传输介质的光网络特别适于作为计算机网络，这是因为要进行传输的数据信号在发射端只需进行一次电/光转换，在接收端进行
40、一次光/电转换就可以了。而在电话网中使用光网络时，在进行电/光转换之前必须先将模拟的话音信号转换为数字信号，在接收端首先进行光/电转换，然后再进行数/模转换才能得到模拟的话音信号。目前，构建互联网主要干线的高速通道使用的就是光纤。网网 络络 分分 类类传统上，以服务范围把网络分为三类传统上，以服务范围把网络分为三类:(1)光光纤纤局局域域网网LAN(Local Area Network)，服服务范围务范围 2 km，如以太网，信令环和信令总线，如以太网，信令环和信令总线;(2)光光 纤纤 城城 域域 网网 MAN(Metropolitan Area Network)，服服务务范范围围 100
41、km，如如电电话话本本地地交交换网或者有线电视换网或者有线电视)分配系统分配系统;(3)光光纤纤广广域域网网 WAN(Wide Area Network)，服服务务范范围围可可达达数数千千公公里里，如如开开放放系系统统互互连连国国际际网网络络等。等。局域网局域网局域网是连接一个较小区域内如一个办公大楼，一个工厂，一个学校的用户的网络。例如，一所大学的计算中心房间里，计算机在这一局域网中，与房间中所有其他的计算机相连，也与整栋建筑内的办公室的计算机相连。局域网中各个计算机间的连接一般是电缆，也有少数网络用光缆连接。在LAN中使用光纤的最大动力是光纤的巨大带宽，而不是比用铜缆能传输更远的距离。城域
42、网城域网城域网是为一个城市内的用户或为一个大城市内某一个城区的用户提供信息互连功能的网络。为保证网络运行的可靠性，MAN采用双光纤环结构。广域网广域网广域网连接的是不同城市甚至不同的国家的用户计算机。城域网和广域网可以通过公共电话交换网PSTN相连。单信道光纤通信系统构成单信道光纤通信系统构成电信号输入调制光源光放大器光检测器信号恢复电信号输出光发射机尾纤连接器光纤光纤接头盒光耦合器其它设备光接收机光纤接头盒连接器再生中继器尾纤光纤光纤光发射机的作用是把电信号转变为光信号注入光纤传输。光发射机的作用是把电信号转变为光信号注入光纤传输。光接收机的作用是把经光纤传输后的微弱光信号转变为光接收机的作
43、用是把经光纤传输后的微弱光信号转变为电信号，对其放大并解调出原基带信号。电信号，对其放大并解调出原基带信号。光中继器的作用是对经光纤传输衰减后的信号进行放大。光中继器的作用是对经光纤传输衰减后的信号进行放大。光中继器有光光中继器有光-电电-光中继器和全光中继器。光中继器和全光中继器。简简 化化 模模 型型光纤通信系统构成光纤通信系统构成-光发射机作用光发射机作用光光纤纤通通信信系系统统通通常常由由光光发发射射机机、光光纤纤、中中继继器器和和光接收机组成。光接收机组成。光光发发射射机机的的作作用用是是把把电电信信号号转转变变为为光光信信号号注注入入光光纤传输，它通常由复用器、调制器和光源组成。纤
44、传输，它通常由复用器、调制器和光源组成。复复用用器器的的作作用用是是把把多多路路信信息息信信号号复复用用为为时时分分复复用用（TDM）信号或频分复用（）信号或频分复用（FDM）信号。）信号。调调制制器器的的作作用用是是用用复复用用信信号号直直接接调调制制（IM）激激光光器器（LD）的的光光强强，或或通通过过外外调调制制器器调调制制 LD 的的相相位。位。光光源源是是把把电电信信号号转转换换为为光光信信号号，以以便便在在光光纤纤中中传传输。输。光接收机和中继器光接收机和中继器光光接接收收机机的的作作用用是是把把经经光光纤纤传传输输后后的的微微弱弱光光信信号号转转变变为为电电信信号号，对对其其放放
45、大大并并解解调调出出原基带信号。原基带信号。光光中中继继器器的的作作用用是是对对经经光光纤纤传传输输衰衰减减后后的的信信号号进进行行放放大大。光光中中继继器器有有光光-电电-光光中中继继器和全光中继器。器和全光中继器。如如需需对对业业务务进进行行分分出出和和插插入入，可可使使用用光光-电电-光中继器；光中继器；如如只只要要求求对对光光信信号号进进行行放放大大，则则可可以以使使用用光放大器。光放大器。光纤通信系统随着多模光纤发展到单模光纤，多模激光器发展到光纤通信系统随着多模光纤发展到单模光纤，多模激光器发展到单模激光器，从短波长系统发展到长波长系统，已经历了三代。单模激光器，从短波长系统发展到
46、长波长系统，已经历了三代。图图1.1.3 系统速率与无中继距离关系系统速率与无中继距离关系比特率比特率是指每秒传送的比特比特率是指每秒传送的比特(bit)数。单位为数。单位为 bps(Bit Per Second)，比特率越高，传送的数据越大。比特率越高，传送的数据越大。计算机中的信息都是二进制的计算机中的信息都是二进制的0和和1来表示，其中每一个来表示，其中每一个0或或1被称作被称作一个位，用小写一个位，用小写b表示，即表示，即bit（位）；大写（位）；大写B表示表示byte,即字节，一即字节，一个字节八个位，即个字节八个位，即1B8b。表示文件的大小单位，一般都使用字。表示文件的大小单位，
47、一般都使用字节（节（KB）来表示文件的大小。）来表示文件的大小。Kbps：首先要了解的是，：首先要了解的是，ps指的是指的是/s，即每秒。，即每秒。Kbps指的是网络速指的是网络速度，也就是每秒钟传送多少个千位的信息（度，也就是每秒钟传送多少个千位的信息（K表示千位，表示千位，Kb表示的表示的是多少千个位），为了在直观上显得网络的传输速度较快，一般公是多少千个位），为了在直观上显得网络的传输速度较快，一般公司都使用司都使用kb（千位）来表示，如果是（千位）来表示，如果是KBps，则表示每秒传送多少，则表示每秒传送多少千字节。千字节。1KBps8Kbps。ADSL上网时的网速是上网时的网速是51
48、2Kbps,如果转如果转换成字节，就是换成字节，就是512/864KBps(即即64千字节每秒）。千字节每秒）。在电信和计算中在电信和计算中,比特率比特率(有时书面有时书面bitrate)是位被传送通过收音机是位被传送通过收音机或导线的速度。或导线的速度。三代光纤通信系统的特点三代光纤通信系统的特点上上世世纪纪七七十十年年代代，第第一一代代光光纤纤通通信信系系统统是是使使用用渐渐变变多多模模光光纤纤的的短短波波长长（0.85 m）系系统统，光光源源采采用用发发光光二二极极管管(LED)，速速率率为为 34 Mb/s 或或 45 Mb/s，无无中中距距传传输输距距离离仅仅为（为（1020）km。
49、上上世世纪纪八八十十年年代代，第第二二代代光光纤纤通通信信系系统统使使用用单单模模光光纤纤的的 m（零零色色散散波波长长）系系统统，工工作作波波长长已已由由短短波波长长发发展展到到长长波波长长（m 和和 1.55 m），光光源源使使用用多多模模激激光光器器（LD），传传输输速速率率已已提提高高到到 140 Mb/s 和和 565 Mb/s，无无中中距距传传输输距距离已增加到（离已增加到（100150）km。上上世世纪纪九九十十年年代代以以来来，第第三三代代光光纤纤通通信信系系统统使使用用 m（的的损损耗耗为为，这这是是光光纤纤的的最最低低损损耗耗）的的单单模模光光纤纤，光光源源采采用用单单频频
50、 DFB（分分布布反反馈馈式式）激激光光器器和和外外调调制制技技术术，单单信信道道传传输输速速率率可可达达到到 2.5 Gb/s 和和 10 Gb/s 以以上上，采采用用色色散散补补偿偿技技术无中继传输距离已达到几百千米。术无中继传输距离已达到几百千米。全全电电网网络络，第第一一代代网网络络，节节点点用用电电缆缆互互连连在在一一起起，电电缆缆是是一一种种窄窄带带线线路路，它它的的容容量量有限；有限；电电光光网网络络，第第二二代代网网络络，用用一一段段段段光光纤纤取取代代电电缆缆后后构构成成的的网网络络，现现在在正正被被广广泛泛使使用用，因因节节点点内内仍仍是是对对电电信信号号进进行行交交换换，