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1、第一章第一章 概概 论论1.1 光纤通信发展的历史和现状光纤通信发展的历史和现状1.2 光纤通信的优光纤通信的优点和应用点和应用1.3 光纤通信系统的组成和分类光纤通信系统的组成和分类1.1 1.1 光纤通信发展的历史和现状光纤通信发展的历史和现状1.1.1 1.1.1 探索时期的光通信探索时期的光通信 中中国国古古代代用用“烽烽火火台台”报报警警，欧欧洲洲人人用用旗旗语语传传送送信信息息，这这些些都都可可以以看看作作是是原原始始形形式式的的光光通通信信。望望远远镜镜的的出出现现，又又极极大大地地延延长长了了这这种种目目视视光光通通信信的距离。的距离。1880年年，贝贝尔尔发发明明了了第第一一
2、个个光光电电话话，这这一一伟大的发明，可以说是现代光通信的开端。伟大的发明，可以说是现代光通信的开端。图图1.1 贝尔电话系统贝尔电话系统贝贝尔尔光光电电话话和和烽烽火火报报警警一一样样，都都是是利利用用大大气气作作为为光光通通道道，光光波波传传播播易易受受气气候候的的影影响响，在在大大雾雾天天气气，它它的的可可见见度度距距离离很很短，遇到下雨下雪天也有影响。短，遇到下雨下雪天也有影响。在这个时期，美国麻省理工学院利用气在这个时期，美国麻省理工学院利用气体激光器进行大气光通信实验。实验证体激光器进行大气光通信实验。实验证明用承载信息的光波通过大气的传播实明用承载信息的光波通过大气的传播实现点对
3、点的通信是可行的。但同时也发现点对点的通信是可行的。但同时也发现了一些大气光通信稳定性、可靠性方现了一些大气光通信稳定性、可靠性方面的问题。面的问题。在这之后对于远距离光通信的研究就从在这之后对于远距离光通信的研究就从两个方面展开：一个是足够强度的光源，两个方面展开：一个是足够强度的光源，另一个就是合适的传输介质。另一个就是合适的传输介质。光源方面：光源方面：1970年，美国贝尔实验室、日本电气公司和苏联年，美国贝尔实验室、日本电气公司和苏联先后研制成功室温下连续工作的镓铝砷双异质结先后研制成功室温下连续工作的镓铝砷双异质结半导体激光器。半导体激光器。1973年，半导体激光器寿命达到年，半导体
4、激光器寿命达到7000小时。小时。1977年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到到10万小时，外推寿命达到万小时，外推寿命达到100万小时。万小时。1976年，日本电报电话公司研制成功年，日本电报电话公司研制成功1.3 m的铟的铟镓砷磷激光器。镓砷磷激光器。1979年，美国电报电话公司和日本电报电话公司年，美国电报电话公司和日本电报电话公司研制成功研制成功1.55 m的连续振荡半导体激光器。的连续振荡半导体激光器。在在大大气气光光通通信信受受阻阻之之后后，人人们们将将研研究究的的重重点点转转入入到到地地下下光光波波通通信信的的实实验验，先先后后出出现现过
5、过反反射射波波导导和和透透镜镜波波导导等等地地下下通通信的实验，如图信的实验，如图1.2所示。所示。图图1.2 反射波导和透镜波导反射波导和透镜波导 1966年年，英英籍籍华华人人高高锟锟和和霍霍克克哈哈姆姆发发表表了了关关于于传传输输介介质质新新概概念念的的文文章章，指指出出了了利利用用光光纤纤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途径径。他他们们深深入入研研究究了了光光在在石石英英玻玻璃璃纤纤维维中中的的严严重重损损耗耗问问题题，发发现现这这种种光光损损耗耗的的主主要要原原因因是是其其中中含含有有过过量量的的铬铬、铜铜、铁铁与与锰锰等等金金属属离离子子和和其其他他杂杂质质，
6、其其次次是是拉拉制制光光纤纤时时工工艺艺技技术术造造成成了了芯芯、包包层层分分界界面面不不均均匀匀。因因此此有有可可能能通通过过原原料料的的提提纯纯和和制制造造工工艺艺的的改改进进来来缩缩小小损损耗。耗。1970年美国的康宁公司拉出了第一根损耗为年美国的康宁公司拉出了第一根损耗为20dB/km的光纤。的光纤。1972年年，康宁公司的光纤损耗降低到，康宁公司的光纤损耗降低到4dB/km。1973年，美国贝尔实验室光纤损耗为年，美国贝尔实验室光纤损耗为2.5dB/km.1976年年，日日本本电电话话电电报报公公司司将将光光纤纤损损耗耗降降低低到到0.47dB/km（波长（波长1.2 m）。）。19
7、79年年，日日本本电电话话电电报报公公司司1.55m的的光光纤纤损损耗耗为为0.2dB/km，1984年年是是0.157dB/km，1986年年是是0.154dB/km。1.1.2 1.1.2 光纤通信光纤通信 从从1966年开始，光纤通信经历了四个重要阶段：年开始，光纤通信经历了四个重要阶段：第一阶段：从基础研究到商业应用的开发时期。第一阶段：从基础研究到商业应用的开发时期。短波长短波长(0.85 m)低速率的多模光纤通信系统，无中低速率的多模光纤通信系统，无中继通信距离为继通信距离为10km左右。左右。第二阶段：以提高传输速率和增加传输距离为目第二阶段：以提高传输速率和增加传输距离为目标的
8、大力发展时期。长波长标的大力发展时期。长波长1.31 m的激光器，单的激光器，单模光纤，无中继通信距离为模光纤，无中继通信距离为50-100km左右。左右。第三阶段：全面深入开展新技术研究时第三阶段：全面深入开展新技术研究时期。长波长期。长波长1.55m1.55m的激光器，单模光纤，的激光器，单模光纤，无中继通信距离可达无中继通信距离可达100-150km100-150km。第四阶段：实现了超大容量的第四阶段：实现了超大容量的WDMWDM光纤通光纤通信系统及基于信系统及基于WDMWDM和波长选路的光网络，和波长选路的光网络，正在研究超长距离的光孤子通信系统。正在研究超长距离的光孤子通信系统。1
9、.1.31.1.3国内外光纤通信发展的现状国内外光纤通信发展的现状光纤价格不断下降，应用范围不断扩大光纤价格不断下降，应用范围不断扩大在许多发达国家生产光纤通信产品的行业已经在许多发达国家生产光纤通信产品的行业已经在国民经济中占重要地位，在国民经济中占重要地位，据工信部日前发布的统计公报显示，据工信部日前发布的统计公报显示，20122012年，年，我国光缆线路长度净增我国光缆线路长度净增267267万公里，达到万公里，达到14811481万公里，接近万公里，接近15001500万公里万公里。1.1.1.1.4 4 光纤通信的发展趋势光纤通信的发展趋势 光纤通信的发展以大容量、远距离传输为目光纤
10、通信的发展以大容量、远距离传输为目的，以实现五个转变为手段，即：的，以实现五个转变为手段，即：从短波长系从短波长系统向长波长系统转变，从多模光纤向单模光纤统向长波长系统转变，从多模光纤向单模光纤转变，从低速系统向高速系统转变，从准同步转变，从低速系统向高速系统转变，从准同步数字系列向同步数字系列转变，从点对点传输数字系列向同步数字系列转变，从点对点传输向光纤到户网络系统转变。向光纤到户网络系统转变。1.2 1.2 光纤通信的优点和应用光纤通信的优点和应用1.2.1 1.2.1 光纤通信的优点光纤通信的优点1.容许频带宽，传输容量大容许频带宽，传输容量大 光光纤纤通通信信是是以以光光纤纤为为传传
11、输输媒媒介介，光光波波为为载载波波的的通通信信系系统统，其其载载波波光光波波具具有有很很高高的的频频率率(约约1014Hz)，因此光纤具有很大的通信容量。因此光纤具有很大的通信容量。2.2.损耗低、中继距离长且误码率很小损耗低、中继距离长且误码率很小 目前，实用的光纤通信系统使用的光纤多目前，实用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光纤，此类光纤在为石英光纤，此类光纤在1.551.55mm波长区的损耗波长区的损耗可低到可低到0.180.18dB/kmdB/km，比已知的其他通信线路的损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耗都低得多，因此，由其组成的光纤通信系统的中继距离
12、也较其它介质构成的系统长得多。的中继距离也较其它介质构成的系统长得多。3.抗电磁干扰性能好抗电磁干扰性能好 电电话话线线和和电电缆缆一一般般是是不不能能跟跟高高压压电电线线平平行行架架设设的的，也也不不能能在在电电气气铁铁化化路路附附近近铺铺设设。而而无无金金属属光光缆缆非非常常适适合合架架设设在在这这些些场场合合。同同时时光光缆缆不不受受普通高、低频电磁场的干扰和闪电雷击的破坏。普通高、低频电磁场的干扰和闪电雷击的破坏。4.4.泄露小、保密性能好泄露小、保密性能好 对对通通信信系系统统的的重重要要要要求求之之一一是是保保密密性性好好。随随着着科科学学技技术术的的发发展展，电电通通信信方方式式
13、很很容容易易被被人人窃窃听听：只只要要在在明明线线或或电电缆缆附附近近(甚甚至至几几公公里里以以外外)设设置置一一个个特特别别的的接接收收装装置置，就就可可以以获获取取明明线线或或电缆中传送的信息，更不用去说无线通信方式。电缆中传送的信息，更不用去说无线通信方式。5.体积小，重量轻体积小，重量轻6.节约金属材料，有利于资源合理利用节约金属材料，有利于资源合理利用1.2.2 1.2.2 光纤通信的缺点光纤通信的缺点光纤通信有许多优点，因而发展很快，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。但光纤通信也有以下缺点。1.抗拉强度低抗拉强度低 2.光纤连接困难光纤连接困难 3.光纤怕水
14、光纤怕水1.2.3 1.2.3 光纤通信的应用光纤通信的应用通信网通信网计算机局域网和广域网计算机局域网和广域网有线电视网的干线和分配网有线电视网的干线和分配网综合业务光纤接入网，分为有源接入网和无源综合业务光纤接入网，分为有源接入网和无源接入网。接入网。1.3 1.3 光纤通信系统的组成和分类光纤通信系统的组成和分类1.3.1 1.3.1 光纤通信系统的组成光纤通信系统的组成光光纤纤通通信信系系统统是是以以光光纤纤为为传传输输媒媒介介，光光波波为为载载波波的的通通信信系系统统。主主要要由由光光发发射射机机、光光纤纤线线路路和和光接收机光接收机组成。组成。光光发发射射机机的的作作用用是是将将电
15、电信信号号转转换换为为光光信信号号，并并用用耦耦合合技技术术把把光光信信号号最最大大限限度度地地注注入入光光纤纤线线路路。光发送机一般由光源、驱动器和调制器构成。光发送机一般由光源、驱动器和调制器构成。1.3.1 1.3.1 光纤通信系统的组成光纤通信系统的组成光光接接收收机机的的作作用用是是把把光光纤纤线线路路输输出出、产产生生畸畸变变和和衰衰减减的的微微弱弱光光信信号号转转换换为为电电信信号号，并并由由电电接接收收机机放放大大处处理理后后恢恢复复成成基基带带信信号号。它它一一般般由由光光电检测器、放大器和相关电路组成。电检测器、放大器和相关电路组成。1.3.1 1.3.1 光纤通信系统的组
16、成光纤通信系统的组成光光纤纤线线路路的的功功能能是是把把来来自自光光发发射射机机的的光光信信号号以以尽尽可可能能小小的的畸畸变变和和失失真真传传输输到到光光接接收收机机。光光纤纤线线路路由由光光纤纤光光缆缆和和中中继继器器构构成成。光光纤纤光光缆缆的的作作用用是是为为光光信信号号的的传传送送提提供供传传送送媒媒介介。中中继继器器分分为为电电中中继继器器和和光光中中继继器器(光光放放大大器器)两两种种，其其主主要作用就是延长光信号的传输距离。要作用就是延长光信号的传输距离。1.3.2 1.3.2 光纤通信系统的分类光纤通信系统的分类根据根据调制信号的类型调制信号的类型，光纤通信系统可以分为，光纤
17、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。模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统。根据根据光源的调制方式光源的调制方式，光纤通信系统可以分为，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直接调制光纤通信系统和间接调制光纤通信系统。统。根据根据光纤的传导模数量光纤的传导模数量，光纤通信系统可以，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。分为多模光纤通信系统和单模光纤通信系统。根据根据系统的工作波长系统的工作波长，光纤通信系统可分为，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。和超长波长光纤通信系统。习习 题题光纤通信系统有哪些优点？光纤通信系统有哪些优点？光纤通信系统由哪几部分组成？简述各部分作光纤通信系统由哪几部分组成？简述各部分作用。用。光纤通信发展的五个手段是什么？光纤通信发展的五个手段是什么？光纤通信系统先后经历了哪几个阶段？光纤通信系统先后经历了哪几个阶段？假设数字通信系统能够在高达假设数字通信系统能够在高达1%1%的载波频率的的载波频率的比特率下工作，试问在比特率下工作，试问在5GHz5GHz的微波载波和的微波载波和1.55 1.55 mm的光载波上能传输多少的光载波上能传输多少64kb/s64kb/s的话路？的话路？